試驗(yàn)研究沼氣壓縮機(jī)中間級(jí)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承德石油高等專科學(xué)校，河北承德06700⑴甲烷和二氧化碳的物性差異，對(duì)壓縮機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在第三級(jí)冷卻管后設(shè)計(jì)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(jí)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(shí)將高品質(zhì)甲烷送入第四級(jí)氣缸進(jìn)行壓縮。

　　本文研究的生物質(zhì)甲烷技術(shù)即是對(duì)沼氣產(chǎn)業(yè)化的有益探索。筆者課題組對(duì)沼氣的凈化、提純、壓縮、灌裝等工藝進(jìn)行了大量的調(diào)研及開發(fā)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝及裝備設(shè)計(jì)，為檢驗(yàn)工藝的操作可行性，對(duì)180m沼氣池進(jìn)行了沼氣灌裝試驗(yàn)12.工業(yè)試驗(yàn)中暴露出兩個(gè)主要問題：（1）二氧化碳?xì)怏w脫除效率低；（2）高壓壓縮機(jī)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(jī)的氣缸壓縮情況，提出一種物理分離方法，即對(duì)壓縮機(jī)的中間級(jí)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在第三級(jí)冷卻外盤管后設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)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(jī)廢棄物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的有機(jī)廢水、工業(yè)廢水、城市污水和垃圾、水生植物及藻類等有機(jī)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?dú)狻⒁谎趸肌⒘蚧瘹浜桶睔獾取ＭǔＧ闆r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(jìn)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(jī)串聯(lián)在管路中進(jìn)行輸氣。

　　14/1.5―200型沼氣壓縮機(jī)壓縮到20MPa塔、脫碳塔、2V034/2型沼氣壓縮機(jī)、2V―014/1.5― 200型沼氣壓縮機(jī)、緩沖罐、GZF-12/ 200分子篩高壓干燥器、50L和81L高壓氣瓶、流量計(jì)、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(jī)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(jìn)行冷卻，氣缸的冷卻通常可以帶走摩擦熱，使缸壁不致因溫度過高而影響潤(rùn)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(jí)冷卻器進(jìn)行冷卻。一、二、三、四級(jí)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(yàn)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(yàn)初期一次性向180m沼氣池投1000斤牛糞并發(fā)酵1天后，檢驗(yàn)沼氣池和儲(chǔ)氣柜是否已富集沼氣，之后對(duì)裝備進(jìn)行氮?dú)馀趴蘸箝_始試驗(yàn)。安全起見，壓縮初期*高壓力控制在10MPa―段時(shí)間后罐裝收集2瓶（501和81L）氣體。隔2天后進(jìn)行同樣試驗(yàn)，適當(dāng)加大壓縮機(jī)排氣壓力，使之*終達(dá)到20MPa（4）組分檢測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)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(diǎn)（C導(dǎo)熱系數(shù)（W/m）臨界點(diǎn)溫度（C）壓強(qiáng)（MPa由表2可知，二氧化碳臨界溫度為31. 1°C，臨界壓強(qiáng)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(jī)的三級(jí)額定排氣壓力超過了二氧化碳的臨界壓強(qiáng)，由于操作中控制氣缸溫度較低，使得三級(jí)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黾託飧椎哪p。當(dāng)二氧化碳液體排不順暢時(shí)會(huì)越積越多，當(dāng)氣缸內(nèi)液體容積超過壓縮機(jī)余隙容積時(shí)便造成液擊現(xiàn)象31，從而使機(jī)器遭到破壞。從三級(jí)氣缸排出的壓縮氣體變成了氣液二相流狀態(tài)，進(jìn)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(jìn)到第四級(jí)氣缸后，繼續(xù)對(duì)氣缸產(chǎn)生破壞。

　　2V―014/1.5―200壓縮機(jī)中間級(jí)的氣液分離改進(jìn)41改進(jìn)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jī)的第三級(jí)額定壓力達(dá)到了二氧化碳的液化臨界壓力，而如果控制三級(jí)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(huì)發(fā)生液化，從而不會(huì)對(duì)三級(jí)氣缸產(chǎn)生破壞作用。復(fù)合氣體從三級(jí)氣缸排出后，進(jìn)入外部冷卻盤管裝置，如果外部溫度在試驗(yàn)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(jìn)入后，由于螺旋板的導(dǎo)流作用，使氣體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(shì)引入到第四級(jí)氣缸，壓縮到20MPai裝進(jìn)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(yàn)完畢后，關(guān)閉氣瓶。為了避免二氧化碳對(duì)大氣的污染，將壓縮機(jī)第三、四級(jí)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(shí)施方法將壓縮機(jī)的第三級(jí)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(jí)排管內(nèi)的氣液二相流順利進(jìn)入到氣液分離器，氣液分離器連入到三級(jí)排管的*低點(diǎn)。

　　將并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)改為兩支獨(dú)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(jìn)入到一、二、三、四級(jí)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(jìn)入一、二級(jí)冷卻器所組成的水容器，然后進(jìn)入三級(jí)冷卻器和高壓氣液分離器所組成的密閉水容器，*后進(jìn)入四級(jí)冷卻器和油氣分離器外夾層后排水。具體設(shè)計(jì)見氣缸和油冷器的冷卻路線嚴(yán)格控制第三、第四級(jí)氣缸溫度，使得對(duì)應(yīng)溫度高于二氧化碳的臨界點(diǎn)溫度，低于沼氣壓縮機(jī)的額定溫度，從而保證二氧化碳在氣缸中為氣體各級(jí)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(jì)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(qiáng)制對(duì)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(duì)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(jiǎn)便的改變控制給熱溫度。

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

　　驗(yàn)，氣瓶?jī)?nèi)*終氣體成分檢測(cè)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(yàn)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(jī)械方法進(jìn)行分離。

　　根據(jù)壓縮機(jī)壓縮和冷卻的特點(diǎn)，對(duì)冷卻分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，合理控制冷卻水流速度，進(jìn)而控制三級(jí)、四級(jí)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(jìn)行分離。

　　試驗(yàn)完畢后，關(guān)閉氣瓶。為避免二氧化碳對(duì)大氣的污染，將壓縮機(jī)第三、四級(jí)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(shí)踐證明，改造后的壓縮機(jī)在灌裝工藝中工作運(yùn)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。