試驗研究沼氣壓縮機中間級的氣液二相分離研究王海濤黃福川齊琳2羅慧娟1童攀1（1廣西大學(xué)，廣西南寧5300042承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德06700⑴甲烷和二氧化碳的物性差異，對壓縮機的冷卻結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計，在第三級冷卻管后設(shè)計了高壓氣液分離器。使甲烷和二氧化碳的混合氣經(jīng)第三級壓縮后，在冷卻管道內(nèi)變成氣液二相流，再將二相流組分引入高壓液氣分離器，分離出液態(tài)二氧化碳，同時將高品質(zhì)甲烷送入第四級氣缸進行壓縮。

　　本文研究的生物質(zhì)甲烷技術(shù)即是對沼氣產(chǎn)業(yè)化的有益探索。筆者課題組對沼氣的凈化、提純、壓縮、灌裝等工藝進行了大量的調(diào)研及開發(fā)，在此基礎(chǔ)上進行了工藝及裝備設(shè)計，為檢驗工藝的操作可行性，對180m沼氣池進行了沼氣灌裝試驗12.工業(yè)試驗中暴露出兩個主要問題：（1）二氧化碳?xì)怏w脫除效率低；（2）高壓壓縮機氣缸受到損傷。經(jīng)過課題組的系統(tǒng)研究分析，發(fā)現(xiàn)化學(xué)方法難以改善沼氣脫碳效率。結(jié)合甲烷和二氧化碳的物性差異及高壓壓縮機的氣缸壓縮情況，提出一種物理分離方法，即對壓縮機的中間級進行了改進設(shè)計，在第三級冷卻外盤管后設(shè)計增加了高壓氣液分離器，操作中通過控制溫度和壓力產(chǎn)生并分離氣液二相流。實踐證明，此種分離方法脫除二氧化碳效率高，能取得明顯效果。

　　2生物質(zhì)甲烷技術(shù)工業(yè)試驗1生物質(zhì)甲烷技術(shù)理論基礎(chǔ)沼氣是將人畜禽糞便、秸稈、農(nóng)業(yè)有機廢棄物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的有機廢水、工業(yè)廢水、城市污水和垃圾、水生植物及藻類等有機物在厭氧條件下，經(jīng)微生物分解發(fā)酵而生成的一種可燃性氣體，其主要成分是甲烷和二氧化碳，此外還有少量的氫、氮氣、一氧化碳、硫化氫和氨氣等。通常情況下，沼氣中的甲烷含量為60% ~70%，二氧化碳為30%~4%，其余氣體含量很少，約占總體積的2%.沼氣中的可燃成分主要是甲烷，二氧化碳?xì)怏w不燃燒，1rf沼氣的熱值約為21520約相當(dāng)于1. 45m煤氣或0 69rf天燃?xì)獾臒嶂怠?p>　　生物質(zhì)甲烷技術(shù)是基于沼氣凈化提純，*終將沼氣轉(zhuǎn)化為高濃度、高熱值甲烷的一種新技術(shù)。沼氣中組分比例變化的熱值表現(xiàn)見表1可以看出甲烷提升到一定比例后，氣體熱值有較大的提高，這為沼氣的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　表1沼氣組分比例變化的品質(zhì)表現(xiàn)特性參數(shù)熱值篩高壓干燥器進行變壓吸附脫水。

　　輸氣：由于沼氣池氣壓較小，為保證氣流的順暢，采用2V―034/2型沼氣壓縮機串聯(lián)在管路中進行輸氣。

　　14/1.5―200型沼氣壓縮機壓縮到20MPa塔、脫碳塔、2V034/2型沼氣壓縮機、2V―014/1.5― 200型沼氣壓縮機、緩沖罐、GZF-12/ 200分子篩高壓干燥器、50L和81L高壓氣瓶、流量計、壓力表等。

　　180m沼氣池產(chǎn)氣情況：夏天池容產(chǎn)氣率：d1，每天產(chǎn)氣約為：180X0.45及冷卻系統(tǒng)：四壓縮機冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)包括氣缸冷卻和壓縮介質(zhì)冷卻，氣缸冷卻由圍繞缸壁的環(huán)形水隔層注水進行冷卻，氣缸的冷卻通?？梢詭ё吣Σ翢?，使缸壁不致因溫度過高而影響潤滑油性能，所以要求不高。壓縮介質(zhì)冷卻是壓縮氣體分別通過一、二、三、四級冷卻器進行冷卻。一、二、三、四級冷卻器均為盤管式，組成一體。冷卻管內(nèi)為氣流通道，管外為冷卻水流通道，本次試驗冷卻水是一次性使用。

　　按照工藝流程圖將設(shè)備組接完畢，試驗初期一次性向180m沼氣池投1000斤牛糞并發(fā)酵1天后，檢驗沼氣池和儲氣柜是否已富集沼氣，之后對裝備進行氮氣排空后開始試驗。安全起見，壓縮初期*高壓力控制在10MPa―段時間后罐裝收集2瓶（501和81L）氣體。隔2天后進行同樣試驗，適當(dāng)加大壓縮機排氣壓力，使之*終達到20MPa（4）組分檢測結(jié)果設(shè)計主要工藝流程見主要有：將沼氣中的部分1水蒸汽脫除。后期干燥采名稱二氧化碳甲烷粘度屮Pas）沸點（C導(dǎo)熱系數(shù)（W/m）臨界點溫度（C）壓強（MPa由表2可知，二氧化碳臨界溫度為31. 1°C，臨界壓強為7.38MP，a相比于甲烷氣體來說，二氧化碳?xì)怏w易于液化。2V―014/1. 5―200型沼氣壓縮機的三級額定排氣壓力超過了二氧化碳的臨界壓強，由于操作中控制氣缸溫度較低，使得三級氣缸溫度穩(wěn)定在或低于二氧化碳臨界溫度，導(dǎo)液體與氣缸壁接觸，使?jié)櫥瑦夯?，增加氣缸的磨損。當(dāng)二氧化碳液體排不順暢時會越積越多，當(dāng)氣缸內(nèi)液體容積超過壓縮機余隙容積時便造成液擊現(xiàn)象31，從而使機器遭到破壞。從三級氣缸排出的壓縮氣體變成了氣液二相流狀態(tài)，進入外部冷卻盤管裝置，由于外部盤管溫度控制的更低，使得二氧化碳基本全部液化。當(dāng)二相流隨輸氣管道進到第四級氣缸后，繼續(xù)對氣缸產(chǎn)生破壞。

　　2V―014/1.5―200壓縮機中間級的氣液分離改進41改進思想工業(yè)應(yīng)用中脫碳工藝基本分為化學(xué)方法和物理方法兩種?；瘜W(xué)方法一般應(yīng)用于大中型塔設(shè)備，通過層層反應(yīng)及吸附，使得二氧化碳?xì)怏w逐步被吸收。而對于小塔設(shè)備，由于氣流速度較快，很難保證二氧化碳和反應(yīng)物質(zhì)充分接觸，進而難以使得二氧化碳?xì)怏w被高效率脫除。物理方法則是利用復(fù)合氣體中的物化性質(zhì)差異而進行分離151.凈化壓縮后的沼氣主要成分是甲烷和二氧化碳，由表2可知，兩種氣體*大的差異是液化的難易程度。甲烷液化臨界溫度低，為一82于較難液化物質(zhì)。而二氧化碳恰恰相反，液化臨界溫度較高，為31. 1°Q屬于易液化物質(zhì)。因此采用物理方法分離是一種較好的方法161. 5―200型沼氣壓縮機的第三級額定壓力達到了二氧化碳的液化臨界壓力，而如果控制三級氣缸內(nèi)溫度高于二氧化碳臨界溫度，則未凈化的二氧化碳?xì)怏w在氣缸內(nèi)不會發(fā)生液化，從而不會對三級氣缸產(chǎn)生破壞作用。復(fù)合氣體從三級氣缸排出后，進入外部冷卻盤管裝置，如果外部溫度在試驗中控制的低于31.1°C，則使得二氧化碳迅速液化。結(jié)果，壓縮氣體在盤管內(nèi)變成了氣液二相流狀態(tài)。之后將氣液二相流引入到高壓氣液分離器，其結(jié)構(gòu)見切向進入后，由于螺旋板的導(dǎo)流作用，使氣體做旋轉(zhuǎn)運動，在離心作用下，液體被甩到筒體內(nèi)壁，向下流到底部。純凈的甲烷氣體則順勢引入到第四級氣缸，壓縮到20MPai裝進氣瓶即可71.致未凈化完的二氧化碳部分發(fā)生液化它二氧化1減小高壓氣液分離器內(nèi)的液體二氧化碳迅速。：bookmark1試驗完畢后，關(guān)閉氣瓶。為了避免二氧化碳對大氣的污染，將壓縮機第三、四級放空閥連接到盛有石灰水的堿性溶液中，打開放空閥。由于壓42實施方法將壓縮機的第三級排氣管打開，接入高壓氣液分離器。并且將高壓氣液分離器放入到壓縮介質(zhì)冷卻系統(tǒng)中，以控制其溫度。為了使第三級排管內(nèi)的氣液二相流順利進入到氣液分離器，氣液分離器連入到三級排管的*低點。

　　將并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)改為兩支獨立的冷卻系統(tǒng)，以利于控制溫度：一支為冷卻水分別并聯(lián)進入到一、二、三、四級氣缸的環(huán)形水隔層和油冷器后排水，如所示；另一支冷卻水先分別進入一、二級冷卻器所組成的水容器，然后進入三級冷卻器和高壓氣液分離器所組成的密閉水容器，*后進入四級冷卻器和油氣分離器外夾層后排水。具體設(shè)計見氣缸和油冷器的冷卻路線嚴(yán)格控制第三、第四級氣缸溫度，使得對應(yīng)溫度高于二氧化碳的臨界點溫度，低于沼氣壓縮機的額定溫度，從而保證二氧化碳在氣缸中為氣體各級冷卻器與分離器的冷卻方式由導(dǎo)熱公式：在傳熱系數(shù)和溫差一定的情況下，可以通過設(shè)計參與換熱的面積A來改變熱交換量，從而有效地控制導(dǎo)熱溫度。

　　給熱系數(shù)，則能改變熱流密度。而給熱系數(shù)a與流體的物理性質(zhì)，固體的表面特征尺寸，強制對流的流速有關(guān)。在流體的物性與固體表面結(jié)構(gòu)尺寸是定值的情況下，改變對流流速將改變給熱系數(shù)。

　　基于此，改變冷卻水流速可以很簡便的改變控制給熱溫度。

　　43現(xiàn)場運行狀況狀態(tài)99嚴(yán)格控制第三第四級排管溫%高壓氣改造：后的壓縮機重新投入進行灌裝試bookmark2裝置在運行過程中，在壓縮機升壓過程中，從0~7.38MP3這個壓力范圍內(nèi)的二氧化碳沒辦法脫除，但實踐證明，灌裝升壓時間較短，經(jīng)此過程混入的二氧化碳?xì)怏w對*終灌裝氣體的熱品影響很小，基本可以忽略不計。而在第四級氣缸超過7.38MPa第三級氣缸還未達到7. 38MPa這段時間內(nèi)，二氧化碳會由于第四級排氣管道冷卻產(chǎn)生液化，然后進入油氣分離器進行分離，這也是嚴(yán)格控制第四級管道溫度的*根本原因。第三級氣缸超過7. 38MPa后，則二氧化碳將由第三級管道后的高壓氣液分離器分離。

　　驗，氣瓶內(nèi)*終氣體成分檢測結(jié)果顯示，二氧化碳?xì)怏w基本脫除，*終氣體的綜合熱值得到改善。

　　試驗完畢后，關(guān)閉氣瓶。通過放空閥引流，堿性溶液順利的將分離出的二氧化碳去除反應(yīng)掉。

　　5結(jié)論利用生物質(zhì)甲院技術(shù)提高沼氣熱能品質(zhì)的關(guān)鍵在于脫除二氧化碳，而在小型脫碳塔中，化學(xué)方法很難較干凈地脫除掉二氧化碳，脫碳效率表現(xiàn)一般較低。

　　甲烷和二氧化碳二者的根本物理性質(zhì)差異在于液化能力的不同，因此可以通過液化一方，另一方保持氣態(tài)，然后采用機械方法進行分離。

　　根據(jù)壓縮機壓縮和冷卻的特點，對冷卻分離結(jié)構(gòu)進行改進，合理控制冷卻水流速度，進而控制三級、四級排氣管道溫度，使二氧化碳液化，然后將二相流引入到高壓氣液分離器進行分離。

　　試驗完畢后，關(guān)閉氣瓶。為避免二氧化碳對大氣的污染，將壓縮機第三、四級放空閥連接到盛有石灰水的堿性溶液中，打開放空閥，由于壓力減小，高壓氣液分離器內(nèi)的液體二氧化碳迅速變成氣體逸出，通過管道引流到堿性溶液中反應(yīng)去除掉。

　　實踐證明，改造后的壓縮機在灌裝工藝中工作運行良好，沼氣中的二氧化碳基本完全脫除，沼氣熱能品質(zhì)得到大大提高。