氣柜的主要作用是將煤氣等燃氣進行收集、儲存及輸配送,氣柜的形狀一般為圓柱形或多邊柱形,內部有一可上下移動且直徑與柜體相當的活塞板,用來調節、恒定柜體內的煤氣壓力?；钊吘壟c氣柜壁之間用液體作為密封介質,有用水作為介質的濕式密封和用潤滑油作為介質的干式密封,由于干式密封氣柜具有占地面積小、柜體使用年限長、排氣壓力恒定、地基承受壓力小等明顯優點,近年來呈現逐漸替代濕式密封氣柜的趨勢。從20世紀80年代起,隨著制造技術和施工水平的提高,
干式氣柜在我國得到普遍應用,在燃氣輸配送過程中起著主導性作用。應節能環保要求,越來越多的企業將產生的可燃氣體收集后用于供熱或發電,對于民用,煤氣也同天然氣一樣作為方便清潔的燃料被廣泛使用,因此氣柜越來越多地被鋼鐵、焦化及燃氣等行業采用,而且氣柜容積也越來越大,目前已達到30萬m3,氣柜密封油的應用也隨之發展,已經成為主要的工業用油之一。對于
干式氣柜,正確選擇密封油是保證氣柜安全及正常運行的關鍵。由于燃氣的來源和組分不同,對密封油的影響也有差異,還有當地氣候條件,都是密封油選用時應該考慮的因素。以下就燃氣的種類、氣柜的工作條件對密封油的性能要求、國內密封油使用現狀及今后的發展展開討論。
1 燃氣的種類與組成
燃氣主要指煤氣、天然氣、石油氣和石油煉廠氣等,目前使用氣柜最多的是煤氣。煤氣主要有焦爐煤氣、高爐煤氣、
轉爐煤氣和水煤氣等,主要來自焦化、鋼鐵及煤化工等行業,這幾種煤氣及煉廠干氣的主要成分及燃燒熱值如表1所示。氣體成分的不同,對氣柜密封介質的影響也有差異。
焦爐煤氣是指用幾種煙煤配成煉焦用煤,在煉焦爐中經高溫干餾后,在產出焦炭和焦油產品的同時所得到的可燃氣體,是煉焦產品的副產品。主要作燃料和化工原料。
高爐煤氣是在高爐煉鐵過程中產生的副產品,含有可燃一氧化碳的氣體,是一種低熱值的氣體燃料,可以用于冶金企業的自用燃氣,如加熱熱軋的鋼錠、預熱鋼水包等。也可以供給民用,如果加入焦爐煤氣,就叫做/混和煤氣0,可提高熱值。
轉爐煤氣是轉爐煉鋼過程中,鐵水中的碳在高溫下和吹入的O2生成CO和少量CO2的混合氣體。轉爐煤氣的發生量在一個冶煉過程中并不均衡,成分也有變化。通常將轉爐多次冶煉過程回收的煤氣輸入一個
儲氣柜,混勻后再輸送給用戶。轉爐煤氣由爐口噴出時溫度高達1450~1500e,并夾帶大量氧化鐵粉塵,需經降溫、除塵,方能使用。轉爐煤氣是鋼鐵企業中等熱值的氣體燃料,可以單獨作為工業窯爐的燃料使用,也可和焦爐煤氣、高爐煤氣、發生爐煤氣配合成各種不同熱值的混合煤氣使用。
水煤氣是水蒸氣通過熾熱的焦炭而生成的氣體,熱值較高,燃燒速度是汽油的7. 5倍,抗爆性好,據國外研究和專利的報導,其壓縮比可達12. 5,熱效率能提高20% ~40%、功率提高15%、燃耗降低30%,尾氣凈化近歐Ô標準,還可用微量的鉑催化劑凈化。比醇、醚簡化制造和減少設備,成本和投資更低。壓縮或液化與H2相近,但不用脫除CO,建站投資較低。還可用減少的成本和投資部分補償壓縮或液化的投資和成本。水煤氣既可用作燃料,也是化工原料。
煉廠氣主要來源于原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、石油焦化、加氫裂化、催化重整、加氫精制等過程。不同來源的煉廠氣其組成各異,主要成分為碳四(C4)以下的烷烴、烯烴以及氫氣和少量氮氣、二氧化碳等氣體。煉廠氣的產率隨原油的加工深度不同而不同,深度加工的煉廠氣一般為原油加工量的6%左右。在美國約有2%的乙烯、60%的丙烯和90%的丁烯來自煉廠氣。煉廠氣加工是石油煉廠的重要任務之一。一般煉廠氣首先經過氣體分離裝置,利用吸收和解吸的方法使碳二(C2)以下氣體與大于碳三(C3)的氣體分離,然后分別進行加工:C2以下氣體經乙醇胺脫硫和硫回收后,可作為制氫和乙烯的原料,或作為燃料氣。º由氣體分餾裝置來的C3、C4餾分經分餾得到C3和C4兩種組分。C3組分主要用于生產疊合汽油。»C4組分去烷基化裝置,利用硫酸或氫氟酸作催化劑,使異丁烷和丁烯轉化成以C3異構烷烴為主的烷基化汽油。
除了煤氣和石油煉廠氣,天然氣以及沼氣等可燃氣體的輸配送,都可能用到氣柜,氣體組分的不同,對密封油的影響也是不同的,因此考慮氣體種類是開發、選用密封油的重要因素之一。
2 干式氣柜的類型及密封方式
干式氣柜目前實際采用的有三種柜型:曼(MAN)型、可隆(KLONNE)型和威
金斯(WINGGINS)型,其區別就在于密封方式的不同,如表2所示。
對干式柜而言,最重要的莫過于密封,也就是如何防止在固定的外筒與上下活動的活塞之間產生漏氣,在對干式柜的技術管理中,對其密封機構、密封介質的管理是最重要的。在上述三種氣柜中,曼(MAN)型、即油液密封式氣柜的使用已成為主導。油液密封式氣柜的密封機構由活塞外圍的油槽和滑板組成,油槽內充滿礦物油,用以封住活塞下面的氣體,滑動部分的間隙充滿油液,通過間隙流失的油液從上部補充,并且是循環使用的。除了密封作用,密封油還起到了潤滑活塞上下運動以及防止煤氣對氣柜的腐蝕作用。
3 不同介質對干式氣柜密封油的影響
氣體的組成不同,對密封油的性能影響也不同。某潤滑油生產商和中國石化濟南分公司共同開發了質量如表4所示的1號、2號和3號干式氣柜密封油,并考察了煉廠干氣、鋼廠高爐煤氣和焦爐煤氣對該氣柜密封油性能的影響,結果分述如下。
3. 1 對密封油粘度的影響
結果顯示,三種介質都會使密封油粘度下降,煉廠干氣影響最大,在考察周期內,使油品粘度降低了40%,焦爐煤氣和高爐煤氣分別使油品粘度下降了24%和12%。這主要是由于煉廠干氣中含有較多的烴類組分,特別是C3~C5組分極易溶解于密封油中造成粘度下降,而高爐煤氣中不含烴類組分,故其對油品粘度影響很小。
3. 2 對密封油閃點的影響
煉廠干氣對密封油閃點影響最大,隨著使用時間的延長,閃點下降至50e左右,焦爐煤氣較好,能夠維持在170e以上,而高爐煤氣對閃點影響不太大。這也是由于煉廠干氣中的烴類組分溶于密封油造成的,高爐煤氣中不含烴類而影響很小,焦爐煤氣中含有少量烴類對密封油閃點有一定的影響。
3. 3 對密封油防腐蝕性能的影響
試驗按SH/T0195和GB/T11143方法進行,三種介質的考察結果如表3所示。由此可見,在檢測周期內,密封油多表現出優良的鋼質保護能力。由于含有H2S的緣故,尤其是焦爐煤氣中H2S在油中的積累,使焦爐煤氣柜的密封油出現了嚴重的銹蝕,煉廠干氣柜密封油在檢測后期也出現了輕微銹蝕,而高爐煤氣柜用油則表現了與新油相當的防腐能力。
3. 4 對密封油油水分離能力的影響
試驗按GB/T 260方法進行,以30 min時油的分出率表示油水分離能力,結果表明,焦爐煤氣柜的密封油油水分離能力下降最快,而高爐煤氣柜用油依然保持了很好的破乳化能力。這是由于焦爐煤氣中含有粉塵、顆粒萘等不能完全除去的有害物質,使得油品油水分離能力下降較快。
4 密封油的使用方式及性能要求
氣柜內最底部是一層水,水層上是密封油層,如此可防止煤氣從柜體底部滲漏,而且一旦發生滲漏使水先漏出,避免油的漏出對環境造成污染。密封油的一次性注入量較大,如30萬m3的氣柜一次注油量為273 ,t主要集中在底部的密封油層。在氣柜投入使用后,密封油隨著不斷地損耗需定期補加。氣柜底部的密封油通過油站(大型氣柜通常有多個油站,如30萬m3的氣柜擁有6個油站)泵送到氣柜頂部,再通過活塞間隙沿氣柜壁流入底部。由于與水層接觸,密封油在送往柜頂前需在油站的油箱內分水、脫水,同時油箱內擁有加熱和冷凝裝置,可調控密封油的溫度。
干式柜對密封油的客觀要求:¹合適的粘度及良好的粘溫特性。使用高粘度密封油,密封效果好,可減少漏油量,但粘度太高會造成輸送困難,抗乳化性差,而且粘度不應隨溫度而發生急劇變化。º良好的氧化安定性。密封油需要長期連續運轉,具有良好的氧化安定性可以防止在與水、煤氣、金屬的長期接觸中,被氧化并生成酸性物質和沉淀物造成變質及金屬腐蝕。»良好的抗乳化性。密封油在循環過程中會與(煤氣中的)水分接觸,并被強烈的攪拌(油泵齒輪),因此應當具備良好的抗乳化性。¼良好的防銹防腐性。水進入密封油會對金屬造成腐蝕,從而使柜體及各種運轉、密封裝置受損。因此,密封油應當是深度精制的礦物基礎油加入抗氧劑、防銹劑、金屬鈍化劑、抗泡沫劑等添加劑配成。5較低的凝點,在冬季寒冷地區也可使用。
面對密封油的變質問題,所采取的措施是:¹嚴格按客觀要求選擇密封油。密封油的氧化主要是不飽和烴組分的氧化,盡可能選用直餾組分調合密封油能延緩氧化變質。º定期補充抗氧化劑。密封油始終與煤氣中的水接觸,水會使油中的一些添加劑分解或沉淀,定期補充抗氧化劑,可以增加油品的抗氧化能力。»用涂料減少油品與金屬的接觸,尤其是氣柜底部油槽的壁板和油水分離器的壁板應刷耐油涂料。¼定期檢查沉積物的狀況和清洗儲油容器。密封油經長時間使用后,油品會因氧化變質使性能下降,但由于干式氣柜密封油用量較大,完全更換密封油成本較高,通常采用破乳、過濾、補充添加劑等綜合手段使油品再生繼續使用,同時也要求產品有較長的使用壽命。
5 國內密封油的使用現狀
我國目前尚無
干式氣柜密封油的國家標準,也未頒布行業標準?，F在市場上
干式氣柜密封油采用的標準是20世紀80年代由濟南煉油廠與北京鋼鐵設計院、馬鞍山鋼鐵設計院共同制定的第一個氣柜密封油的暫定技術標準,后經延續改進的現中國石化企業標準Q/SH 303 364-2007,如表4所示。該類產品是以深度精制的礦物基礎油加入多種添加劑調制而成,能夠很好地解決干式氣柜的密封、防銹及潤滑等問題,產品選用方法參照表5。另外,中國石油潤滑油公司也研制了干式氣柜密封油,產品標準為RH 09 ZB. 0012-2007,如表6所示。
另外,還有一些高爐專用、焦爐專用以及煉廠氣專用等氣柜密封油也有介紹。由表6可見,氣柜密封油的粘度級別較為特別,未執行ISO粘度級別標準,而且國內還沒有統一的質量標準,都是企業標準,或者是根據氣柜用戶的要求制訂質量標準。隨著氣柜的普及應用,氣柜密封油應該有國內統一的質量標準。
6 展望與建議
收集可燃氣體,替代常規燃料用于供熱與發電,從而節省能源,是今后的發展趨勢。如冶金、煉油等行業不可避免地產生大量的可燃氣體,而以往這些氣體都是通過火炬白白燒掉,如果收集利用,將會節省大量燃料。但是這些氣體的利用有很多技術難關,如供熱或發電通常需要壓力、流量及熱值恒定等,而很多可燃氣體來源及成分復雜、壓力及流量不穩定,只有通過氣柜收集、存儲及恒壓后才可用于發電。使用氣柜最多的是煤氣,雖然煤氣有表1的分類,但在實際使用中又可分為工業用煤氣(主要是鋼鐵企業)和民用煤氣(主要是水煤氣),根據氣體的用途不同,對氣柜密封油質量要求提出如下建議:
(1)粘度
粘度應該執行ISO國際標準,結合表3與表5,可將干式氣柜密封油定為68號和100號(40e運動粘度)兩種,民用煤氣及石油煉廠氣溫度較低,宜使用68號,而鋼廠煤氣溫度較高,宜使用100號。由于油品在使用中粘度下降,必要時需加增粘劑。
(2)凝點或傾點
上述氣柜密封油都有較低的凝點要求,尤其是表4還根據不同地區氣溫提出了低凝油和普通油的使用方法。但對于鋼鐵行業,因煤氣溫度較高(可達70e),在氣柜內停留時間較短,而且油站有加熱設施,油線有保溫層,因此受環境溫度影響不大,不必使用低凝油,使用100號產品即可。但民用煤氣及石油煉廠氣溫度較低,在氣柜內停留時間較長,受環境溫度影響較大,可將宜使用的68號產品分為普通和低凝兩類,在寒冷地區使用低凝產品。
(3)氧化安定性
因氣柜密封油一次性裝油量較大,無論工業與民用,氣柜密封油都要求有較長的使用時間,因此對氣柜密封油的氧化安定性要求較高,應開發長壽命密封油,建議酸值達到2. 0 mgKOH/g所需時間(GB/T 12581試驗方法)應該由不小于1000 h提高到2000 h或更高。
(4)抗乳化分水性
因氣柜密封油與水接觸,而且水煤氣還含有水分,因此密封油的抗乳化分水性較為重要,無論使用多久,都要確保油水能夠分離,油站還應該有脫水措施,同時嚴格控制密封油在使用過程中的水分含量,并將此作為運行密封油的監控指標。
(5)其他性能
抗腐蝕性及防銹性對氣柜密封油也很重要,尤其是高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣,含有大量腐蝕性氣體,容易對氣柜壁造成腐蝕,因此氣柜密封油應該具有良好的防腐性及防銹型,對氣柜起到保護作用。另外,氣體中的成分,如H2、烷烴或烯烴,都可能對密封油產生一定的影響,對氣體的溶解性也有要求。如煉廠氣對密封油的粘度、閃點影響最大,閃點的降低是影響安全生產的因素之一,因此礦物油不是理想的煉廠氣柜密封油,需要通過密切監測及縮短換油周期來保障安全生產。
干式氣柜密封油除了要建立國內統一的質量標準,還要建立運行控制指標,做到定期采樣分析檢測,監控油品在使用中的質量變化。當使用過程中油品的某些項目,如抗乳化分水性或抗腐蝕防銹性不達標時,可先試驗補加添加劑的方法改進,如果該方法無效,就要考慮換油。油品供應方不僅僅是提供油品,更重要的是做好服務工作,協助用戶定期檢測油品,提供補加添加劑及換油的周期,同時對用戶進行技術交流及培訓,幫助用戶做好油品應用與管理工作,保障設備正常運行。
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