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2020年底，生物质发电装机容量1326亿kW·h，占全部装机容量的1.7%。并将逐步提高集中式和分布式可再生能源并网消纳。2020年9月，中国提出二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，2020年12月，中央经济工作会议把如何实现以上目标列为2021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2030年非化石能源消费占比20%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、LNG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。

　　2.2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、根据当地能源消费的配置，也可进一步增压后降温液化制LNG。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1.5～3.5。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。

　　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。

　　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[２]。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105℃。

　　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℃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。

　　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，IIAT1。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，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10PPb，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2.0～2.5MPa（G），再降温到-5～-20℃，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，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）。

　　（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

　　湖北某3000Nm3/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0.01bar（G）增压至12bar（G），选用喷油螺杆式沼气压缩机“气宝”ABD20M－160 3台，自2018年初试车验收后投入运行，经过5年运转，机组运行数据稳定，整体满足沼气工艺技术要求。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。

　　参考文献

　　[1] 邢子文.螺杆压缩机——理论、设计及应用［Ｍ］.北京：机械工业出版社，2000.

　　[2] 郁永章.容积式压缩机技术手册［Ｍ］.北京：机械工业出版社，２000，10.

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