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(huán)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(nèi)沼氣應用現(xiàn)狀，探討噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓行業(yè)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(xiàn)場運行等方面的優(yōu)勢，通過現(xiàn)場案例的穩(wěn)定運行，進一步證明了噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓行業(yè)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(wěn)定運行，決定了整個工藝系統(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或螺桿壓縮機，本文著重探討噴油螺桿壓縮機在沼氣行業(yè)的技術應用。

２　沼氣應用

２.１　沼氣發(fā)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(zhì)發(fā)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(wǎng)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(xiàn)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(jīng)濟工作會議把如何實現(xiàn)以上目標列為２０２１年八項重點任務之一。發(fā)展可再生能源是推動能源轉(zhuǎn)型的重要措施。國家發(fā)改委、財政部等五部委印發(fā)通知，提出支持風電、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年非化石能源消費占比２０％的戰(zhàn)略目標奠定堅實基礎。

沼氣是生物質(zhì)能利用的主要方式，是有機物經(jīng)微生物作用產(chǎn)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(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)過增壓后，進行凈化和提純，用于制取生物氣、ＬＮＧ或燃氣發(fā)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。

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(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(jīng)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(fā)電、根據(jù)當?shù)啬茉聪M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(yè)級或食品級二氧化碳產(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，實現(xiàn)了碳減排，同時沼渣變身化肥，實現(xiàn)了真正的綠色循

環(huán)經(jīng)濟，創(chuàng)造了沼氣的經(jīng)濟效益和社會效益；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）。

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(nèi)工業(yè)進程的推進，機加工水平的提高，國內(nèi)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(yè)生產(chǎn)的多個行業(yè)服務。螺桿式沼氣壓縮機組已廣泛應用于國內(nèi)多個沼氣項目。

螺桿壓縮機屬于容積式回轉(zhuǎn)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(nèi)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(jù)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(qū)動電機采用直聯(lián)方式，無需設同步齒輪和齒輪箱，陽轉(zhuǎn)子通過油膜帶動陰轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，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(fā)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(jīng)過冷卻、過濾后，通過油泵增壓后進入壓縮機循環(huán)，油分排出的氣體經(jīng)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(jīng)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。

噴油螺桿壓縮機設有單獨的流量調(diào)節(jié)機構，采用位于殼體內(nèi)部轉(zhuǎn)子下部滑閥，通過油泵后高壓潤滑油，驅(qū)動油活塞軸向移動，帶動滑閥移動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子間密封容積大小，實現(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。

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(tài)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(tài)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(chǎn)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(jié)均可穩(wěn)定運行。沼氣入口露點與排氣壓力露點對應關系見表３。

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(wěn)定運行，最大限度滿足實際運行工況的波動。

冷態(tài)穩(wěn)定開機：沼氣壓縮機組運行環(huán)境一般為室外露點，要求機組能夠在一年四季不同的環(huán)境溫度下，都能穩(wěn)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(tài)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(tǒng)等提出了更全面的要求。

防爆要求：沼氣壓縮機根據(jù)ＧＢ３８３６標準《爆炸性氣體環(huán)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(huán)境電氣裝置施工及驗收規(guī)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(huán)境中泄漏，實現(xiàn)機組安全、可靠運行。

余熱回收利用：沼氣在壓縮過程中會產(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)酵過程中，需要控制發(fā)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(huán)水對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，通過能量的綜合利用，降低運行成本，實現(xiàn)沼氣發(fā)酵工藝過程的節(jié)能降耗。

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

無需制作專用壓縮機基礎，大大節(jié)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(nèi)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(jīng)國內(nèi)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(tài)工業(yè)產(chǎn)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(qū)油等行業(yè)，實現(xiàn)沼氣工藝系統(tǒng)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(yōu)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(nèi)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(zhuǎn)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(jīng)過長時間的專業(yè)培訓。

（４）機組具有流量無極可調(diào)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(zhuǎn)平穩(wěn)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(xù)輸氣，壓力穩(wěn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yōu)越的性能。

６　應用案例

　　山東某３０００Ｎｍ３／ｈ沼氣處理項目，發(fā)酵原料為木薯，來氣經(jīng)過發(fā)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(jīng)過７年運轉(zhuǎn)，機組運行數(shù)據(jù)穩(wěn)定，整體滿足沼氣工藝技術要求。本項目經(jīng)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(jīng)過多年的工藝應用，已廣泛應用于國內(nèi)沼氣、垃圾填埋氣等行業(yè)，此類機組的廣泛應用和穩(wěn)定運行，為后續(xù)沼氣提純提供了動力，減少了現(xiàn)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(yè)的應用具有廣泛的經(jīng)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(fā)展生物質(zhì)能等可再生清潔能源，來替代傳統(tǒng)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(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(yè)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(yè)出版社，２０００，１０．

作者簡介：郭洋洋（１９８１－），男，工程師，本科，現(xiàn)任職于冰輪環(huán)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。