气柜的主要作用是将煤气等燃气进行收集、储存及输配送,气柜的形状一般为圆柱形或多边柱形,内部有一可上下移动且直径与柜体相当的活塞板,用来调节、恒定柜体内的煤气压力。活塞边缘与气柜壁之间用液体作为密封介质,有用水作为介质的湿式密封和用润滑油作为介质的干式密封,由于干式密封气柜具有占地面积小、柜体使用年限长、排气压力恒定、地基承受压力小等明显优点,近年来呈现逐渐替代湿式密封气柜的趋势。从20世纪80年代起,随着制造技术和施工水平的提高,
干式气柜在我国得到普遍应用,在燃气输配送过程中起着主导性作用。应节能环保要求,越来越多的企业将产生的可燃气体收集后用于供热或发电,对于民用,煤气也同天然气一样作为方便清洁的燃料被广泛使用,因此气柜越来越多地被钢铁、焦化及燃气等行业采用,而且气柜容积也越来越大,目前已达到30万m3,气柜密封油的应用也随之发展,已经成为主要的工业用油之一。对于
干式气柜,正确选择密封油是保证气柜安全及正常运行的关键。由于燃气的来源和组分不同,对密封油的影响也有差异,还有当地气候条件,都是密封油选用时应该考虑的因素。以下就燃气的种类、气柜的工作条件对密封油的性能要求、国内密封油使用现状及今后的发展展开讨论。
1 燃气的种类与组成
燃气主要指煤气、天然气、石油气和石油炼厂气等,目前使用气柜最多的是煤气。煤气主要有焦炉煤气、高炉煤气、
转炉煤气和水煤气等,主要来自焦化、钢铁及煤化工等行业,这几种煤气及炼厂干气的主要成分及燃烧热值如表1所示。气体成分的不同,对气柜密封介质的影响也有差异。
焦炉煤气是指用几种烟煤配成炼焦用煤,在炼焦炉中经高温干馏后,在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体,是炼焦产品的副产品。主要作燃料和化工原料。
高炉煤气是在高炉炼铁过程中产生的副产品,含有可燃一氧化碳的气体,是一种低热值的气体燃料,可以用于冶金企业的自用燃气,如加热热轧的钢锭、预热钢水包等。也可以供给民用,如果加入焦炉煤气,就叫做/混和煤气0,可提高热值。
转炉煤气是转炉炼钢过程中,铁水中的碳在高温下和吹入的O2生成CO和少量CO2的混合气体。转炉煤气的发生量在一个冶炼过程中并不均衡,成分也有变化。通常将转炉多次冶炼过程回收的煤气输入一个
储气柜,混匀后再输送给用户。转炉煤气由炉口喷出时温度高达1450~1500e,并夹带大量氧化铁粉尘,需经降温、除尘,方能使用。转炉煤气是钢铁企业中等热值的气体燃料,可以单独作为工业窑炉的燃料使用,也可和焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气配合成各种不同热值的混合煤气使用。
水煤气是水蒸气通过炽热的焦炭而生成的气体,热值较高,燃烧速度是汽油的7. 5倍,抗爆性好,据国外研究和专利的报导,其压缩比可达12. 5,热效率能提高20% ~40%、功率提高15%、燃耗降低30%,尾气净化近欧Ô标准,还可用微量的铂催化剂净化。比醇、醚简化制造和减少设备,成本和投资更低。压缩或液化与H2相近,但不用脱除CO,建站投资较低。还可用减少的成本和投资部分补偿压缩或液化的投资和成本。水煤气既可用作燃料,也是化工原料。
炼厂气主要来源于原油蒸馏、催化裂化、热裂化、石油焦化、加氢裂化、催化重整、加氢精制等过程。不同来源的炼厂气其组成各异,主要成分为碳四(C4)以下的烷烃、烯烃以及氢气和少量氮气、二氧化碳等气体。炼厂气的产率随原油的加工深度不同而不同,深度加工的炼厂气一般为原油加工量的6%左右。在美国约有2%的乙烯、60%的丙烯和90%的丁烯来自炼厂气。炼厂气加工是石油炼厂的重要任务之一。一般炼厂气首先经过气体分离装置,利用吸收和解吸的方法使碳二(C2)以下气体与大于碳三(C3)的气体分离,然后分别进行加工:C2以下气体经乙醇胺脱硫和硫回收后,可作为制氢和乙烯的原料,或作为燃料气。º由气体分馏装置来的C3、C4馏分经分馏得到C3和C4两种组分。C3组分主要用于生产叠合汽油。»C4组分去烷基化装置,利用硫酸或氢氟酸作催化剂,使异丁烷和丁烯转化成以C3异构烷烃为主的烷基化汽油。
除了煤气和石油炼厂气,天然气以及沼气等可燃气体的输配送,都可能用到气柜,气体组分的不同,对密封油的影响也是不同的,因此考虑气体种类是开发、选用密封油的重要因素之一。
2 干式气柜的类型及密封方式
干式气柜目前实际采用的有三种柜型:曼(MAN)型、可隆(KLONNE)型和威
金斯(WINGGINS)型,其区别就在于密封方式的不同,如表2所示。
对干式柜而言,最重要的莫过于密封,也就是如何防止在固定的外筒与上下活动的活塞之间产生漏气,在对干式柜的技术管理中,对其密封机构、密封介质的管理是最重要的。在上述三种气柜中,曼(MAN)型、即油液密封式气柜的使用已成为主导。油液密封式气柜的密封机构由活塞外围的油槽和滑板组成,油槽内充满矿物油,用以封住活塞下面的气体,滑动部分的间隙充满油液,通过间隙流失的油液从上部补充,并且是循环使用的。除了密封作用,密封油还起到了润滑活塞上下运动以及防止煤气对气柜的腐蚀作用。
3 不同介质对干式气柜密封油的影响
气体的组成不同,对密封油的性能影响也不同。某润滑油生产商和中国石化济南分公司共同开发了质量如表4所示的1号、2号和3号干式气柜密封油,并考察了炼厂干气、钢厂高炉煤气和焦炉煤气对该气柜密封油性能的影响,结果分述如下。
3. 1 对密封油粘度的影响
结果显示,三种介质都会使密封油粘度下降,炼厂干气影响最大,在考察周期内,使油品粘度降低了40%,焦炉煤气和高炉煤气分别使油品粘度下降了24%和12%。这主要是由于炼厂干气中含有较多的烃类组分,特别是C3~C5组分极易溶解于密封油中造成粘度下降,而高炉煤气中不含烃类组分,故其对油品粘度影响很小。
3. 2 对密封油闪点的影响
炼厂干气对密封油闪点影响最大,随着使用时间的延长,闪点下降至50e左右,焦炉煤气较好,能够维持在170e以上,而高炉煤气对闪点影响不太大。这也是由于炼厂干气中的烃类组分溶于密封油造成的,高炉煤气中不含烃类而影响很小,焦炉煤气中含有少量烃类对密封油闪点有一定的影响。
3. 3 对密封油防腐蚀性能的影响
试验按SH/T0195和GB/T11143方法进行,三种介质的考察结果如表3所示。由此可见,在检测周期内,密封油多表现出优良的钢质保护能力。由于含有H2S的缘故,尤其是焦炉煤气中H2S在油中的积累,使焦炉煤气柜的密封油出现了严重的锈蚀,炼厂干气柜密封油在检测后期也出现了轻微锈蚀,而高炉煤气柜用油则表现了与新油相当的防腐能力。
3. 4 对密封油油水分离能力的影响
试验按GB/T 260方法进行,以30 min时油的分出率表示油水分离能力,结果表明,焦炉煤气柜的密封油油水分离能力下降最快,而高炉煤气柜用油依然保持了很好的破乳化能力。这是由于焦炉煤气中含有粉尘、颗粒萘等不能完全除去的有害物质,使得油品油水分离能力下降较快。
4 密封油的使用方式及性能要求
气柜内最底部是一层水,水层上是密封油层,如此可防止煤气从柜体底部渗漏,而且一旦发生渗漏使水先漏出,避免油的漏出对环境造成污染。密封油的一次性注入量较大,如30万m3的气柜一次注油量为273 ,t主要集中在底部的密封油层。在气柜投入使用后,密封油随着不断地损耗需定期补加。气柜底部的密封油通过油站(大型气柜通常有多个油站,如30万m3的气柜拥有6个油站)泵送到气柜顶部,再通过活塞间隙沿气柜壁流入底部。由于与水层接触,密封油在送往柜顶前需在油站的油箱内分水、脱水,同时油箱内拥有加热和冷凝装置,可调控密封油的温度。
干式柜对密封油的客观要求:¹合适的粘度及良好的粘温特性。使用高粘度密封油,密封效果好,可减少漏油量,但粘度太高会造成输送困难,抗乳化性差,而且粘度不应随温度而发生急剧变化。º良好的氧化安定性。密封油需要长期连续运转,具有良好的氧化安定性可以防止在与水、煤气、金属的长期接触中,被氧化并生成酸性物质和沉淀物造成变质及金属腐蚀。»良好的抗乳化性。密封油在循环过程中会与(煤气中的)水分接触,并被强烈的搅拌(油泵齿轮),因此应当具备良好的抗乳化性。¼良好的防锈防腐性。水进入密封油会对金属造成腐蚀,从而使柜体及各种运转、密封装置受损。因此,密封油应当是深度精制的矿物基础油加入抗氧剂、防锈剂、金属钝化剂、抗泡沫剂等添加剂配成。5较低的凝点,在冬季寒冷地区也可使用。
面对密封油的变质问题,所采取的措施是:¹严格按客观要求选择密封油。密封油的氧化主要是不饱和烃组分的氧化,尽可能选用直馏组分调合密封油能延缓氧化变质。º定期补充抗氧化剂。密封油始终与煤气中的水接触,水会使油中的一些添加剂分解或沉淀,定期补充抗氧化剂,可以增加油品的抗氧化能力。»用涂料减少油品与金属的接触,尤其是气柜底部油槽的壁板和油水分离器的壁板应刷耐油涂料。¼定期检查沉积物的状况和清洗储油容器。密封油经长时间使用后,油品会因氧化变质使性能下降,但由于干式气柜密封油用量较大,完全更换密封油成本较高,通常采用破乳、过滤、补充添加剂等综合手段使油品再生继续使用,同时也要求产品有较长的使用寿命。
5 国内密封油的使用现状
我国目前尚无
干式气柜密封油的国家标准,也未颁布行业标准。现在市场上
干式气柜密封油采用的标准是20世纪80年代由济南炼油厂与北京钢铁设计院、马鞍山钢铁设计院共同制定的第一个气柜密封油的暂定技术标准,后经延续改进的现中国石化企业标准Q/SH 303 364-2007,如表4所示。该类产品是以深度精制的矿物基础油加入多种添加剂调制而成,能够很好地解决干式气柜的密封、防锈及润滑等问题,产品选用方法参照表5。另外,中国石油润滑油公司也研制了干式气柜密封油,产品标准为RH 09 ZB. 0012-2007,如表6所示。
另外,还有一些高炉专用、焦炉专用以及炼厂气专用等气柜密封油也有介绍。由表6可见,气柜密封油的粘度级别较为特别,未执行ISO粘度级别标准,而且国内还没有统一的质量标准,都是企业标准,或者是根据气柜用户的要求制订质量标准。随着气柜的普及应用,气柜密封油应该有国内统一的质量标准。
6 展望与建议
收集可燃气体,替代常规燃料用于供热与发电,从而节省能源,是今后的发展趋势。如冶金、炼油等行业不可避免地产生大量的可燃气体,而以往这些气体都是通过火炬白白烧掉,如果收集利用,将会节省大量燃料。但是这些气体的利用有很多技术难关,如供热或发电通常需要压力、流量及热值恒定等,而很多可燃气体来源及成分复杂、压力及流量不稳定,只有通过气柜收集、存储及恒压后才可用于发电。使用气柜最多的是煤气,虽然煤气有表1的分类,但在实际使用中又可分为工业用煤气(主要是钢铁企业)和民用煤气(主要是水煤气),根据气体的用途不同,对气柜密封油质量要求提出如下建议:
(1)粘度
粘度应该执行ISO国际标准,结合表3与表5,可将干式气柜密封油定为68号和100号(40e运动粘度)两种,民用煤气及石油炼厂气温度较低,宜使用68号,而钢厂煤气温度较高,宜使用100号。由于油品在使用中粘度下降,必要时需加增粘剂。
(2)凝点或倾点
上述气柜密封油都有较低的凝点要求,尤其是表4还根据不同地区气温提出了低凝油和普通油的使用方法。但对于钢铁行业,因煤气温度较高(可达70e),在气柜内停留时间较短,而且油站有加热设施,油线有保温层,因此受环境温度影响不大,不必使用低凝油,使用100号产品即可。但民用煤气及石油炼厂气温度较低,在气柜内停留时间较长,受环境温度影响较大,可将宜使用的68号产品分为普通和低凝两类,在寒冷地区使用低凝产品。
(3)氧化安定性
因气柜密封油一次性装油量较大,无论工业与民用,气柜密封油都要求有较长的使用时间,因此对气柜密封油的氧化安定性要求较高,应开发长寿命密封油,建议酸值达到2. 0 mgKOH/g所需时间(GB/T 12581试验方法)应该由不小于1000 h提高到2000 h或更高。
(4)抗乳化分水性
因气柜密封油与水接触,而且水煤气还含有水分,因此密封油的抗乳化分水性较为重要,无论使用多久,都要确保油水能够分离,油站还应该有脱水措施,同时严格控制密封油在使用过程中的水分含量,并将此作为运行密封油的监控指标。
(5)其他性能
抗腐蚀性及防锈性对气柜密封油也很重要,尤其是高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气,含有大量腐蚀性气体,容易对气柜壁造成腐蚀,因此气柜密封油应该具有良好的防腐性及防锈型,对气柜起到保护作用。另外,气体中的成分,如H2、烷烃或烯烃,都可能对密封油产生一定的影响,对气体的溶解性也有要求。如炼厂气对密封油的粘度、闪点影响最大,闪点的降低是影响安全生产的因素之一,因此矿物油不是理想的炼厂气柜密封油,需要通过密切监测及缩短换油周期来保障安全生产。
干式气柜密封油除了要建立国内统一的质量标准,还要建立运行控制指标,做到定期采样分析检测,监控油品在使用中的质量变化。当使用过程中油品的某些项目,如抗乳化分水性或抗腐蚀防锈性不达标时,可先试验补加添加剂的方法改进,如果该方法无效,就要考虑换油。油品供应方不仅仅是提供油品,更重要的是做好服务工作,协助用户定期检测油品,提供补加添加剂及换油的周期,同时对用户进行技术交流及培训,帮助用户做好油品应用与管理工作,保障设备正常运行。