干式气柜密封油运行中的典型问题分析

周康 牛志勇 孙建武 王硕

1 中国石油兰州润滑油研究开发中心

2 中国石油兰州润滑油厂

运动黏度及闪点是气柜密封油的重要运行指标，直接影响气柜的密封效果及安全运行。对于钢铁企业广泛使用的焦炉煤气柜而言，气柜密封油在运行一段时间后常会出现运动黏度变小、闪点下降等问题。本文采用气相色谱法、蒸馏法和气质联用法对气柜密封油进行了分析，确定轻组分物质的混入是导致气柜密封油运行中运动黏度、闪点下降的原因，结合钢铁企业煤气柜密封油的使用工况，提出了优化解决方案。

干式稀油密封煤气柜是调节煤气管网压力、防止煤气放散的重要设备，近年来在钢铁行业得到了广泛应用。气柜密封油的使用性能对保障煤气柜密封效果及长期稳定运行具有关键作用。对于炼钢企业常用的高炉煤气柜和焦炉煤气柜而言，由于储气组成中的轻组分含量较高，这些组分很容易溶解在矿物型气柜密封油中，使得密封油在使用一段时间后常常会出现黏度变小、闪点下降和刺激性气味较重等问题，导致油品质量下降。

目前，钢铁企业对气柜密封油变质方面的问题研究不足［1］，通常采取补充新油或者添加改质剂等方式进行弥补，但实际应用效果并不明显。针对上述问题，本文以焦炉煤气柜为例，通过气相色谱法、蒸馏法和气质联用法对气柜密封油在运行一段时间后运动黏度和闪点下降的原因进行分析，在此基础上，从安全角度出发，结合气柜密封油的使用工况，对焦炉煤气净化处理技术进行了探讨。

油品理化分析

某钢厂存储焦炉煤气的储气柜是20万m3曼型稀油密封干式气柜，密封润滑油箱为40 m3。2019年10月，该企业在气柜油槽上例行采样化验中发现，使用某品牌气柜密封油一年半后，出现了黏度、闪点下降和气味刺激等问题。油品理化分析结果见表1。

从表1可以看出，在用油50 ℃运动黏度为33.66 mm2/s，新油为46.69 mm2/s，在用油相对新油运动黏度下降了27.9%，已不满足指标要求。同时，在用油中混入了少量水。

需要说明的是，测试油品闪点时采用不同方法会有较大区别。采用全自动闪点测试仪时，油品达到预设温度后，油温每升高2 ℃会进行一次自动扫火，最终会对闪火点进行修正后给出测试结果。试验发现，在用油受热后一直处于不稳定状态，闪点一直在波动，且波动范围可高达约60 ℃，在约85 ℃开始产生气泡，释放少量气体（如图1所示），但并不闪火，最终闪点报告值为151 ℃。采用手动型闪点测试仪时，受制于试样量多少、温度计放置位置、升温速度的控制和试验环境的影响，对油品的闪点测试结果影响较大［2］。由表1可以看出，方法差异会导致测试结果存在较大差异，自动法和手动法测量结果无可比性。总体来看，开口闪点法与油品的实际表现对应性不强，而闭口闪点法测试过程中环境干扰因素大大减少，适用于测试含轻组分油品，尤其是含有不稳定轻组分物质的特殊油品，因此，在后期研究过程中，均改用微量闭口闪点法进行测试。

表1 在用干式煤气柜密封油与新油对比分析

原因查找

煤气柜密封油的用途主要是密封，黏度降低会使密封油循环过快，导致油泵频繁启动， 还易诱发煤气泄漏，而闪点下降会威胁气柜安全运行。为查找油品黏度、闪点下降原因，采用气相色谱法测定油品中轻组分含量，蒸馏法提取轻组分物质，气质联用法分析轻组分物质组成。

气相色谱法是利用气体作流动相的色层分离分析方法，气化的试样被流动相带入色谱柱中，柱中的固定相与试样中各组分分子作用力不同，各组分从色谱柱中流出时间不同，组分彼此分离，特别适用于易挥发有机化合物的定性和定量分析。在测试油品中加入已知质量分数的内标物，根据出峰时间和顺序，可确定润滑油中轻组分物质的分布；根据峰的高低和面积大小，可对润滑油中轻组分含量进行定量分析。测试显示：在用气柜密封油中混入轻组分物质，其质量分数约为6.8%；新油中并未检测出轻组分物质，说明在用油中轻组分物质是外界污染所致。

图1 在用气柜密封油闪点测试（全自动闪点测试仪）

为了确定轻组分物质结构组成，需要将其从润滑油中分离并回收，由于轻组分物质沸点远远低于润滑油沸点，故采用蒸馏法提取轻组分物质。此方法是将100 mL试样在其相应组别所规定的条件下，在环境大气压和设计约为一个理论分馏塔板的情况下，用试验室间歇蒸馏仪器进行蒸馏，并回收蒸出物质。

气质联用仪被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定，使用此方法对提取的轻组分进行分析，分析结果具体见图2～图6。

由图2可以看出，轻组分物质主要由4个组分构成，进一步将每个组分进行分离并确定其化学结构。

如图3所示，m/z91是甲苯的特征峰，组分1为甲苯。

如图4所示，m/z106是二甲苯的特征峰，组分2为二甲苯。

如图5所示，m/z128是萘的特征峰，组分3为萘。

如图6所示，m/z142是甲基萘的特征峰，组分4为甲基萘。

甲苯、二甲苯、萘和甲基萘等物质相对分子质量较低，均具有特殊刺激性气味，挥发性较强，闪点较低，相关物理性质见表2。

为了模拟现场油品应用工况，研究轻组分物质引入后对油品性能的影响，将二甲苯以6%质量分数［低于油品实际混入轻组分物质组分含量（6.8%）］加入气柜密封油新油中，测量油品运动黏度和闪点的变化，结果见表3。

图3 组分1的质谱特征峰

图4 组分2的质谱特征峰

图5 组分3的质谱特征峰

图6 组分4的质谱特征峰

由表3可以看出，油品中加入质量分数为6%的二甲苯后，新油50 ℃运动黏度从46.69 mm2/s减小到24.49 mm2/s，新油闪点（微量闭口）从204.3 ℃降低到64.3 ℃。由此可知，以二甲苯为例，轻组分物质的引入直接导致了油品黏度和闪点下降。

综上，通过采用气相色谱、蒸馏提取和气质联用等方法，确定了在用气柜密封油中轻组分物质含量及其结构组成（主要为甲苯、二甲苯、萘和甲基萘等）。试验表明：轻组分物质的引入是造成在用气柜密封油运动黏度和闪点下降的直接原因。

探索试验

通过对在用气柜密封油进行油品改质，可提高油品运动黏度，减少密封油泄漏量，以改善气柜运行状况。将改质剂（含有增黏、降凝、抗乳、助溶、防锈防腐等多项功能添加剂和一定量基础油）按一定质量分数加入在用油中进行试验，结果见表4。

通过测试发现，在用油加入质量分数为20%的改质剂后，油品50 ℃运动黏度从33.96 mm2/s增大到49.98 mm2/s，能够满足质量指标要求。同时，在用油闪点（微量闭口）从62.3 ℃升高到73.3℃，仅提高11 ℃。由此可知，改质剂的加入只能在一定程度上降低轻组分物质的含量，并不能完全清除轻组分物质，所以油品的闪点性能仍会受到影响，存在一定的安全隐患。市场调研发现，油品加入改质剂后短时间内运动黏度会有所恢复，但是气柜运行2～3个月后，指标依然会下降，目前在国内很少有钢铁厂应用类似技术进行密封油的处理［1］。

相关建议

焦炉煤气柜是一种压力基本稳定、容积可以在一定范围内变化的净煤气低压储存设备。通常焦炉煤气净化的流程见图7。

表2 轻组分主要成分的物理性质

表3 模拟工况下干式煤气柜密封油的性能变化

表4 干式煤气柜密封油加入改质剂前后性能变化

建议钢铁企业对生产工艺进行如下优化：

◇增加洗萘、脱苯等装置，对来自炼焦炉的荒煤气进行净化处理，脱除其中杂质，净化后的煤气打入煤气柜进行储存，以备生产使用。

◇加强各分液罐的日常脱液，减少含油液体进入气柜与密封油接触。

◇密封油闪蒸系统流程及仪表控制需要优化，提高闪蒸效果［3］。

图7 焦炉煤气净化流程示意

结束语

钢铁企业干式焦化煤气柜密封油中混入的轻组分物质主要为甲苯、二甲苯、萘和甲基萘等，这些组分具有特殊刺激性气味，挥发性较强，闪点较低，混入油中会造成油品运动黏度和闪点急剧下降。改质剂并不能从根本上改善油品的性能，建议钢铁企业对净化工艺进行优化，增加洗萘、脱苯等装置，对净化后的煤气通过煤气柜进行储存，从而确保安全，延长密封油使用年限。