干气密封在醋酸酐生产废气输送风机中的运用

(四川普什醋酸纤维素有限责任公司，四川宜宾，644300)

某公司醋酸酐装置的主要工序便是裂解工序，由两台天然气裂解炉完成，工序的作用是将醋酸裂解生成乙烯酮，但由于醋酸裂解是一个多元反应，会产生诸如丙酮、乙炔、氢气、甲烷等副产品，此类气体普遍存有高温、易燃易爆性和毒性，如废气发生泄漏极有可能造成装置火灾、爆炸等安全事故。因此，对于此类副产品，须进行回收，并通过废气输送风机将其送入裂解炉进行燃烧，既可以消除废气对环境和人身的伤害，又可以为裂解炉提供燃烧能量，降低装置能耗。废气输送风机原设计采用的是接触式机械密封，运行寿命短，一般为1.5个月，严重影响了废气输送风机的运转性能，破坏正常生产秩序，花费大量人力、物力进行检修，对装置安全、环保管理造成较为严重的影响。

为解决此问题，我们查询了大量的学术研究报告，借鉴国内外类似装置的选型实例，并结合自有装置的生产特性，对废气输送风机轴密封进行了技术改造，将原来的接触式机械密封改造为干气密封，取得了良好的效果。以下全面分析了干气密封在醋酸酐生产废气输送风机中的应用研究。

1 废气输送风机工况及使用情况

某公司废气输送风机为离心式通风机，数量4台，均为意大利整机进口设备，公司内部编制设备位号分别为1400-B01A、1400-B01B、2400-B01A、2400-B01B，输送的废气温度达90℃以上，风机工作转速2980r/min。在废气输送风机泄漏期间通过仪器检测，此4台风机在机械密封处的泄漏量如表1所示。

表1 废气输送风机泄漏情况统计

通过表1看出，如此严重泄漏量，对环境造成了重大污染，是装置安全生产的一个重大隐患，严重危害到公司员工的身体健康。

2 废气输送风机原设计使用的接触式机械密封选型缺陷分析

常规的离心泵或风机，在使用机械密封进行轴密封时，一般都采用的接触式机械密封，依靠密封环的相互贴合及相对滑动，完成对介质的防泄漏工作。如使用空气、水、油及腐蚀性低的介质时，正常运行周期一般在一年以上，但接触式的机械密如使用于介质易汽化、易挥发、高速、高压和高温等类似工况处，寿命周期将大大降低[1]。醋酸酐生产装置中的废气，温度高，介质气体多有高温、易燃、毒性和腐蚀性，而且风机转速高，接触式机械密封在此工况下运转，各密封组件极易受损；由于废气按工艺流程是输送到裂解炉进行再次燃烧，所以机械密封不能使用油冷或水冷，以确保机械密封不会因为密封的损坏而造成冷却介质进入输送系统，导致发生更为严重的安全事故。没有冷却介质的机械密封，在高温、摩擦的作用下将会加速密封面的磨损，而端面磨损是引起机械密封失效的主要原因之一[2]，多种不利因素的后果必然是接触式机械密封损坏。因此可以判定接触式机械密封使用于此废气输送风机是不合理的，此处应选择使用非接触式机械密封。

3 干气密封的工作原理

干气密封的概念是20世纪60年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的，是对接触型液膜机械密封的改进，是一种新型的非接触式机械密填充，经过数年研究，并投入工业应用[3]。

干气密封主要由密封环组件、密封圈、弹簧和衬套组成。密封环分为动环和静环，动环材质选用整体合金材料(碳化钨)制造，静环材料一般为石墨。如图1所示在动环表面蚀刻螺旋槽图案，从外圆周开始，扩展到密封面内侧一定距离的内圆周，槽深3-10μm[4]。当干气密封延图示方向转动时，开槽部分在剪切力的作用下将密封环外侧的气体泵入密封环间，由于动压槽并未在密封表面开通至密封环内侧面，而且从外到内动压槽内径逐渐变小，所以泵入动压槽内的气体会在动压槽尾部形成一个高压区，在高压的作用下，推开密封面，气体在密封副间的密封堰处形成一层气态密封膜，气膜的膜压大于密封环的闭合压力后，密封端面便会脱开，保持并维系非接触状态，此时气膜便成为一种隔离气体，可以有效隔离介质泄漏，甚至可以实现零溢出。

图1 干气密封工作原理

4 干气密封工作状态分析

干气密封可以确保在工况条件变化下的密封性，密封气膜压力随着工况的变化而在一定范围内发生变化，由于密封副气膜压力和风机介质压力的波动，动静环之间的间隙也会在一定范围内变化。如图2所示，干气密封在正常工作状态下，即FO= FC的情况下，密封副间气膜是稳定的，密封副形成无接触、无磨损运行；如因工况波动，造成FO升高，出现FO>FC的情况，在FO作用下密封副间隙变大调节，形成新的平衡；反之，如因工况波动，造成FO下降，出现FO

图2 干气密封工作状态分析

5 干气密封运用于废气输送风机后的效益

干气密封运用于废气输送风机后，经过长期运行，验证了干气密封运用于废气输送风机是可行的，如表2所示。

表2 干气密封投用后的泄漏情况统计

表2结论为4台废气输送风机使用干气密封后，平均寿命达到6.5个月，而且在连续运行期间做到了零泄漏。风机干气密封的投用在经济效益方面也有以下2个方面的体现：

(1)解决了原接触式机械密封故障率高，使用周期短的问题，机械密封的使用寿命为1.5个月每套，备件价值0.5万元/套，每年备件费为16万元；干气密封寿命为6.5月每套，备件价值0.6万元套，每年备件费用4.5万元。

(2)检修人工成本机械密封年发生1.7万元，干气密封年发生0.4万元。

4台废气输送风机每年机械密封费用为17.7万元，干气密封费用为4.9万元。由此可见，干气密封经济效益明显，每年可节省12.8万元。

另外，干气密封的使用有效地延长了设备平稳运行周期；改善了现场工人的劳动环境；减少了因故障而发生的非计划停车事故，对生产连续性起到有力保障，同时降低了生产能耗，体现了安全、环保效益。

6 结论

废气输送风机自改造为干气密封以来，机组运行平稳可靠，不仅延长了设备使用寿命，改善了现场作业环境，确保了人身安全，降低了安全环保风险，而且还大幅度降低了设备检修维护费用，取得了一定的经济效益。