賈朝鮮

（廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 防城港 538002）

某鋼鐵廠現(xiàn)有兩套焦?fàn)t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(jī)是制氫系統(tǒng)的核心動力設(shè)備，煤壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系著制氫系統(tǒng)高純氫氣的合格產(chǎn)出，進(jìn)而影響罩式退火爐冷軋板的正常生產(chǎn)。

焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫系統(tǒng)主要工作過程就是先經(jīng)往復(fù)式壓縮機(jī)將焦?fàn)t煤氣升壓至0.25MPa，進(jìn)入預(yù)處理工序，進(jìn)行苯、萘等大分子雜質(zhì)的去除，之后再回到往復(fù)式壓縮機(jī)將焦?fàn)t煤氣壓縮升壓至1.6MPa 左右，進(jìn)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?fàn)t煤氣的氣體分離，得到粗氫。在煤氣凈化工作繼續(xù)進(jìn)行氫氣凈化進(jìn)而得到高純氫氣。其工藝簡圖如圖1。

圖1 焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫工藝簡圖

往復(fù)式壓縮機(jī)是利用活塞在氣缸腔體內(nèi)的往復(fù)運(yùn)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(yùn)行等直接影響壓縮機(jī)的運(yùn)行效率，有油壓縮機(jī)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(jī)介質(zhì)含油量會增加，很顯然在制氫系統(tǒng)中應(yīng)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(jī)，在實際應(yīng)用中，相比較于無油壓縮機(jī)，很難保證高效穩(wěn)定運(yùn)行，一方面由于焦?fàn)t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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面有油潤滑增加了焦?fàn)t煤氣中的油含量，進(jìn)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(jī)在制氫系統(tǒng)中很難得到很好的應(yīng)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(yùn)行過程中多次出現(xiàn)純度波動，進(jìn)而不得不進(jìn)行降產(chǎn)量恢復(fù)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(yán)重的氫氣純度不達(dá)標(biāo)，不得已進(jìn)行制氫裝置緊急停機(jī)。

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

（3）潤滑油消耗量大，煤壓機(jī)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(jī)暴露出很多不利方面，難以保證制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此需對焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)進(jìn)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(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用

實現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)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(dǎo)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(fù)合材料。在往復(fù)式活塞壓縮機(jī)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(jī)中的應(yīng)用最常采用的是填充聚四氟乙烯材料，進(jìn)行壓縮機(jī)無油化改造，并取得了很好的實踐應(yīng)用效果[2]。

填充聚四氟乙烯主要是對聚四氟乙烯進(jìn)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(dá)到填補(bǔ)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(fù)式無油壓縮機(jī)的需求。

2.2 自潤滑材料的摩擦機(jī)理

摩擦轉(zhuǎn)移理論認(rèn)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(rèn)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(jī)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(chǔ)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(chǔ)上，增強(qiáng)耐磨性，滿足無油壓縮機(jī)的使用要求。

3 活塞組件的改造設(shè)計

活塞組件進(jìn)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(jìn)行重新改造設(shè)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(jī)的基本形式，選擇搭切口形式。

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

式中：n——壓縮機(jī)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(jìn)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(jìn)行確定計算的，比壓值是根據(jù)材料的機(jī)械強(qiáng)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(jī)活塞設(shè)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(shè)計計算，同時考慮壓縮機(jī)行程、壓縮比、排氣量等參數(shù)運(yùn)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(jī)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(jìn)行加工制作。滿足設(shè)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(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行無優(yōu)化改造是可行的，項目改造完成后，壓縮機(jī)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(shè)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(jī)可以穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)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(jī)滿足制氫系統(tǒng)生成需求，每年可創(chuàng)造效益約100 萬以上。