氫氣壓縮機(jī)助力能源轉(zhuǎn)型

文/Jan Gehrmann

本文作者供職于Aerzener公司。

氫氣壓縮機(jī)為能源轉(zhuǎn)型的增壓——氫能時代即將來臨，但是氫氣如何從電解槽到達(dá)消費者手中？氫能儲運成為氫能實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展的重要影響因素之一，無論是氫能生產(chǎn)商還是儲運商，都需要使用氫氣壓縮機(jī)。然而，波動的氣體溫度和工藝參數(shù)成為那些制造氫氣壓縮機(jī)企業(yè)的挑戰(zhàn)。無論是無油空壓機(jī)還是油浸式壓縮機(jī)，這些裝置都能夠壓縮氣體。

氫氣作為21世紀(jì)能源和原材料經(jīng)濟(jì)的核心組成部分，氫氣領(lǐng)域的技術(shù)突破正在全面展開：越來越多的國家正在致力于設(shè)計一個新的氣候友好型氫價值鏈，并通過制定國家脫碳戰(zhàn)略和相應(yīng)的部門耦合。

專家們確信通過化工、石化、水泥和鋼鐵等工業(yè)部門的供應(yīng)鏈耦合，以及控制燃料生產(chǎn)碳排放，將在未來大規(guī)模地推動氫能生產(chǎn)和運輸能力的發(fā)展。氣態(tài)氫、液態(tài)氫或化學(xué)結(jié)合氫的儲存能力和進(jìn)口結(jié)構(gòu)正處于具體規(guī)劃階段或已在實施中。現(xiàn)有的分銷網(wǎng)絡(luò)和管道即將被擴(kuò)建，并涉及到跨國家和跨行業(yè)的合作項目。

目前，用于制氫的電解槽規(guī)模已從1 MW擴(kuò)大到2 MW和3 MW范圍。在德國，電力轉(zhuǎn)天然氣項目的數(shù)量繼續(xù)穩(wěn)步增長。其中，所有物質(zhì)中約有3/4是由氫原子組成的。然而，作為最小且因此也是最輕的分子，氣態(tài)氫所占的體積也特別大，而且極易揮發(fā)。然而，這種可燃和略帶爆炸性的氣體可以釋放大量的能量，而其本身在燃燒過程中不會產(chǎn)生溫室氣體。這就是氫比其他化石燃料更有價值的原因，1 kg氣態(tài)氫所含的能量約為1 kg汽油的2.8倍。

通過技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)氫氣壓縮機(jī)

只有使用不同類型的壓縮機(jī)進(jìn)行高效、安全的壓縮，才有可能以經(jīng)濟(jì)的方式為氫的工業(yè)應(yīng)用提供所需的數(shù)量和壓力。除了用于幾百巴的壓力范圍內(nèi)的傳統(tǒng)活塞式和隔膜式壓縮機(jī)，尤其螺桿式壓縮機(jī)在低壓范圍內(nèi)具有其存在的理由和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，特別是在體積流量的增加和運行條件波動的情況下，如圖1所示。

圖1 工廠的核心：螺桿壓縮機(jī)可以很好地應(yīng)對波動的運行條件——這是在“可再生能源 ”應(yīng)用方面的典型問題

Aerzen等制造商為各種工藝氣體提供了 "油浸式"和 "無油 "兩個系列的壓縮機(jī)。此外，壓縮機(jī)專家還為工廠運營商和用戶提供設(shè)計和選擇方面的支持，并提供這兩種技術(shù)的現(xiàn)場支持和服務(wù)經(jīng)驗。雖然Aerzen公司幾乎已成為螺桿式壓縮機(jī)的代名詞，但該公司還為氧氣、合成物或碳?xì)浠衔锏裙に嚉怏w提供羅茨風(fēng)機(jī)。

即使元素氫在地球上很稀缺，但我們有不同的自然資源可供在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)這種輕質(zhì)氣體。到目前為止，天然氣蒸汽重整制氫在市場上占主導(dǎo)地位，但在未來水電解制氫的份額預(yù)計將大幅增加。電解槽利用將水分子分解成氫和氧，每兆瓦的輸入功率可提供約200 Nm3/h的氫氣（相當(dāng)于約18 kg/h）和100 Nm3/h的氧氣。

根據(jù)電解的類型或類型。在飽和的氫氣或氧氣質(zhì)量流量。對于壓縮機(jī)制造商來說，這意味著該部分水要么必須一起壓縮，要么必須通過預(yù)干燥（例如冷干燥）在很大程度上分離。然而，根據(jù)（最終）消費者的應(yīng)用情況，也需要非常不同的氫氣純度。

根據(jù)固體或液體電解質(zhì)等不同電解的類型，在飽和的氫氣或氧氣質(zhì)量流中仍保留了0.01%~0.5%（按體積計算）其他分子以及根據(jù)溫度變化最高可達(dá)60%的水蒸氣。對于壓縮機(jī)制造商來說，這意味著這部分水要么被壓縮，要么在很大程度上必須通過預(yù)干燥（如冷干燥）進(jìn)行分離。然而，根據(jù)（最終）消費者的應(yīng)用，對氫氣的純度要求也各不相同。

這取決于具體情況

應(yīng)用于燃料電池或食品工業(yè)時，氫氣氣體純度要求最為嚴(yán)格，其中脫氧干燥器尤為重要可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)表中定義的質(zhì)量5.0，其功能在于最大限度地減少氧氣和水分。在預(yù)壓縮之后，這些脫氧系統(tǒng)可以被設(shè)計成相應(yīng)的小尺寸，從而優(yōu)化成本。

而對于其他用戶，如直接還原鐵礦石、提取氫氣作為某些基本化學(xué)品的原料或?qū)⑵渌腿胩烊粴饩W(wǎng)絡(luò)供氣，氫氣氣體中外來成分的公差和限值要求有時明顯更高，這簡化了整個過程的工藝技術(shù)，從而降低了成本。因此，從經(jīng)濟(jì)和操作的角度來看，建議采用技術(shù)開放和以應(yīng)用為導(dǎo)向的工藝概念，其中可以最佳地補(bǔ)充各個流程參與者的要求和供應(yīng)范圍。

自20世紀(jì)下半葉以來，螺桿式等旋轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)已在要求嚴(yán)格的氣體應(yīng)用中證明了其價值。其中值得一提的是，它們對波動的運行條件不敏感，并且在沒有往復(fù)慣性力的情況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)使螺釘成為柔性的耐久性構(gòu)件，在全負(fù)荷和部分負(fù)荷運行中具有最低的維護(hù)強(qiáng)度和相對較低的運行成本。

水電解過程中產(chǎn)生的濕氧也將被重復(fù)使用——增壓鼓風(fēng)機(jī)是實現(xiàn)這一目的的理想選擇，如圖2所示。

圖2 電解水過程中產(chǎn)生的氧氣也將被重復(fù)利用，增壓鼓風(fēng)機(jī)能夠解決這些問題

多功能和可靠性

螺桿壓縮機(jī)工作原理是基于主轉(zhuǎn)子和副轉(zhuǎn)子，它們通過旋轉(zhuǎn)從吸氣側(cè)捕獲部分氣體，并將氣體從排氣側(cè)的一個較小的幾何形狀出口中排出。主轉(zhuǎn)子通常負(fù)責(zé)驅(qū)動，副轉(zhuǎn)子負(fù)責(zé)腔室的形成和密封。

基本上，螺桿壓縮機(jī)可分為無油和油浸式類型。兩者在氫氣應(yīng)用中都采用單級或多級概念，但由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，所以應(yīng)用的工作領(lǐng)域也不同，例如由于油和轉(zhuǎn)子的相互滾動，油浸式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子比無油壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得更慢，而后者不互相接觸。因此，無油機(jī)組可實現(xiàn)更高的容積吞吐量，而在油浸式壓縮機(jī)中，較小的軸承距離和油冷卻（或注水）則可實現(xiàn)高壓差，如圖3、4所示。

圖3 使用無油螺桿壓縮機(jī)，無需壓縮或預(yù)干燥露點以上的潮濕氣體

圖4 油浸式螺桿壓縮機(jī)可實現(xiàn)最高的壓差，但對潮濕氣體很敏感

油浸式螺桿壓縮機(jī)

1.整個內(nèi)部空間浸在油中，因此設(shè)計緊湊，軸承間距較小。

2.較低的圓周速度和較小的體積。

3.被驅(qū)動的主轉(zhuǎn)子直接滾動到旋轉(zhuǎn)的副轉(zhuǎn)子上（油膜不能撕裂）。

4.最大壓差和軸承負(fù)荷。

5.潮濕的氣體必須被壓縮到露點以上（以避免水凝結(jié)）。

6.預(yù)干燥對于油的運行成本和使用壽命來說是有意義的。

7.可采用油潤滑控制缸（在恒定速度和恒定極限壓力下調(diào)節(jié)體積流量；其作用類似于內(nèi)部旁路，也可用作啟動泄壓）。

無油螺桿壓縮機(jī)（注水）

1.輸送室100%無油；采用注水冷卻和間隙密封，可以提高效率。

2.被驅(qū)動的主轉(zhuǎn)子不與副轉(zhuǎn)子接觸；通過齒輪對實現(xiàn)同步。

3.更高的圓周速度和更大的體積。

4.油室由分離式密封件和所謂的中性油室隔開，因此軸承間距較大。

5.較低的壓差和軸承負(fù)荷。

6.潮濕的氣體無須被壓縮到露點以上。

7.預(yù)干燥，露點不相關(guān)。

無油螺桿壓縮機(jī)（干燥）

1.輸送室100%無油，但阻隔介質(zhì)進(jìn)入了泵室。

2.被驅(qū)動的主轉(zhuǎn)子與副轉(zhuǎn)子沒有接觸；通過齒輪對實現(xiàn)同步。

3.差壓受最大溫度發(fā)展或最終溫度限制（無內(nèi)部冷卻介質(zhì)）。特別是氫氣在壓縮過程中會極大地提高溫度。

4.泵腔上的氣密封或液密封（自身介質(zhì)也可作為密封氣體）。

5.最大圓周速度和體積。

6.潮濕的氣體無須被壓縮到露點以上。

對于所有的類型，都可以借助變頻器通過轉(zhuǎn)速來控制體積流量。軸承的選擇起著核心作用，首先它限制了最低轉(zhuǎn)速（滑動軸承）或可補(bǔ)償力（滾動軸承）。在恒定扭矩的情況下，整個控制范圍內(nèi)約1 Hz的負(fù)載變化是標(biāo)準(zhǔn)的。原則上，輸送量和效率會隨著轉(zhuǎn)子、外殼和軸承之間（以及帶控制滑塊的油浸式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和控制滑閥之間）的密封性增加或最小化而提高。

壓差越大，氣體密度越低，間隙損失就越大 ——這種效應(yīng)在氫氣等輕質(zhì)氣體中尤為明顯。因此，注入流體（如油或水）并不完全用于冷卻，還用于間隙密封。

由于注入介質(zhì)導(dǎo)致的溫差較低，等熵線傾向于在斜圖中向等溫壓縮或狀態(tài)變化的方向移動。由此節(jié)省的勞動力有利于特定的能源需求，從而提高整體效率。

選擇困難？

根據(jù)應(yīng)用的不同，工藝和產(chǎn)品要求在所需的純度、可靠性、操作模式和成本敏感性方面上存在很大差異。水、氧和油氣溶膠殘留量的個別臨界極限值有時會對購置和運營成本產(chǎn)生重大影響，可能需要使用無油壓縮機(jī)或為油浸式壓縮機(jī)進(jìn)行額外的精細(xì)分離。

根據(jù)最終的壓力水平以及需要保證的可靠性，螺桿式、活塞式和隔膜式壓縮機(jī)的總和所需的壓縮機(jī)級數(shù)可以達(dá)到兩位數(shù)的范圍。

由于最大體積的流量，需要考慮到在低壓壓縮中避免多級概念對總成本巨大的影響。與其他壓縮機(jī)相比，螺桿輸送的體積相對較大，而占地面積明顯小得多，從而能夠降低成本。如果還考慮到相關(guān)的建筑服務(wù)和基礎(chǔ)成本，這種優(yōu)勢會進(jìn)一步增加，特別是對于所謂的 “封裝單元 ”設(shè)計的緊湊型螺桿技術(shù)，或者作為滑橇?xí)r（底座支撐的單元）。 ●

壓縮機(jī)選型小貼士

在選擇壓縮機(jī)之前，您應(yīng)該問自己這些問題：

?您的氫氣購買者/用戶是否需要100%的無油氫氣？

?您有沒有比較過不同壓縮機(jī)技術(shù)的氫氣相關(guān)參考資料？

?您的工藝/終端客戶需要壓縮機(jī)具體哪些可用性？

?計劃外停機(jī)的成本是多少？

?從長遠(yuǎn)來看，您的系統(tǒng)/工藝能長期容忍哪些振蕩和振動？

?您是否將您的壓縮機(jī)系統(tǒng)的生命周期成本與實際的運營和維護(hù)成本（OPEX）結(jié)合起來考慮？

?到目前為止，您對哪些類型的壓縮機(jī)有好/壞體驗？