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.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山 063200；

2.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500；

3.唐鋼國際工程技術(shù)有限責任公司，河北唐山 063100；

4. 西南交通大學電氣工程學院，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荆颖碧粕?063000）

摘要：鋼鐵生產(chǎn)過程中，大型設備眾多，用于設備潤滑與液壓的潤滑油、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)不再符合使用標準，對設備產(chǎn)生嚴重損壞，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，既要花費巨額資金，造成經(jīng)濟損失，處理不及時還會對環(huán)境產(chǎn)生較大危害。本文通過分析現(xiàn)有油液凈化方法的特點與優(yōu)劣勢，利用強磁過濾、離心分離、真空與精密過濾凈化方案相融合，多措并舉，同時依托PLC控制系統(tǒng)的自動選擇與切換，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行，形成了一套有效的下線潤滑油、液壓油的凈化回收處理再利用方案，經(jīng)后期實際生產(chǎn)應用證明，該凈化回收再利用方案不僅可以將下線油液進行有效處理，處理后的油液可以達到油氣潤滑油的使用標準，實現(xiàn)廢油凈化回收再利用，而且通過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)濟效益、減少環(huán)境污染做出巨大的貢獻。

關(guān)鍵詞：下線廢油；強磁過濾；離心凈化；真空過濾；PLC控制

引言

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

1 油品凈化方式

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

1) 機械過濾法。該技術(shù)的主要原理是機械阻擋效應^[5]，使用多層濾紙或濾芯來去除油液中的固體顆粒物雜質(zhì)，防止污染物隨油液進入到系統(tǒng)中。該方法在定期更換濾紙或濾芯的前提下能夠保證過濾的精度，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，且需要操作人員嚴格按照程序?qū)^濾介質(zhì)進行檢查和更換，后期運行中耗材量大、成本高^[6][7]。在工程中，常常將機械過濾法與其他方法混合使用，以達到最佳凈化效果。

2) 真空分離法。該技術(shù)的原理是先對油液加熱，再利用真空條件下水和油的沸點不同將水和氣體從油液中分離出來^[8]。其分離過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)凈化才能達到油液脫水的要求。真空脫水設備成本與能耗較高，且當含水量較高時，除水效果不理想^[9][10]。

3) 磁過濾法。待凈化的油液流經(jīng)磁吸附裝置的多孔結(jié)構(gòu)時，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，從而達到凈化油液的目的^[14]。但此方法能快速去除油液中的游離水，而對溶解水的凈化效果較差，可配合真空加熱進行。

通過以上幾種油液凈化方法的優(yōu)劣勢分析，可以看出以過濾為主的凈化方法只能實現(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濾芯的更換頻率；機械過濾、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間，將獲得最佳的計劃方案。

2 油液組合凈化方案

為實現(xiàn)對油液中不同種類污染物的凈化，結(jié)合上述各種凈化方法的優(yōu)缺點，提出了一種包含強磁凈化、離心凈化、真空凈化、精密過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)一至三級濾芯過濾器，三級濾芯采用可重復清洗利用的濾材，過濾精度逐級提高，可完成對不同直徑顆粒污染物的過濾。濾材前后配置壓力檢測，提示濾材是否需要清洗。

過濾后的油液被泵入油箱中，在此配置了油箱液位傳感器，當油箱液位達到要求高度時，停止泵油；固體顆粒物與水分等參數(shù)的在線檢測傳感器可實時在線檢測油液中固體顆粒物和水的含量，并根據(jù)污染物的種類和含量靈活開啟凈化裝置。

2) 強磁凈化

強磁凈化主要針對鋼鐵行業(yè)的金屬顆粒污染物。若檢測到油液中顆粒物和水的含量超過設定標準，則啟動離心凈化裝置，進入離心凈化過程。離心凈化之前，油液首先流經(jīng)強磁過濾器，實現(xiàn)對細小鐵屑等金屬顆粒污染物的過濾，強磁過濾器前后也配置差壓檢測，以判斷其是否需要清洗。

3) 離心凈化

強磁過濾后的油液進入離心凈化裝置，離心凈化是整個凈化方案的核心，該過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。實際應用中，設置離心筒組件的轉(zhuǎn)速為8000~10000 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，離心桶中密度不同的物質(zhì)會發(fā)生相對運動而逐漸分離，所以根據(jù)離心機理，密度大于油液的污染物會在離心力的作用下飛出碟片進入納污盒，而密度較小的潔凈油會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)點的徑向移動速度決定，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)粒子的徑向移動速度；為雜質(zhì)粒子的徑向移動半徑；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；為油液的動力黏度。

(1) 雜質(zhì)粒子的沉降半徑

雜質(zhì)粒子的徑向移動半徑實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，但同時也會造成離心筒組件的平衡機能變差，設備維護費用提高。

(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)速增大同樣會帶來設備維護費用增加的問題。

(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，分離凈化達不到預期的效果。

(4) 油液的動力黏度

黏度越大，分離效果越差。因此在離心凈化時一般配置油液黏度檢測裝置，當黏度超出標準時采取一定的措施。

因此，為使離心分離的凈化效果達到預期，應合理設置油液密度、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，但對油液中溶解水的去除達不到最佳效果，若對油液含水量要求高，可在離心凈化后再開啟真空除水裝置，利用真空電加熱的方式將油液中的溶解水汽化排出，對油液進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，若達到工況要求則送入成品油箱，否則啟動精密過濾裝置。該精密過濾裝置能過濾掉油液中0.01μm級別的固體顆粒，過濾精度極高，確保達到工況要求。

3系統(tǒng)控制方案設計

該油品凈化回收工藝通過工業(yè)觸摸屏及PLC實現(xiàn)手動、自動的全流程控制，操作簡單，可降低工人的勞動強度，實現(xiàn)凈油自動化。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設計

PLC具有抗干擾性強、便于開發(fā)與維護的優(yōu)點，被廣泛應用于自動化控制中。控制系統(tǒng)主要包括PLC模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。綜合考慮，選用設備穩(wěn)定性好、兼容性強的德國西門子S7-200(CPU224)系列模塊完成控制系統(tǒng)的設計。

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

人機互換模塊采用工業(yè)觸摸屏來實現(xiàn)油品凈化回收系統(tǒng)的所有運行操作，它可由手機或計算機等上位機直接進行遠程監(jiān)控。圖4為凈化系統(tǒng)試用現(xiàn)場觸摸屏的部分操作畫面。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

PLC控制提高了油液凈化的自動化程度，其功能主要是通過控制增壓泵、離心泵、真空泵的啟停以及電磁閥的開閉來實現(xiàn)凈化過程的自動運行?？刂葡到y(tǒng)使用西門子STEP7 MicroWIN V4.0進行編程，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液壓站進行了試用。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備中，對未凈化油液取樣分析，油樣呈黑色乳化狀，含水量達到1785.6ppm，污染度超過12級，污染嚴重。凈化1天后，含水量由1785.6ppm 降至1402.1ppm，但污染度仍然超過12級；繼續(xù)凈化3天后，含水量降至91.8ppm，污染度提升為11級；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行精密過濾，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，油液質(zhì)量已達到油氣潤滑油的使用標準。

表 1  粗軋傳動液壓站46號液壓油凈化數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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