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噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓中的技術應用

發布時間:2022-03-03 21:54人氣:

噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓中的技術應用噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓中的技術應用 郭洋洋 (冰輪環境技術股份有限公司,山東煙臺264002) [摘 要]:針對噴油螺桿壓縮機特點,結合國內沼氣應用現狀,探討噴油螺桿......

噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓中的技術應用

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郭洋洋(冰輪環境技術股份有限公司,山東煙臺264002)

 

[摘 要]:針對噴油螺桿壓縮機特點,結合國內沼氣應用現狀,探討噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓行業的應用。以某具體項目應用為例,闡述了噴油螺桿壓縮機在設計選型、現場運行等方面的優勢,通過現場案例的穩定運行,進一步證明了噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓行業的適應性。

[關鍵詞]:噴油螺桿壓縮機;沼氣;應用

中圖分類號:TH455  文獻標志碼:B

文章編號:1006-2971(2022)01-0047-05

 

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或螺桿壓縮機,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時,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?。玻埃叮澳昵皩崿F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)。

 

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[1]。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,通過油泵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-160Z3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.

 

作者簡介:郭洋洋(1981-),男,工程師,本科,現任職于冰輪環境技術股份有限公司,從事螺桿壓縮機組技術應用及推廣工作。

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