沼气压缩机中间级的气液二相分离研究

　　试验研究沼气压缩机中间级的气液二相分离研究王海涛黄福川齐琳2罗慧娟1童攀1（1广西大学，广西南宁5300042承德石油高等专科学校，河北承德06700⑴甲烷和二氧化碳的物性差异，对压缩机的冷却结构进行了改进设计，在第三级冷却管后设计了高压气液分离器。使甲烷和二氧化碳的混合气经第三级压缩后，在冷却管道内变成气液二相流，再将二相流组分引入高压液气分离器，分离出液态二氧化碳，同时将高品质甲烷送入第四级气缸进行压缩。

　　本文研究的生物质甲烷技术即是对沼气产业化的有益探索。笔者课题组对沼气的净化、提纯、压缩、灌装等工艺进行了大量的调研及开发，在此基础上进行了工艺及装备设计，为检验工艺的操作可行性，对180m沼气池进行了沼气灌装试验12.工业试验中暴露出两个主要问题：（1）二氧化碳气体脱除效率低；（2）高压压缩机气缸受到损伤。经过课题组的系统研究分析，发现化学方法难以改善沼气脱碳效率。结合甲烷和二氧化碳的物性差异及高压压缩机的气缸压缩情况，提出一种物理分离方法，即对压缩机的中间级进行了改进设计，在第三级冷却外盘管后设计增加了高压气液分离器，操作中通过控制温度和压力产生并分离气液二相流。实践证明，此种分离方法脱除二氧化碳效率高，能取得明显效果。

　　2生物质甲烷技术工业试验1生物质甲烷技术理论基础沼气是将人畜禽粪便、秸秆、农业有机废弃物、农副产品加工的有机废水、工业废水、城市污水和垃圾、水生植物及藻类等有机物在厌氧条件下，经微生物分解发酵而生成的一种可燃性气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳，此外还有少量的氢、氮气、一氧化碳、硫化氢和氨气等。通常情况下，沼气中的甲烷含量为60% ~70%，二氧化碳为30%~4%，其余气体含量很少，约占总体积的2%.沼气中的可燃成分主要是甲烷，二氧化碳气体不燃烧，1rf沼气的热值约为21520约相当于1. 45m煤气或0 69rf天燃气的热值。

　　生物质甲烷技术是基于沼气净化提纯，*终将沼气转化为高浓度、高热值甲烷的一种新技术。沼气中组分比例变化的热值表现见表1可以看出甲烷提升到一定比例后，气体热值有较大的提高，这为沼气的工业化应用奠定了基础。

　　表1沼气组分比例变化的品质表现特性参数热值筛高压干燥器进行变压吸附脱水。

　　输气：由于沼气池气压较小，为保证气流的顺畅，采用2V―034/2型沼气压缩机串联在管路中进行输气。

　　14/1.5―200型沼气压缩机压缩到20MPa塔、脱碳塔、2V034/2型沼气压缩机、2V―014/1.5― 200型沼气压缩机、缓冲罐、GZF-12/ 200分子筛高压干燥器、50L和81L高压气瓶、流量计、压力表等。

　　180m沼气池产气情况：夏天池容产气率：d1，每天产气约为：180X0.45及冷却系统：四压缩机冷却系统：冷却系统包括气缸冷却和压缩介质冷却，气缸冷却由围绕缸壁的环形水隔层注水进行冷却，气缸的冷却通常可以带走摩擦热，使缸壁不致因温度过高而影响润滑油性能，所以要求不高。压缩介质冷却是压缩气体分别通过一、二、三、四级冷却器进行冷却。一、二、三、四级冷却器均为盘管式，组成一体。冷却管内为气流通道，管外为冷却水流通道，本次试验冷却水是一次性使用。

　　按照工艺流程图将设备组接完毕，试验初期一次性向180m沼气池投1000斤牛粪并发酵1天后，检验沼气池和储气柜是否已富集沼气，之后对装备进行氮气排空后开始试验。安全起见，压缩初期*高压力控制在10MPa―段时间后罐装收集2瓶（501和81L）气体。隔2天后进行同样试验，适当加大压缩机排气压力，使之*终达到20MPa（4）组分检测结果设计主要工艺流程见主要有：将沼气中的部分1水蒸汽脱除。后期干燥采名称二氧化碳甲烷粘度屮Pas）沸点（C导热系数（W/m）临界点温度（C）压强（MPa由表2可知，二氧化碳临界温度为31. 1°C，临界压强为7.38MP，a相比于甲烷气体来说，二氧化碳气体易于液化。2V―014/1. 5―200型沼气压缩机的三级额定排气压力超过了二氧化碳的临界压强，由于操作中控制气缸温度较低，使得三级气缸温度稳定在或低于二氧化碳临界温度，导液体与气缸壁接触，使润滑恶化，增加气缸的磨损。当二氧化碳液体排不顺畅时会越积越多，当气缸内液体容积超过压缩机余隙容积时便造成液击现象31，从而使机器遭到破坏。从三级气缸排出的压缩气体变成了气液二相流状态，进入外部冷却盘管装置，由于外部盘管温度控制的更低，使得二氧化碳基本全部液化。当二相流随输气管道进到第四级气缸后，继续对气缸产生破坏。

　　2V―014/1.5―200压缩机中间级的气液分离改进41改进思想工业应用中脱碳工艺基本分为化学方法和物理方法两种。化学方法一般应用于大中型塔设备，通过层层反应及吸附，使得二氧化碳气体逐步被吸收。而对于小塔设备，由于气流速度较快，很难保证二氧化碳和反应物质充分接触，进而难以使得二氧化碳气体被高效率脱除。物理方法则是利用复合气体中的物化性质差异而进行分离151.净化压缩后的沼气主要成分是甲烷和二氧化碳，由表2可知，两种气体*大的差异是液化的难易程度。甲烷液化临界温度低，为一82于较难液化物质。而二氧化碳恰恰相反，液化临界温度较高，为31. 1°Q属于易液化物质。因此采用物理方法分离是一种较好的方法161. 5―200型沼气压缩机的第三级额定压力达到了二氧化碳的液化临界压力，而如果控制三级气缸内温度高于二氧化碳临界温度，则未净化的二氧化碳气体在气缸内不会发生液化，从而不会对三级气缸产生破坏作用。复合气体从三级气缸排出后，进入外部冷却盘管装置，如果外部温度在试验中控制的低于31.1°C，则使得二氧化碳迅速液化。结果，压缩气体在盘管内变成了气液二相流状态。之后将气液二相流引入到高压气液分离器，其结构见切向进入后，由于螺旋板的导流作用，使气体做旋转运动，在离心作用下，液体被甩到筒体内壁，向下流到底部。纯净的甲烷气体则顺势引入到第四级气缸，压缩到20MPai装进气瓶即可71.致未净化完的二氧化碳部分发生液化它二氧化1减小高压气液分离器内的液体二氧化碳迅速。：bookmark1试验完毕后，关闭气瓶。为了避免二氧化碳对大气的污染，将压缩机第三、四级放空阀连接到盛有石灰水的碱性溶液中，打开放空阀。由于压42实施方法将压缩机的第三级排气管打开，接入高压气液分离器。并且将高压气液分离器放入到压缩介质冷却系统中，以控制其温度。为了使第三级排管内的气液二相流顺利进入到气液分离器，气液分离器连入到三级排管的*低点。

　　将并联式冷却系统改为两支独立的冷却系统，以利于控制温度：一支为冷却水分别并联进入到一、二、三、四级气缸的环形水隔层和油冷器后排水，如所示；另一支冷却水先分别进入一、二级冷却器所组成的水容器，然后进入三级冷却器和高压气液分离器所组成的密闭水容器，*后进入四级冷却器和油气分离器外夹层后排水。具体设计见气缸和油冷器的冷却路线严格控制第三、第四级气缸温度，使得对应温度高于二氧化碳的临界点温度，低于沼气压缩机的额定温度，从而保证二氧化碳在气缸中为气体各级冷却器与分离器的冷却方式由导热公式：在传热系数和温差一定的情况下，可以通过设计参与换热的面积A来改变热交换量，从而有效地控制导热温度。

　　给热系数，则能改变热流密度。而给热系数a与流体的物理性质，固体的表面特征尺寸，强制对流的流速有关。在流体的物性与固体表面结构尺寸是定值的情况下，改变对流流速将改变给热系数。

　　基于此，改变冷却水流速可以很简便的改变控制给热温度。

　　43现场运行状况状态99严格控制第三第四级排管温%高压气改造：后的压缩机重新投入进行灌装试bookmark2装置在运行过程中，在压缩机升压过程中，从0~7.38MP3这个压力范围内的二氧化碳没办法脱除，但实践证明，灌装升压时间较短，经此过程混入的二氧化碳气体对*终灌装气体的热品影响很小，基本可以忽略不计。而在第四级气缸超过7.38MPa第三级气缸还未达到7. 38MPa这段时间内，二氧化碳会由于第四级排气管道冷却产生液化，然后进入油气分离器进行分离，这也是严格控制第四级管道温度的*根本原因。第三级气缸超过7. 38MPa后，则二氧化碳将由第三级管道后的高压气液分离器分离。

　　验，气瓶内*终气体成分检测结果显示，二氧化碳气体基本脱除，*终气体的综合热值得到改善。

　　试验完毕后，关闭气瓶。通过放空阀引流，碱性溶液顺利的将分离出的二氧化碳去除反应掉。

　　5结论利用生物质甲院技术提高沼气热能品质的关键在于脱除二氧化碳，而在小型脱碳塔中，化学方法很难较干净地脱除掉二氧化碳，脱碳效率表现一般较低。

　　甲烷和二氧化碳二者的根本物理性质差异在于液化能力的不同，因此可以通过液化一方，另一方保持气态，然后采用机械方法进行分离。

　　根据压缩机压缩和冷却的特点，对冷却分离结构进行改进，合理控制冷却水流速度，进而控制三级、四级排气管道温度，使二氧化碳液化，然后将二相流引入到高压气液分离器进行分离。

　　试验完毕后，关闭气瓶。为避免二氧化碳对大气的污染，将压缩机第三、四级放空阀连接到盛有石灰水的碱性溶液中，打开放空阀，由于压力减小，高压气液分离器内的液体二氧化碳迅速变成气体逸出，通过管道引流到碱性溶液中反应去除掉。

　　实践证明，改造后的压缩机在灌装工艺中工作运行良好，沼气中的二氧化碳基本完全脱除，沼气热能品质得到大大提高。