制氫用壓縮機無油化改造

賈朝鮮

（廣西鋼鐵集團有限公司，廣西 防城港 538002）

某鋼鐵廠現有兩套焦爐煤氣變壓吸附（PSA）制氫系統，生產高純氫氣，主要用于冷軋罩式退火爐生產用。煤氣壓縮機是制氫系統的核心動力設備，煤壓機的穩定運行直接關系著制氫系統高純氫氣的合格產出，進而影響罩式退火爐冷軋板的正常生產。

焦爐煤氣變壓吸附制氫系統主要工作過程就是先經往復式壓縮機將焦爐煤氣升壓至0.25MPa，進入預處理工序，進行苯、萘等大分子雜質的去除，之后再回到往復式壓縮機將焦爐煤氣壓縮升壓至1.6MPa 左右，進入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，二是吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。從而實現焦爐煤氣的氣體分離，得到粗氫。在煤氣凈化工作繼續進行氫氣凈化進而得到高純氫氣。其工藝簡圖如圖1。

圖1 焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝簡圖

往復式壓縮機是利用活塞在氣缸腔體內的往復運動，通過腔體容積的變化實現氣體的壓縮，其中活塞環的密封效果，氣閥閥片的穩定運行等直接影響壓縮機的運行效率，有油壓縮機在活塞環與氣缸內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，壓縮機介質含油量會增加，很顯然在制氫系統中應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，在實際應用中，相比較于無油壓縮機，很難保證高效穩定運行，一方面由于焦爐煤氣中含油的雜質、粉塵等，極易在氣缸內與潤滑油形成油泥，影響壓縮機穩定運行；另一方面有油潤滑增加了焦爐煤氣中的油含量，進而影響制氫系統吸附劑的使用效率，造成失效。有油潤滑壓縮機在制氫系統中很難得到很好的應用，反而是影響制氫系統安全穩定的主要因素，主要表現在：

（1）吸附劑使用壽命降低，氫氣純度時常不穩定。制氫系統在運行過程中多次出現純度波動，進而不得不進行降產量恢復氫氣純度，始終采取降低產量維持純度的一種生產模式。甚至于發生過嚴重的氫氣純度不達標，不得已進行制氫裝置緊急停機。

（2）壓縮機排氣量不穩定，煤壓機運行故障率非常高，配套的相關附屬設備也難以穩定運行，冷卻器、緩沖罐經常性出現排污口堵塞，進而引起煤壓機氣管線異常振動等等問題。

（3）潤滑油消耗量大，煤壓機周圍油污較重，造成環境污染。

因此，在制氫系統實際使用過程中，有油壓縮機暴露出很多不利方面，難以保證制氫系統的穩定運行，因此需對焦爐煤氣壓縮機進行無油化改造。

2 無油化改造的方案論證

2.1 自潤滑材料在往復式壓縮機應用

實現往復式壓縮機無油潤滑的前提，就是采用各種自潤滑材料制造活塞環、導向環等摩擦件，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合材料。在往復式活塞壓縮機使用中，無油潤滑的磨損件密封活塞環大多采用聚四氟乙烯材料[1]，自潤滑材料在無油壓縮機中的應用最常采用的是填充聚四氟乙烯材料，進行壓縮機無油化改造，并取得了很好的實踐應用效果[2]。

填充聚四氟乙烯主要是對聚四氟乙烯進行改性填充[3]，聚四氟乙烯的改性主要是與其它材料結合達到填補聚四氟乙烯自身的缺陷，從而取得更加優良性能要求，滿足往復式無油壓縮機的需求。

2.2 自潤滑材料的摩擦機理

摩擦轉移理論認為，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晶區，因而在摩擦之初就向對摩面轉移，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構呈螺旋形，光滑的大分子鏈外形既可在轉移膜上相互滑動，又不會繼續拉扯出其它分子鏈，摩擦系數小。

轉移-依附理論認為，聚四氯乙烯與金屬對摩時，只會在真實接觸區域才會形成轉移膜，只是在真正直接接觸的點上才存在轉移腹。即聚四氟乙烯轉移膜實際上是既不規整又不連續的薄膜，它只是無數微小而又互相孤立的薄膜的統稱。與此同時，在轉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域內的分布大體均勻卻不連續；它是由依附于輪廓接觸區域四周與真實接觸區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，根據聚四氯乙烯干摩擦的轉移-依附理論，聚四氯乙婚與金屬對摩時在金屬的對摩面上，每個轉移膜區域的四周是依附層，而每個依附層區域四周是轉移膜；結果，由轉移膜與依附層交織成一個大體上連續的聚四氟乙烯表層。

因此，聚四氟乙烯常作為無油壓縮機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上，增強耐磨性，滿足無油壓縮機的使用要求。

3 活塞組件的改造設計

活塞組件進行無油化更新改造涉及到活塞體、活塞環、支承環都需進行重新改造設計和核算。

3.1 活塞環改造

活塞環的結構形式參照無油潤滑壓縮機的基本形式，選擇搭切口形式。

在無油潤滑壓縮機設計中，pv 值的選擇極為關鍵[5]，同時查閱無潤滑壓縮機設計手冊，活塞環數N 可以按照下面公式進行計算：

式中：n——壓縮機轉速（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材料的[pv]如下表所示。

表1 常用無油潤滑活塞環材料的[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 進行計算，可得各級活塞環數：1 級2 個，2 級3 個，3 級4 個。

3.2 支承環

支承環的軸向寬度尺寸LB是按照比壓進行確定計算的，比壓值是根據材料的機械強度和允許的PV值下，支承環的磨損性能來確定的。對于填充聚四氟乙烯制造的支承環來說，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。

支承軸向寬度計算有如下公式：

表2 支承環寬度計算

計算結果證明：各級活塞支承環所選取的寬度能夠滿足無油潤滑壓縮機活塞設計要求。

3.3 活塞

活塞的結構形式主要有三種，單支承活塞結構，雙支承活塞結構和組合式活塞環與支承環活塞結構，通過上面活塞環、支承環的設計計算，同時考慮壓縮機行程、壓縮比、排氣量等參數運行不變，因此活塞的軸向寬度必須參照有油的軸向寬度數據，因此結合活塞環、支承環的數量，最終依然選擇單支承活塞結構的形式。

從活塞實際使用性能考慮，同時對比無油壓縮機活塞的實際使用經驗，活塞材質選定為ZL401 材料，各級活塞上的活塞環槽根據上面計算的活塞環的尺寸進行加工制作。滿足設計規范要求。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 結論

制氫用往復式壓縮機進行無優化改造是可行的，項目改造完成后，壓縮機與改造前對比，發現：

（1）改造后各級排氣溫度均有不同程度升高。但參照設計溫度，亦在正常范圍內；排氣量改造后有所減少，降低了約9%。

（2）改造后，煤壓機可以穩定連續運行1500h 以上，拆卸活塞，活塞環磨損量在正常范圍內。

（3）減少潤滑油消耗，提高制氫吸附劑使用壽命，煤壓機滿足制氫系統生成需求，每年可創造效益約100 萬以上。