喷油螺杆压缩机在沼气增压中的技术应用.docx

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1、1、引言压缩机为沼气增压处理工艺的关键设备、主要动设备、主要耗能设备；压缩机是否能够高效、稳定运行，决定了整个工艺系统的节能性和稳定性；目前沼气增压主要使用活塞压缩机或螺杆压缩机，本文着重探讨喷油螺杆压缩机在沼气行业的技术应用。2、沼气应用2.1沼气发展趋势沼气作为人类最早使用的能源形式之一，正逐步被人类作为绿色能源广泛使用；截至2O2O年底，生物质发电装机容量1326亿kW-h时，占全部装机容量的1.7%0并将逐步提高集中式和分布式可再生能源并网消纳。2O2O年9月，中国提出二氧化碳排放力争在2O3O年前达到峰值，努力争取2O6O年前实现碳中和的目标。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，2O

2、2O年12月，中央经济工作会议把如何实现以上目标列为2O21年八项重点任务之一。发展可再生能源是推动能源转型的重要措施。国家发改委、财政部等五部委印发通知，提出支持风电、光伏发电、生物质发电等行业健康有序发展。为2O3O年非化石能源消费占比2O%的战略目标奠定坚实基础。沼气是生物质能利用的主要方式，是有机物经微生物作用产生的可燃气体，是一种混合气体，可以燃烧，沼气为可再生能源。沼气主要成分见表1,伴随中国生物质能源的发展，沼气的利用量逐年上升；发酵的沼气必须先经过增压后，进行净化和提纯，用于制取生物气、1NG或燃气发电，二氧化碳通过增压液化后用于CCUS等应用，沼渣变身化肥归还田园。表1沼气成

3、分组份InO1%组份1%CH44570O21CO22545H2S1000nN23CO1H2O饱和表2沼气提纯处理工艺对应压力沼气提纯1：艺增压前压力MPa(G)增压后压力MPa(G)辐要压比胺洗法、水洗法0.0050.71.2约813变压吸附(PSA)0.0050.4-1.0约511膜法分离0.0051.01.4约11-152.2沼气处理工艺简介厨余垃圾、作物秸秆、畜禽粪物、木薯等有机物，在微生物的作用下，经发酵后，产生的微正压气体即为沼气，一般经粗脱硫、分离过滤后，进入沼气压缩机。增压后混合气体脱除二氧化碳净化后，纯净甲烷气经干燥脱水后，增压制CNG或进燃气管道输送或分布式能源燃气发电、根据

4、当地能源消费的配置，也可进一步增压后降温液化制1NG。尾气二氧化碳可进一步增压提纯，制取工业级或食品级二氧化碳产品，这种综合成本的利用方式，降低了沼气生产成本，创造了附加值，实现了碳减排，同时沼渣变身化肥，实现了真正的绿色循环经济，创造了沼气的经济效益和社会效益；沼气净化提纯的工艺，一般采用胺洗发、水洗法，变压吸附、膜法分离等方式。根据沼气提纯处理工艺的不同，需要的处理压力不同(表2)。3、螺杆压缩机介绍不同的沼气净化工艺，均需要通过压缩机对沼气增压，目前伴随国内工业进程的推进，机加工水平的提高，国内螺杆压缩机的设计理论及加工精度已达到较高水平，并已为工业生产的多个行业服务。螺杆式沼气压缩机组

5、已广泛应用于国内多个沼气项目。螺杆压缩机属于容积式回转压缩机，因沼气增压气量都不大，一般采用螺杆式压缩机既可满足气量需求。螺杆压缩机分为喷油螺杆压缩机和无油螺杆压缩机。无油螺杆压缩机在压缩过程中没有喷液内冷却和润滑，所以排气温度较高，因螺杆压缩机的壳体为双孔形，故无油螺杆压缩机的壳体膨胀是不均的；同时由于气体压缩过程排气压力升高、压比越大，排气温度逐步升高，受此限制，目前一般干式螺杆压缩机的压比一般为1.53.5。根据表2沼气所需的压比应用范围，干式螺杆压缩机一级压缩无法满足要求，如采用二级压缩，设备投资成本将大大增加。喷油螺杆压缩机，在沼气压缩过程中喷入润滑油，润滑油与气体混合，起到冷却、润

6、滑、密封、降噪的作用。喷油螺杆压缩机与驱动电机采用直联方式，无需设同步齿轮和齿轮箱，阳转子通过油膜带动阴转子旋转，结构简单。通过对压缩机喷油温度和喷油量的控制，保证压缩机排气温度不超高，所以喷油螺杆压缩机单机最大压比可以达到15,针对沼气处理工艺，一级压缩即可满足工艺需求。具体流程为：沼气发酵气进入入口分离器气水分离，气体进入增压机增压（压缩过程中喷入润滑油，对压缩气体降温），增压后高温气体进入油分离器分离，分离下来的润滑油经过冷却、过滤后，通过油泵增压后进入压缩机循环，油分排出的气体经过高效油分离器二次分油后、进入冷却器降温，再进入出口气液分离器分离，经脱水后的气体外输进入分离单元。一级沼气

7、增压框图见图1。喷油螺杆压缩机设有单独的流量调节机构，采用位于壳体内部转子下部滑阀，通过油泵后高压润滑油，驱动油活塞轴向移动，带动滑阀移动调节转子间密封容积大小，实现流量调节，流量调节范围为：15%100%(图2),且功耗随压缩气量的减小而降低。此种流量调节方式，能更好的适用于沼气生产工艺中不同季节产气量的变化需求。图2流量调节结构4、喷油螺杆沼气压缩机组设计、应用要点排气压力露点控制：为保证喷油螺杆压缩机润滑油粘度，不被压缩气体中凝液稀释，必须控制压缩机排气温度高于沼气中水蒸气分压力对应的露点，与排气压力及吸气状态下水蒸气的原始分压力有关。为保证机组运行的可靠性，必须控制机组排气温度比排气压

8、力下露点温度高10以上，确保排气压力波动没有液态水析出，同时为减小壳体的不均匀膨胀，保证合理密封间隙，推荐喷油螺杆压缩机排温上限不超过105C。结合以上露点控制要求，如当沼气入口露点温度30,排气压力1.2MPa(G)对应露点为81.7,压缩过程中控制压缩机排气温度91.7。C以上，压缩过程中不会有凝液析出；当排气压力大于1.2MPa(G),排压露点对应温度会逐步升高，一般实际生产过程会在入口配套冷干机降低压缩机入口沼气露点，确保压缩机在不同季节均可稳定运行。沼气入口露点与排气压力露点对应关系见表3。表3沼气入口露点温度与排气压力露点沼气入口露点温度/(C入口压力/MPa(G)排气压力MPa(

9、G)排气压力盥点/t400.50.681350.0050.8-80.2300.0051.2-81.7250.51.68O.5200.0051.673吸、排气压力设计点、运行点适用性：喷油螺杆压缩机压比适用范围大，入口最低压力可达到绝压：0.3bar(A),排气压力最高约为64bar,排气与吸气压缩比最高可以达到15以上，压缩机实际运行过程中，即使进气压力、排气压力偏离设计点，只要机组输入功率足够，螺杆压缩机也可以按实际工艺需求稳定运行，最大限度满足实际运行工况的波动。冷态稳定开机：沼气压缩机组运行环境一般为室外露点，要求机组能够在一年四季不同的环境温度下，都能稳定开机，所以在开机前，必须先将润

10、滑油温度升高，确保开机过程中无液态水析出。对机组开机润滑油的加热，容器、管路保温伴热，控制连锁系统等提出了更全面的要求。防爆要求：沼气压缩机根据GB3836标准爆炸性气体环境用电气设备，防爆级别ZOne2,IIAT10压缩机配套电机及电气元件均需满足防爆要求；电缆布线必须满足GB50257电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范标准要求，防爆走线型式推荐采用：阻燃线缆+桥架/镀锌钢管+挠性管连接方式，仪表接口、线缆进线口必须配置电缆密封夹紧接头，整机满足国家标准EXdIIBT4Gb防爆要求。因沼气易燃易爆，在压缩过程中，也必须严格控制沼气泄漏率，要求承压壳体无泄漏；轴伸端配套机

11、械密封，通过隔离液阻断压缩腔气体向环境中泄漏，实现机组安全、可靠运行。余热回收利用：沼气在压缩过程中会产生压缩热，传统的冷却方式是采用冷却水降温，将热量传递到环境中；但在沼气发酵过程中，需要控制发酵罐温度恒定，特别在北方冬季，对热量的需求更大。通过循环水对油冷却器和气体冷却器降温，循环水温度升高，再将高温循环水供给发酵罐加热，通过能量的综合利用，降低运行成本，实现沼气发酵工艺过程的节能降耗。撬装模块化：伴随人工成本的提高，沼气压缩机组趋于集成撬装化，一般将沼气过滤系统，分离系统，增压系统，冷却系统、热回收系统、机组房舱（如需）集成于一个撬块内，仅需接通水、电、气系统，机组固定在平整的承重地面，

12、即可调试运行。无需制作专用压缩机基础，大大节约土建施工费用。排气洁净度：增压过程，需严格控制沼气增压后出口气体油脂含量，油脂含量过高，将影响后端净化膜或吸附剂寿命。目前国内沼气喷油螺杆压缩机组油分技术是采用旋风+重力+聚结式油分离技术，该种油分离技术经国内第三方权威机构检测，出口气体油脂含量最低可达到IoPPb,满足后端净化工艺对气体洁净度要求。尾气提纯：沼气分离后尾气主要成份为二氧化碳，压力一般为常压，因尾气中二氧化碳纯度较高，可通过喷油螺杆压缩机二级增压至2.02.5MPa（G）,再降温到一520,获取液态工业产品二氧化碳。二氧化碳主要应用于焊接、食品添加、制取干冰、灭火、液体驱油等行业，

13、实现沼气工艺系统的CCUS应用。5、喷油螺杆压缩机组特点5.1喷油螺杆压缩机组优势（1）可靠性高：易损件少，对湿冲程（液体、粉尘）不敏感，没有液击危险。（2）螺杆压缩机成熟的喷液内冷却技术，可在较高压比工况下运行，压比最高可达到15以上，运行安全可靠。（3）无需备用机、维护费用低：运转寿命长，维修方便，运动部件少，运行可靠，维护费用、维护劳动强度低，操作人员不必经过长时间的专业培训。（4）机组具有流量无极可调功能，无需配套变频器。（5）动力平衡性好。螺杆压缩机没有不平衡的惯性力，运转平稳安全，振动小，重量轻，占地面积少，结构紧凑，不需要复杂基础，安装简单。(6)连续输气，压力稳定无脉冲，不需要

14、缓冲罐，管路设计简单。5.2喷油螺杆式压缩机组缺点(1)造价高。螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，对加工设备精度要求高。(2)不能应用于高压条件。由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制，一般螺杆压缩机排气压力不超过6.4MPa(G)0(3)不能制成微型。螺杆压缩机依靠间隙密封气体，只有一定的容积流量才能具有优越的性能。6、应用案例山东某3OOONm3/h沼气处理项目，发酵原料为木薯，来气经过发酵罐制气、罗茨风机增压、脱硫后，将气体由OO1bar(G)增压至12bar(G),选用喷油螺杆式沼气压缩机SN20M160Z3台，自2014年初试车验收后投入运行，经过7年运转，机组运行数据稳定，整体满足

15、沼气工艺技术要求。本项目经过长周期的运行验证，在沼气工程应用中具有典型示范作用。喷油螺杆沼气压缩机组经过多年的工艺应用，已广泛应用于国内沼气、垃圾填埋气等行业，此类机组的广泛应用和稳定运行，为后续沼气提纯提供了动力，减少了现场操作人员巡检和检修工作量，喷油螺杆压缩机在沼气行业的应用具有广泛的经济效益。7、结语伴随国家碳达峰、碳中和政策的提出，推动碳减排，就必须通过大力发展生物质能等可再生清洁能源，来替代传统化石能源。喷油螺杆压缩机已广泛应用于石油、化工等领域；通过本文的理论计算分析，结合成功运行案例，论证了喷油螺杆压缩机在沼气等生物质气工艺增压处理中，具备较好的适用性，在适合的流量及压力条件下，可进一步广泛应用。