加氫裂化變壓器油提質探索及工業應用

楊明輝

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加氫裂化變壓器油提質探索及工業應用

楊明輝

（中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033）

中國石油化工股份有限公司金陵分公司加氫裂化裝置運行至末期，產品變壓器油中多環芳烴含量增加且顏色較深，造成銷售困難；本文介紹了利用NJBMZDA-II催化劑針對加氫裂化變壓器油開展的產品提質試驗情況，結果表明在反應溫度150 ℃、空速為3.0 h-1、壓力為3.0 MPa、氫油體積比500∶1的條件下，原料中總芳烴含量降低了13%，其中稠環芳烴含量降低為0.6%，產品賽氏比色提高了7個單位；利用公司尾油異構化裝置工業應用情況表明，在空速2.68 h-1、反應溫度178 ℃、反應壓力2.95 MPa、氫油體積比305∶1工況下，變壓器油稠環芳烴含量、油品色澤等指標都能達到產品指標。

加氫裂化；變壓器油；尾油異構；加氫脫芳

近年來，隨著高質量航空煤油需求量的逐步增加，很多企業采用了先進加氫裂化組合技術—加氫異構裂化技術生產低冰點航煤，以不斷滿足我國航空工業燃料增長需求。該裝置生產的加氫裂化柴油傾點也相應較低（一般在-15 ℃左右），由于其優質的產品特性是生產特種油品理想組分，通常將它作為變壓器油和輕質白油原料。目前，我國汽柴油產品相對過剩，我國已成為汽柴油產品出口大國[1]。而相對來說高檔變壓器油市場缺口較大[2]，每年還需大量進口，如果將這部分油生產變壓器油，不僅合理利用了資源，還可以大大提高經濟效益。

加氫裂化裝置產品性質優良、生產方案靈活，是煉油廠生產清潔燃料的重要裝置。中國石化金陵分公司1.5 Mt/a加氫裂化裝置采用撫順石油化工研究院開發的單段兩劑全循環工藝技術，2014年10月裝置換劑后，精制反應器使用FF-26加氫精制催化劑，裂化段采用FC-16B與FC-14級配的加氫裂化催化劑體系，生產液化氣、輕石腦油、重石腦油、航煤、柴油和變壓器油。但由于隨著催化劑活性下降，在運行到中后期時柴油組分稠環芳烴增加，產品顏色變深，氧化安定變差，不能按加氫變壓器油出廠，大大影響產品經濟效益。

以金陵分公司加氫裂化變壓器油為原料，首先采用一種高鎳含量的加氫催化劑進行加氫脫芳烴小試試驗，通過評價該催化劑在加氫裂化變壓器油提質工藝中的適用性，推薦出工業裝置上的工藝流程和操作條件。

1 實驗部分

小試實驗委托公司質檢中心在10 mL微反應器中模擬進行。實驗原料采用加氫裂化變壓器油，原料性質見表1，實驗用催化劑采用博明公司生產的NJBMZDA-II型，該催化劑之前僅在工業上用做航煤組分脫芳，通過實驗以確定該催化劑在加氫裂化變壓器油提質工藝上的適用性。

表1 原料性質

從上表可以看出，加氫裂化變壓器油原料的稠環芳烴、賽氏比色和外觀不能滿足變壓器指標要求之外，其余皆滿足變壓器油指標，只要將稠環芳烴加氫飽和，就能制得合格的變壓器油。同時，稠環芳烴飽和后，既可以改善油品顏色，也能改善油品的穩定性，提高變壓器的產品質量。

2 結果與討論

2.1 溫度的影響

在反應空速2.0、反應壓力為3.0 MPa、氫油體積比為500∶1的條件下，考察了不同溫度下NJBMZDA-II型催化劑在加氫裂化變壓器油提質工藝中的反應情況，產品檢測分析結果如表2所示。

通過表2可以看出，在反應空速、壓力和氫油比一定時，反應溫度越高，催化劑活性越高，脫芳烴的效果越好。當反應溫度為120 ℃時，產品單環芳烴為11.7%，稠環芳烴為1.0%，溴指數為782 mg Br/100 g；反應溫度上升到150℃時，產品單環芳烴僅為4.2%，稠環芳烴為0.5%，溴指數也降到了231 mg Br/100 g。在反應溫度為120 ℃的條件下，油品的芳烴含量也能滿足變壓器油指標要求，賽氏比色從原料的+18上升到+25，樣品目測顏色從黃色變為無色透明，但是溴指數比反應溫度150 ℃的產品要高很多，較高的溴指數可能會影響產品的氧化安定性。

表2 溫度對柴油加氫脫芳的影響

2.2 空速的影響

在反應溫度150 ℃、反應壓力為3.0 MPa、氫油體積比為500∶1的條件下，考察了不同空速下NJBMZDA-II型催化劑在加氫裂化柴油加氫脫芳烴工藝中的反應情況，產品檢測分析結果如表3所示。

表3 空速對柴油加氫脫芳的影響

通過表3可以看出，在相同的反應溫度、壓力和氫油比的條件下，空速越低，原料與催化劑接觸時間就越長，脫芳的效果越好。當空速為0.5 h-1時，產品芳烴含量僅為3.4%，稠環芳烴未檢測出來，溴指數為242 mg Br/100 g；到空速逐漸上升到4.0 h-1時，產品單環芳烴也上升到了12.4%，稠環芳烴上升到了1.4%，溴指數也上升到603 mg Br/100 g。在空速0.5 h-1到4.0 h-1內，芳烴都滿足變壓器的要求，色度都有很大的改善，賽氏比色都到達+25，但是溴指數還是比較高，最低也有242 mg Br/100 g，最高到達603 mg Br/100 g，對產品的氧化安定性有一定影響。

2.3 產品后處理

通過實驗可以看出，在各種設定的反應條件下，產品的芳烴、色度都能滿足要求；但是，產品的溴指數相對較高，均超過了200 mg Br/100 g。這是因為芳烴中苯環加氫飽和過程中，會產生環烯烴之類的中間產物[3]。在一般情況下，環烯烴會很快加氫飽和成為環烷烴；但是，由于原料中還有大量的芳烴沒有飽和，就會有環烯烴不斷產生，在環烯烴沒有飽和之前就被帶出反應系統，造成產品的溴指數升高，特別是反應溫度120 ℃或空速4.0 h-1時，表現最為明顯。雖然變壓器油國標對油品溴指數無明確要求，但是太多的不飽和物會影響產品的氧化安定性。因此，產品需要做進一步的處理，降低產品的溴指數，提高產品的熱穩定性。

如果用白土精制能脫去不飽和物，可以考慮通過后續的白土塔對產品進行精制。為此，進行了加氫脫芳產品白土精制小試實驗，結果如表4。

表4 白土吸附脫烯烴結果

從表4結果可以看出，在2.0h-1空速下，變壓器油經白土處理后脫烯烴的效果較差，溴指數僅降低230 mg Br/100 g左右。同時，產品中的共軛烯烴在白土酸性中心上易發生烷基化反應生成大分子組分，單分子烯烴會吸附在白土上，造成白土失活加速。采用白土精制方案會造成產品損失、大量固廢產生、頻繁換劑，影響經濟效益。

一般認為，鎳系脫芳烴催化劑的活性溫度在120~250 ℃范圍內最佳[4]。低溫對反應有利，但溫度太低則影響催化劑活性，同時苯環上的雙鍵比烯烴中不飽和鍵更穩定，在低溫下苯環不容易加氫飽和，而烯烴飽和相對容易一些；苯環加氫反應是強放熱反應，溫度太高不利于苯環加氫化學平衡向產物方向移動[5]，同時反應溫度高還會增加油品的裂解率。因此，采用該加氫脫芳烴催化劑在空速4.0 h-1，壓力3.0 MPa，氫油比500∶1，反應溫度在低溫50 ℃、100 ℃和高溫250 ℃條件下，考察了加氫脫芳烴產品再次加氫脫烯烴的反應情況，反應結果如下表5：

表5 產品加氫脫烯烴結果

從表5可以看出，采用加氫脫烯烴方式，即使反應溫度只有50、100 ℃，但是仍有部分的芳烴發生加氫反應，產生中間產物烯烴，造成產品脫烯烴的效果并不理想。當反應溫度升到250 ℃后，烯烴和溴指數下降非常明顯；這是因為在高溫下，催化劑活性增強，飽和烯烴和飽和芳烴速率加快，而由于受到苯環加氫反應熱力學平衡的影響，烯烴加氫反應的速度是快于芳烴加氫反應的。

2.4 最終實驗條件與結果

通過上述實驗結果，結合裝置現有設備狀況確定了最終的實驗方案。實驗采用兩段加氫，第一段主要為脫芳反應，反應溫度為150 ℃、空速為3.0 h-1、壓力為3.0 MPa、氫油體積比為500∶1；第二段為脫芳、脫烯烴反 應，反應溫度為250 ℃、空速為3.0 h-1、壓力為3.0 MPa、氫油體積比為500∶1。反應產物性質如表6。

表6 產品性質

通過表6可以看出，在此實驗條件下，原料油中總芳烴含量降低了13%左右，其中稠環芳烴含量降低為0.6%，產品賽氏比色提高了7個單位，外觀由深黃色變為清澈透明。其他指標都能滿足變壓器油指標要求。

3 工業應用及結果

金陵石化公司尾油異構裝置（下簡稱WSI裝置）為國內首套加氫尾油異構化裝置。裝置采用爐前混氫工藝，反應部分使用固定床冷壁反應器，兩個反應器串聯使用。由于第二個反應器之前沒有加熱系統，根據現有條件，采用反應壓力為3.0 MPa，反應空速2.0~2.5 h-1，氫油體積比300∶1的工況，適當提高一反R501入口反應溫度到165 ℃，控制產品總芳烴含量小于8%（/）、溴指數在200 mg Br/100 g左右，使產品在顏色、安定性方面得到較大改善，達到出廠指標。

3.1 催化劑裝填

2臺反應器R501、R502各裝填5.5 t催化劑，催化劑床層高徑比分別為1.83和1.58。為防止偏流，催化劑床層頂部裝入1 m左右的瓷球，兩臺反應器床層高徑比提高到2.41和2.38，有利于油氣與催化劑床層均勻分布接觸。

表7 一反、二反裝填表(自上而下)

3.2 催化劑還原

NJBMDA-Ⅱ催化劑生產過程中已進行預還原處理，但還原后的催化劑因高活性的金屬鎳微晶具有高的表面自由能，和空氣中的氧接觸會迅速氧化燃燒。為保證催化劑在運輸、裝填過程中的安全，催化劑出廠前與微量氧反應，使催化劑表面生成一薄層氧化鎳膜。催化劑裝入反應器后，還需將氧化鎳膜還原，恢復催化劑活性。

還原條件下是微放熱反應，還原氣體中會有少量的O2、CO、CO2等雜質，這些雜質能與催化劑化合發熱或因催化劑作用而發生放熱的化學反應。還原期間需嚴格控制溫升：軸向溫升＜20 ℃、徑向溫升＜10 ℃，同時保證升溫要均勻。

圖1 NJBMDA-II催化劑還原趨勢圖(溫度為床層最低點)

總還原時間共累計41 h，床層最低點的溫度趨勢圖與理論趨勢圖基本一致，床層溫升非常溫和，軸向溫升最高為15 ℃，低于≯20 ℃的指標。

高分罐容501總脫水量613 L，比理論值110 L（催化劑重量的1%）多出近500 L。主要是由于6臺反應進出料換熱器在檢修期間均進行打水壓試驗，系統氮氣置換期間因溫度較低，只能帶出明水，吸附水只有在高溫下才會從系統中帶出。

3.3 工業運行

裝置的初期運行及標定數據見表8。

表8 工業裝置運行數據

原料及產品情況見表9和表10，在工業運行工況下，投料初期產品水含量不合格，經排查，裝置的原料、氫氣中水含量并無異常，懷疑主要是由于裝置檢修后系統中死區的水未完全置換出來造成的。變壓器油的閃點不合格是產品中溶解微量氫氣的影響。通過優化分餾塔塔底溫度至250 ℃、投用分餾塔頂減壓抽空器、塔底投用汽提氮氣后，自8月31日開始，產品各項指標全部合格，反應進料負荷提至18 t/h，體積空速為1.64 h-1。標定時反應進料負荷為25 t/h，體積空速為2.68 h-1。

3.4 成本及經濟效益核算

WSI裝置檢修費用為115萬元，催化劑費用295萬元。在裝置穩定運行3個月后，通過72 h滿負荷標定收集的能源及氫氣消耗數據，對WSI裝置加工成本進行核算。初步核算裝置能耗為20.26kg EO/t，噸油加工成本為216.1.3元/t。如果因變壓器油顏色較深問題丟失了客戶及市場，變壓器油僅作為柴油銷售。I0℃變壓器油與國V車用柴油價格差529元/t（取2017年上半年江浙滬地區平均價格），以每月1.8萬t變壓器油銷售量測算，WSI裝置每月增加效益是590萬元左右。

表9 工業裝置原料情況

表10 工業裝置的產品性質

表11 成本核算

4 結論

（1）通過多次試驗結合裝置現狀，確定了采用兩段加氫最終實驗方案和反應條件，小試產品中多環芳烴含量、賽氏比色、外觀等達到了出廠指標。

（2）工業應用結果表明，通過利用公司尾油異構裝置，在反應壓力2.95 MPa、體積空速2.68 h-1、氫油體積比305∶1、第一反應器入口溫度178 ℃，產品中總芳烴含量在6%（/）左右、多環芳烴含量為0.6%（/）左右、溴指數為200 mg Br/100 g左右、賽氏比色為+25左右，產品在顏色、安定性方面得到較大改善，產品性能完全達到i-0變壓器油指標，產品質量受到下游客戶好評，裝置經濟效益顯著。

［1］呂清龍，邢定峰，劉婷. 我國成品油市場現狀及未來形勢分析[J]. 中外能源，2016，21(2):8-13.

［2］馬蕊燕，李峻峰，何軍. 國內外變壓器油的發展現狀與趨勢[J].新疆石油科技，2010，20 (2):75-77.

［3］蘭濤.淺析煤焦油加氫飽和反應原理[J].民營科技，2012(12):35-37

［4］戴厚良. 芳烴技術[M]. 北京：中國石化出版社,2014: 658-662.

［5］陳國強，產圣. 加氫脫芳精制溶劑油的研究[J]. 石油化工技術與經濟，2009，25(6)：44-46．

Exploration and Application on Quality improvement of Hydrocracking Transformer Oil

（JinlingPetroleum and Petrochemicals Company, SINOPEC Jiangsu Nanjing 210033，China）

The hydrocracking units of Jinling Petroleum and Petrochemicals Company, SINOPEC run to the end of lifetime. The polycyclic aromatic hydrocarbons in product transformer oil increased and the color became dark, resulting in sales difficulties. In this paper, we described the using of NJBMZDA-II catalyst for hydrocracking transformer oil. The results showed that the total aromatics content in the raw materials was reduced to 13% under the conditions of reaction temperature of 150 ℃, space velocity of 3.0 h-1, pressure of 3.0 MPa and hydrogen volume ratio of 500:1. The content of polycyclic aromatic hydrocarbons decreased to 0.6%, and the product's color ratio increased by 7 units. The industrial application of the tail oil isomerization unit showed that in the conditions of the reaction temperature was 2.68 h-1, the reaction temperature was 178 ℃, the reaction pressure was 2.95 MPa, the volume of hydrogen oil was 305:1, the transformer oil polycyclic aromatic hydrocarbons content, oil color and other indicators can reach the product targets.

Hydrocracking; Transformer oil; Bottom oil isomerization; Hydro-dearomatization

TE 624

A

1671-0460（2017）08-1614-05

2017-07-17

楊明輝，男，工程師，主要從事煉油、化工工藝技術的研究工作。E-mail：yangmh.jlsh@sinopec.com，電話：(025) 58987617。