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.天津天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500；

3.唐鋼國際工程技術有限責任公司，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）環保科技有限公司，河北唐山 063000）

摘要：鋼鐵生產過程中，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、含水量等各種參數不再符合使用標準，對設備產生嚴重損壞，必須更換、下線處理。   目前，大多企業都是采用將下線后的潤滑油、液壓油送到有危廢處理資質的處理廠做危廢處理，既要花費巨額資金，造成經濟損失，處理不及時還會對環境產生較大危害。本文通過分析現有油液凈化方法的特點與優劣勢，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控制系統的自動選擇與切換，實現系統的自動運行，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，經后期實際生產應用證明，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，實現廢油凈化回收再利用，而且通過其所具有的良好去除雜質與除水性能，使危廢的數量大大減少，為提高企業經濟效益、減少環境污染做出巨大的貢獻。

關鍵詞：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設備運轉過程中必不可少的介質，在設備的潤滑、冷卻、密封、能量傳遞等環節中發揮著重要作用^[1]。設備在使用過程中，受運行環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]。為避免設備發生故障從而產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的公司進行統一回收處理，這一方面增加了企業的委外費用，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

針對以上現狀，對現有幾種油液凈化方法進行多次深入調研、考察，分析得出它們的原理及優缺點如下：

1) 機械過濾法。該技術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，防止污染物隨油液進入到系統中。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，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對過濾介質進行檢查和更換，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、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，且除水效率低，需要多次循環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。待凈化的油液流經磁吸附裝置的多孔結構時，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。

4) 離心分離法。利用高速旋轉，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劣勢分析，可以看出以過濾為主的凈化方法只能實現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，根據油液的狀態，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

為實現對油液中不同種類污染物的凈化，結合上述各種凈化方法的優缺點，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，其結構如圖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，油液首先流經強磁過濾器，實現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。離心凈化裝置結構組成如圖2所示。

在增壓泵的作用下油液經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速為8000~10000 r/min，在高速旋轉的過程中，離心桶中密度不同的物質會發生相對運動而逐漸分離，所以根據離心機理，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]，其關系式可表示為：

其中，為油液中雜質粒子的徑向移動速度；為雜質粒子的徑向移動半徑；為雜質粒子旋轉的角速度；為雜質粒子距中心軸的距離；為雜質粒子與油液的密度差；為油液的動力黏度。

(1) 雜質粒子的沉降半徑

雜質粒子的徑向移動半徑實際上是指離心筒的半徑，雜質與油液的分離效果隨著離心筒半徑的增大而愈發明顯，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) 雜質粒子旋轉的角速度

雜質粒子旋轉的角速度實際上是指離心筒的轉速，分離效果與轉速成正比，但轉速增大同樣會帶來設備維護費用增加的問題。

(3) 雜質粒子與油液密度差

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系統控制方案設計

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

3.1 控制系統硬件設計

PLC具有抗干擾性強、便于開發與維護的優點，被廣泛應用于自動化控制中。控制系統主要包括PLC模塊、數據采集模塊、人機交互模塊等，其硬件結構如圖3所示。綜合考慮，選用設備穩定性好、兼容性強的德國西門子S7-200(CPU224)系列模塊完成控制系統的設計。

數據采集模塊中，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據轉換為電信號的形式。這些信號與電磁閥開關信號等均通過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觸摸屏來實現油品凈化回收系統的所有運行操作，它可由手機或計算機等上位機直接進行遠程監控。圖4為凈化系統試用現場觸摸屏的部分操作畫面。

3.2 控制系統軟件設計

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凈化過程的自動運行。控制系統使用西門子STEP7 MicroWIN V4.0進行編程，圖5為油液凈化回收系統控制流程圖。

圖 3  下線油液凈化系統控制原理圖

Fig 3 Control principle diagram of offline oil purification system

4 凈化回收系統現場使用效果分析

此油液凈化系統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，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號液壓油凈化數據統計

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