賈朝鮮

（廣西鋼鐵集團有限公司，廣西 防城港 538002）

某鋼鐵廠現(xiàn)有兩套焦爐煤氣變壓吸附（PSA）制氫系統(tǒng)，生產(chǎn)高純氫氣，主要用于冷軋罩式退火爐生產(chǎn)用。煤氣壓縮機是制氫系統(tǒng)的核心動力設備，煤壓機的穩(wěn)定運行直接關系著制氫系統(tǒng)高純氫氣的合格產(chǎn)出，進而影響罩式退火爐冷軋板的正常生產(chǎn)。

焦爐煤氣變壓吸附制氫系統(tǒng)主要工作過程就是先經(jīng)往復式壓縮機將焦爐煤氣升壓至0.25MPa，進入預處理工序，進行苯、萘等大分子雜質(zhì)的去除，之后再回到往復式壓縮機將焦爐煤氣壓縮升壓至1.6MPa 左右，進入PSA 工序，利用吸附劑的基本特性，一是吸附劑對氣體不同組分的吸附能力不同，二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。從而實現(xiàn)焦爐煤氣的氣體分離，得到粗氫。在煤氣凈化工作繼續(xù)進行氫氣凈化進而得到高純氫氣。其工藝簡圖如圖1。

圖1 焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝簡圖

往復式壓縮機是利用活塞在氣缸腔體內(nèi)的往復運動，通過腔體容積的變化實現(xiàn)氣體的壓縮，其中活塞環(huán)的密封效果，氣閥閥片的穩(wěn)定運行等直接影響壓縮機的運行效率，有油壓縮機在活塞環(huán)與氣缸內(nèi)壁鏡面之間添加有潤滑油，可以有效的減少摩擦，但也會帶來不利因素，壓縮機介質(zhì)含油量會增加，很顯然在制氫系統(tǒng)中應用必然帶來更大的危害。

1 問題的提出

制氫用D-35/0.1-17 型有油煤壓機，在實際應用中，相比較于無油壓縮機，很難保證高效穩(wěn)定運行，一方面由于焦爐煤氣中含油的雜質(zhì)、粉塵等，極易在氣缸內(nèi)與潤滑油形成油泥，影響壓縮機穩(wěn)定運行；另一方面有油潤滑增加了焦爐煤氣中的油含量，進而影響制氫系統(tǒng)吸附劑的使用效率，造成失效。有油潤滑壓縮機在制氫系統(tǒng)中很難得到很好的應用，反而是影響制氫系統(tǒng)安全穩(wěn)定的主要因素，主要表現(xiàn)在：

（1）吸附劑使用壽命降低，氫氣純度時常不穩(wěn)定。制氫系統(tǒng)在運行過程中多次出現(xiàn)純度波動，進而不得不進行降產(chǎn)量恢復氫氣純度，始終采取降低產(chǎn)量維持純度的一種生產(chǎn)模式。甚至于發(fā)生過嚴重的氫氣純度不達標，不得已進行制氫裝置緊急停機。

（2）壓縮機排氣量不穩(wěn)定，煤壓機運行故障率非常高，配套的相關附屬設備也難以穩(wěn)定運行，冷卻器、緩沖罐經(jīng)常性出現(xiàn)排污口堵塞，進而引起煤壓機氣管線異常振動等等問題。

（3）潤滑油消耗量大，煤壓機周圍油污較重，造成環(huán)境污染。

因此，在制氫系統(tǒng)實際使用過程中，有油壓縮機暴露出很多不利方面，難以保證制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此需對焦爐煤氣壓縮機進行無油化改造。

2 無油化改造的方案論證

2.1 自潤滑材料在往復式壓縮機應用

實現(xiàn)往復式壓縮機無油潤滑的前提，就是采用各種自潤滑材料制造活塞環(huán)、導向環(huán)等摩擦件，從而替代它們與氣缸壁之間所需的潤滑油。目前自潤滑材料主要分類是一些聚合物、固體潤滑材料以及聚合物基復合材料。在往復式活塞壓縮機使用中，無油潤滑的磨損件密封活塞環(huán)大多采用聚四氟乙烯材料[1]，自潤滑材料在無油壓縮機中的應用最常采用的是填充聚四氟乙烯材料，進行壓縮機無油化改造，并取得了很好的實踐應用效果[2]。

填充聚四氟乙烯主要是對聚四氟乙烯進行改性填充[3]，聚四氟乙烯的改性主要是與其它材料結(jié)合達到填補聚四氟乙烯自身的缺陷，從而取得更加優(yōu)良性能要求，滿足往復式無油壓縮機的需求。

2.2 自潤滑材料的摩擦機理

摩擦轉(zhuǎn)移理論認為，聚四氟乙烯與金屬對摩時，由于聚四氟乙烯的大分子容易被拉出結(jié)晶區(qū)，因而在摩擦之初就向?qū)δγ孓D(zhuǎn)移，靠庫倫力和范德華力在對摩面上形成一層20nm ～300nm厚堅實的薄膜[4]。這層薄膜的大分子按滑動方向高度定向，聚四氟乙烯與金屬對摩就變成了聚四氯乙烯之間的摩擦。聚四氟乙烯之間摩擦力小的原因就是它的大分子結(jié)構(gòu)呈螺旋形，光滑的大分子鏈外形既可在轉(zhuǎn)移膜上相互滑動，又不會繼續(xù)拉扯出其它分子鏈，摩擦系數(shù)小。

轉(zhuǎn)移-依附理論認為，聚四氯乙烯與金屬對摩時，只會在真實接觸區(qū)域才會形成轉(zhuǎn)移膜，只是在真正直接接觸的點上才存在轉(zhuǎn)移腹。即聚四氟乙烯轉(zhuǎn)移膜實際上是既不規(guī)整又不連續(xù)的薄膜，它只是無數(shù)微小而又互相孤立的薄膜的統(tǒng)稱。與此同時，在轉(zhuǎn)移膜之外還存在聚四氯乙烯依附層。依附層有以下特點：它在兩對摩面的宏觀接觸區(qū)域內(nèi)的分布大體均勻卻不連續(xù)；它是由依附于輪廓接觸區(qū)域四周與真實接觸區(qū)域四周的聚四氟乙烯屑末形成的，厚度不一；它的依附并不牢固。正是由于依附層的形成，改善了兩表面的粗糙度，為接觸時形成轉(zhuǎn)移膜提供了有利條件，改善了表面的摩擦狀況，減少了磨損。這樣，根據(jù)聚四氯乙烯干摩擦的轉(zhuǎn)移-依附理論，聚四氯乙婚與金屬對摩時在金屬的對摩面上，每個轉(zhuǎn)移膜區(qū)域的四周是依附層，而每個依附層區(qū)域四周是轉(zhuǎn)移膜；結(jié)果，由轉(zhuǎn)移膜與依附層交織成一個大體上連續(xù)的聚四氟乙烯表層。

因此，聚四氟乙烯常作為無油壓縮機主要摩擦部件的主要選擇材料，同時在聚四氟乙烯材料的基礎上填充青銅粉、二氧化硅、二氧化鉬、石墨等材料，能夠更好的改善聚四氟乙烯的性能，在保證自潤滑性能的基礎上，增強耐磨性，滿足無油壓縮機的使用要求。

3 活塞組件的改造設計

活塞組件進行無油化更新改造涉及到活塞體、活塞環(huán)、支承環(huán)都需進行重新改造設計和核算。

3.1 活塞環(huán)改造

活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)形式參照無油潤滑壓縮機的基本形式，選擇搭切口形式。

在無油潤滑壓縮機設計中，pv 值的選擇極為關鍵[5]，同時查閱無潤滑壓縮機設計手冊，活塞環(huán)數(shù)N 可以按照下面公式進行計算：

式中：n——壓縮機轉(zhuǎn)速（r/min）；s——活塞行程（m）；Pdmax——最高排氣壓力（MPa）；[pv]——許用pv 值（MPa·m/s）。

查閱資料，常用的無油潤滑活塞環(huán)材料的[pv]如下表所示。

表1 常用無油潤滑活塞環(huán)材料的[pv] （MPa·m/s）

查上表可以看出填充聚四氟乙烯（PTFE）的[pv]范圍是0.49 ～0.60，選取0.58 進行計算，可得各級活塞環(huán)數(shù)：1 級2 個，2 級3 個，3 級4 個。

3.2 支承環(huán)

支承環(huán)的軸向?qū)挾瘸叽鏛B是按照比壓進行確定計算的，比壓值是根據(jù)材料的機械強度和允許的PV值下，支承環(huán)的磨損性能來確定的。對于填充聚四氟乙烯制造的支承環(huán)來說，其允許的比壓值一般為0.030N/mm2，最大不得超過0.05N/mm2～0.1N/mm2。

支承軸向?qū)挾扔嬎阌腥缦鹿剑?/p>

表2 支承環(huán)寬度計算

計算結(jié)果證明：各級活塞支承環(huán)所選取的寬度能夠滿足無油潤滑壓縮機活塞設計要求。

3.3 活塞

活塞的結(jié)構(gòu)形式主要有三種，單支承活塞結(jié)構(gòu)，雙支承活塞結(jié)構(gòu)和組合式活塞環(huán)與支承環(huán)活塞結(jié)構(gòu)，通過上面活塞環(huán)、支承環(huán)的設計計算，同時考慮壓縮機行程、壓縮比、排氣量等參數(shù)運行不變，因此活塞的軸向?qū)挾缺仨殔⒄沼杏偷妮S向?qū)挾葦?shù)據(jù)，因此結(jié)合活塞環(huán)、支承環(huán)的數(shù)量，最終依然選擇單支承活塞結(jié)構(gòu)的形式。

從活塞實際使用性能考慮，同時對比無油壓縮機活塞的實際使用經(jīng)驗，活塞材質(zhì)選定為ZL401 材料，各級活塞上的活塞環(huán)槽根據(jù)上面計算的活塞環(huán)的尺寸進行加工制作。滿足設計規(guī)范要求。改造后的活塞部件如圖2，圖3。

圖2 一級活塞部件

圖3 二三級活塞部件

4 結(jié)論

制氫用往復式壓縮機進行無優(yōu)化改造是可行的，項目改造完成后，壓縮機與改造前對比，發(fā)現(xiàn)：

（1）改造后各級排氣溫度均有不同程度升高。但參照設計溫度，亦在正常范圍內(nèi)；排氣量改造后有所減少，降低了約9%。

（2）改造后，煤壓機可以穩(wěn)定連續(xù)運行1500h 以上，拆卸活塞，活塞環(huán)磨損量在正常范圍內(nèi)。

（3）減少潤滑油消耗，提高制氫吸附劑使用壽命，煤壓機滿足制氫系統(tǒng)生成需求，每年可創(chuàng)造效益約100 萬以上。