浅谈燃气加湿装置的应用

上海燃气崇明有限公司 俞黎笋

1 燃气加湿的历史背景

城市燃气化是提高城市人民生活质量和改善城市环境的重要措施之一，也是实现城市现代化和智慧化的重要组成部分。天然气作为一种优质、清洁、高效的城市能源，在改善我国城市的能源结构、加强环保、减少大气污染等各个方面都发挥着越来越大的作用。近年来随着天然气资源、技术的开发和利用，天然气在技术经济上优于人工煤气和液化石油气，应用越来越广泛，逐步替代人工煤气和液化石油气。

由于燃气气源技术和燃气管道技术等方面的历史原因，国内外大多数城市都经历了用铸铁管网输送人工煤气的发展过程，铸铁管因其耐腐蚀、使用寿命长、施工简单、不需要采取防腐措施等优点，在城市燃气事业发展的早期得到了广泛的应用。

在天然气大面积推广的今天，可否直接用原有铸铁管输送天然气、如何定位管网压力级别、管网系统是否需改造、铸铁管输送效率评估、有无泄漏的安全隐患等诸多技术问题需要认真研究和解决。

天然气属干燃气，没有人工煤气中的水分和芳香烃成分，因此在人工煤气被天然气置换后，铸铁管网的承插接口或机械接口处的密封材料内饱含的水分和芳香烃成分会随着天然气的不断传输逐渐失去，而导致干燥引发收缩变形，失去原有溶胀时的密封效果，存在燃气泄漏的安全隐患。人工煤气被天然气置换后，如果不对铸铁管网的承插接口或机械接口处的密封材料采取有力措施，必然会造成大面积多点燃气泄漏。防止人工煤气与天然气置换过程的铸铁管接口泄漏措施有很多方法，最有效的方法是更换管道，但这要受到管网铺设时间、材料采购成本、管沟开挖许可和可能性等诸多因素制约，根据国内外的实践经验，全部实现、或迅速实现没有可能，只能逐步完成，重点地区优先解决，有些可能长期无法解决，如香港特别行政区目前还有上百公里铸铁管网没有更新改造。

事实上，绝大部分铸铁管属于低压管网，全部集中在城市相对发达的中心城区，任何事故造成的环境污染、人身伤害、经济损失和负面影响都是无法估计的。

2 燃气管网加湿机理

加湿技术经过国外发达国家严格测试，被认为是防止管网泄漏的有效方法。结合国内管网系统结构的特殊性，必须注意含有芳香烃成分的加湿剂对聚乙烯(PE)管的溶胀作用。

燃气加湿并不是简单的向旧有铸铁管道中加水，国内外科技人员从实践中总结多种成功和失败的加湿方法，基本形成了一种有效的加湿技术理论，也生产了大量的加湿设备和几种有效的加湿剂。根据秦朝葵等人的《天然气加湿输送技术简介》，“中压燃气冷雾化加湿法”的理论依据是文丘里技术，加湿剂在一定压力的燃气引射下，通过文丘里喷嘴携带加湿剂通过喷嘴雾化成20 μm左右的雾滴进入低压燃气管网，使天然气中含有一定的加湿剂，其性能接近人工煤气的含“湿”量，达到溶胀铸铁管密封材料的作用。2.1 麻丝密封材料的机械接口加湿机理分析

对于麻丝填料密封件，从微观上讲是长链纤维素分子被其它有机分子束缚在一起而形成的一种纤维结构。这种纤维结构中含有大量的羟基团，使之具有吸附水或多元醇的能力，而被吸附的水或多元醇又利用氢键在相邻纤维素链之间建立联接。具体表现为麻丝填料吸附水或多元醇后使得纤维素分子相互排斥，形成麻丝填料呈现放散状膨胀状态。当然，该过程是可逆的，如果麻丝填料处于干燥的环境中，就会解吸水蒸气或多元醇，填料出现干枯、收缩，引起燃气泄漏，漏点不断增加。

基于该基本原理，加湿技术早期主要以加水蒸气或水为主，近年来开始加含有末端羟基团的有机化合物，例如乙二醇(MEG)等。尽管该机理仅仅是一个极其简化的模型，但它解释了为什么只有包含两个或更多羟基团、且能与氢键结合的物质才适用加湿的原因。加湿剂的载体是燃气本身，因此加湿剂必然是以蒸汽的形式在燃气中输送，而加湿剂蒸汽在燃气中的含量可以用饱和度来评价，即燃气所能携带加湿剂蒸汽的量与最大能力之比。

针对铸铁管使用麻丝密封材料的承插式接口，可用加湿剂有水、乙二醇和二甘醇等，下面主要对选用水蒸气作为加湿剂和选用乙二醇作为加湿剂进行分析讨论。

2.1.1 选用水蒸气作为加湿剂

用水(蒸汽)进行加湿，是国内应用较多的加湿方法。此方法工艺流程简单、原理清晰，加湿剂便宜。天然气中水蒸气的饱和度含量见图1。

图1 天然气中水蒸气的饱和度含量

用水(蒸汽)进行加湿存在以下问题：

(1)蒸汽发生设备价格昂贵且体积庞大，操作复杂。

(2)能耗及运行费用较高。

(3)冬天气温较低时，管网中容易产生凝结水，影响调压器、过滤器等设备的工作。

(4)传输距离较近，作用半径相对较小。

(5)对天然气的热值略有影响。

2.1.2 选用乙二醇作为加湿剂

乙二醇主要用作聚脂纤维(涤纶)的原料，另常用作防冻剂。乙二醇适用于承插式麻丝接口的加湿剂，天然气中乙二醇蒸汽的饱和度含量见图2。

图2 天然气中乙二醇蒸汽的饱和度含量

乙二醇做加湿剂，相对于水有以下优势：

(1)更易被麻丝吸附。

(2)饱和蒸汽压约为水的 1/100，因此，处理同样流量的天然气，所需的乙二醇比水要少得多。

(3)不会出现冬季结冰的问题。

(4)乙二醇蒸汽占天然气的容积百分数很小，且蒸汽热值与天然气热值较接近，它的燃烧产物和天然气完全相同，加湿后不影响天然气的性质。

2.1.3 分析比较

研究表明，麻丝填料膨胀30%以上才能达到较好的密封效果，要保证这个膨胀率，需要燃气中水蒸气的饱和度大于 75%，而乙二醇的饱和度只需50%以上即可。由于管道中尘埃和杂质也会吸附加湿剂，为了保证被保护接头处加湿剂的饱和度，必须提高加湿处理站燃气中加湿剂的饱和度，显然乙二醇在扩大加湿站的作用半径方面更有优势。另外，水蒸气加湿要求的饱和度必须75%以上，如果饱和度控制不精确，更容易凝结成水，造成损失。

由于单位体积天然气的最大加湿量乙二醇只有水的 1/100，显然，在进行天然气加湿处理时，水的消耗要比乙二醇多100倍。所以乙二醇加湿设备要小巧得多，运行费用也要小得多。

水蒸气大约占天然气体积的0.6%～1.2%，由于水蒸气没有热值，因此加湿后天然气的热值将会减小0.6%～1.2%。相反乙二醇占天然气的体积百分比很小，而它同样是可燃物，且有一定的热值，因此天然气加湿处理后热值的变化可以忽略不计。

麻丝填料吸附乙二醇的过程是一个扩散传质过程，因此在相同条件下，吸附量与填料和加湿剂的接触面积有关，如果铸铁管接口处发生泄漏，泄漏的天然气必然要通过填料，吸附过程就在泄漏通道的周围进行，加大了天然气与填料之间的接触面积，于是在泄漏接口处的吸附量就大大增加，填料得以膨胀，从而减小泄漏通道的尺寸，甚至完全密封。因此，天然气加湿除了能在管道转输初期，使承插式铸铁管接头填料始终保持处于一种膨胀状态、防止发生泄漏外，还可以在已经出现泄漏的铸铁管管网上使用，具有减少现有泄漏的修复能力。

当然，加湿可减少泄漏的能力，受到许多因素的制约，例如：麻丝填料的状态和填充密度、燃气中加湿剂的饱和度、燃气管道系统的温度、管道接口的初始泄漏率以及处理早期管内沉积物的数量和种类等。

2.2 橡胶密封的机械接口加湿机理分析

对于橡胶密封件，影响其密封性能的是能溶解橡胶的芳香烃溶剂含量。当橡胶接触到芳香烃蒸汽时，溶剂能扩散到橡胶的内部，使其不断溶胀，如果加入过量加湿剂，就可能会引起橡胶膨胀过度，在垫圈位置上脱落，反而引起更严重的泄漏。因此，在用芳香烃溶剂加湿处理天然气时必须对饱和度进行控制，同时不能对新的机械接口管道进行加溶剂处理。

国内常用的溶剂有粗苯、洗油、异丁基油等，根据张惠明等人的《天然气管网加湿工艺的研究》，无论是浸渍实验，还是气相接触实验，粗苯对于橡胶块的吸附溶胀作用最为强烈。

国外常用溶剂有三甲基苯和馏出油(Distillate)。由于橡胶对芳香烃相当敏感，因此三甲基苯加湿设备加湿量的控制要求更高、更严格。馏出油是石油初期处理的柴油系馏分，芳香烃的含量10%～20%，所以使用馏出油作为加湿剂，可以降低橡胶对加湿剂的敏感性，使之更容易控制，从而减少橡胶材料的过度膨胀，避免从固定位置上脱落，减小对机械接口产生不利影响的概率，因此更安全。

使用溶剂或油对燃气进行加湿处理，不需要很高的饱和度。试验表明，对于馏出油只需要10%的饱和度就可以满足要求。另外，橡胶密封材料对膨胀剂的解吸附作用要比麻丝填料慢的多，但是它的吸附速度却要比麻丝填料快的多。

典型馏出油加湿处理天然气流量见图3。

图3 典型馏出油加湿处理天然气流量

3 天然气加湿方法

本文主要讨论气体压差冷雾化加湿法、鼓泡加湿法、喷淋加湿法和液体高压强制雾化法。

3.1 气体压差冷雾化加湿法

系统利用调压器前后的燃气压差作为动力，因此无需额外动力就可实现雾化加湿的功能。

压力喷雾加湿系统由加湿剂储液罐、雾化喷头、调压器、定时器、虹吸管等部件组成。系统利用天然气调压站前的中压或高压燃气，经设备调压器减压后，送到特制的雾化喷嘴形成高速燃气流，高速燃气流产生负压，通过虹吸管引射储罐中的加湿剂，形成天然气和雾化加湿剂的混合物，送入被处理天然气管道，实现加湿。

气体压差冷雾化加湿法系统结构见图4。

图4 气体压差冷雾化加湿法系统结构示意

3.2 鼓泡加湿法

把用作载气的天然气通入被电加热器加热的加湿剂液池，气流分布器把天然气分成细小的气流，增大天然气与加湿剂的接触面积，使天然气逸出加湿剂液面时达到加湿剂蒸汽饱和。与此同时，另一部分稀释用天然气也通过浸在加湿剂液体里的盘管，使之温度与加湿剂温度一致。载气天然气和稀释天然气在储罐上方进行混合，使加湿剂蒸汽在天然气中变成不饱和，避免这部分天然气在进入天然气管道前因环境冷却作用而造成加湿剂凝结析出。

鼓泡加湿法系统结构见图5。

图5 鼓泡加湿法系统结构示意

3.3 喷淋加湿法

把天然气载气加热后，通过加湿剂喷淋塔，实现加湿的目的。加湿设备通过测量天然气流量和温度来控制加湿剂计量泵，从而得到控制加湿剂的量的目的。为了增大气液两相接触面积，喷淋塔(竖罐)装载了多孔填料，使加湿剂能充分被天然气载气吸收携带。

喷淋加湿法系统结构见图6。

图6 喷淋加湿法系统结构示意

3.4 液体高压强制雾化法

利用计量泵的高压和特殊设计的雾化喷嘴，使加湿剂在高压状态下排出雾化喷嘴变成雾滴，达到良好的加湿效果，为了提高雾化的加湿剂的传输距离，配以电伴热会收到更好的加湿效果。

液体高压强制雾化法系统结构见图7。

图7 液体高压强制雾化法系统结构示意

4 加湿设备的选择与加湿量的确定

4.1 加湿机的使用场所与设备选择

有电力供应场所：建议使用计量泵式的设备，即液体高压强制雾化法进行加湿(图 7所述设备类型)；无电力供应场所：建议使用气体压差冷雾化加湿法(图4所述设备类型)。

4.2 加湿量的确定

加湿量是用加湿后的露点温度来衡量的。加湿后的天然气是多种不同成分——甲烷、其他可燃组分和水蒸气、油蒸汽的混合物，水露点、烃露点分别对应于水蒸气、烃蒸汽的饱和度。将相对湿度换算为含水量或含油量来计算，其中影响参数包括压力、干球温度、其他气体的含量。对不同压力的管道，必须通过准确的计算，才能确定在各种流量下所需的水和油的加注量。

加水的量通常是使处理后的天然气达到 100%饱和，加乙二醇一般饱和度为50%。要求为：

(1)加湿后的露点温度应保持在人工煤气的露点温度水平。

(2)在加湿过程中，必须根据被加湿管道内的天然气流量来调节加注量，二者维持一个固定的比例。

为保持一定的加湿效果，通常在加湿点下游10 m 处(对喷雾方法)或送人工输配管网之前(对加注蒸汽)，设置温度监测装置，对加湿后的天然气采样，测量其湿度。

5 加湿实例

根据刘建军等人的《天然气加湿技术研究与应用》，加湿剂的添加量按0.176 g/m3计算，年供气量按1.2×108m3计算，每年的粗苯添加量为21.12 t。粗苯的价格按5 000元/t计，每年加湿剂(粗苯)的费用为 1.048×105元，单位体积燃气的加湿剂费用为8.75×10-4元。若采用英国P&L公司工艺，每1×104m3燃气的加湿剂添加量为 4.2 L，每年加湿剂(200号溶剂油)的添加量为50.4 m3，即40.32 t。加湿剂(200号溶剂油)的价格按15 000元/t计算，每年的加湿剂费用为6.048×105元，单位体积燃气的加湿剂费用为5.04×10-3元。可见采用粗苯作为加湿剂具有明显的经济优势。

6 结语

天然气加湿处理在不更换管道的情况下，可以较为有效地解决原有铸铁管网转输天然气后的管网接口泄漏问题。加湿剂以雾化或过热蒸汽形式注入管网，并与天然气快速混合，使之充满整个管网，从而使管网的相关接头的密封状态得以控制，确保铸铁管管网维持正常运行。当然，加湿技术对于接口泄漏的修补作用并非在一朝一夕就能显现，需有一个较长和持续的过程。中断或停止加湿，短时间内管网接口也并不会出现泄漏量的明显增长，但随着时间的推移，当接口密封材料收缩干燥的状态不断加剧时，泄漏量必然随之增加，因此，在选择使用加湿技术和方案时，必须充分认识和理解这一点。

由于加湿过程中加湿剂基本上是以气相形式进入管网，所以因管道泄漏而使加湿剂进入周围的土壤等环境中的量，可以忽略不计，不会对周围环境产生影响。加湿设施投资成本相对全部更换铸铁管的成本要小得多，同时维护费用、使用成本也非常低廉。在现有管网设施中，特别是在中低压调压站等站场安装加湿装置相对来讲比较烦琐，如果能制定合适的系统加湿方案并结合天然气工程中站场项目同步实施则比较方便。