氫氣壓縮機助力能源轉型

文/Jan Gehrmann

本文作者供職于Aerzener公司。

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

氫氣作為21世紀能源和原材料經濟的核心組成部分，氫氣領域的技術突破正在全面展開：越來越多的國家正在致力于設計一個新的氣候友好型氫價值鏈，并通過制定國家脫碳戰略和相應的部門耦合。

專家們確信通過化工、石化、水泥和鋼鐵等工業部門的供應鏈耦合，以及控制燃料生產碳排放，將在未來大規模地推動氫能生產和運輸能力的發展。氣態氫、液態氫或化學結合氫的儲存能力和進口結構正處于具體規劃階段或已在實施中。現有的分銷網絡和管道即將被擴建，并涉及到跨國家和跨行業的合作項目。

目前，用于制氫的電解槽規模已從1 MW擴大到2 MW和3 MW范圍。在德國，電力轉天然氣項目的數量繼續穩步增長。其中，所有物質中約有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，氣態氫所占的體積也特別大，而且極易揮發。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氣態氫所含的能量約為1 kg汽油的2.8倍。

通過技術創新改進氫氣壓縮機

只有使用不同類型的壓縮機進行高效、安全的壓縮，才有可能以經濟的方式為氫的工業應用提供所需的數量和壓力。除了用于幾百巴的壓力范圍內的傳統活塞式和隔膜式壓縮機，尤其螺桿式壓縮機在低壓范圍內具有其存在的理由和經濟優勢，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：螺桿壓縮機可以很好地應對波動的運行條件——這是在“可再生能源 ”應用方面的典型問題

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。此外，壓縮機專家還為工廠運營商和用戶提供設計和選擇方面的支持，并提供這兩種技術的現場支持和服務經驗。雖然Aerzen公司幾乎已成為螺桿式壓縮機的代名詞，但該公司還為氧氣、合成物或碳氫化合物等工藝氣體提供羅茨風機。

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規模上生產這種輕質氣體。到目前為止，天然氣蒸汽重整制氫在市場上占主導地位，但在未來水電解制氫的份額預計將大幅增加。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（相當于約18 kg/h）和100 Nm3/h的氧氣。

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

根據固體或液體電解質等不同電解的類型，在飽和的氫氣或氧氣質量流中仍保留了0.01%~0.5%（按體積計算）其他分子以及根據溫度變化最高可達60%的水蒸氣。對于壓縮機制造商來說，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干燥（如冷干燥）進行分離。然而，根據（最終）消費者的應用，對氫氣的純度要求也各不相同。

這取決于具體情況

應用于燃料電池或食品工業時，氫氣氣體純度要求最為嚴格，其中脫氧干燥器尤為重要可以實現數據表中定義的質量5.0，其功能在于最大限度地減少氧氣和水分。在預壓縮之后，這些脫氧系統可以被設計成相應的小尺寸，從而優化成本。

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品的原料或將其送入天然氣網絡供氣，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，從而降低了成本。因此，從經濟和操作的角度來看，建議采用技術開放和以應用為導向的工藝概念，其中可以最佳地補充各個流程參與者的要求和供應范圍。

自20世紀下半葉以來，螺桿式等旋轉容積式壓縮機已在要求嚴格的氣體應用中證明了其價值。其中值得一提的是，它們對波動的運行條件不敏感，并且在沒有往復慣性力的情況下，內部結構使螺釘成為柔性的耐久性構件，在全負荷和部分負荷運行中具有最低的維護強度和相對較低的運行成本。

水電解過程中產生的濕氧也將被重復使用——增壓鼓風機是實現這一目的的理想選擇，如圖2所示。

圖2 電解水過程中產生的氧氣也將被重復利用，增壓鼓風機能夠解決這些問題

多功能和可靠性

螺桿壓縮機工作原理是基于主轉子和副轉子，它們通過旋轉從吸氣側捕獲部分氣體，并將氣體從排氣側的一個較小的幾何形狀出口中排出。主轉子通常負責驅動，副轉子負責腔室的形成和密封。

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

圖3 使用無油螺桿壓縮機，無需壓縮或預干燥露點以上的潮濕氣體

圖4 油浸式螺桿壓縮機可實現最高的壓差，但對潮濕氣體很敏感

油浸式螺桿壓縮機

1.整個內部空間浸在油中，因此設計緊湊，軸承間距較小。

2.較低的圓周速度和較小的體積。

3.被驅動的主轉子直接滾動到旋轉的副轉子上（油膜不能撕裂）。

4.最大壓差和軸承負荷。

5.潮濕的氣體必須被壓縮到露點以上（以避免水凝結）。

6.預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節體積流量；其作用類似于內部旁路，也可用作啟動泄壓）。

無油螺桿壓縮機（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.被驅動的主轉子不與副轉子接觸；通過齒輪對實現同步。

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荷。

6.潮濕的氣體無須被壓縮到露點以上。

7.預干燥，露點不相關。

無油螺桿壓縮機（干燥）

1.輸送室100%無油，但阻隔介質進入了泵室。

2.被驅動的主轉子與副轉子沒有接觸；通過齒輪對實現同步。

3.差壓受最大溫度發展或最終溫度限制（無內部冷卻介質）。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速（滑動軸承）或可補償力（滾動軸承）。在恒定扭矩的情況下，整個控制范圍內約1 Hz的負載變化是標準的。原則上，輸送量和效率會隨著轉子、外殼和軸承之間（以及帶控制滑塊的油浸式壓縮機的轉子和控制滑閥之間）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 ——這種效應在氫氣等輕質氣體中尤為明顯。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。

由于注入介質導致的溫差較低，等熵線傾向于在斜圖中向等溫壓縮或狀態變化的方向移動。由此節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？

根據應用的不同，工藝和產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生重大影響，可能需要使用無油壓縮機或為油浸式壓縮機進行額外的精細分離。

根據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的總和所需的壓縮機級數可以達到兩位數的范圍。

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。如果還考慮到相關的建筑服務和基礎成本，這種優勢會進一步增加，特別是對于所謂的 “封裝單元 ”設計的緊湊型螺桿技術，或者作為滑橇時（底座支撐的單元）。 ●

壓縮機選型小貼士

在選擇壓縮機之前，您應該問自己這些問題：

?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技術的氫氣相關參考資料？

?您的工藝/終端客戶需要壓縮機具體哪些可用性？

?計劃外停機的成本是多少？

?從長遠來看，您的系統/工藝能長期容忍哪些振蕩和振動？

?您是否將您的壓縮機系統的生命周期成本與實際的運營和維護成本（OPEX）結合起來考慮？

?到目前為止，您對哪些類型的壓縮機有好/壞體驗？