噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓中的技術(shù)應用

噴油螺桿壓縮機在沼氣增壓中的技術(shù)應用

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

［摘　要］：針對噴油螺桿壓縮機特點(diǎn)，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(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、現場(chǎng)運行等方面的優(yōu)勢，通過(guò)現場(chǎng)案例的穩定運行，進(jìn)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(guān)鍵詞］：噴油螺桿壓縮機；沼氣；應用

中圖分類(lèi)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(guān)鍵設備、主要動(dòng)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(gè)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(zhù)重探討噴油螺桿壓縮機在沼氣行業(yè)的技術(shù)應用。

２　沼氣應用

２.１　沼氣發(fā)展趨勢

沼氣作為人類(lèi)最早使用的能源形式之一，正逐步被人類(lèi)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(shí)，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?。玻埃叮澳昵皩?shí)現碳中和的目標。“十四五” 是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期，２０２０年１２月，中央經(jīng)濟工作會(huì )議把如何實(shí)現以上目標列為２０２１年八項重點(diǎn)任務(wù)之一。發(fā)展可再生能源是推動(dòng)能源轉型的重要措施。國家發(fā)改委、財政部等五部委印發(fā)通知，提出支持風(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年非化石能源消費占比２０％的戰略目標奠定堅實(shí)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(jiàn)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(guò)增壓后，進(jìn)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(guò)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(jiǎn)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(guò)濾后，進(jìn)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(jìn)燃氣管道輸送或分布式能源燃氣發(fā)電、根據當地能源消費的配置，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(shí)現了碳減排，同時(shí)沼渣變身化肥，實(shí)現了真正的綠色循

環(huán)經(jīng)濟，創(chuàng )造了沼氣的經(jīng)濟效益和社會(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(guò)壓縮機對沼氣增壓，目前伴隨國內工業(yè)進(jìn)程的推進(jìn)，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(yè)生產(chǎn)的多個(gè)行業(yè)服務(wù)。螺桿式沼氣壓縮機組已廣泛應用于國內多個(gè)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(mǎn)足氣量需求。螺桿壓縮機分為噴油螺桿壓縮機和無(wú)油螺桿壓縮機。

無(wú)油螺桿壓縮機在壓縮過(guò)程中沒(méi)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(wú)油螺桿壓縮機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(wú)法滿(mǎn)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(guò)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(dòng)電機采用直聯(lián)方式，無(wú)需設同步齒輪和齒輪箱，陽(yáng)轉子通過(guò)油膜帶動(dòng)陰轉子旋轉，結構簡(jiǎn)單。通過(guò)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(mǎn)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)入增壓機增壓（壓縮過(guò)程中噴入潤滑油，對壓縮氣體降溫），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。一級沼氣增壓框圖見(jiàn)圖１。

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(guò)油泵后高壓潤滑油，驅動(dòng)油活塞軸向移動(dòng)，帶動(dòng)滑閥移動(dòng)調節轉子間密封容積大小，實(shí)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(chǎn)工藝中不同季節產(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(diǎn)

　　排氣壓力露點(diǎn)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?zhuān)仨毧刂茐嚎s機排氣溫度高于沼氣中水蒸氣分壓力對應的露點(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(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排溫上限不超過(guò)１０５℃。

結合以上露點(diǎn)控制要求，如當沼氣入口露點(diǎn)溫度３０℃，排氣壓力１.２ＭＰａ（Ｇ）對應露點(diǎn)為８１.７℃，壓縮過(guò)程中控制壓縮機排氣溫度９１.７℃以上，壓縮過(guò)程中不會(huì )有凝液析出；當排氣壓力大于１.２ＭＰａ（Ｇ），排壓露點(diǎn)對應溫度會(huì )逐步升高，一般實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程會(huì )在入口配套冷干機降低壓縮機入口沼氣露點(diǎn)，確保壓縮機在不同季節均可穩定運行。沼氣入口露點(diǎn)與排氣壓力露點(diǎn)對應關(guān)系見(jiàn)表３。

吸、排氣壓力設計點(diǎn)、運行點(diǎn)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(shí)際運行過(guò)程中，即使進(jìn)氣壓力、排氣壓力偏離設計點(diǎn)，只要機組輸入功率足夠，螺桿壓縮機也可以按實(shí)際工藝需求穩定運行，最大限度滿(mǎn)足實(shí)際運行工況的波動(dòng)。

冷態(tài)穩定開(kāi)機：沼氣壓縮機組運行環(huán)境一般為室外露點(diǎn)，要求機組能夠在一年四季不同的環(huán)境溫度下，都能穩定開(kāi)機，所以在開(kāi)機前，必須先將潤滑油溫度升高，確保開(kāi)機過(guò)程中無(wú)液態(tài)水析出。對機組開(kāi)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(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(mǎn)足防爆要求；電纜布線(xiàn)必須滿(mǎn)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范》標準要求，防爆走線(xiàn)型式推薦采用：阻燃線(xiàn)纜＋橋架／鍍鋅鋼管＋撓性管連接方式，儀表接口、線(xiàn)纜進(jìn)線(xiàn)口必須配置電纜密封夾緊接頭，整機滿(mǎn)足國家標準ＥＸｄＩＩＢＴ４Ｇｂ防爆要求。因沼氣易燃易爆，在壓縮過(guò)程中，也必須嚴格控制沼氣泄漏率，要求承壓殼體無(wú)泄漏；軸伸端配套機械密封，通過(guò)隔離液阻斷壓縮腔氣體向環(huán)境中泄漏，實(shí)現機組安全、可靠運行。

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，對熱量的需求更大。通過(guò)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(guò)能量的綜合利用，降低運行成本，實(shí)現沼氣發(fā)酵工藝過(guò)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(guò)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(gè)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(wú)需制作專(zhuān)用壓縮機基礎，大大節約土建施工費用。

排氣潔凈度：增壓過(guò)程，需嚴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。目前國內沼氣噴油螺桿壓縮機組油分技術(shù)是采用旋風(fēng)＋重力＋聚結式油分離技術(shù)，該種油分離技術(shù)經(jīng)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(mǎn)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(guò)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、液體驅油等行業(yè)，實(shí)現沼氣工藝系統的ＣＣＵＳ應用。

５　噴油螺桿壓縮機組特點(diǎn)

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(méi)有液擊危險。

（２）螺桿壓縮機成熟的噴液內冷卻技術(shù)，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(wú)需備用機、維護費用低：運轉壽命長(cháng)，維修方便，運動(dòng)部件少，運行可靠，維護費用、維護勞動(dòng)強度低，操作人員不必經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的專(zhuān)業(yè)培訓。

（４）機組具有流量無(wú)極可調功能，無(wú)需配套變頻器。

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

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

５.２　噴油螺桿式壓縮機組缺點(diǎn)

（１）造價(jià)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(guò)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(lái)氣經(jīng)過(guò)發(fā)酵罐制氣、羅茨風(fēng)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(chē)驗收后投入運行，經(jīng)過(guò)７年運轉，機組運行數據穩定，整體滿(mǎn)足沼氣工藝技術(shù)要求。本項目經(jīng)過(guò)長(cháng)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(guò)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(yè)，此類(lèi)機組的廣泛應用和穩定運行，為后續沼氣提純提供了動(dòng)力，減少了現場(chǎng)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(yǔ)

　　伴隨國家碳達峰、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)替代傳統化石能源。噴油螺桿壓縮機已廣泛應用于石油、化工等領(lǐng)域；通過(guò)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(jìn)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(shù)手冊［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，２０００，１０．

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