煉鐵高爐爐前液壓站油品離心凈化的應用分析

孫潔，朱可龍，程國棟，付連禮，張瑞新，孫雨

(1.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山 063200；2.唐山睿澤爾科技有限公司，河北唐山 063000；3.豐南縱橫鋼鐵煉鐵廠，河北唐山 063200；4.唐山天茂(榮信)實業有限公司設備處，河北遷安 064400；5.柯美瑞(唐山)環保科技有限公司，河北唐山 063000)

0 前言

某鋼鐵煉鐵廠1～4號高爐投產后，由于爐前區域溫度高、煙塵量大，鐵口封閉后液壓系統運行環境差，致使油品污染速度加快，進而導致設備事故率高、備件消耗大、機時產量下降的問題普遍存在，嚴重制約了低消耗、高產出順行生產的進行。

針對此現狀，初期采用了日本3R精密濾油機(18 L)和美國頗爾真空濾油機(21 L)對油品進行過濾凈化和真空加熱除水。使用過程中發現這兩種規格的過濾設備濾油速度低于油品污染速度，濾油效率低。

后加大濾油機的處理量，采用58 L日本3R精密濾油機后，濾油速度加快，但是濾芯更換頻率高，更換周期約7天，每個濾芯成本765元，10個為一套，每次更換成本7 650元，平均每月濾芯消耗成本約3.06萬元，凈化成本過高，嚴重制約了低成本的順行生產。而且，更換下來的濾芯必須納入危廢處理，處理難度極大，給環境保護帶來了很大壓力。解決的辦法就是尋找適用的凈化方式。

1 各種凈化方式的比較

鑒于以上現狀，技術人員經多次深入調研、考察，對比分析過濾式、真空過濾式以及離心式油品凈化方式的原理及優缺點發現，離心式油品凈化能夠滿足爐前液壓油油品凈化的需求。

1.1 過濾式油品凈化方式

工作原理：采用濾紙、濾芯、濾網等濾材對油液中雜質進行攔截，從而實現油品的凈化。

優點：凈化質量隨濾材的精度而定，使用高精度濾材，可以快速實現油品的高質量凈化；

缺點：凈化精度要求越高，濾材消耗量越大，凈化成本越高，并且不能去除油液中的水分；即使采用可去除水分的濾芯，除水量也較小，不能滿足進水量較大的工況的除水要求。同時，更換下來的濾芯必須納入危廢處理，其處理難度極大，給環境保護帶來了很大壓力。

適用工況：油液污染狀況較輕、沒有進水的工況。

1.2 真空過濾式油品凈化方式

工作原理：真空過濾式油品凈化方式具備去除雜質和水分的雙重功能。

去除雜質和過濾式油品凈化方式完全一樣，仍然采用濾紙、濾芯、濾網等濾材對油液中雜質進行攔截，從而實現油品的凈化，也同樣沿襲了其優缺點，雖然凈化精度可以很高，但凈化成本也隨之飆升，同樣也存在更換下來的濾芯的危廢處理問題。

去除水分則是采用在一定的真空度下對油液進行電加熱，將油液中水分汽化再冷凝排出。

優點：在油液進水量較小時，能夠對油液快速破乳化，將溶解水汽化冷凝排出，且可以將油液中含水量控制到50×10以下。

缺點：(1)長期對油液進行電加熱，會加速油液的劣化，破壞油液中的抗泡劑，導致油液氣泡增加；(2)將油液中水分汽化的同時，帶走一部分油液，導致油液的部分損失(現場調研發現，一個6 m的油箱，長期電加熱除水，每個月需添加2桶油，每桶180 L)；(3)電加熱一天的耗電量一般為1 920 kW，長期電加熱，一年按300天計算，耗電量為300×1 920=576 000 kW，按每度電0.8元計算，則一年的電費約為46萬元，費用不可小覷；(4)由于在一定的真空度下對油液進行電加熱，必須有一個較大的真空罐存在，因此，利用該種除水方式，其設備體積巨大，每個油箱必須固定配備一臺真空式濾油機，故占地面積較大，單機性價比較差。實物如圖1所示。

圖1 真空式濾油機實物

1.3 離心式油品凈化方式

工作原理：離心式凈化方式采用碟式離心、重力分離原理，油液在離心組件中以8 000 r/min的速度高速旋轉，產生的離心力將比重大于油液的各種金屬、非金屬污染物和水分以純物理分離方式進行分離；同時復合真空排氣功能，排出油液中氣體，實現除氣泡功能。即一臺凈油機可以在同一時間內去除油液中氣體、水、雜質如小顆粒等，且無需濾材的消耗，凈化效率高，運行成本低，排水速度快，真正達到高效率、低消耗的油品凈化。

其凈化工作流程如圖2所示。

圖2 離心式凈油機工作原理

首先，油箱中被凈化油液經凈油機進油管在真空泵的作用下，被抽入凈油機的副油箱中，同時將油液中的氣體排出。

其次，增壓泵將副油箱的油液打入離心組件中，離心組件在主電機的驅動下，經變速機構調速至8 000～10 000 r/min，油液隨離心組件高速旋轉，油液中各組分：油、金屬或非金屬雜質、水等，由于比重不同，在同樣的轉速下，它們所承受的離心力也都不一樣，因而，各組分在碟片的導流槽上行走的距離也不一樣，那么依據公式所給出的各參數相關關系，合理匹配離心組件的轉速、碟片半徑和油液的流量數據值，產生的離心力將油液內比重不同的各組分實現重力分離。

各組分質點沉降速度(沿徑向的移動速度)與油液本身以及離心力場的各項參數相關關系如下式所示：

=29

(1)

其中：為雜質粒子的沉降速度；為雜質粒子的沉降半徑；為雜質粒子與油液密度差；為雜質粒子旋轉的角速度；為雜質粒子距旋轉軸中心的距離；為油液的動力黏度。

由公式(1)可知：影響分離效率的主要因素就是雜質粒子沉降的速度，而雜質粒子的沉降速度又受到雜質粒子的沉降半徑、旋轉角速度、與油液密度差、距旋轉軸中心的距離以及液體的動力黏度等因素的影響。

(1)雜質粒子的沉降半徑

雜質粒子的沉降半徑實際上也就是離心筒的半徑，半徑與分離效果成正比。但伴隨而來的代價是對離心筒組件的動平衡要求越高，設備的制造維護成本會增加。

(2)雜質粒子旋轉的角速度

雜質粒子旋轉的角速度實際上也就是離心筒的轉速，轉速與分離效率成正比，但同樣地也會增加設備的制造維護成本。

(3)雜質粒子與油液密度差

雜質粒子密度比油液密度越大，其分離效率越高。因此對于某種特定的油液如高壓抗燃油(油液的比重1.11～1.17 g/m)或某些混有纖維性雜質的油液，該種方式達不到預期的凈化效果。

(4)油液的動力黏度

黏度越大，分離效率越差，因此使用該種方式進行油品凈化時，對油液的動力黏度有一些要求。如果超出黏度要求，就要采取諸如輔助加熱等相應措施。

因此，想要達到最佳的凈化效果，就要合理地匹配離心組件的轉速、碟片半徑和油液的流量等。

最后，比重較大的雜質、水從碟片邊沿飛出，沉降到下方的納污盒內，而碟片內仍然滯留著比重較小的油液，在回旋轉子的作用下經出油管回到油箱，經一段時間后的循環，最終實現油液的凈化。

2 離心式凈化方式的試用及運行跟蹤

根據前期調研、考察：

2020年1月11日縱橫鋼鐵煉鐵廠與唐山睿澤爾科技有限公司簽訂了《ROP50-B02型離心式凈油機試用協議》。受疫情影響，經雙方協商，將試用期推遲至2020年2月27日，在煉鐵廠4號高爐爐前液壓站2號油箱正式試用,試用期為40天,到4月7日結束，要求油品污染度達到NAS1638標準7級。

試用過程：

2020年2月27日，凈油機現場安裝調試，并對未凈化油液取樣化驗，由于現場冷卻器漏水故障，油液的含水量達到5 444.4×10，污染度遠超出12級，污染嚴重。凈化9天后，含水量由5 444.4×10降至1 758.7×10，但污染度仍然超出12級；繼續凈化6天后，含水量降至91.1×10，污染度提高到10級，雖然含水量滿足了現場需求,但污染度仍然未達到要求;又繼續凈化15天后，取樣經唐山市技術監督局油品檢驗所化驗，含水量略有降低至90×10，污染度提高到8級;繼續凈化10天后，污染度提高到7級，完全滿足了現場需求。具體試用數據見表1。

表1 4號高爐爐前液壓站2號油站46號抗磨液壓油試用過程中數據統計

由統計結果可以看出：前期，只用15天將油液中含水量由5 444.4×10降至91.1×10，驗證了該離心式凈化方式快速除水的顯著效果；后面幾天，在前期除水后，除雜質的效果顯現出來，21天的時間(自3月7日至3月28日)，污染度由大于12級提高到8級，效果顯著；但是，隨著較大顆粒雜質的去除，留存下來的雜質均為小顆粒，此時離心方式凈化的速度相對較慢，最后又凈化了10天，污染度由8級提高到7級，達到了現場的需求。

試用結束，1號高爐爐前液壓站1號、2號油箱仍然分別使用58 L日本3R精密濾油機1臺和18 L日本3R精密濾油機1臺，使用濾芯(主要耗材)Ф303型50支(700元/支)，Ф179型36支(300元/支)，共計費用達45 800元。

而在4號高爐爐前液壓站1號、2號油箱則分別配備了21 L美國頗爾真空凈油機1臺和唐山睿澤爾科技有限公司ROP50-B02型離心式凈油機進行凈化。追蹤6個月的運行狀況來看，油品污染度一直保持7級以上，含水量保持100×10以下，凈化效果顯著。其中頗爾凈油機使用濾芯22支(平均677元/支)，共計費用14 914元；離心凈油機無耗材消耗。

對比1號、4號高爐利用濾芯進行過濾的真空濾油機凈化方式，其費用有較大差別：近7個月來，4號高爐爐前液壓站比1號高爐爐前液壓站節省30 886元；4號高爐爐前兩種凈油機費用對比：離心凈油機比頗爾真空凈油機節約費用14 914元，極大地降低了油品凈化的費用。

3 結論

通過對某鋼鐵煉鐵廠4號爐前液壓站3 m的46號液壓油，采用某公司的ROP50-B02型離心式凈油機進行除水凈化的試用過程及半年多的運行相關數據分析，該離心凈化方式能夠滿足爐前液壓油油品凈化的需求，降低了設備運行的故障率，為生產的順利進行提供了堅實的保障，并且沒有濾芯耗材的消耗，不僅極大地降低了油品凈化的費用，同時還減輕了更換下來的大量濾芯所帶來的危廢處理的環保壓力，為保護環境提供了必要的保障。