206-煤层气瓦斯抽采液环泵排气工质气黄原胶液复挡分离器采用羽叶分离器升级改造技术方案

     本技术贴主要针对煤层气瓦斯抽采液环泵抽排工质常用气液分离复挡分离器采用羽叶分离器进行技术升级改造技术方案讨论。

        煤层气（煤矿瓦斯）抽采属于国家产业发展支持的兼具煤矿生产安全环保和新能源特质，已经形成产业。但由于瓦斯抽采技术难度大、能耗成本偏高，且井下瓦斯抽采系统运行安全风险高。传统技术核心工艺设备采用水环泵抽采，水环真空泵以水作为工作介质，以等温压缩方式进行抽排气，具有安全可靠的性能，因此被广泛应用于煤矿瓦斯抽采，但运行效率较低、能耗大。

       水环真空泵，最早是从德国西门子技术引进国内，经过一百余年的发展已成为一款成熟的产品。但水环真空泵高耗低效是亟需解决的难题，尤其用于煤层气抽采更是如是。国内一些大学和科研机构在原有工质水添加高分子提效剂如黄原胶，大幅降低瓦斯抽采泵的运行功耗，突破了水环真空泵高耗能、高耗水的技术瓶颈，并且将原来的开路系统改为闭路循环系统，节能率大幅提高，节能经济效益很是可观，促进我国水环真空泵产业升级换代，提升煤矿生产安全水平，社会效益也十分显著。附图即为其技术应用项目装置图片：

       由于工质液添加黄原胶等高分子提效剂，液环泵抽排气流必然携带不少高分子提效剂，需要对其进行捕集回用以降低运行成本。在闭环回路中采用的气液分离器是传统的复挡分离器，国内在上世纪中下叶以来常采用这种低造价简易旋流分离器，尤其在华东一带还有制作和使用。复挡分离器运行存在的主要问题是，低造价从而相应结构简单、分离性能低，导致高分子提效剂黄原胶跑损量大。下图即为其技术应用项目中采用的复挡分离器壳体图片1：

      该复挡分离器壳体俯视图如下：

       液环泵抽排出来的气液混合流体（实际上还有一些煤层气粉尘），进入上图复挡分离器。为了防止气流在液体排空时窜入工质液体管线，上图复挡分离器排液管设置有倒U型液封。请见其侧视图3：

        复挡分离器的气液混合流入口，设置在罐体中上部以切向进入壳体进行分离。由于流体在复挡分离器内旋流行程短，液体受重力作用流入分离器底部并从管体底部管道排液，而气流则上行至分离器罐体顶部从顶部排气管排出，罐体腰部往往设置检修人孔。下图是复挡分离器罐体剖视图：

       复挡分离器属于半经验分离设备，仅在国内使用，而在国外很少使用。复挡分离器，除却采用重力沉降分离外，流体也会产生一定程度旋流分离。但是，由于气液混合流旋流的理论行程只有3/4圈而实际旋流行程很难达到3/4圈，且以同心圆设置的每一组挡片的半径各不相同，流体旋转产生的分离作用和旋转行程各不相同，故其每一组挡片的分离效率各不相同，只能用于初级简单分离，无法完成精准定量分离。

       这里提供复挡分离器内件俯视图如下。从复挡分离器内件俯视图可以看到，一股气流切向进入复挡分离器后被分割成多组分别进入以同心圆设置的复挡旋流片。越靠近圆心的旋片，旋转半径越小，形成的离心因子越大，但运行压降越高，流体旋进行程越短而分离程度减小；越远离圆心的旋片，旋转半径越大，形成的离心因子越小，但运行压降越低，流体旋进行程越长而分离程度相应增加。因此，一对矛盾因素导致运行产生一种折衷结果，分离效果差。

       复挡分离器的分离效果差，差到什么程度？客户反馈说，他们要求分离后的排气残液量在1g/m^3气体，但实际运行分离后的气流残液量仍有20~30g/m^3,导致高分子提效剂损失量过大而运行成本有很大提升空间。

       现以华北某煤层气抽采项目添加高分子提效剂的液环泵抽排气复挡分离器实际运行状况为例进行分析讨论。基于客户提供的真空泵尾气排放工艺情况，来自真空泵尾气在工况温度45℃、工况表压5kPaG 条件下以流量220Nm^3/h从位于分离罐上部的直径为530mm入口管线切线进入尺寸ID1600mm*TL/TL2155mm原有复挡分离罐，经过复挡旋流分离和重力沉降分离后排放尾气。来自真空泵尾气，由空气、甲烷和水蒸汽等组成，尾气携带1100g/Nm^3黄原胶溶液，黄原胶溶液在前述工况下的密度为996kg/m^3且粘度为21cp。由于原有分离器气液分离运行效率不高，运行不稳定，导致排放气带液较严重。

       据客户反馈说，黄原胶溶液粘度为21cp是指十分理想状况下经过多次滤后的工质液。而现场实际工况下配置的黄原胶溶液，胶粒溶解和分散效果欠佳，尤其是北方冬季环境温度低，胶粒溶解和分散效果更差。因此，分离工况往往是气液固分离工况。
       这里以客户在实验室配置的黄原胶溶液倾倒过程以展示黄原胶工质液体粘度及胶粒溶解和分散情形，供大家了解和把握实际工况。

       针对上述工况，通过NOVEL精准动力学分离技术平台诊断得知：在上述工况及原有复挡分离器对应结构尺寸下，真空泵尾气在上述旋流分离中的运行效率仅有71.82%，真空泵尾气继续通过重力沉降和复挡旋流分离后，尾气残液率仍然高达14.97%，且尾气中液滴液沫上限残留尺寸达到140.05微米，排气会产生明显带液现象。

       原有复挡分离器分离运行效率低的主要原因，在于复挡·分离器内在结构决定其运行性能。首先，由于真空泵排气接近常压工况，要求原有分离器运行压降须尽量低以避免排气造成“憋压”而排放不畅。原有复挡分离器要保证低运行压降，则其运行气速不能大，进而要求分离器直径尺寸不能小。而对于旋流分离器而言，运行气速小而分离器直径大，恰恰从两个负面因素**削弱旋流分离器的运行效率。复挡分离器属于旋流分离器，在相同工况下，气流旋转直径越大，离心因子越小，分离效率越低。其次，上述原有复挡分离器切向入口直径达到530mm，占到原有分离器直径约1/3，导致从切向入口进入分离器的一部分尾气不能形成有效旋流分离。加之，切向入口距离旋流分离器上部封头过近，气流切向入口与气流出口过近，且缺少流场分隔内件，尾气”短路”达到分离器出口所占比例大。上述旋流分离器，更缺少动量反射要件结构。由于原有旋流分离器内在结构缺陷，致使原本旋流分离弱化为纯重力沉降分离。而重力沉降分离，同样属于动力学分离技术。由于原有分离器气流入口与气流出口距离过小，造成气流在原有旋流分离器内停留时间过短，致使重力沉降分离下落的液滴液沫还没有来得及足够时间沉降完成分离前，就随尾气从分离器出口流出，因而无法完成较为理想的重力沉降分离效果。第三，复挡分离器属于旋流分离器，其使用要求工况稳定，而客户告知其气流流速波动范围在160~260m^3/分钟，并不满足其基本运行条件。

       那采用常规丝网除沫器如何呢？如果在原有复挡分离器顶部布设分离效率最可靠的原装进口YORK 431标准的丝网除沫器，其同样难以实现理想分离效果。
       首先，黄原胶工质液体中胶粒溶解性和分散性不佳，胶粒会堵塞丝网，瓦斯气携带的粉尘也会在丝网上积聚逐渐堵塞丝网。
       第二，丝网除沫器分离过程的最终控制步骤，仍然是重力沉降分离步骤；且沉降时间不足是致命缺陷。
       第三，丝网分离器的内在结构和运行机制同样决定着其运行性能：1、从分离内件结构上看，丝网内件结构简单，缺少独立输送液流通道，气液二次返混明显。2、从分离运行机制上看，丝网分离内件依靠纤维丝“架桥”形成**小小不同孔径按高斯分布的“网格”以阻挡拦截方式进行分离，丝网内件中部分小孔径“网格”在有效拦截尾气液滴液沫的同时，而部分液滴则从部分大尺寸孔径“网格”漏过发生逃逸，气液分离效率不稳定。3、从气液混和流态流型上看，丝网内件分离下来的液流流向，与气流流向相同或相反，形成更明显 “返混”“二次携带”，很不利于气液分离。4、丝网分离等传统分离内件，只设有单独一级分离单元，对从大孔径“网格”逃逸的液滴液沫“漏网之鱼”无能为力。

       为了在真空液环泵尾气多变不稳定工况下既能有效分离脱除液滴液沫以避免排放气带液，NOVEL从专业动力学气液分离技术角度建议客户：采用真空液环泵专用羽叶分离器，以技术升级改造利旧原有复挡分离净化设备，提升其对多变工况下尾气气液分离处理性能，才能满足前述工况下实现高操作弹性、高效稳定分离等技术要求，有效捕集分离排放尾气携带的黄原胶工质液滴液沫。

      针对客户前述实际波动工况，通过NOVEL精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成的羽叶分离器设计性能数据如下：
1、工况气相流量，220Nm^3/h；
2、设计压力，0.5MPaG；
3、设计温度，100℃；
4、额定工况对应的运行压降，不超过0.94kPa (@OT45℃&OP5kPaG& 220 Nm^3/h）；
5、分离效率：99.99%脱除6.43微米以上液滴，出口气相残液量<0.88G/Nm^3；
6、操作弹性空间15%~130%；
7、羽叶分离器整体工程技术设计和把关：NOVEL总部。

        如下附件是针对客户前述实际波动工况通过NOVEL精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成的《羽叶分离器数图汇表》核心技术支撑证明文件：

       如下附件则是针对客户前述实际波动工况通过NOVEL精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台完成的《羽叶分离器工程工艺计算书》核心技术支撑证明文件：

       针对高带液量气流之净化分离情形，羽叶分离器已在石油化工、煤焦化工、油气开采处理与输送、精细化工、制药、造纸、冶金、制盐、环保及新能源领域类似工况中广泛应用。羽叶分离器，作为对传统简易分离设备的升级换代技术设备，其具有如下性能特点和比较优势：
        1、羽叶分离器，以NOVEL精准动力学分离技术设计系统平台为基础技术支撑完成可靠技术方案设计，其针对气流中液滴液沫的分离脱除效率高，通常能实现以99.9%以上高分离效率、定量精准脱除3-10微米及以上尺寸的液滴液沫。而传统分离器，难以对气液混合流体实现高效定量精准分离。
  
       2、羽叶分离器，对气液分离工况下的操作弹性更大，其操作弹性空间在15%~130%，即便在工况大幅波动情形下也具有优异的抗“虹吸”和防气流“短路”性能，确保气液分离效率。传统简易分离器，其操作弹性上限阀值在110%甚至更低，难以适应实际运行多工况条件。

       3、羽叶分离器，在相同工况和分离效率要求条件下，其分离器尺寸和占地更小。在相同工况和分离效率要求条件下，羽叶分离器直径和壁厚比传统分离器减小 30-40%；在相同工况和分离效率要求条件以及相同设备尺寸前提下，羽叶分离器处理能力又比传统分离器提高50%甚至更高。

       4、羽叶分离器，配置羽叶分离内件组设计成可拆装式结构，依靠气流自洁清洗，也可在大修期间酌情从人孔抽出设备壳体外清理，维护简单便捷。

        5、从羽叶分离专利技术设备运行工作曲线上看，该分离器在超长寿命周期内运行压降稳定，分离效率稳定，是满足质量管理体系要求的理想之选。