干式氣柜密封油運行中的典型問題分析

周康 牛志勇 孫建武 王碩

1 中國石油蘭州潤滑油研究開發中心

2 中國石油蘭州潤滑油廠

運動黏度及閃點是氣柜密封油的重要運行指標，直接影響氣柜的密封效果及安全運行。對于鋼鐵企業廣泛使用的焦爐煤氣柜而言，氣柜密封油在運行一段時間后常會出現運動黏度變小、閃點下降等問題。本文采用氣相色譜法、蒸餾法和氣質聯用法對氣柜密封油進行了分析，確定輕組分物質的混入是導致氣柜密封油運行中運動黏度、閃點下降的原因，結合鋼鐵企業煤氣柜密封油的使用工況，提出了優化解決方案。

干式稀油密封煤氣柜是調節煤氣管網壓力、防止煤氣放散的重要設備，近年來在鋼鐵行業得到了廣泛應用。氣柜密封油的使用性能對保障煤氣柜密封效果及長期穩定運行具有關鍵作用。對于煉鋼企業常用的高爐煤氣柜和焦爐煤氣柜而言，由于儲氣組成中的輕組分含量較高，這些組分很容易溶解在礦物型氣柜密封油中，使得密封油在使用一段時間后常常會出現黏度變小、閃點下降和刺激性氣味較重等問題，導致油品質量下降。

目前，鋼鐵企業對氣柜密封油變質方面的問題研究不足［1］，通常采取補充新油或者添加改質劑等方式進行彌補，但實際應用效果并不明顯。針對上述問題，本文以焦爐煤氣柜為例，通過氣相色譜法、蒸餾法和氣質聯用法對氣柜密封油在運行一段時間后運動黏度和閃點下降的原因進行分析，在此基礎上，從安全角度出發，結合氣柜密封油的使用工況，對焦爐煤氣凈化處理技術進行了探討。

油品理化分析

某鋼廠存儲焦爐煤氣的儲氣柜是20萬m3曼型稀油密封干式氣柜，密封潤滑油箱為40 m3。2019年10月，該企業在氣柜油槽上例行采樣化驗中發現，使用某品牌氣柜密封油一年半后，出現了黏度、閃點下降和氣味刺激等問題。油品理化分析結果見表1。

從表1可以看出，在用油50 ℃運動黏度為33.66 mm2/s，新油為46.69 mm2/s，在用油相對新油運動黏度下降了27.9%，已不滿足指標要求。同時，在用油中混入了少量水。

需要說明的是，測試油品閃點時采用不同方法會有較大區別。采用全自動閃點測試儀時，油品達到預設溫度后，油溫每升高2 ℃會進行一次自動掃火，最終會對閃火點進行修正后給出測試結果。試驗發現，在用油受熱后一直處于不穩定狀態，閃點一直在波動，且波動范圍可高達約60 ℃，在約85 ℃開始產生氣泡，釋放少量氣體（如圖1所示），但并不閃火，最終閃點報告值為151 ℃。采用手動型閃點測試儀時，受制于試樣量多少、溫度計放置位置、升溫速度的控制和試驗環境的影響，對油品的閃點測試結果影響較大［2］。由表1可以看出，方法差異會導致測試結果存在較大差異，自動法和手動法測量結果無可比性?？傮w來看，開口閃點法與油品的實際表現對應性不強，而閉口閃點法測試過程中環境干擾因素大大減少，適用于測試含輕組分油品，尤其是含有不穩定輕組分物質的特殊油品，因此，在后期研究過程中，均改用微量閉口閃點法進行測試。

表1 在用干式煤氣柜密封油與新油對比分析

原因查找

煤氣柜密封油的用途主要是密封，黏度降低會使密封油循環過快，導致油泵頻繁啟動， 還易誘發煤氣泄漏，而閃點下降會威脅氣柜安全運行。為查找油品黏度、閃點下降原因，采用氣相色譜法測定油品中輕組分含量，蒸餾法提取輕組分物質，氣質聯用法分析輕組分物質組成。

氣相色譜法是利用氣體作流動相的色層分離分析方法，氣化的試樣被流動相帶入色譜柱中，柱中的固定相與試樣中各組分分子作用力不同，各組分從色譜柱中流出時間不同，組分彼此分離，特別適用于易揮發有機化合物的定性和定量分析。在測試油品中加入已知質量分數的內標物，根據出峰時間和順序，可確定潤滑油中輕組分物質的分布；根據峰的高低和面積大小，可對潤滑油中輕組分含量進行定量分析。測試顯示：在用氣柜密封油中混入輕組分物質，其質量分數約為6.8%；新油中并未檢測出輕組分物質，說明在用油中輕組分物質是外界污染所致。

圖1 在用氣柜密封油閃點測試（全自動閃點測試儀）

為了確定輕組分物質結構組成，需要將其從潤滑油中分離并回收，由于輕組分物質沸點遠遠低于潤滑油沸點，故采用蒸餾法提取輕組分物質。此方法是將100 mL試樣在其相應組別所規定的條件下，在環境大氣壓和設計約為一個理論分餾塔板的情況下，用試驗室間歇蒸餾儀器進行蒸餾，并回收蒸出物質。

氣質聯用儀被廣泛應用于復雜組分的分離與鑒定，使用此方法對提取的輕組分進行分析，分析結果具體見圖2～圖6。

由圖2可以看出，輕組分物質主要由4個組分構成，進一步將每個組分進行分離并確定其化學結構。

如圖3所示，m/z91是甲苯的特征峰，組分1為甲苯。

如圖4所示，m/z106是二甲苯的特征峰，組分2為二甲苯。

如圖5所示，m/z128是萘的特征峰，組分3為萘。

如圖6所示，m/z142是甲基萘的特征峰，組分4為甲基萘。

甲苯、二甲苯、萘和甲基萘等物質相對分子質量較低，均具有特殊刺激性氣味，揮發性較強，閃點較低，相關物理性質見表2。

為了模擬現場油品應用工況，研究輕組分物質引入后對油品性能的影響，將二甲苯以6%質量分數［低于油品實際混入輕組分物質組分含量（6.8%）］加入氣柜密封油新油中，測量油品運動黏度和閃點的變化，結果見表3。

圖3 組分1的質譜特征峰

圖4 組分2的質譜特征峰

圖5 組分3的質譜特征峰

圖6 組分4的質譜特征峰

由表3可以看出，油品中加入質量分數為6%的二甲苯后，新油50 ℃運動黏度從46.69 mm2/s減小到24.49 mm2/s，新油閃點（微量閉口）從204.3 ℃降低到64.3 ℃。由此可知，以二甲苯為例，輕組分物質的引入直接導致了油品黏度和閃點下降。

綜上，通過采用氣相色譜、蒸餾提取和氣質聯用等方法，確定了在用氣柜密封油中輕組分物質含量及其結構組成（主要為甲苯、二甲苯、萘和甲基萘等）。試驗表明：輕組分物質的引入是造成在用氣柜密封油運動黏度和閃點下降的直接原因。

探索試驗

通過對在用氣柜密封油進行油品改質，可提高油品運動黏度，減少密封油泄漏量，以改善氣柜運行狀況。將改質劑（含有增黏、降凝、抗乳、助溶、防銹防腐等多項功能添加劑和一定量基礎油）按一定質量分數加入在用油中進行試驗，結果見表4。

通過測試發現，在用油加入質量分數為20%的改質劑后，油品50 ℃運動黏度從33.96 mm2/s增大到49.98 mm2/s，能夠滿足質量指標要求。同時，在用油閃點（微量閉口）從62.3 ℃升高到73.3℃，僅提高11 ℃。由此可知，改質劑的加入只能在一定程度上降低輕組分物質的含量，并不能完全清除輕組分物質，所以油品的閃點性能仍會受到影響，存在一定的安全隱患。市場調研發現，油品加入改質劑后短時間內運動黏度會有所恢復，但是氣柜運行2～3個月后，指標依然會下降，目前在國內很少有鋼鐵廠應用類似技術進行密封油的處理［1］。

相關建議

焦爐煤氣柜是一種壓力基本穩定、容積可以在一定范圍內變化的凈煤氣低壓儲存設備。通常焦爐煤氣凈化的流程見圖7。

表2 輕組分主要成分的物理性質

表3 模擬工況下干式煤氣柜密封油的性能變化

表4 干式煤氣柜密封油加入改質劑前后性能變化

建議鋼鐵企業對生產工藝進行如下優化：

◇增加洗萘、脫苯等裝置，對來自煉焦爐的荒煤氣進行凈化處理，脫除其中雜質，凈化后的煤氣打入煤氣柜進行儲存，以備生產使用。

◇加強各分液罐的日常脫液，減少含油液體進入氣柜與密封油接觸。

◇密封油閃蒸系統流程及儀表控制需要優化，提高閃蒸效果［3］。

圖7 焦爐煤氣凈化流程示意

結束語

鋼鐵企業干式焦化煤氣柜密封油中混入的輕組分物質主要為甲苯、二甲苯、萘和甲基萘等，這些組分具有特殊刺激性氣味，揮發性較強，閃點較低，混入油中會造成油品運動黏度和閃點急劇下降。改質劑并不能從根本上改善油品的性能，建議鋼鐵企業對凈化工藝進行優化，增加洗萘、脫苯等裝置，對凈化后的煤氣通過煤氣柜進行儲存，從而確保安全，延長密封油使用年限。