摘要
黑粉是输送管道中一种常见的污染物, 会对管道设备造成损害, 并引发各种运维问题。为选用合适的分离技术, 并追溯黑粉形成的原因, 管道运维方需充分了解黑粉的物理特性及性质。
通过管内采样法, 可从天然气、凝析液及LPG 管道中采集黑粉样品 , 并进行后续分析。近期在中东地区开展的现场调查表明, 固体颗粒的粒径极小, 且不同位置的粒径分布差异显著。
目前虽有多种不同类型的分离技术可用于去除管道中的固体污染物, 但整体效率有限。安装设计合理的高性能过滤设备是提升管道运行稳定性的一种高效、 经济的解决方案。
此外, 还可采用其他分离技术去除管道中的液态水, 消除黑粉形成的诱因之一。
引言
黑粉是天然气、烃凝析液、液化石油气(LPG)输送管道中各类腐蚀相关污染物的统称。黑粉可从管道进入下游工艺, 造成设备堵塞和侵蚀, 最终导致设备损坏。研究发现,黑粉的化学成分差异很大 , 粒径从极细至亚微米级不等。
在不同管道工况下, 黑粉可能呈现干粉状、液态悬浮状或介于两者之间的粘性污泥状等多种形态。 既往研究发现,在某些情况下, 黑粉的主要成分为氧化铁1,2 , 而在其他情况下, 则为氧化铁和硫化铁的混合物3,4。
在含二氧化碳的气体中，还可能形成碳酸铁。此外，还需关注“粘结剂”材料的存在。在部分情况下，此类材料会将细小颗粒粘结形成团聚物，通常为有机物(包括石蜡、沥青质和乙二醇)。除此之外，黑粉中还可能含有沙粒或淤泥等非腐蚀性固体。
黑粉广泛存在于管道系统, 属于全球性问题。上世纪90年代末, 美国气体机械研究委员会5,6率先对黑粉开展全面研究, 随后中东3、 欧洲2和南美洲 1,7等多个地区陆续发表了关于黑粉的论文。
据估计, 黑粉每年给行业造成数百万美元经济损失, 相关治理技术仍在不断完善。本文将重点介绍用于表征黑粉含量和粒径分布的诊断方法以及相关的采样技术 (包括使用管内等速采样探头测定气体中团聚物的真实粒径) 。在此基础上, 根据测试结果选择最合适的分离技术, 以最低运营成本保护下游设备。
最后, 本文将介绍一家中东企业的实际案例, 在该案例中, 通过优化气体过滤去除黑粉, 该企业实现了显著的成本节约。
黑粉形成机制
黑粉可通过化学或微生物过程形成3,5。液态水通常是黑粉形成和累积的重要条件。除水外，氧气、硫化氢和二氧化碳等物质均会为钢制管道腐蚀创造有利条件。天然气通常满足严格的成分要求，H2S含量低至1ppm，但即便如此，仍可能引发严重腐蚀问题。据天然气清管作业记录显示，每次清管从刮削管道中去除的黑粉数量惊人，达500~5,000kg2。了解腐蚀过程背后的机制有助于制定有效的预防策略。
化学腐蚀
硫化氢会与管壁金属发生反应, 水会加速该过程, 而酸性气体 (H2S 或 CO2) 的存在会降低水的pH值, 导致铁溶解并促进腐蚀反应。腐蚀反应的相关机制在既往文献中已有详细描述3,5 , 其主要产物为磁黄铁矿 (Fe1-xS) 。在无硫化氢的环境下, 管壁金属与氧气和水发生反应, 生成红褐色赤铁矿 (即 “铁锈 ” , Fe2O3) 或黑色磁铁矿 ( Fe3O4) 。目前已有多种商业抑制剂可减弱化学腐蚀。 其他预防措施包括减少氧气、水、H2S 和 CO2 的存在。
