干式气柜密封油的应用与发展

秦鹤年,朱衍东

(中国石油华北润滑油销售分公司,北京 100101)

干式气柜密封油的应用与发展

秦鹤年,朱衍东

(中国石油华北润滑油销售分公司,北京 100101)

气柜主要用于煤气等可燃气体的收集、储存与配送,干式气柜是用润滑油为密封介质,因其容量大已成为气柜发展的主流。作为密封介质的干式气柜密封油以精制矿物油为基础油,加入抗氧、防锈、降凝等添加剂调制而成,其特点是使用周期长,具有优异的防腐性及油水分离性,有不同的系列产品可以应对储存气体及环境温度的影响。在使用过程中要密切监控质量变化,通过定期补加添加剂或换油等措施来维持油品性能稳定。为充分利用一切可燃气体,普及民用燃气,会更多地用到干式气柜并促使密封油发展。润滑油生产企业应重视这一发展,不断提高产品性能,提供优质服务来满足用户需求。

干式气柜密封油;应用;发展

Abstract:The gas holder,w hich employs lubricating o ilas sealing m edium,is used to collect,store and distribute com bustible gases,such as coal gas and refinery gas.It has becom e the deve lopm ent m ainstream because of the high capacity. D ry gas holder sealing oils are prepared by using refined m ineraloil as base oil and adding som e additives like anti-oxidant, anti-rust agent,pour po int additive etc.The o ils have characteristics of longer service life,excellent corrosion protect ion and oil-w ater separat ion.D ifferent p roduct lines can adapt to different gases and environm ental temperature.The oils’quality changes should be monitored closely in the process of use.Som e m easures,such as replenishing additives or o ils change,can be taken to keep o ils perform ance stable.To take full advantage of all com bustible gases and popularize civil gas,the dry gas holderw ill be mo re used to promote the developm ent of the sealing oils.Lubricating o ilproducers should pay attention to this deve lopm ent,and constantly improve the product perfor m ance,provide high quality services to m eet the needs of users.

Key words:dry gas holder sealing oil;application;deve lopm ent

0 前言

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”,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 1450～1500℃,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Ⅳ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:①C2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。②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。③C4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(W INGG INS)型,其区别就在于密封方式的不同,如表2所示。

表2 三种干式气柜的密封方式

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[1]

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 50℃左右,焦炉煤气较好,能够维持在 170℃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/T 0195和 GB/T 11143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。

表 3 不同介质对密封油防腐性能的影响

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。②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。③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。④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。②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。③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。④定期检查沉积物的状况和清洗储油容器。⑤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。

表 4 干式气柜密封油标准(Q/SH 303 364-2007)

表5 干式气柜密封油的选用

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。

表 6 中国石油干式气柜密封油质量标准(RH 09 ZB.0012-2007)

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 (40℃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70℃),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。

7 结束语

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。

[1]王子纲,王海燕.不同介质对干式气柜密封油使用性能的影响[J].炼油设计,2002,32(7):50-52.

App lica tion and Deve lopm ent of Sea ling O ils for D ry Gas Holde r

Q IN He-nian,ZHU Yan-dong
(PetroChina North-China LubricantM arketing Company,Beijing 100101,China)

TE626.3

A

2009-09-09。

秦鹤年(1965-),男,高级工程师,1987年毕业于云南大学化学系,现从事润滑油营销技术服务工作,已对外发表论文35篇。

1002-3119(2010)03-0001-05