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          噴油螺桿壓縮機沼氣增壓領域的應用

            【壓縮機網1、引言

            壓縮機為沼氣增壓處理工藝的關鍵設備、主要動設備、主要耗能設備,壓縮機是否能夠高效、穩定運行,決定了整個工藝系統的節能性和穩定性。目前沼氣增壓主要使用活塞壓縮機螺桿壓縮機,本文著重探討噴油螺桿壓縮機在沼氣行業的技術應用。

            2、沼氣應用

            2.1沼氣發展趨勢

            沼氣作為人類最早使用的能源形式之一,正逐步被人類作為綠色能源廣泛使用;截至2020年底,生物質發電裝機容量1326億kW·h,占全部裝機容量的1.7%。并將逐步提高集中式和分布式可再生能源并網消納。2020年9月,中國提出二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和的目標。“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期,2020年12月,中央經濟工作會議把如何實現以上目標列為2021年八項重點任務之一。發展可再生能源是推動能源轉型的重要措施。國家發改委、財政部等五部委印發通知,提出支持風電、光伏發電、生物質發電等行業健康有序發展。為2030年非化石能源消費占比20%的戰略目標奠定堅實基礎。

            沼氣是生物質能利用的主要方式,是有機物經微生物作用產生的可燃氣體,是一種混合氣體,可以燃燒,沼氣為可再生能源。沼氣主要成分見表1,伴隨中國生物質能源的發展,沼氣的利用量逐年上升;發酵的沼氣必須先經過增壓后,進行凈化和提純,用于制取生物氣、LNG或燃氣發電,二氧化碳通過增壓液化后用于CCUS等應用,沼渣變身化肥歸還田園。

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            2.2沼氣處理工藝簡介

            廚余垃圾、作物秸稈、畜禽糞物、木薯等有機物,在微生物的作用下,經發酵后,產生的微正壓氣體即為沼氣,一般經粗脫硫、分離過濾后,進入沼氣壓縮機。增壓后混合氣體脫除二氧化碳凈化后,純凈甲烷氣經干燥脫水后,增壓制CNG或進燃氣管道輸送或分布式能源燃氣發電、根據當地能源消費的配置,也可進一步增壓后降溫液化制LNG。尾氣二氧化碳可進一步增壓提純,制取工業級或食品級二氧化碳產品,這種綜合成本的利用方式,降低了沼氣生產成本,創造了附加值,實現了碳減排,同時沼渣變身化肥,實現了真正的綠色循環經濟,創造了沼氣的經濟效益和社會效益。

            沼氣凈化提純的工藝,一般采用胺洗發、水洗法,變壓吸附、膜法分離等方式。根據沼氣提純處理工藝的不同,需要的處理壓力不同(表2)。

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            3、螺桿壓縮機介紹

            不同的沼氣凈化工藝,均需要通過壓縮機對沼氣增壓。目前伴隨國內工業進程的推進,機加工水平的提高,國內螺桿壓縮機的設計理論及加工精度已達到較高水平,并已為工業生產的多個行業服務。螺桿式沼氣壓縮機組已廣泛應用于國內多個沼氣項目。

            螺桿壓縮機屬于容積式回轉壓縮機,因沼氣增壓氣量都不大,一般采用螺桿式壓縮機既可滿足氣量需求。螺桿壓縮機分為噴油螺桿壓縮機和無油螺桿壓縮機。

            無油螺桿壓縮機在壓縮過程中沒有噴液內冷卻和潤滑,所以排氣溫度較高,因螺桿壓縮機的殼體為雙孔形,故無油螺桿壓縮機的殼體膨脹是不均的;同時由于氣體壓縮過程排氣壓力升高、壓比越大,排氣溫度逐步升高。受此限制,目前一般干式螺桿壓縮機的壓比一般為1.5~3.5。根據表2沼氣所需的壓比應用范圍,干式螺桿壓縮機一級壓縮無法滿足要求,如采用二級壓縮,設備投資成本將大大增加。

            噴油螺桿壓縮機,在沼氣壓縮過程中噴入潤滑油,潤滑油與氣體混合,起到冷卻、潤滑、密封、降噪的作用。噴油螺桿壓縮機與驅動電機采用直聯方式,無需設同步齒輪和齒輪箱,陽轉子通過油膜帶動陰轉子旋轉,結構簡單。通過對壓縮機噴油溫度和噴油量的控制,保證壓縮機排氣溫度不超高,所以噴油螺桿壓縮機單機最大壓比可以達到15,針對沼氣處理工藝,一級壓縮即可滿足工藝需求。具體流程為:沼氣發酵氣進入入口分離器氣水分離,氣體進入增壓機增壓(壓縮過程中噴入潤滑油,對壓縮氣體降溫),增壓后高溫氣體進入油分離器分離,分離下來的潤滑油經過冷卻、過濾后,通過油增壓后進入壓縮機循環,油分排出的氣體經過高效油分離器二次分油后、進入冷卻器降溫,再進入出口氣液分離器分離,經脫水后的氣體外輸進入分離單元。一級沼氣增壓框圖見圖1。

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            噴油螺桿壓縮機設有單獨的流量調節機構,采用位于殼體內部轉子下部滑,通過油后高壓潤滑油,驅動油活塞軸向移動,帶動滑移動調節轉子間密封容積大小,實現流量調節,流量調節范圍為:15%~100%(圖2),且功耗隨壓縮氣量的減小而降低。此種流量調節方式,能更好的適用于沼氣生產工藝中不同季節產氣量的變化需求。

            噴油螺桿壓縮機設有單獨的流量調節機構,采用位于殼體內部轉子下部滑閥,通過油泵后高壓潤滑油,驅動油活塞軸向移動,帶動滑閥移動調節轉子間密封容積大小,實現流量調節,流量調節范圍為:15%~100%(圖2),且功耗隨壓縮氣量的減小而降低。此種流量調節方式,能更好的適用于沼氣生產工藝中不同季節產氣量的變化需求。

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            4、噴油螺桿沼氣壓縮機組設計、應用要點

            排氣壓力露點控制:為保證噴油螺桿壓縮機潤滑油粘度,不被壓縮氣體中凝液稀釋,必須控制壓縮機排氣溫度高于沼氣中水蒸氣分壓力對應的露點,與排氣壓力及吸氣狀態下水蒸氣的原始分壓力有關[2]。為保證機組運行的可靠性,必須控制機組排氣溫度比排氣壓力下露點溫度高10℃以上,確保排氣壓力波動沒有液態水析出,同時為減小殼體的不均勻膨脹,保證合理密封間隙,推薦噴油螺桿壓縮機排溫上限不超過105℃。

            結合以上露點控制要求,如當沼氣入口露點溫度30℃,排氣壓力1.2MPa(G)對應露點為81.7℃,壓縮過程中控制壓縮機排氣溫度91.7℃以上,壓縮過程中不會有凝液析出;當排氣壓力大于1.2MPa(G),排壓露點對應溫度會逐步升高,一般實際生產過程會在入口配套冷干機降低壓縮機入口沼氣露點,確保壓縮機在不同季節均可穩定運行。沼氣入口露點與排氣壓力露點對應關系見表3。

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            吸、排氣壓力設計點、運行點適用性:噴油螺桿壓縮機壓比適用范圍大,入口最低壓力可達到絕壓:0.3bar(A),排氣壓力最高約為64bar,排氣與吸氣壓縮比最高可以達到15以上,壓縮機實際運行過程中,即使進氣壓力、排氣壓力偏離設計點,只要機組輸入功率足夠,螺桿壓縮機也可以按實際工藝需求穩定運行,最大限度滿足實際運行工況的波動。

            冷態穩定開機:沼氣壓縮機組運行環境一般為室外露點,要求機組能夠在一年四季不同的環境溫度下,都能穩定開機,所以在開機前,必須先將潤滑油溫度升高,確保開機過程中無液態水析出。對機組開機潤滑油的加熱,容器、管路保溫伴熱,控制連鎖系統等提出了更全面的要求。

            防爆要求:沼氣壓縮機根據GB3836標準《爆炸性氣體環境用電氣設備》,防爆級別Zone2,IIAT1。壓縮機配套電機及電氣元件均需滿足防爆要求;電纜布線必須滿足GB50257《電氣裝置安裝工程爆炸和火災危險環境電氣裝置施工及驗收規范》標準要求,防爆走線型式推薦采用:阻燃線纜+橋架/鍍鋅鋼管+撓性管連接方式,儀表接口、線纜進線口必須配置電纜密封夾緊接頭,整機滿足國家標準EXdIIBT4Gb防爆要求。因沼氣易燃易爆,在壓縮過程中,也必須嚴格控制沼氣泄漏率,要求承壓殼體無泄漏;軸伸端配套機械密封,通過隔離液阻斷壓縮腔氣體向環境中泄漏,實現機組安全、可靠運行。

            余熱回收利用:沼氣在壓縮過程中會產生壓縮熱,傳統的冷卻方式是采用冷卻水降溫,將熱量傳遞到環境中;但在沼氣發酵過程中,需要控制發酵罐溫度恒定,特別在北方冬季,對熱量的需求更大。通過循環水對油冷卻器和氣體冷卻器降溫,循環水溫度升高,再將高溫循環水供給發酵罐加熱,通過能量的綜合利用,降低運行成本,實現沼氣發酵工藝過程的節能降耗。

            撬裝模塊化:伴隨人工成本的提高,沼氣壓縮機組趨于集成撬裝化,一般將沼氣過濾系統,分離系統,增壓系統,冷卻系統、熱回收系統、機組房艙(如需) 集成于一個撬塊內,僅需接通水、電、氣系統,機組固定在平整的承重地面,即可調試運行。

            無需制作專用壓縮機基礎,大大節約土建施工費用。

            排氣潔凈度:增壓過程,需嚴格控制沼氣增壓后出口氣體油脂含量,油脂含量過高,將影響后端凈化膜或吸附劑壽命。目前國內沼氣噴油螺桿壓縮機組油分技術是采用旋風+重力+聚結式油分離技術,該種油分離技術經國內第三方權威機構檢測,出口氣體油脂含量最低可達到10PPb,滿足后端凈化工藝對氣體潔凈度要求。

            尾氣提純:沼氣分離后尾氣主要成份為二氧化碳,壓力一般為常壓,因尾氣中二氧化碳純度較高,可通過噴油螺桿壓縮機二級增壓至2.0~2.5MPa(G),再降溫到-5~-20℃,獲取液態工業產品二氧化碳。二氧化碳主要應用于焊接、食品添加、制取干冰、滅火、液體驅油等行業,實現沼氣工藝系統的CCUS應用。

            5、噴油螺桿壓縮機組特點

            5.1 噴油螺桿壓縮機組優勢

            (1)可靠性高:易損件少,對濕沖程(液體、粉塵)不敏感,沒有液擊危險。

            (2)螺桿壓縮機成熟的噴液內冷卻技術,可在較高壓比工況下運行,壓比最高可達到15以上,運行安全可靠。

            (3)無需備用機、維護費用低:運轉壽命長,維修方便,運動部件少,運行可靠,維護費用、維護勞動強度低,操作人員不必經過長時間的專業培訓。

            (4)機組具有流量無極可調功能,無需配套變頻器

            (5)動力平衡性好。螺桿壓縮機沒有不平衡的慣性力,運轉平穩安全,振動小,重量輕,占地面積少,結構緊湊,不需要復雜基礎,安裝簡單。

            (6)連續輸氣,壓力穩定無脈沖,不需要緩沖罐,管路設計簡單。

            5.2 噴油螺桿式壓縮機組缺點

            (1)造價高。螺桿壓縮機的轉子齒面是一空間曲面,對加工設備精度要求高。

            (2)不能應用于高壓條件。由于受到轉子剛度和軸承壽命等方面的限制,一般螺桿壓縮機排氣壓力不超過6.4MPa(G)。

            (3)不能制成微型。螺桿壓縮機依靠間隙密封氣體,只有一定的容積流量才能具有優越的性能。

            6、應用案例

            山東某3000Nm3/h沼氣處理項目,發酵原料為木薯,來氣經過發酵罐制氣、羅茨風機增壓、脫硫后,將氣體由0.01bar(G)增壓至12bar(G),選用噴油螺桿式沼氣壓縮機SN20M-160 3臺,自2014年初試車驗收后投入運行,經過7年運轉,機組運行數據穩定,整體滿足沼氣工藝技術要求。本項目經過長周期的運行驗證,在沼氣工程應用中具有典型示范作用。

            噴油螺桿沼氣壓縮機組經過多年的工藝應用,已廣泛應用于國內沼氣、垃圾填埋氣等行業,此類機組的廣泛應用和穩定運行,為后續沼氣提純提供了動力,減少了現場操作人員巡檢和檢修工作量,噴油螺桿壓縮機在沼氣行業的應用具有廣泛的經濟效益。

            7、結語

            伴隨國家碳達峰、碳中和政策的提出,推動碳減排,就必須通過大力發展生物質能等可再生清潔能源,來替代傳統化石能源。噴油螺桿壓縮機已廣泛應用于石油、化工等領域,通過本文的理論計算分析,結合成功運行案例,論證了噴油螺桿壓縮機在沼氣等生物質氣工藝增壓處理中,具備較好的適用性,在適合的流量及壓力條件下,可進一步廣泛應用。

            參考文獻

            [1] 邢子文.螺桿壓縮機——理論、設計及應用[M].北京:機械工業出版社,2000.

            [2] 郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2000,10.


          來源:本站原創

          標簽: 沼氣噴油增壓  

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