噴油螺桿壓縮機(jī)在沼氣增壓中的技術(shù)應(yīng)用

郭洋洋

(冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264002)

1 引言

壓縮機(jī)為沼氣增壓處理工藝的關(guān)鍵設(shè)備、主要?jiǎng)釉O(shè)備、主要耗能設(shè)備；壓縮機(jī)是否能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行，決定了整個(gè)工藝系統(tǒng)的節(jié)能性和穩(wěn)定性；目前沼氣增壓主要使用活塞壓縮機(jī)或螺桿壓縮機(jī)，本文著重探討噴油螺桿壓縮機(jī)在沼氣行業(yè)的技術(shù)應(yīng)用。

2 沼氣應(yīng)用

2.1 沼氣發(fā)展趨勢(shì)

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(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量1326億kW·h時(shí)，占全部裝機(jī)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(wǎng)消納。2020年9月，中國(guó)提出二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)?！笆奈濉笔翘歼_(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期，2020年12月，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議把如何實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)列為2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。發(fā)展可再生能源是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的重要措施。國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部等五部委印發(fā)通知，提出支持風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等行業(yè)健康有序發(fā)展。

為2030年非化石能源消費(fèi)占比20%的戰(zhàn)略目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

沼氣是生物質(zhì)能利用的主要方式，是有機(jī)物經(jīng)微生物作用產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，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(jiàn)表1，伴隨中國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展，沼氣的利用量逐年上升；發(fā)酵的沼氣必須先經(jīng)過(guò)增壓后，進(jìn)行凈化和提純，用于制取生物氣、LNG或燃?xì)獍l(fā)電，二氧化碳通過(guò)增壓液化后用于CCUS等應(yīng)用，沼渣變身化肥歸還田園。

表1 沼氣成分

2.2 沼氣處理工藝簡(jiǎn)介

廚余垃圾、作物秸稈、畜禽糞物、木薯等有機(jī)物，在微生物的作用下，經(jīng)發(fā)酵后，產(chǎn)生的微正壓氣體即為沼氣，一般經(jīng)粗脫硫、分離過(guò)濾后，進(jìn)入沼氣壓縮機(jī)。增壓后混合氣體脫除二氧化碳凈化后，純凈甲烷氣經(jīng)干燥脫水后，增壓制CNG或進(jìn)燃?xì)夤艿垒斔突蚍植际侥茉慈細(xì)獍l(fā)電、根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉聪M(fèi)的配置，也可進(jìn)一步增壓后降溫液化制LNG。尾氣二氧化碳可進(jìn)一步增壓提純，制取工業(yè)級(jí)或食品級(jí)二氧化碳產(chǎn)品，這種綜合成本的利用方式，降低了沼氣生產(chǎn)成本，創(chuàng)造了附加值，實(shí)現(xiàn)了碳減排，同時(shí)沼渣變身化肥，實(shí)現(xiàn)了真正的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)造了沼氣的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；沼氣凈化提純的工藝，一般采用胺洗發(fā)、水洗法，變壓吸附、膜法分離等方式。根據(jù)沼氣提純處理工藝的不同，需要的處理壓力不同(表2)。

表2 沼氣提純處理工藝對(duì)應(yīng)壓力

3 螺桿壓縮機(jī)介紹

不同的沼氣凈化工藝，均需要通過(guò)壓縮機(jī)對(duì)

沼氣增壓，目前伴隨國(guó)內(nèi)工業(yè)進(jìn)程的推進(jìn)，機(jī)加工水平的提高，國(guó)內(nèi)螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)理論及加工精度已達(dá)到較高水平，并已為工業(yè)生產(chǎn)的多個(gè)行業(yè)服務(wù)。螺桿式沼氣壓縮機(jī)組已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)沼氣項(xiàng)目。

螺桿壓縮機(jī)屬于容積式回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，因沼氣增壓氣量都不大，一般采用螺桿式壓縮機(jī)既可滿足氣量需求。螺桿壓縮機(jī)分為噴油螺桿壓縮機(jī)和無(wú)油螺桿壓縮機(jī)。

無(wú)油螺桿壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程中沒(méi)有噴液內(nèi)冷卻和潤(rùn)滑，所以排氣溫度較高，因螺桿壓縮機(jī)的殼體為雙孔形，故無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的殼體膨脹是不均的；同時(shí)由于氣體壓縮過(guò)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(jī)的壓比一般為1.5～3.5[1]。根據(jù)表2沼氣所需的壓比應(yīng)用范圍，干式螺桿壓縮機(jī)一級(jí)壓縮無(wú)法滿足要求，如采用二級(jí)壓縮，設(shè)備投資成本將大大增加。

噴油螺桿壓縮機(jī)，在沼氣壓縮過(guò)程中噴入潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油與氣體混合，起到冷卻、潤(rùn)滑、密封、降噪的作用。噴油螺桿壓縮機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直聯(lián)方式，無(wú)需設(shè)同步齒輪和齒輪箱，陽(yáng)轉(zhuǎn)子通過(guò)油膜帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)噴油溫度和噴油量的控制，保證壓縮機(jī)排氣溫度不超高，所以噴油螺桿壓縮機(jī)單機(jī)最大壓比可以達(dá)到15，針對(duì)沼氣處理工藝，一級(jí)壓縮即可滿足工藝需求。具體流程為：沼氣發(fā)酵氣進(jìn)入入口分離器氣水分離，氣體進(jìn)入增壓機(jī)增壓(壓縮過(guò)程中噴入潤(rùn)滑油，對(duì)壓縮氣體降溫)，增壓后高溫氣體進(jìn)入油分離器分離，分離下來(lái)的潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)冷卻、過(guò)濾后，通過(guò)油泵增壓后進(jìn)入壓縮機(jī)循環(huán)，油分排出的氣體經(jīng)過(guò)高效油分離器二次分油后、進(jìn)入冷卻器降溫，再進(jìn)入出口氣液分離器分離，經(jīng)脫水后的氣體外輸進(jìn)入分離單元。一級(jí)沼氣增壓框圖見(jiàn)圖1。

圖1 噴油螺桿壓縮機(jī)流程框圖

噴油螺桿壓縮機(jī)設(shè)有單獨(dú)的流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，采用位于殼體內(nèi)部轉(zhuǎn)子下部滑閥，通過(guò)油泵后高壓潤(rùn)滑油，驅(qū)動(dòng)油活塞軸向移動(dòng)，帶動(dòng)滑閥移動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子間密封容積大小，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)方式，能更好的適用于沼氣生產(chǎn)工藝中不同季節(jié)產(chǎn)氣量的變化需求。

圖2 流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

4 噴油螺桿沼氣壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)、應(yīng)用要點(diǎn)

排氣壓力露點(diǎn)控制：為保證噴油螺桿壓縮機(jī)潤(rùn)滑油粘度，不被壓縮氣體中凝液稀釋，必須控制壓縮機(jī)排氣溫度高于沼氣中水蒸氣分壓力對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)，與排氣壓力及吸氣狀態(tài)下水蒸氣的原始分壓力有關(guān)[2]。為保證機(jī)組運(yùn)行的可靠性，必須控制機(jī)組排氣溫度比排氣壓力下露點(diǎn)溫度高10 ℃以上，確保排氣壓力波動(dòng)沒(méi)有液態(tài)水析出，同時(shí)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(jī)排溫上限不超過(guò)105 ℃。

結(jié)合以上露點(diǎn)控制要求，如當(dāng)沼氣入口露點(diǎn)溫度30 ℃，排氣壓力1.2 MPa(G)對(duì)應(yīng)露點(diǎn)為81.7 ℃，壓縮過(guò)程中控制壓縮機(jī)排氣溫度91.7 ℃以上，壓縮過(guò)程中不會(huì)有凝液析出；當(dāng)排氣壓力大于1.2 MPa(G)，排壓露點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度會(huì)逐步升高，一般實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程會(huì)在入口配套冷干機(jī)降低壓縮機(jī)入口沼氣露點(diǎn)，確保壓縮機(jī)在不同季節(jié)均可穩(wěn)定運(yùn)行。沼氣入口露點(diǎn)與排氣壓力露點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 沼氣入口露點(diǎn)溫度與排氣壓力露點(diǎn)

吸、排氣壓力設(shè)計(jì)點(diǎn)、運(yùn)行點(diǎn)適用性：噴油螺桿壓縮機(jī)壓比適用范圍大，入口最低壓力可達(dá)到絕壓：0.3 bar(A)，排氣壓力最高約為64 bar，排氣與吸氣壓縮比最高可以達(dá)到15以上，壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，即使進(jìn)氣壓力、排氣壓力偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，只要機(jī)組輸入功率足夠，螺桿壓縮機(jī)也可以按實(shí)際工藝需求穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度滿足實(shí)際運(yùn)行工況的波動(dòng)。

冷態(tài)穩(wěn)定開(kāi)機(jī)：沼氣壓縮機(jī)組運(yùn)行環(huán)境一般為室外露點(diǎn)，要求機(jī)組能夠在一年四季不同的環(huán)境溫度下，都能穩(wěn)定開(kāi)機(jī)，所以在開(kāi)機(jī)前，必須先將潤(rùn)滑油溫度升高，確保開(kāi)機(jī)過(guò)程中無(wú)液態(tài)水析出。對(duì)機(jī)組開(kāi)機(jī)潤(rùn)滑油的加熱，容器、管路保溫伴熱，控制連鎖系統(tǒng)等提出了更全面的要求。

防爆要求：沼氣壓縮機(jī)根據(jù)GB 3836標(biāo)準(zhǔn)《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》，防爆級(jí)別Zone2，IIA T1。壓縮機(jī)配套電機(jī)及電氣元件均需滿足防爆要求；電纜布線必須滿足GB 50257《電氣裝置安裝工程爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電氣裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)線口必須配置電纜密封夾緊接頭，整機(jī)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)EX dIIBT4 Gb防爆要求。因沼氣易燃易爆，在壓縮過(guò)程中，也必須嚴(yán)格控制沼氣泄漏率，要求承壓殼體無(wú)泄漏；軸伸端配套機(jī)械密封，通過(guò)隔離液阻斷壓縮腔氣體向環(huán)境中泄漏，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。

余熱回收利用：沼氣在壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓縮熱，傳統(tǒng)的冷卻方式是采用冷卻水降溫，將熱量傳

遞到環(huán)境中；但在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，需要控制發(fā)酵罐溫度恒定，特別在北方冬季，對(duì)熱量的需求更大。通過(guò)循環(huán)水對(duì)油冷卻器和氣體冷卻器降溫，循環(huán)水溫度升高，再將高溫循環(huán)水供給發(fā)酵罐加熱，通過(guò)能量的綜合利用，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)酵工藝過(guò)程的節(jié)能降耗。

撬裝模塊化：伴隨人工成本的提高，沼氣壓縮機(jī)組趨于集成撬裝化，一般將沼氣過(guò)濾系統(tǒng)，分離系統(tǒng)，增壓系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)、機(jī)組房艙(如需)集成于一個(gè)撬塊內(nèi)，僅需接通水、電、氣系統(tǒng)，機(jī)組固定在平整的承重地面，即可調(diào)試運(yùn)行。無(wú)需制作專用壓縮機(jī)基礎(chǔ)，大大節(jié)約土建施工費(fèi)用。

排氣潔凈度：增壓過(guò)程，需嚴(yán)格控制沼氣增壓后出口氣體油脂含量，油脂含量過(guò)高，將影響后端凈化膜或吸附劑壽命。目前國(guó)內(nèi)沼氣噴油螺桿壓縮機(jī)組油分技術(shù)是采用旋風(fēng)+重力+聚結(jié)式油分離技術(shù)，該種油分離技術(shù)經(jīng)國(guó)內(nèi)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，出口氣體油脂含量最低可達(dá)到10PPb，滿足后端凈化工藝對(duì)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(guò)噴油螺桿壓縮機(jī)二級(jí)增壓至2.0～2.5 MPa(G)，再降溫到-5～-20 ℃，獲取液態(tài)工業(yè)產(chǎn)品二氧化碳。二氧化碳主要應(yīng)用于焊接、食品添加、制取干冰、滅火、液體驅(qū)油等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)沼氣工藝系統(tǒng)的CCUS應(yīng)用。

5 噴油螺桿壓縮機(jī)組特點(diǎn)

5.1 噴油螺桿壓縮機(jī)組優(yōu)勢(shì)

(1)可靠性高：易損件少，對(duì)濕沖程(液體、粉塵)不敏感，沒(méi)有液擊危險(xiǎn)。

(2)螺桿壓縮機(jī)成熟的噴液內(nèi)冷卻技術(shù)，可在較高壓比工況下運(yùn)行，壓比最高可達(dá)到15以上，運(yùn)行安全可靠。

(3)無(wú)需備用機(jī)、維護(hù)費(fèi)用低：運(yùn)轉(zhuǎn)壽命長(zhǎng)，維修方便，運(yùn)動(dòng)部件少，運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用、維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度低，操作人員不必經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)。

(4)機(jī)組具有流量無(wú)極可調(diào)功能，無(wú)需配套變頻器。

(5)動(dòng)力平衡性好。螺桿壓縮機(jī)沒(méi)有不平衡的慣性力，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安全，振動(dòng)小，重量輕，占地面積少，結(jié)構(gòu)緊湊，不需要復(fù)雜基礎(chǔ)，安裝簡(jiǎn)單。

(6)連續(xù)輸氣，壓力穩(wěn)定無(wú)脈沖，不需要緩沖罐，管路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

5.2 噴油螺桿式壓縮機(jī)組缺點(diǎn)

(1)造價(jià)高。螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面，對(duì)加工設(shè)備精度要求高。

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

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

6 應(yīng)用案例

山東某3000 Nm3/h沼氣處理項(xiàng)目，發(fā)酵原料為木薯，來(lái)氣經(jīng)過(guò)發(fā)酵罐制氣、羅茨風(fēng)機(jī)增壓、脫硫后，將氣體由0.01 bar(G)增壓至12 bar(G)，選用噴油螺桿式沼氣壓縮機(jī)SN20M-160Z 3臺(tái)，自2014年初試車驗(yàn)收后投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)7年運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定，整體滿足沼氣工藝技術(shù)要求。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期的運(yùn)行驗(yàn)證，在沼氣工程應(yīng)用中具有典型示范作用。

噴油螺桿沼氣壓縮機(jī)組經(jīng)過(guò)多年的工藝應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)沼氣、垃圾填埋氣等行業(yè)，此類機(jī)組的廣泛應(yīng)用和穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)沼氣提純提供了動(dòng)力，減少了現(xiàn)場(chǎng)操作人員巡檢和檢修工作量，噴油螺桿壓縮機(jī)在沼氣行業(yè)的應(yīng)用具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 噴油螺桿壓縮機(jī)余熱回收流程框圖

7 結(jié)語(yǔ)

伴隨國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和政策的提出，推動(dòng)碳減排，就必須通過(guò)大力發(fā)展生物質(zhì)能等可再生清潔能源，來(lái)替代傳統(tǒng)化石能源。噴油螺桿壓縮機(jī)已廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域；通過(guò)本文的理論計(jì)算分析，結(jié)合成功運(yùn)行案例，論證了噴油螺桿壓縮機(jī)在沼氣等生物質(zhì)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(jìn)一步廣泛應(yīng)用。