孫  潔^1,5,6，周伯宇¹，劉志軍²，王德勝³，劉靜偉⁴，張瑞新^5、6

(1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063200；

2.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500；

3.唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限責(zé)任公司，河北唐山 063100；

4. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031

5.唐山睿澤爾科技有限公司，河北唐山 063000；

6.柯美瑞（唐山）環(huán)?？萍加邢薰?，河北唐山 063000）

摘要：鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，大型設(shè)備眾多，用于設(shè)備潤(rùn)滑與液壓的潤(rùn)滑油、液壓油使用一定期限后，由于污染物含量、黏度、含水量等各種參數(shù)不再符合使用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，必須更換、下線處理。   目前，大多企業(yè)都是采用將下線后的潤(rùn)滑油、液壓油送到有危廢處理資質(zhì)的處理廠做危廢處理，既要花費(fèi)巨額資金，造成經(jīng)濟(jì)損失，處理不及時(shí)還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大危害。本文通過(guò)分析現(xiàn)有油液凈化方法的特點(diǎn)與優(yōu)劣勢(shì)，利用強(qiáng)磁過(guò)濾、離心分離、真空與精密過(guò)濾凈化方案相融合，多措并舉，同時(shí)依托PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)選擇與切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，形成了一套有效的下線潤(rùn)滑油、液壓油的凈化回收處理再利用方案，經(jīng)后期實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用證明，該凈化回收再利用方案不僅可以將下線油液進(jìn)行有效處理，處理后的油液可以達(dá)到油氣潤(rùn)滑油的使用標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)廢油凈化回收再利用，而且通過(guò)其所具有的良好去除雜質(zhì)與除水性能，使危廢的數(shù)量大大減少，為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、減少環(huán)境污染做出巨大的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：下線廢油；強(qiáng)磁過(guò)濾；離心凈化；真空過(guò)濾；PLC控制

引言

潤(rùn)滑油和液壓油作為鋼鐵行業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中必不可少的介質(zhì)，在設(shè)備的潤(rùn)滑、冷卻、密封、能量傳遞等環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要作用^[1]。設(shè)備在使用過(guò)程中，受運(yùn)行環(huán)境與設(shè)備密封程度的影響，部分固體顆粒物、氣體、水分等雜質(zhì)進(jìn)入到油液中，對(duì)油液造成污染，影響了油液的性能和使用壽命^[2]。為避免設(shè)備發(fā)生故障從而產(chǎn)生不必要的安全隱患，需要定期檢測(cè)油液清潔度，將不再符合標(biāo)準(zhǔn)的油液下線。下線油液需要存儲(chǔ)在特定地點(diǎn)，然后由具備危廢處理資質(zhì)的公司進(jìn)行統(tǒng)一回收處理，這一方面增加了企業(yè)的委外費(fèi)用，另一方面，下線廢油屬于危險(xiǎn)廢物，處理難度大，處理不及時(shí)容易造成環(huán)境二次污染^[3][4]。因此，廢油凈化回收再利用方案研究勢(shì)在必行。

1 油品凈化方式

針對(duì)以上現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有幾種油液凈化方法進(jìn)行多次深入調(diào)研、考察，分析得出它們的原理及優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1) 機(jī)械過(guò)濾法。該技術(shù)的主要原理是機(jī)械阻擋效應(yīng)^[5]，使用多層濾紙或?yàn)V芯來(lái)去除油液中的固體顆粒物雜質(zhì)，防止污染物隨油液進(jìn)入到系統(tǒng)中。該方法在定期更換濾紙或?yàn)V芯的前提下能夠保證過(guò)濾的精度，但只能去除較大的顆粒物雜質(zhì)，不能濾除油液中的水分和膠狀生成物，凈化效果有限，且需要操作人員嚴(yán)格按照程序?qū)^(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行檢查和更換，后期運(yùn)行中耗材量大、成本高^[6][7]。在工程中，常常將機(jī)械過(guò)濾法與其他方法混合使用，以達(dá)到最佳凈化效果。

2) 真空分離法。該技術(shù)的原理是先對(duì)油液加熱，再利用真空條件下水和油的沸點(diǎn)不同將水和氣體從油液中分離出來(lái)^[8]。其分離過(guò)程受到油水界面膜的熱物性參數(shù)、溫度等多種因素影響^[9]。真空分離法對(duì)油液液面的溶解水和氣體具有良好的去除效果，但不能去除其他雜質(zhì)，且除水效率低，需要多次循環(huán)凈化才能達(dá)到油液脫水的要求。真空脫水設(shè)備成本與能耗較高，且當(dāng)含水量較高時(shí)，除水效果不理想^[9][10]。

3) 磁過(guò)濾法。待凈化的油液流經(jīng)磁吸附裝置的多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁力的作用下，油液中的金屬污染物被吸附到磁體上，去除油液中的金屬雜質(zhì)。

4) 離心分離法。利用高速旋轉(zhuǎn)，使油液中具有不同密度的油、水分、氣體、顆粒物等受到不同的離心力而產(chǎn)生分離分層效應(yīng)，從而達(dá)到凈化油液的目的^[14]。但此方法能快速去除油液中的游離水，而對(duì)溶解水的凈化效果較差，可配合真空加熱進(jìn)行。

通過(guò)以上幾種油液凈化方法的優(yōu)劣勢(shì)分析，可以看出以過(guò)濾為主的凈化方法只能實(shí)現(xiàn)油液中顆粒污染物的去除和部分水的分離，但凈化效果在很大程度上取決于操作人員對(duì)濾芯的更換頻率；機(jī)械過(guò)濾、真空分離、磁吸附法凈化都具備特定的作用；離心分離法能快速去除顆粒污染物和溶解水，但對(duì)油液中的溶解水卻力不從心，水分去除不徹底，因此，將幾種方法組合，根據(jù)油液的狀態(tài)，合理分配各種凈化方法的時(shí)間，將獲得最佳的計(jì)劃方案。

2 油液組合凈化方案

為實(shí)現(xiàn)對(duì)油液中不同種類(lèi)污染物的凈化，結(jié)合上述各種凈化方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種包含強(qiáng)磁凈化、離心凈化、真空凈化、精密過(guò)濾的下線油液組合凈化方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 粗過(guò)濾

下線油桶中的廢油在增壓泵M1的作用下被抽入管道中，分別流經(jīng)一至三級(jí)濾芯過(guò)濾器，三級(jí)濾芯采用可重復(fù)清洗利用的濾材，過(guò)濾精度逐級(jí)提高，可完成對(duì)不同直徑顆粒污染物的過(guò)濾。濾材前后配置壓力檢測(cè)，提示濾材是否需要清洗。

過(guò)濾后的油液被泵入油箱中，在此配置了油箱液位傳感器，當(dāng)油箱液位達(dá)到要求高度時(shí)，停止泵油；固體顆粒物與水分等參數(shù)的在線檢測(cè)傳感器可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)油液中固體顆粒物和水的含量，并根據(jù)污染物的種類(lèi)和含量靈活開(kāi)啟凈化裝置。

2) 強(qiáng)磁凈化

強(qiáng)磁凈化主要針對(duì)鋼鐵行業(yè)的金屬顆粒污染物。若檢測(cè)到油液中顆粒物和水的含量超過(guò)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，則啟動(dòng)離心凈化裝置，進(jìn)入離心凈化過(guò)程。離心凈化之前，油液首先流經(jīng)強(qiáng)磁過(guò)濾器，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)小鐵屑等金屬顆粒污染物的過(guò)濾，強(qiáng)磁過(guò)濾器前后也配置差壓檢測(cè)，以判斷其是否需要清洗。

3) 離心凈化

強(qiáng)磁過(guò)濾后的油液進(jìn)入離心凈化裝置，離心凈化是整個(gè)凈化方案的核心，該過(guò)程可以去除絕大部分的污染物。離心凈化裝置結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

在增壓泵的作用下油液經(jīng)過(guò)吸油管被送到輔助油箱，真空泵幫助排出油液中的氣體。隨后排完氣體的油液被送至離心桶組件。實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)置離心筒組件的轉(zhuǎn)速為8000~10000 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，離心桶中密度不同的物質(zhì)會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而逐漸分離，所以根據(jù)離心機(jī)理，密度大于油液的污染物會(huì)在離心力的作用下飛出碟片進(jìn)入納污盒，而密度較小的潔凈油會(huì)從中間的管道返回油箱。

離心凈化的效率主要由各組分質(zhì)點(diǎn)的徑向移動(dòng)速度決定，而該速度又受到多種因素影響^[15][16]，其關(guān)系式可表示為：

其中，為油液中雜質(zhì)粒子的徑向移動(dòng)速度；為雜質(zhì)粒子的徑向移動(dòng)半徑；為雜質(zhì)粒子旋轉(zhuǎn)的角速度；為雜質(zhì)粒子距中心軸的距離；為雜質(zhì)粒子與油液的密度差；為油液的動(dòng)力黏度。

(1) 雜質(zhì)粒子的沉降半徑

雜質(zhì)粒子的徑向移動(dòng)半徑實(shí)際上是指離心筒的半徑，雜質(zhì)與油液的分離效果隨著離心筒半徑的增大而愈發(fā)明顯，但同時(shí)也會(huì)造成離心筒組件的平衡機(jī)能變差，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用提高。

(2) 雜質(zhì)粒子旋轉(zhuǎn)的角速度

雜質(zhì)粒子旋轉(zhuǎn)的角速度實(shí)際上是指離心筒的轉(zhuǎn)速，分離效果與轉(zhuǎn)速成正比，但轉(zhuǎn)速增大同樣會(huì)帶來(lái)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用增加的問(wèn)題。

(3) 雜質(zhì)粒子與油液密度差

密度差越大，分離的效果越好。因此對(duì)于某種特定的油液如混有纖維性雜質(zhì)的油液，分離凈化達(dá)不到預(yù)期的效果。

(4) 油液的動(dòng)力黏度

黏度越大，分離效果越差。因此在離心凈化時(shí)一般配置油液黏度檢測(cè)裝置，當(dāng)黏度超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采取一定的措施。

因此，為使離心分離的凈化效果達(dá)到預(yù)期，應(yīng)合理設(shè)置油液密度、碟片半徑等各參量的值。

4) 真空除水

離心凈化可快速除去油液中的大部分固體顆粒物和水，但對(duì)油液中溶解水的去除達(dá)不到最佳效果，若對(duì)油液含水量要求高，可在離心凈化后再開(kāi)啟真空除水裝置，利用真空電加熱的方式將油液中的溶解水汽化排出，對(duì)油液進(jìn)行深層次的真空除水凈化。

真空除水凈化后的油液經(jīng)在線檢測(cè)，若達(dá)到工況要求則送入成品油箱，否則啟動(dòng)精密過(guò)濾裝置。該精密過(guò)濾裝置能過(guò)濾掉油液中0.01μm級(jí)別的固體顆粒，過(guò)濾精度極高，確保達(dá)到工況要求。

3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

該油品凈化回收工藝通過(guò)工業(yè)觸摸屏及PLC實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)的全流程控制，操作簡(jiǎn)單，可降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)凈油自動(dòng)化。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC具有抗干擾性強(qiáng)、便于開(kāi)發(fā)與維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制中?？刂葡到y(tǒng)主要包括PLC模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)交互模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。綜合考慮，選用設(shè)備穩(wěn)定性好、兼容性強(qiáng)的德國(guó)西門(mén)子S7-200(CPU224)系列模塊完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集模塊中，油液粘度、污染度、水分、液位和溫度檢測(cè)傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的形式。這些信號(hào)與電磁閥開(kāi)關(guān)信號(hào)等均通過(guò)I/O輸入輸出端口，采用繼電器輸出的方式與PLC進(jìn)行信息交換。

人機(jī)互換模塊采用工業(yè)觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)油品凈化回收系統(tǒng)的所有運(yùn)行操作，它可由手機(jī)或計(jì)算機(jī)等上位機(jī)直接進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖4為凈化系統(tǒng)試用現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏的部分操作畫(huà)面。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC控制提高了油液凈化的自動(dòng)化程度，其功能主要是通過(guò)控制增壓泵、離心泵、真空泵的啟停以及電磁閥的開(kāi)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)凈化過(guò)程的自動(dòng)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)使用西門(mén)子STEP7 MicroWIN V4.0進(jìn)行編程，圖5為油液凈化回收系統(tǒng)控制流程圖。

圖 3  下線油液凈化系統(tǒng)控制原理圖

Fig 3 Control principle diagram of offline oil purification system

4 凈化回收系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用效果分析

此油液凈化系統(tǒng)已在山西建龍煉鋼總廠的粗軋傳動(dòng)液壓站進(jìn)行了試用。于2022年7月11日將該液壓站產(chǎn)生的下線廢油注入了凈化設(shè)備中，對(duì)未凈化油液取樣分析，油樣呈黑色乳化狀，含水量達(dá)到1785.6ppm，污染度超過(guò)12級(jí)，污染嚴(yán)重。凈化1天后，含水量由1785.6ppm 降至1402.1ppm，但污染度仍然超過(guò)12級(jí)；繼續(xù)凈化3天后，含水量降至91.8ppm，污染度提升為11級(jí)；凈化至7月16日，含水量已基本不再變化，但仍可排出顆粒物雜質(zhì)，在油箱回油口取部分油品進(jìn)行精密過(guò)濾，凈化效果明顯；凈化至7月17日后，含水量基本不再變化，污染度提升到10級(jí)，油液質(zhì)量已達(dá)到油氣潤(rùn)滑油的使用標(biāo)準(zhǔn)。

表 1  粗軋傳動(dòng)液壓站46號(hào)液壓油凈化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

Table 1 Cleaning data statistics of 46# hydraulic oil in crude rolling transmission hydraulic station