（化学工程专业论文）arf300ny罗茨氧压机在造气系统的应用.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 罗茨鼓风机是一种通用中型旋转机械，主要用来实现气体的增压与输送。但到目前 为止，罗茨鼓风机还极少应用于输送氧气的场合，尤其是输送高纯度氧气则更为罕见。 在本文中，详细研究和分析了黑化集团有限公司与长沙鼓风机厂有限责任公司合作，研 发和工业化应用a r f - 3 0 0 n y 罗茨氧压机，输送高纯度( 9 9 ) 氧气的成功范例。黑化公司 领导和技术人员，经过长期的调研和论证，作出了选用罗茨鼓风机作为空分后氧气增压 输送机的决策。经过与长沙鼓风机制造厂的共同努力，试用取得成功，完全能满足工艺 要求，节省了大量的资金和运行成本。 罗茨氧压机结构上的最大特点是采用机械密封，分离支撑，并以纯净软水冷却，基 本杜绝氧气泄漏与润滑油等易然物的接触，降低磨损和热量的集聚，使安全运行有充分 的保障。冷却水对机械密封实现冷却、润滑作用，并且其压力大于鼓风机出口的氧气压 力，更加确保了密封效果。选择具有抗氧化阻燃性质的合成硅基润滑油，并采用分离支 撑，避免了润滑油和泄漏氧气的直接接触。合理确定转子之间、转子与墙板、转子与机 壳的间隙，防止转子与转子、转子与机壳、转子与墙板之间的擦碰。使安全程度提高。 经过推导和校核，罗茨氧压机的实际流量和容积效率，均在合理的范围之内，满足工艺 要求和经济性指标。 核算表明，罗茨鼓风机用于小压缩比工况下的氧气输送，具有非常可观的经济效益。 罗茨氧压机的设计、制造、安装、维护、生产运行成本，都要比其它型式( 如离心式、 活塞式) 的压缩机械低很多。随着设计、制造水平的提高，罗茨鼓风机将会更广泛地应 用于特殊气体的输送领域。 本文是在作者全程参与研究、决策和方案制定，技术洽谈、设备安装、投产考核的 全部环节的基础上，对罗茨氧压机成功用于黑化空分氧气输送的研发技术汇总。文中对 项目的技术论证、研发思路、技术路线和效果展示，以及结论和改进目标等，具有同行 业的参考价值。 关键词：氧压机；罗茨鼓风机；纯氧输送；机械密封 a r f 。30 0 n yr o o t so x y g e nb l o w e ri nt h eg a ss y s t e m a b s t r a c t r o o t sb l o w e ri sau n i v e r s a lm e d i u m s i z e dr o t a t i n gm a c h i n e r y , i tm a i n l yu s e dt oa c h i e v e t h eg a sp r e s s u r i z e da n dt r a n s p o r t a t i o n b u ts of a r ，t h er o o t sb l o w e ra l s ol i t t l ee x t r e m e l y a p p l i e si nt h et r a n s p o r t a t i o no x y g e ns i t u a t i o n ，p a r t i c u l a r l yt r a n s p o r t st h eh i g h - p u r i t yo x y g e n t o b er a r e r i nt h i sp a p e r ，t h ed i s s e c ta n dh a sa n a l y z e dt h eh e i l o n g j i a n gc h e m i c a lg r o u pc o ，l t d a n dc h a n g s h aa i rb l o w e rf a c t o r yl i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n yc o o p c r a t e s ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta n dt h ei n d u s t r i a l i z a t i o na p p l ya r f 一3 0 删r o o t so x y g e nb l o w e rt h ep r e s s ， t r a n s p o r t sh i g h p u r i t y ( 9 9 ) t h eo x y g e ns u c c e s s f u lm o d e l t h eh e i h u am a n a g e m e n t a n dt h e t e c h n i c a lp e r s o n n e l ，u n d e r g ot h el o n g - t e r mi n v e s t i g a t i o na n ds t u d ya n dm ep r o o f , a f t e r m a k i n gh a ss e l e c t e dt h er o o t sb l o w e rt o o kt h es p a c e d i v i s i o n ，t h eo x y g e nt u r b o c h a r g e d c o n v e y e r sd e c i s i o n m a k i n g a f t e ra n dt h ec h a n g s h aa i rb l o w e rf a c t o r y sj o i n te f f o r t ，t h et e s t o b t a i n st h es u c c e s s ，c a nd e f i n i t e l ys a t i s f y m a s s i v ef u n d sa n dt h er u nc o s t 。 t h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t ，h a ss a v e dt h e t h er o o t so x y g e nb l o w e ri nt h ep r e s ss t r u c t u r e sm o s tm a j o rc h a r a c t e r i s t i ci su s e st h e m e c h a n i c a ls e a l ，t h es e p a r a t i o ns u p p o r t ，a n dc o o l sb yt h ep u r es o f tw a t e r ，o u t s i d et h eb a s i c s t o pd i v u l 西n ga n dl u b r i c a t i n go i la n ds oo n ，r e d u c et h ea t t r i t i o na n dt h e r m a lg a t h e r i n g ， e n a b l e st h es a f eo p e r a t i o nt oh a v et h e 如hs a f e g u a r d t h ec o o l i n gw a t e rr e a l i z e sc o o l i n g ，t h e l u b r i c a t i o nt ot h em e c h a n i c a ls e a l ，a n di t sp r e s s u r ei sb i g g e rt h a nt h eo x y g e np r e s s u r ew h i c h t h eb l o w e re x p o r t s ，e v e nm o r eh a sg u a r a n t e e dt h es e a le f f e c t t h ec h o i c eh a st h eo x i d a t i o n r e s i s t a n c eb e i n gf l a m e - r e s i s t a n tn a t u r es y n t h e s i ss i l i c o n - b i a s e dl u b r i c a t i n go i l ，a n du s e st h e s e p a r a t i o ns u p p o r t h a sa v o i d e dt h el u b r i c a t i n go i l a n dt h ed i v u l g i n go x y g e ni m m e d i a t e c o n t a c t d e t e r m i n e dr e a s o n a b l yb e t w e e nt h er o t o r ，t h er o t o ra n dt h ew a l lp l a t e ，t h er o t o ra n d c a b i n e t sg a p p r e v e n t sb e t w e e nt h er o t o ra n dt h er o t o r ，t h er o t o ra n dt h ec a b i n e t ，t h er o t o ra n d t h ew a l lp l a t es c r a t c h e sb u m p sc a u s e st h es a f e t yr a t ee n h a n c e m e n t a f t e rt h ei n f e r e n t i a l r e a s o n i n ga n dt h ee x a m i n a t i o n , r o o t so x y g e nb l o w e r s a c t u a lf l o wa n dt h ev o l u m e t r i c e f f i c i e n c y , i nm er e a s o n a b l es c o p e ，s a t i s f i e st h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n ta n dt h ee f f i c i e n t t a r g e t t h ee a l c u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h er o o t so x y g e nb l o w e ru s e su n d e rt h es m a l lc o m p r e s s i o n r a t i oo p e r a t i n gm o d et h e o x y g e nt r a n s p o r t a t i o n ，h a s t h ev e r yc o n s i d e r a b l e e c o n o m i c e f f i c i e n c yt h er o o t so x y g e n b l o w e r s d e s i g n ，t h e m a n u f a c t u r e ，t h ei n s t a l l m e n t ，t h e m a i n t e n a n c e ，t h ep r o d u c t i o n r u nc o s t ，m u s tc o m p a r e dt oo t h e rp a t t e r n s ( t o re x a m p l e i l 大连理工大学专业学位硕士学位论文 c e n t r i f u g a lt y p e ，p l u n g e rt y p e ) c o m p r e s s i o nm a c h i n e r yl o wm a n y a l o n gw i t ht h ed e s i g n ，t h e m a n u f a c t u r el e v e l se n h a n c e m e n t ，t h er o o t sb l o w e rw i d e l yw i l la p p l yi nt h e s p e c i a lg a s t r a n s p o r t a t i o nd o m a i n n l i sa r t i c l ei sp a r t i c i p a t e si nt h er e s e a r c h 。t h ed e c i s i o n m a k i n ga n dt h ep l a nf o r m u l a t i o n i nt 1 1 ea u t h o re n t i r ej o u m e y ，t h et e c h n i c a ld i s c u s s i o n ，t h ee q u i p m e n ts e t u p ，i nt h ep r o d u c t i o n i n s p e c t i o nc o m p l e t el i n k sf o u n d a t i o n ，t h ep r e s ss u c c e s su s e si nt h eb l a c k e n i n gs p a c e d i v i s i o n o x y g e nt r a n s p o r t a t i o n sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yt or o o t s o x y g e nb l o w e r c o m p i l i n g i nt h ea r t i c l et o t h ep r o je c tt e c h n i c a lp r o o f , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t m e n t a l i t y ，t h et e c h n i c a lr o u t ea n dt h ee f f e c td e m o n s t r a t e dt h a ta sw e l la st h ec o n c l u s i o na n d t h ei m p r o v e m e n tg o a la n ds oo n ，h a v et h es a m e p r o f e s s i o nr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d ：o x y g e np r e s s ；r o o t sb l o w e r ；p u r eo x y g e nt r a n s p o r t a t i o n ；m e c h a n i c a ls e a l i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 作者签名：查塑f 鱼 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：垦里二q q 盟兰望送氢压扭查造氢丕统鲍廑用 作者签名： 窆翅违日期：童竺壁年月! 生日 导师签名： 塞盎车 日期：垒竺年j 立月立吏日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 随着国民经济的发展，尤其改革开放以来，各个行业得到了发展，对气体的增压输 送机械从数量、质量等方面的要求均有所提高。氧气增压输送机械广泛应用在化工生产 等企业中。由于氧气的化学性质很活泼，在各生产企业的实际生产中，常有氧压机着火 爆炸的事故发生，因而对氧气输送机械一氧压机的设计、制造就有了特殊的要求。目前， 氧压机的设计、制造发展水平能够保证氧压机的安全稳定运行，但是目前成型的氧压机 的设计、制造费用均较高。本文所论述的是用设计、制造成本较低的罗茨鼓风机输送氧 气。 理论上，罗茨鼓风机是可以增压输送氧气的。但实际工业中用罗茨鼓风机增压输送 氧气是极少的，尤其是增压输送高纯度( 纯度9 5 以上) 氧气。最近几年，在北大先锋及 四川天一科技等制氧行业厂家的要求与配合下，长沙鼓风机厂有限公司首制的第一批共 4 台罗茨氧压机已完工下线，并成功实现了与p s a 装置的顺利对接。2 0 0 6 年黑化集团 有限公司( 简称黑化) 需增设一台氧压机，由于公司的经济状况不好，承担购置、安装一 台标准系列的氧压机费用十分困难。黑化曾经多次派出人员进行考察氧压机的制造厂和 使用单位，均没有寻到理想的氧压机机型。当时的长沙鼓风机厂只是在罗茨鼓风机输送 富氧方面实现了突破。黑化两任领导带领技术人员，历经近一年多研究后，决定与长沙 鼓风机厂合作，试用罗茨鼓风机输送高纯度氧气。也就是本文所论述的罗茨鼓风机输送 氧气的试验工作是在工业生产中实现的。罗茨鼓风机输送氧气最关键的问题是安全运 行，安全运行的关键是氧气不发生泄漏，不与可燃物接触。因此，输送氧气的罗茨鼓风 机设计上采用了机械密封，成功地实现了氧气密封。机械密封采用软水冷却，同时冷却 软水的压力高于鼓风机的额定排气压力。通过研究和工厂的试验，实现了罗茨鼓风机输 送高纯度氧气的目的，为罗茨鼓风机开拓了实际应用范例，同时实现了非常可观的经济 效益。为使罗茨鼓风机输送高纯度氧气能够安全稳定运行，还应与电脑技术相结合，使 罗茨鼓风机的运行时时处于在线监控状态。 a r f - 3 0 0 n y 罗茨氧压机在造气系统的应用 1 文献综述 1 1罗茨鼓风机的发展 早在1 8 4 9 年，英国的奇治京斯就制成了双转子风机。1 8 5 4 年，美国人弗郎西斯和 菲兰德罗茨( f r a n c i s 和p h i l a n d e rr o o t s ) 兄弟俩发明罗茨鼓风机。1 8 6 7 年，罗茨风 机开始在工业方面( 首先是在冶炼方面) 得到应用。中国是在1 9 5 1 年开始制造罗茨风机 的。6 0 一7 0 年代，长沙鼓风机厂研制出d 系列空冷鼓风机和s d 系列水冷鼓风机，从此 时开始国产罗茨鼓风机形成正式系列。2 0 世纪8 0 年代，上海鼓风机厂、长沙鼓风机厂、 天津鼓风机厂等单位联合设计出l 系列罗茨鼓风机。1 9 8 7 年，长沙鼓风机厂从日本引进 罗茨鼓风机( 真空泵) 设计技术，使得罗茨鼓风机的型式和具体结构多样化。2 0 世纪9 0 年代以来，罗茨鼓风机技术开发活动更趋活跃。以长沙鼓风机厂为例，该厂先后开发出 s r 系列三叶鼓风机、w r 系列水下鼓风机、j r 系列两叶成组和j s 系列三叶成组鼓风机， 并承担国家“八五”科技攻关任务，研制出r - c t 系列高压鼓风机等，填补了国内空白。 经过近半个世纪的努力，特别是改革开放以来，我国罗茨鼓风机制造业已经步入与国际 同行同步发展的轨道。同时，随着国民经济的发展，对罗茨鼓风机的需求总体上呈上升 的趋势。1 9 9 1 m 2 0 0 3 年，我国罗茨鼓风机的产量增加了近2 5 倍( 见图1 1 ) 。2 0 0 5 年 1 0 月中国风机行业市场分析与预测发布中国2 0 0 4 上半年风机市场信息，风机行业 订货量7 4 3 亿元，比去年同期增长2 0 。虽然风机市场总体形势良好，需求旺盛，但呈 两级分化态势：一方面能替代进口，具有高附加值、高技术含量的大型鼓风机、压缩机 具有广阔的发展前景，市场占有率不断提升；另一方面，技术含量低普通型风机市场紧 缩态势明显，二者形成显明对比。2 0 0 5 年具有出口能力的企业1 9 家。目前长沙鼓风机 厂已成功地为北大先锋、包头、杭州以及四川天一科技配套了a r e - 1 9 5 n e 、a r e 一2 0 0 n e 、 a r d - 1 2 5 n e 共3 种机型4 台氧压鼓风机，均已投入正常使用，为这些企业节约了大量的 资金，并在售后服务和配件供给上提供了一条更为便捷的渠道，解决了使用单位的后顾 之忧，成为国产罗茨鼓风机在制氧行业成功应用的良好范例，为国产罗茨鼓风机开创了 一个新的应用领域。2 0 0 6 年长沙鼓风机厂有限公司为黑化生产了a r f - 3 0 0 n y 型罗茨氧压 机，现正在平稳运行中。 目前，罗茨鼓风机的发展趋势主要是进一步提高效率、降低噪音、增强可靠性及扩 大应用范围。 ( 1 ) 提高罗茨风机效率 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 在提高效率方面，主要是优化风机叶轮型线，以达到改善叶轮相互啮合间隙的同时， 提高罗茨鼓风机内部的密封效果。优化罗茨鼓风机各部结构的设计和提高罗茨鼓风机制 造精度，以期改善转子与其它零部件之间的间隙达到合理的程度，并使之尽可能小，从 而减少气体的泄露，提高风机的容积效率。此外，要合理选配原动机，避免不必要的能 源的浪费。 ( 2 ) 降低噪声和使风机平稳运行 实际运行中，罗茨鼓风机的噪声要比同能力的离心式、螺杆式风机的噪声大。在降 低噪声和罗茨鼓风机的平稳运行方面，重点是进行低噪声技术开发，例如预进气结构、 扭叶转子、三叶转子的设计和应用，以减小气流脉动，降低气体动力性噪声。同时应不 断改善叶轮平衡品质，提高同步齿轮设计和制造精度，对于转子组做精确动平衡，以减 小振动，降低机械性噪声。在大多情况下，还需要采取消声和隔声等辅助措施，控制罗 茨鼓风机噪声在传播途径中的辐射，以满足用户对噪声的要求。噪声的控制在当今时代， 是尤为重要的，不论是环保法律、法规的要求，还是人们自我保护思想意识的要求。 i g 0 0 0 1 4 0 0 0 - 一 。 一3 一 | | | 茧 彰 殂1 | | | | | | a r f - 3 0 0 n y 罗茨氧压机在造气系统的应用 ( 3 ) 增强罗茨鼓风机的可靠性 一是改进产品实物质量，二是加强安全保护措施。为此，应注意低压安全阀和逆止 阀的研制与配置，并利用微机控制技术，对罗茨鼓风机的压力、油温、电流等运行参数 进行自动监测，通过联锁等方式，对鼓风机启动、运行及停车过程进行控制，使鼓风机 处于安全、稳定、可靠的受控状态。 ( 4 ) 扩大鼓风机的应用范围 应注重密封技术与材料技术的应用研究，改进罗茨鼓风机的密封性、耐磨性、耐腐 蚀性、阻燃防爆性等，以满足各种易燃、易爆、有毒、含尘及腐蚀性气体的输送要求。 也可以针对高温、高压或高负压等特殊要求，开发适销对路的产品，以此扩大罗茨鼓风 机的应用范围，向其他类型鼓风机和真空泵的使用领域渗透。 目前，罗茨鼓风机运用的领域比较广。但是，在输送易燃、易爆气体的领域运用仍 然很少，例如输送氧气、氢气。由于氧气的特殊性质，对压缩机有特殊要求。氧气有强 烈的助燃作用和氧化作用，所以氧气压缩机与氧气接触的部分绝对禁油；凡与氧气接触 的零件，宜采用不锈钢、黄铜、青铜等材质以及严格脱脂；氧气压缩机在结构上相应有 一些特殊要求。 1 2 罗茨鼓风机的分类 各种形式的压缩机，按其工作原理可分为两大类：容积型和速度型。速度型压缩机 是通过涡轮对气体做功，气体连续地由入口流向出口，其动能转变为势能来提高气体压 力的一种压缩机。容积式压缩机是通过运动件的位移，使一定容积的气体顺序地吸入和 排出空间，以提高静压力的压缩机。容积式压缩机主要有往复活塞式、罗茨式、螺杆式。 往复活塞式压缩机的主要特点为3 ： ( 1 ) 压力范围最广，活塞式压缩机从低压到超高压都适用。 ( 2 ) 效率高，由于工作原理更接近于等温压缩，活塞式压缩机比离心式压缩机效率 高一些。 ( 3 ) 适应性强，活塞式压缩机排气量可在广泛的范围内进行选择，特别是较小排量 的情况下，要做成速度型压缩机是很困难的，甚至不可能。此外，气体的密度对压缩机 性能特别是压缩比的影响，远不如速度型的那么显著。所以同一规格的压缩机，将其用 于不同介质时，较易改造。 活塞式压缩机主要缺点是外形尺寸和重量较大，有惯性力，需要有较大的基础，气 流有脉动性及易损件较多。活塞式压缩机的结构型式有立式、卧式、和角式三种，各有 - 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 优缺点，各有适用的场合。立式活塞压缩机其优点是：主机直立，占地面积小；活塞重 量不支撑在汽缸镜面上，因此没有由此而产生的磨擦，导向环使用寿命长，活塞环的润 滑、磨檫均匀“3 。就是因为立式活塞压缩机的这些优点使得它在氧气输送压缩上得以广 泛应用。 1 2 1罗茨鼓风机的几种分类方式 由于工作方式的不同，罗茨鼓风机( 真空泵) 有单级与双级、干式与湿式之分。 ( 1 ) 单级与双级。只有一个压缩机的鼓风机( 真空泵) ，称之为单级鼓风机( 真空泵) 。 将两台单级鼓风机( 真空泵) 串联起来，对气体连续进行两次压缩，即为双级鼓风机( 真 空泵) 。 ( 2 ) 干式与湿式。鼓风机一般作为干式输送，真空泵有干式和湿式两种情况。所谓 湿式真空泵，就是从泵的进气口向机壳内注入少量的水，通过水分与气体混合，吸收气 体压缩过程中产生的热量；同时利用水对机壳内部间隙进行密封，减少气体经过间隙的 泄漏。因此，注入的水称冷却水，又称密封水。 此外，还有下列各种分类方法： 按叶轮头数分，有两叶鼓风机和三叶鼓风机。 按支撑方式分，有分离支撑式和联体支撑式鼓风机。 按密封型式分，有迷宫密封、涨圈密封、填料密封和机械密封等各种型式的鼓风机。 按冷却方式分，有空冷鼓风机、水冷鼓风机和逆流冷却鼓风机。 按结构型式分，有立式鼓风机、卧式鼓风机、竖轴式鼓风机、密集成组型鼓风机等。 按传动方式分，有直联鼓风机、带联鼓风机等。 按介质种类分，有空气鼓风机、煤气鼓风机、氢气鼓风机、二氧化硫鼓风机。 还可以按用途分，如立窑炉鼓风机、气化鼓风机、曝气鼓风机等。 1 2 2 罗茨鼓风机的主要特点 与其它类型的气体压缩机械比较，罗茨鼓风机具有以下特点喳3 ： ( 1 ) 由于是容积式鼓风机，因而具有强制输气特征。在转速一定的条件下，流量也 一定( 随压力的变化很小) 。即使在小流量区域，也不会像离心式鼓风机那样发生喘振现 象，具有稳定的工作特性。 ( 2 ) 作为回转式机械，没有往复运动机构，没有气阀，易损件少，因此使用寿命长， 并且动力平稳性好，能以较高的速度运转，不需要重型基础。运转一周有多次吸、排气， 相对于活塞式压缩机而言，气流速度比较均匀，不必设置缓冲灌。 一5 一 a r f - 3 0 0 n y 罗茨氧压机在造气系统的应用 ( 3 ) 叶轮之间、叶轮与机壳及墙板之间具有间隙，运转时不像螺杆式和滑片压缩机 那样，需要注入润滑油，因此可以保证输送的气体不含油，也不需要气一油分离器等辅 助设备。由于存在间隙及没有气阀，输送含尘或带液滴的气体时也比较安全。 ( 4 ) 无内压缩过程，理论上比那些有内压缩过程的鼓风机要多消耗压缩功。但除同 步齿轮和轴承外，不存在其它的机械摩擦，因此机械效率高。特别是大型罗茨鼓风机， 容积效率高，全绝热效率也比较高。 此外，罗茨鼓风机还具有结构简单、制造容易、操作简便、维修周期长等优点。但 其缺点是： ( 1 ) 无内压缩过程，绝热效率较低( 小机型尤为偏低) ； ( 2 ) 由于间隙的存在，造成气体泄漏，且泄漏流量随升压或压力比增加而增大，因 而限制了鼓风机向高压方向的发展； ( 3 ) 由于迸、排气脉动和回流冲击的影响，气体动力性噪声较大。 1 3 应用范围 作为一种典型的气体增压与输送机械，罗茨鼓风机在其特定压力区域内具有广泛的 适用特性。其流量通常为0 5 - 8 0 0 m 3 m i n ，最大可达1 4 0 0m 3 m i n 左右，单级工作压力为 一5 3 3 9 8 k p a 。双级串联时，鼓风机正压可达1 9 6 k p a ，真空泵负压可达一8 0 k p a 。采用逆 流冷却时，单级正压可达1 5 6 8 k p a ，负压可达一7 8 4 k p a 。以鼓风机厂的产品型谱，来进 行选择罗茨鼓风机和真空泵的性能范围，确定应该所选鼓风机的规格型号。 就应用而言，罗茨鼓风机大多作空气鼓风机使用，其用途遍布建材、电力、冶金、 化工与石油化工、矿山、港口、轻纺、邮电、食品、造纸、水产养殖和污水处理等许多 领域。采用气密性好的密封装置时，也可用来输送空气之外的气体如氢气、氧气、一氧 化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷、乙炔、煤气等。在医药、食品、化工、和 石油化工等部门，罗茨鼓风机通常用作各种低压气体输送系统的气源机械。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图1 2 变压吸附工艺 f i g 1 2 t h eo fc r a f tl i v ep r e s s u r ea d s o r p t i o n 罗茨鼓风机在输送氧气方面，。早期应用于变压吸附制氧系统。一变压吸附( 简称p s a ) 制氧工艺与传统的深冷制氧工艺在许多方面具有独特的优势，因此在氧气纯度要求不太 高的场合，使用日益广泛，具有装置逐步扩大的趋势，其装置示意图见图1 2 。鼓风机 先将原料空气送入塔内，塔中分子筛吸附空气中的氮气、二氧化碳及水份等，在塔内获 得一定纯度的氧气，吸附剂饱和后切换空气进入塔b ，同时利用真空泵抽气，使塔a 的 压力下降，将氮气等从分子筛中脱离出来，这样循环，则可获得氧气，氧气再经过压缩 机的加压进入两个缓冲罐，由缓冲罐向用氧单位供气。变压吸附装置中的重要动力设备， 原料空气的正压输送一般采用罗茨鼓风机，真空解吸过程中废气的抽除，通常也采用罗 茨真空泵。关于向用户加压供气的压缩机，以前一般采用螺杆或活塞式压缩机，但这两 种机器的压力比较高，适合高压气体的输送。随着工艺水平的不断改进，对于低压小流 量产品的气体输送也开始转向使用罗茨鼓风机，简称罗茨氧压机，本文针对罗茨氧压机 的市场、结构特点、设计制造关键及使用运行等进行分析论证，总结和评述，以进一步 推进罗茨鼓风机在制氧行业的应用。 目前，作为年产5 0 0 0 0 吨的铜厂所需氧气量为5 0 - - - 7 5 m 3 m i n ，压力2 9 4 - - - 3 9 2 k p a ， 它与空气混合后送入冶金炉助燃，从性能来说刚好落在罗茨风机的型谱范围内，但因输 送的介质为氧气，它是一种对温度、油料、火花非常敏感的助燃、易爆性气体，因此很 多厂家一直以来也十分谨慎，使得国内罗茨鼓风机在这一领域的运用受到限制，氧压机 多采用国外进口配套产品。最近几年，在北大先锋及四川天一科技等制氧行业厂家的要 求与配合下，长沙鼓风机厂有限公司首制的第一批共4 台罗茨氧压机已完工下线，并成 一7 一 a r f - 3 0 0 n y 罗茨氧压机在造气系统的应用 功实现了与p s a 装置的顺利对接。迄今，黑化罗茨氧压机a r f - 3 0 0 n y ，已平稳运行两年 之久，而且黑化罗茨氧压机也开创了国产罗茨鼓风机输送高纯度氧气( 纯度在9 5 以上) 的先河。 1 4 罗茨鼓风机的结构和工作原理 1 4 1 主要零部件 罗茨鼓风机的主要零部件有机壳、墙板、转子、同步齿轮、轴承和密封件等。 ( 1 ) 机壳 机壳为截面呈长圆形的缸体，用于与墙板构成气腔。一般由高强度铸铁制，输送腐 蚀性气体时可采用不锈钢制造。缸体上设有进、排气口，外部铸有加强筋和安装脚，大 多为整体结构。也有些大尺寸机壳采用水平中分结构，上、下壳体之间采用销钉定位。 ( 2 ) 墙板 在机壳与主、副油箱之间设有墙板。其作用一是作为端盖，将机壳两端封闭起来； 二是作为支座，将转子两端支撑起来。靠近轴伸端的称为前墙板，另一端称为后墙板。 有的墙板上配有侧板，装配时将侧板嵌入机壳端口，可满足转子径向定位的要求。工作 时即使发生摩损，也只需要更换侧板，而不至于让整块墙板报废。墙板一般为高强度铸 铁制成。输送腐蚀性气体时，通常与机壳一样，采用不锈钢制造。 ( 3 ) 转子 转子是鼓风机的关键部件，它通常由叶轮与轴经热套或冷压结合而成，有主动和从 动之分。轴为优质碳素钢或高强度合金钢制件，从动轴相对较短。叶轮一般为高强度铸 铁制件，必要时采用不锈钢制造。小转子也可以将叶轮与轴做成一整体，采用高强度球 墨铸铁铸造。为减轻重量，往往将叶轮头部做成空心结构。 转子按叶轮头数有两叶与三叶之分，按叶轮形状有直叶与扭叶之分。两叶转子均为 直叶，三叶转子有直叶和扭叶两种形状。就声学性能而言，三叶优于两叶，扭叶优于直 叶。但因加工条件所限，实际应用中以直叶转子居多。 叶轮横断面的图形称为叶型，其轮廓线称为型线。型线由一组特定曲线组合而成， 通常按某段曲线的名称给叶型命名。以两叶转子为例，图1 3 示出了圆弧线叶型( 1 ) 、 渐开线叶型；( 2 ) 、及摆线叶型；( 3 ) 等常用的型线形状特征。 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 )( 3 ) 图1 3 罗茨鼓风机常用叶型示意图 f i g 1 3 t h eo r d i n a r yb i a d es e c t i o no far o o t sb l o w e r ( 4 ) 同步齿轮 同步齿轮的作用，一是传递动力，二是确定两叶轮的间隙，保证两转子的同步运行。 主、从动齿轮具有相同的啮合参数，是一对传动比等于l ：1 的圆柱齿轮。为了便 于周向调整，从动齿轮大多由齿圈与轮毅组合而成。调整时，应按规定的旋转方向进行 旋转。反向旋转时，齿轮侧隙将空胃到齿槽的另一侧去，主、从动叶轮之间的间隙将随 之发生变化。 齿轮有直齿、斜齿及人字齿等几种齿型，材料一般为优质碳素钢或高强度合金刚。 齿轮与轴、齿圈与轮毂之间为圆柱配合或锥度配合。采用圆柱配合时，在配合面间装有 固定作用的平键。 ( 5 ) 轴承 就轴承而言，主要是径向载荷。当同步齿轮为直齿或人字齿时，不存在轴向力；常 用轴承，有深沟球轴承、调心滚子轴承、角接触球轴承及圆柱滚子轴承等型式。轴承大 多作承载轴承使用，也可以对转子起轴向定位作用。 ( 6 ) 密封 密封的目的，主要是防止气体和润滑油泄漏。密封的好坏，在一定程度上能反映产 品设计制造水平的高低和使用性能的优劣。特别是在输送易燃、易爆或有毒气体时，密 封是关系到鼓风机能否安全运行的关键因素。本文所讨论的关键亦在于密封。 密封分为两大类。一类是静密封；另一类是运动部位的密封，如轴端部位、轴承座 尾部及轴伸部位的密封，称为动密封( 或轴密封) 。静密封结构简单，一般为橡胶石棉板、 o 型密封圈等。轴密封结构复杂，常用的有迷宫密封、骨架油封组、涨圈密封、填料密 封和机械密封等型式m 1 。本文所讨论的鼓风机的密封就是采用机械密封。 一9 一 a r f 3 0 0 n y 罗茨氧压机在造气系统的应用 1 4 2 罗茨鼓风机的工作原理 两叶罗茨鼓风机的工作原理如图1 4 所示。图中由( 1 ) 一( 5 ) 五个位置，表示转子旋 转半周的情况，另半周中按同样的顺序重复以上过程。假定叶轮与叶轮、叶轮与机壳之 间间隙为零，并将上叶轮与机壳的接触点用a 。和a 。表示，下叶轮与机壳的接触点用b 。 和b 。表示。 在位置( 1 ) ，机壳内分三个部分。左面为进气腔，腔内压力与进气压力相等。右面 为排气腔，处于排气压力作用下。上叶轮与机壳围成封闭的基元容积v 。，其内部压力等 于进气压力。 在位置( 2 ) ，随着上叶轮右面接触点a 。的消失，基元容积v 。开始与排气腔连通。在 气体压差的作用下，排气口的高压气体，通过回流缝隙6 ，迅速向基元容积v 。回流，使 其压力陡然上升至排气压力。 在位置( 3 ) 与位霹( 1 ) 相似，只不过上、下两个叶轮互换位置而已。原来在基元容积 v 。内的气体被推移到排气口，下叶轮与机壳在b ，和b 。两处接触，构成新的基元容积v 2 。 当叶轮旋转到位置( 4 ) 时，随着接触点b ：的消失和流缝隙6 。的开启，基元容积v 。 与排气腔连通，此时的情形与位置( 2 ) 相似。 位罨( 5 ) 与位霉( 1 ) 相同，基元容积v ：的气体也被推移到排气口了，新的基元容积 v 。出现在先前v 的位置 ( 1 )( 2 )( 3 ) ( 4 )( 5 ) 图1 4 罗茨鼓风机鼓风过程示意图 f i g 1 4 t h ew o r kp r o c e s so far o o t sb l o w e r 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 5 罗茨氧压机的设计 罗次鼓风机作为输送氧气这种特殊介质的机械，保证它的安全性、可靠性则是首要 任务，因此从忌温、忌油、忌火花及忌振等方面入手，在以下几个方面对罗茨鼓风机作 了处理。 密封结构，首先要保证氧气能够密封在机壳与墙板所形成的密封腔内，不会由于轴 封泄漏到两端的油箱内与油接触，致使在达到一定的温度、浓度时发生燃烧、爆炸而酿 成事故。为达此目的，选用了机械密封结构( 见图1 5 ) ，该结构为非平衡式双端面机械 密封，具有结构简单、装配方便、密封可靠等特点，端面配以衬套上的两组“0 ”型圈1 和2 ，可以从径向、轴向两个方向实现气体的可靠密封，以保证气体不外漏，端面配以 “o ”型圈3 和4 ，可以保证机械密封的密封冷却液不向内、外泄漏。考虑到万一有少量 氧气泄露的情况下，会在墙板间形成的氧气聚积，将风机墙板改为开式结构，确保漏出 的氧气不产生聚积，能在低浓度下立即向外扩散，从而可减少事故发生。 润滑油( 脂) 与封液的设计与选择，普通的油( 脂) 在有氧气的条件下，极易燃烧而产 生气体膨胀爆炸，同时，由于油脂的氧化变质，还会使其失去润滑功能，因此对于任何 有可能与氧气接触的油和脂，均必须采取特殊处理，选用抗氧化性、阻燃性、润滑性及 稳定性俱佳的特种合成油，一般有合成硅基压缩机油、氟基硅油两种，它们均具有优异 图1 5 机械密封 f i g 1 5 t h em e c h a n i c a ls e a l 的热稳定性和化学稳定性，不易形成残碳和胶质，可防止由于气体的稀释导致的油品粘 度下降而引起润滑不良，以适合罗茨氧压机的需要。假如同时采用润滑油作为封液，那 a r f - 3 0 0 n y 罗茨氧压机在造气系统的应用 么势必会采用循环使用的方式，从而导致油池温度升高，增加了安全隐患，而且一旦密 封失效，产生内漏，将会对系统介质产生严重污染，因此经过与制造厂家协商，决定用 软水作为封液( 系统压力低时可用自来水，系统压力高时可采用加压泵加压) ，对机械密 封端面进行冷却与润滑，充分消除了用油作为封液可能存在的隐患。 密封材质必须考虑对氧气的适应性，机封座采用不锈钢，密封面动环采用硬质合金， 静环采用石墨。既有良好的抗磨性，又有充分的抗氧化性。 一些部位应采用水冷方式。为进一步降低油箱内润滑油的油温，保证风机轴承与齿 轮的可靠运行，减少由于机械故障产生的擦机壳、擦墙板，以避免引起火花，对主、副 油箱均采用了水冷结构。 鼓风机的所有零部件( 包括标准件、外购件) ，无论是在加工过程中，还是在防锈保 存过程中均有油污的粘染，通常装配前的清洗均不能满足深度除油的要求，根据 h g 2 0 2 0 2 2 0 0 0 脱脂工程施工及验收规范的要求，按以下工艺过程对所有零部件( 部 件散体) 进行脱脂： ( 1 ) 用香蕉水全面清洗两遍，后用四氯化碳浸泡( 小件) 或局部逐渐淋洗抹擦( 大件) 至材料本色，直至抹布无锈迹、油污为止； ( 2 ) 油除干净后，立即用无油的干热空气( 5 0 - - - , 6 0 ) 对各表面进行吹除，以达到深 度除油和防锈的作用； ( 3 ) 管道系统由用户按标准进行除油处理。 提高主机零部件的精度。为避免风机在运行中出现危险，除了零部件2 n - r 精度外， 机械密封的密封性能也对零部件的精度，特别是几何精度、形位公差非常敏感，稍有不 慎就会密封失效，因此装配前必须按照图纸对主机的各零部件进行细致的检验，采用选 优的办法选定所需的零件。同时机壳、叶轮、墙板部位的间隙可适当放大0 0 5 r a m 左右， 以保证风机在运行过程中不出现磕碰。 鼓风机装配方面的设计要求。首先要求必须绝对的干净，包括吊索、抹布等均不能 粘油，工作场地做初步除油处理后也需要用干净的塑料或抹布与零部件隔开。在机械密 封的装配过程中，轴承不能采用敲击的方法强行打入，只能采用热套或用锁母锁紧的方 法压入，否则，由于敲击时产生强烈的振动会使机封的静环产生跳动且不复位，在动静 环的密封面间也可能产生一个小间隙，最后导致密封失效而返工；同样在主机装好后， 联轴器或皮带轮的装配也只能采用热装的方式装配到位，不能敲击，以免震碎机封。在 装配过程中，所有“0 ”型圈、骨架油封以及所有垫的地方均可涂上少量的特种润滑脂， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 这对密封及润滑均有好处；同时所有联接螺栓在装配前均需粘取少量这种特种油，以免 由于除油过净，在拧紧的过程中由于润滑程度不够而将螺丝拧坏。 鼓风机试验方面设计要求。先对机封通水进行密封试验，通水压力比系统介质压力 高0 1 m p a 左右即可，3 0 分钟后，以每分钟漏水不超过5 滴为合格。密封合格后，对整 机进行气密封试验，通入洁净氮气，压力为1 5 倍系统压力，浸水保压1 5 m i n ，无气泡 外冒为合格。按j b f r 8 9 4 1 2 1 9 9 9 一般用途罗茨鼓风机性能试验方法进行性能试验。 按h g2 0 2 0 2 2 0 0 0 脱脂工程施工及验收规范进行脱脂验收。 a r f 3 0 0 n y 罗茨氧压机在造气系统的应用 2 a r f - 3 0 0 n y 型罗茨氧压机的应用背景 2 1黑化造气系统氧气的工艺流程 黑化集团有限公司是东北及内蒙东部地区的大型综合煤化工企业，始建于1 9 5 8 年。 具有年产8 0 万吨焦碳、3 0 万吨尿素、1 2 万吨硝铵等几十