合成气净化装置燃料气压缩机润滑方式探讨

何 凯 杨 莉 姚德群

（中国寰球工程有限公司北京分公司）

在大型煤炭间接液化项目合成气净化装置中， 常选用往复活塞式压缩机将燃料气进行压缩，然后为下游工业炉烧嘴提供燃料。 往复活塞式压缩机气缸润滑方式主要包括无油润滑和有油润滑［1］。 其中无油润滑压缩机通常采用聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺（PI）等自润滑材料作为活塞环的填充材料，压缩机工作过程中，无需往气缸中注入润滑油，因此可以保证压缩气体不被润滑油雾污染， 有效提高下游设备工作的可靠性，但是无油润滑压缩机往往造价高昂，而且正常运行10 000h 后需要更换机头［2］。 有油润滑压缩机需要在气缸上开注油口并配置注油机，压缩机工作过程中不断注入润滑油，虽然可以大幅减少易损件和气缸的磨损， 延长压缩机的使用寿命，但是注入润滑油的油雾可能会污染被压缩气体，因此往往需要在压缩机出口增加油雾分离器。 工业炉烧嘴对燃料气纯度有较高的要求，过量油雾的混入可能导致烧嘴意外烧坏，导致下游工业炉无法正常运行，造成整个净化装置停产。 因此，燃料气压缩机润滑方式的选择很大程度上会影响合成气净化装置的正常运行。 笔者以某大型煤炭间接液化项目合成气净化装置中的燃料气压缩机为例，分析燃料气压缩机润滑方式的选择对压缩机运行的影响及其应对策略。

1 燃料气压缩机运行工况下的介质特性

化装置中燃料气压缩机在不同运行工况下的参数，表2 为不同工况下的气体组分。 从表2 中的数据可知， 被压缩介质中CO 和H2为主要成分，根据化学原理可知CO 和H2在高温状态下可发生可逆反应生成C 和H2O， 化学反应方程式为CO+H2⇌C+H2O。

表1 燃料气压缩机在不同运行工况下的参数

表2 不同工况下的燃料气组分 %

虽然燃料气压缩机排气温度达不到CO 和H2快速充分反应所需的温度 （250～260℃），但是在90℃以上会有极少量碳焦粒产生，燃料气压缩机理论排气温度87.47℃， 考虑到实际运行过程中温度的波动，排气温度在某个特定时段极有可能在90℃以上，因此会有极少量碳焦粒析出。

碳焦粒是一种固体颗粒，若长时间沉积在气缸套与活塞环之间，会增大气缸套与活塞环的表面粗糙度， 进而加速活塞环和气缸套之间的磨损，缩短压缩机气缸和易损件活塞环的使用寿命［3］。

2 不同润滑方式可能导致的后果分析

无论采用无油润滑还是有油润滑，压缩机气缸内都会有极少量碳焦粒沉积，碳焦粒在不同润滑方式下产生的影响不尽相同。

2.1 无油润滑

无油润滑采用的是自润滑活塞环，虽然造价高昂［4］，但是对下游设备影响最小。 然而，无油润滑磨损系数K受气缸表面粗糙度影响很大， 两者的关系曲线如图1 所示［5］。

图1 无油润滑磨损系数与气缸表面粗糙度的关系

一般气缸的表面粗糙度在0.4～0.8μm 之间，然而碳焦粒的存在会将气缸和活塞环的表面粗糙度提高到1.0～1.6μm 甚至更高，也可能将无油润滑的磨损系数提高30%以上，加快活塞环和气缸套的磨损（图2），从而大幅降低压缩机的使用寿命［6］。

2.2 有油润滑

有油润滑是在压缩机运行过程中通过注油口由注油器注入润滑油，这种润滑方式下磨损系数K 受气缸表面粗糙度的影响相对较小，两者的关系曲线如图3 所示。

图2 压缩机气缸套及活塞环的磨损情况

图3 有油润滑磨损系数与气缸表面粗糙度的关系

虽然碳焦粒的存在提高了气缸和活塞环的表面粗糙度， 但是对磨损系数的影响不是很大，因此对气缸套和活塞环的磨损影响有限［4］。但是，采用有油润滑必然会产生油雾并混入燃料气中，尽管要经过油雾分离器的分离，但仍然会有部分油雾进入下游工业炉烧嘴。 不同工业炉烧嘴厂家对燃料气纯度要求不尽相同，若混入燃料气的油雾超过厂家给定的上限值，则会烧坏烧嘴，造成整个装置停产。

3 燃料气压缩机润滑方式的选用原则

无论是无油润滑还是有油润滑都存在着局限性，故燃料气压缩机在选择润滑方式时需要视情况而定，不可一概而论。 工程实践中保证装置的正常可靠运行是首要目标，在保证装置正常可靠运行的前提下应着重考虑降低设备成本投入，实现经济、社会效益最大化［7］。

基于上述原则可制定出燃料气压缩机润滑方式选择的基本原则， 即无论选用何种润滑方式，首要前提是不影响下游工业炉烧嘴的正常运行，在此基础上应尽可能降低燃料气压缩机成本投入。 具体选用原则如下：

a. 压缩机厂家选用有油润滑的方式，若经压缩机到分离器分离后的燃料气纯度可以满足工业炉厂商对燃料气纯度的要求，则建议优先选用有油润滑，以降低设备成本。

b. 如经过计算， 燃料气压缩机排气温度较低，远低于CO 和H2反应产生结焦的温度90℃［8］，且不会产生一氧化碳结焦降低压缩机使用寿命的问题，为提高整个装置的安全可靠性，则建议选用无油润滑。

上述两种情况在工程实践中较为常见，相对容易确定压缩机的润滑方式。 但是，部分情况下压缩机厂家无法确认经压缩机到分离器分离后的燃料气纯度， 即无法计算出经过分离器后有多少油雾仍然残留在燃料气中， 同时压缩机的排气温度十分接近或者超过一氧化碳的结焦温度， 在这种情况下单独选取无油润滑或者单独选取有油润滑的方式都不是最佳选择， 故可按照下述方法配置润滑方式： 建议压缩机按照无油润滑设计，同时在气缸上预留注油口，配置注油机， 以便设备运行时视具体情况灵活调整润滑方式。

4 工程应用

某大型煤炭间接液化项目合成气净化装置燃料气压缩机工艺数据见表1。 该项目选用的是德国诺曼艾索公司生产的TZL300 型往复活塞式压缩机，外形布置如图4 所示。

图4 某合成气净化装置燃料气压缩机

此设备排气温度87.47℃，非常接近一氧化碳结焦温度，并且压缩机厂商无法准确计算出经压缩机到油雾分离器分离后的燃料气纯度，因此无法提前确定选用无油润滑还是有油润滑。 最终该压缩机按照无油润滑设计，同时配置如下气缸和填料注油设备：

a. 机械注油器（单点单注），电机驱动；

b. 4 个备用柱塞；

c. 油箱储油量保证30h 正常运行流量；

d. 油箱带可视玻璃视窗；

e. 带恒温油加热器；

f. 油箱低液位报警系统；

g. 润滑油流量0%～200%手动调节装置。

由于无法提前确定注入的润滑油流量与经分离器分离后混入燃料气的油雾流量之间的定量关系， 因此配备润滑油流量0%～200%手动调节装置，以便实现润滑油流量灵活调节，从0%开始缓慢增加润滑油注入量， 同时严密监测下游设备配置仪表显示数据，保证设备的正常运行。

该装置开车成功后燃料气压缩机投入使用，采用的是无油润滑，使用期间发现活塞环磨损比预期要快，并且气缸套也有细微磨损，虽然设备能正常使用， 但是有可能无法达到预期使用寿命。 设备运行一年后为延长燃料气压缩机的使用寿命，尝试注入少量润滑油，磨损情况得到改善，目前该设备仍正常运行。

由此可见，在初期无法确定压缩机润滑方式的情况下，采用无油润滑设计同时选装润滑油注入设备是一种行之有效的方法。

5 结束语

燃料气压缩机选择无油润滑与有油润滑各有优缺点，在进行具体设备的润滑方式选择时应针对不同的操作工况做出合理的选择。 常规工况下按照优先保证装置的正常运行，综合考虑降低设备的成本投入即可。 在特殊工况下若单独选用无油润滑或有油润滑都不是最佳选择，此时可按照无油润滑设计同时配置有油润滑设备，为设备正常运行灵活变换润滑方式提供操作弹性空间。