Винтовой компрессор для очистки водорода: все, что нужно знать в 2024 году

Водород, наименее тяжелый элемент, все чаще рассматривается как более чистый энергоноситель. Это важный фактор для сокращения выбросов углекислого газа, поскольку при его сгорании образуется только водяной пар; в отличие от ископаемого топлива. Несмотря на это, все не так просто, потому что водород требует определенного уровня чистоты для его различных применений. Это невозможно с винтовым компрессором для очистки водорода. 

Очистка водорода важна для обеспечения безопасной и эффективной работы в таких областях, как электромобили на топливных элементах и промышленные процессы. Сжатие водорода с помощью винтовых компрессоров представляется одним из наиболее интересных технологических вариантов, особенно когда требуется высокая чистота. В этой статье вы прочитаете о конструкции водородного винтового компрессора, принципах работы и преимуществах в развивающейся водородной экономике.

Водород как чистый источник энергии

Водород является самым простым и распространенным элементом с большим потенциалом в качестве чистого энергоносителя. При сгорании он образует только водяной пар, в отличие от ископаемого топлива, которое генерирует парниковые газы в месте использования. Технологии, связанные с этим, делают его основополагающим для реализации амбициозных планов по декарбонизации.

Раскрытие потенциала водорода зависит от секторной связи. Традиционно различные секторы, связанные с энергетикой, такие как электроэнергетика, транспорт и промышленность, работали независимо. 

Цель сопряжения секторов состоит в том, чтобы связать эти подразделения таким образом, чтобы между ними можно было обмениваться чистой энергией. Водород выступает в качестве гибкого носителя, который помогает хранить и транспортировать возобновляемую энергию, вырабатываемую из таких источников, как солнечная и ветровая.

Например, избыток электроэнергии из экологически чистых источников может подвергаться процессу электролиза, известному как расщепление молекул воды на водород и кислород. Затем зеленый водород можно хранить, транспортировать или использовать для других целей:

Транспорт: В качестве альтернативы автомобилям с бензиновым двигателем, электромобили на топливных элементах (FCEV) работают на газообразном водороде.

Промышленность: Высокотемпературные промышленные процессы, включая производство стали и синтез аммиака, могут начать использовать водород вместо ископаемого топлива.

Выработка электроэнергии: В часы пикового спроса газовые турбины, работающие на водороде, могут вырабатывать электроэнергию.

Тем не менее, существуют многочисленные инфраструктурные проблемы, препятствующие созданию сильной водородной экономики. Солнечная энергия или любой другой возобновляемый источник, способный производить зеленый водород путем электролиза, является крупномасштабной операцией, требующей значительных вложений как времени, так и ресурсов; В то же время необходимо разработать эффективные методы безопасного хранения или транспортировки этого газа; Строительство сетевых трубопроводов, таких как специализированные хранилища, создает огромную техническую сложность и экономическую проблему.

Технологии сжатия водорода

Но, несмотря на свои преимущества, присущие этой характерной низкой плотности, возникают проблемы, которые затрудняют или делают невозможным эффективное использование без сжатия, что приводит к появлению множества различных компрессорных технологий, используемых для работы с сжатым H2:

Поршневые компрессоры:

Они сжимают газы через поршни, движущиеся внутри цилиндров, которые являются возвратно-поступательными. Их пригодность заключается в достижении очень высокого давления нагнетания, например, в трубопроводах большой протяженности. Однако из-за их сложности, которая проявляется в наличии нескольких движущихся частей, они требуют большего обслуживания и менее эффективны, чем другие.

Мембранные компрессоры:

Они сжимают газы с помощью гибкой мембраны, которую можно приводить в движение. В качестве примера можно привести приложения с низким давлением, где требуется самый высокий расход на единицу объема. Как правило, мембраны изготавливаются из специальных материалов для работы с водородом, а также для минимизации его проникновения; С другой стороны, эти агрегаты имеют ограниченные возможности по давлению по сравнению с поршневыми компрессорами.

Винтовые компрессоры:

В них используются винтовые роторы с зацеплением для сжатия газа. Для применения на водороде они имеют ряд преимуществ:

Безмасляная работа: Топливные элементы требуют чистого воздуха, поэтому винтовые компрессоры, работающие без масла, не представляют опасности загрязнения.

Высокая эффективность: При низких и высоких нагрузках винтовые компрессоры обеспечивают более высокий уровень эффективности, что приводит к снижению энергопотребления.

Компактная конструкция: эти новые конструкции занимают меньше места, чем их конкуренты, такие как поршневые машины, особенно в таких проектах, как водородные заправочные станции.

Тем не менее, винтовые компрессоры, как правило, работают при более низких перепадах давления по сравнению с поршневыми, но когда дело доходит до достижения высоких степеней сжатия для H2, многоступенчатые компрессоры могут потребовать дополнительных действий. Кроме того, поддержание надлежащих зазоров в подшипниках и уплотнение от утечек на безмасляной машине — это некоторые проблемы, связанные с этим типом технологии из-за работы только на газообразном водороде.

Винтовые компрессоры для очистки водорода 

Винтовой компрессор для очистки водорода — это специальный тип оборудования, который может поддерживать производство чистого водорода. Вот более подробный обзор технических аспектов:

Операции:

Низкий перепад давления: В отличие от трубопроводов природного газа, применение водорода часто требует умеренного повышения давления. Винтовые компрессоры имеют преимущество в этом диапазоне, поскольку они обеспечивают эффективное сжатие при меньшем потреблении энергии по сравнению с поршневыми компрессорами высокого давления.

Высокие окружные скорости

 Чтобы компенсировать меньшие перепады давления, водородные винтовые компрессоры работают на более высоких оборотах ротора. Это обеспечивает достаточный расход для легкого газа. Тем не менее, тщательное проектирование имеет решающее значение для снижения уровня шума и износа подшипников, связанных с высокими скоростями.

Безмасляный императив:

Загрязнение является большой проблемой при работе с водородом, особенно с топливными элементами. Даже небольшое количество масла может значительно снизить производительность и ожидаемый срок службы топливных элементов, поэтому безмасляная работа является ключевым фактором. Это требует определенных конструктивных соображений:

Расстояния по подшипникам:

Безмасляные подшипники должны быть сконструированы таким образом, чтобы они обладали минимальным зазором, снижающим трение благодаря специальным покрытиям или методам сухого хода. Сложность здесь заключается в различиях в тепловом расширении между ротором и материалами подшипника.

Уплотнительный газ:

Чтобы предотвратить утечку H2 и сохранить камеру сжатия в чистоте, применяется уплотнительный газ (обычно азот). Таким образом, его выбор и управление им должны быть правильными, чтобы поддерживать эффективность при минимизации рисков загрязнения.

Преобразователи частоты

Спрос на водород в большинстве случаев варьируется в зависимости от его применения. Преобразователи частоты очень важны для обеспечения максимальной эффективности в таких условиях, когда скорость колеблется, регулируя скорость двигателя в соответствии с реальным расходом, что значительно снижает потребление энергии по сравнению с работой с фиксированной частотой вращения.

Изотермическое сжатие 

В процессе сжатия всегда выделяется тепло, что может привести к образованию нежелательных побочных продуктов и снижению уровня чистоты водорода. Изотермическое сжатие направлено на то, чтобы свести к минимуму это повышение температуры, таким образом, впрыскивание охлаждающей среды (в основном воды) во время сжатия контролирует повышение температуры, что приводит к получению более чистого и стабильного продукта водорода.

Преимущества винтового компрессора для очистки водорода

Винтовые компрессоры для очистки водорода имеют различные технические преимущества, которые отражаются в эксплуатационных преимуществах, таких как:

Конструкция для конкретных областей применения: Эти машины могут быть настроены для определенных процессов, в которых используется водород. В этом случае нет необходимости в сложных регулировках, что снижает сложность установки и обслуживания.

Снижение трудозатрат: упрощенная конструкция и повышенная эффективность этих систем снижают затраты на их обслуживание в отличие от механических компрессоров. Это означает снижение затрат на рабочую силу и повышение производительности.

Несмотря на то, что эти винтовые компрессоры в первую очередь предназначены для работы с водородом, они также могут использоваться с другими технологическими газами, участвующими в секторных соединениях. Несколько неотъемлемых преимуществ, таких как безмасляная работа и высокая эффективность, делают их хорошим выбором для:

Модернизация биогаза: Это устранение примесей, таких как углекислый газ, из биогаза, тем самым создавая чистый источник биометанового топлива.

Химическое производство: Они отвечают за сжатие различных типов газа, используемых в таких отраслях, как синтез аммиака или реакции гидрирования.

Улавливание и хранение углерода (CCS): транспортировка и сжатие улавливаемого CO2 для безопасного хранения.

Эта способность повышает ценность предложения, которое делают винтовые компрессоры для очистки водорода, чтобы вписаться в более широкий контекст более чистой переходной энергии.

Соображения по проектированию и производству

Выбор между корневыми и лопастными компрессорами

Воздуходувки Рутса против роторно-лопастных компрессоров для технологических газов:

В отличие от роторно-лопастных компрессоров, воздуходувки Рутса имеют более простые двухлопастные роторы, которые работают с меньшим КПД, но они очень эффективны при работе со значительными расходами при низком давлении.

Роторно-лопастной компрессор в отличие от воздуходувки Рутса: Более сложные многолопастные рабочие колеса, которые обеспечивают более высокую эффективность в отношении соотношения давлений, а также диапазонов давления, чем обычно наблюдается в первом типе. Тем не менее, для очистки водорода последний обычно используется, потому что он имеет лучшее соотношение выполняемой работы и теплопередачи во время сжатия.

Компактный дизайн и оптимизация затрат

Компактность является ключевым требованием к винтовым компрессорам для очистки водорода, особенно в условиях ограниченного пространства, например, на заправочных станциях. С этой целью производители стремились оптимизировать концепции сборки, сводя к минимуму количество компонентов и упрощая процедуры монтажа, тем самым снижая общие затраты.

Адаптация к конкретному клиенту и совместимость с газами

Важно убедиться, что компрессор можно отрегулировать в соответствии с конкретными потребностями клиента. Производители часто учитывают различные скорости потока, соотношения давлений и качества материалов, необходимые для различных областей применения, связанных с водородом. Кроме того, он должен работать с различными технологическими газами, встречающимися в проектах секторного соединения, что обеспечивает максимальную его гибкость.

Важность опыта поставщика

Важно иметь правильного поставщика винтовых компрессоров для очистки водорода. Существует потребность в глубоких технических знаниях при проектировании компрессоров, выборе материалов и понимании совместимости с водородом. Кроме того, наличие международных связей с поставщиками помогает упростить закупки и обеспечить своевременную поставку комплектующих. Кроме того, поставщик должен реагировать на мнения клиентов, что обеспечивает постоянное совершенствование технологий и изменение динамики отрасли.

Заключение

Винтовые компрессоры для очистки водорода являются центральной технологией, обеспечивающей экономию чистого водорода. Эти компрессоры обеспечивают безмасляное, эффективное сжатие для различных областей применения водорода, что делает их привлекательным выбором. Такие компрессоры будут играть важную роль, поскольку водородная инфраструктура распространяется на различные сектора благодаря своей способности гарантировать чистоту, надежность и экономическую эффективность использования водорода в крупных промышленных масштабах.

Подробнее: Водородный газовый компрессор 30 бар – краткое руководство(2024)