聯合新型多孔吸附劑和靜電濾油技術再生處理劣化汽輪機油的試驗研究

竇鵬,黃燕,車美美,周義鳳

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

汽輪機油主要由烷烴、環烷烴和少量芳香烴組成，在運行過程中由于受到水分、溫度、雜質等因素的影響，逐漸劣化導致油品理化性能下降，甚至產生漆膜和油泥等老化物質[1-3]， 影響到機組的安全運行。

目前，針對汽輪機油現場再生處理，一般采用吸附法[4]，包括吸附劑法和電吸附法。因汽輪機油的劣化產物主要為羥基類、羧基類、羰基類等極性化合物， 這些極性化合物具有較大的偶極矩， 極易被極性分子吸附劑吸附而予以去除[5-6]。而傳統的吸附劑如硅膠、硅藻土、分子篩、801吸附劑和活性氧化鋁等，用于油品再生時效果不佳[7]。因此，吸附劑作為吸附處理技術的關鍵和核心，一直是該領域研究的熱點[8-13]。電吸附法主要包括平衡電荷吸附和靜電吸附，靜電濾油的原理是利用在電極上施加高壓直流電(10 kV)， 電極間產生高壓電場， 帶電粒子被吸引到相反極性的電極上， 不帶電的中性污染物則沿著電力線被吸引到就近的電極上。靜電濾油機同時利用電氣遷移、介質遷移這2 種電氣特性， 可以高效地捕集所有的顆粒污染物。靜電濾油機的優點是： 過濾精度非常高， 可去除油中的微小的顆粒雜質如膠泥、膠質、氧化物等，最高可達0.03 μm。缺點是：一次通過的油液凈化效率較低， 油液流過靜電濾油機的速度不宜太快， 否則將降低凈化效果。當油中存在游離水時， 必須利用其他手段先去除游離水， 再進行靜電濾油[14]。

平衡電荷式濾油機是讓油分兩路走，分別在兩路中放置正負電極，一路加載正電荷，一路加載負電荷，油液中的污染物通過后會分別帶上正負電荷，分別帶上正負電荷的污染物再次混合時會相互集聚抱團長大，這些微小的不易被濾芯攔截的顆粒物長大后就很容易被捕捉攔截掉。平衡電荷濾油機的優點是：過濾精度較高，可以達到0.1 μm；缺點是：一次通過的油液凈化效率較低， 油液流過裝置的速度不宜太快， 否則影響凈化效果[15]。

聯合新型多孔吸附劑和靜電濾油技術，既能去除油中固體顆粒雜質，又能吸附溶解在油中的劣化產物，能很好地解決汽輪機油的污染問題，不僅可以實現劣化油的回收利用，還能保護環境，帶來顯著的經濟效益和社會效益。

1 新型多孔吸附劑的制備

1.1 試劑

水玻璃(工業級)、偏鋁酸鈉(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、氯化稀土(純度99.99%)、氯化銨溶液(濃度18%)。

稀土硫酸溶液的配置：稱取0.5 g氧化稀土于燒杯中，緩慢加入10 mL濃硫酸中，攪拌至氧化稀土完全溶解，然后緩慢加入到1 L水中，配制成氧化稀土和硫酸混合溶液。

改性高嶺土的制備：稱取20 g高嶺土于燒杯中,加入200 mL濃度為8%的硫酸,室溫下攪拌2 h,然后過濾、洗滌至中性, 將酸改性后的高嶺土在105 ℃烘干、研磨，過200目篩，即得到改性高嶺土。

1.2 實驗步驟

向50 g/L的偏鋁酸鈉溶液中緩慢加入濃度25%～30%硅溶膠，攪拌2～3 h漿液沉淀。用稀土硫酸溶液調節漿液的pH值為6～7。將漿液放入不銹鋼反應釜中，轉速為300 r/min，80 ℃下晶化24 h。出料后充分洗滌、過濾、烘干、研磨，過200目篩，得到多孔吸附劑。

按照重量比9∶1分別稱取多孔吸附劑和改性高嶺土，混合均勻后放入滾球機中，運轉過程中噴淋10%～20%硅溶膠溶液，成型過程中用直徑1～2 mm的雙層篩子篩分球形顆粒，最終得到直徑2 mm的球形吸附劑，將其置于焙燒爐600 ℃焙燒3 h得到成品，分子式表示為：

xMOyAl2O3zSiO2nRe

(1)

式(1)中M是金屬陽離子(如鈉離子)；x是MO的分子數，y是Al2O3的分子數，z是SiO2的分子數，n是稀土Re的分子數。

吸附劑中因引入了少量稀土，稀土元素的原子半徑大又極易失掉外層的6 s電子和5 d或4 f電子，在不等價離子取代中將會產生空位等缺陷，使內晶表面高度極化，從而提高了晶間的庫倫力和靜電吸附力，極大地改善了吸附劑的穩定性和吸附性能。

高嶺土具有層鏈狀結構，有較強的吸附能力和黏因結力，且親水疏油，本發明經過酸活化改性處理后，可疏通微孔，去除雜質，提高其活性基團的種類和數量，可很好地與有機物相容，能有效地吸附油品中的色素等雜質，吸附飽和后不容易破碎，是一種性能優異的吸附劑和脫色劑。

該吸附劑的原料來源廣泛且價格便宜，制備方法工藝簡單、操作方便、結構穩定，能夠大規模生產。本發明制備的球形吸附劑的抗壓強度可以達到10～12 N/mm，油品的脫酸率可以達到80%～90%，脫色效果明顯，能有效吸附油中溶解態的劣化產物。

2 現場處理

江蘇某電廠一臺135 MW抽凝式發電機組，于2018年機組大修時換油加入20 t長城威越L-TSA68汽輪機油(A級)潤滑油，僅僅使用2年，潤滑油顏色變深，產生大量油泥，顆粒污染度超過12級，漆膜傾向指數(MPC值)達到26，使用了幾種濾芯式濾油機均無法去除油泥和漆膜。

聯合新型多孔吸附劑和靜電濾油處理技術對該機組劣化潤滑油進行離線濾油，從油箱底部放出約200 kg潤滑油到油桶里。靜電濾油機使用2套圓柱形金屬網電極式結構，集粒體是由相互絕緣的金屬網電極和纖維介質卷成的柱狀結構。吸附劑裝填在2個濾筒里，裝填量為每筒8 kg。油液先通過靜電濾芯，去除油中顆粒雜質等，再通過吸附濾筒，去除油中的溶解態劣化產物，流量為20 L/min，連續過濾96 h，見圖1。

圖1 現場處理實物

3 結果分析

3.1 劣化油再生比對結果分析

如圖2所示 ，再生處理后的潤滑油顏色由深黃色變為淡黃色，因吸附劑具有較大的比表面積和強極性，對炭黑顆粒、膠質、樹脂和瀝青等著色物有較強的吸附能力，脫色能力強。

圖2 吸附再生前后油樣外觀對比

按照GB/T 14541-2017《電廠用礦物渦輪機油維護管理導則》對劣化油和再生油進行檢測，結果見表1。

表1 劣化汽輪機油再生性能比對試驗

由表1可見，經過96 h吸附過濾后，再生油的理化指標得到大幅提高，均達到GB/T 14541-2017《電廠用礦物渦輪機油維護管理導則》的要求，尤其是漆膜傾向指數(MPC)由26.3降低到1.2，主要是吸附劑對劣化油中的膠質、瀝青質、有機酸、有機酸鹽和氮化合物等極性分子有較強吸附能力。

3.2 紅外光譜試驗結果分析

分別取新油、劣化油和吸附再生后的油，做紅外光譜對比試驗,所得到的譜圖見圖3。

圖3 3種油樣紅外光譜對比

從圖3看出, 劣化油相比較新油和再生油，均出現明顯的吸收峰，尤其是波數1100 cm-1的C-O伸縮振動特征吸收峰，可判斷為醇類化合物。從1720 cm-1的醛基吸收峰以及2720 cm-1C-H伸縮振動出現的特征吸收峰，判定汽輪機油有不飽和醛類化合物生成，新油在波數3650 cm-1處有明顯的抗氧化劑吸收峰，而劣化油和再生油均沒有，表明油品已經出現嚴重的劣化。新油和再生油的紅外光譜圖并未有較大的改變，在波數2952～2855 cm-1的C-H伸縮振動峰、1456～1376 cm-1的C-H變形振動峰和1600 cm-1苯環C=C振動峰完全相同,這是由于礦物油中主要元素C、H構成分子的基本構架不變所致，表明多孔吸附劑再生后的汽輪機油基本成分不變。在1600～1700 cm-1的波段區間內, 新油和再生油波峰比劣化油小,即所代表的羰基含量小,說明再生后油的羰基等活性物質減小,油中活性自由基減少,油品得到精制。

由此可見，多孔吸附劑可以高效吸附汽輪機油劣化產生的不飽和烴類物質，且不損傷油品的基本成分，有較好的選擇性吸附能力。

4 結論

(1)新型多孔吸附劑具有優良的油品脫色、脫酸、再生的能力,能高效吸附汽輪機油劣化產生的不飽和烴類物質，且不損傷油品的基本成分，有較好的選擇性吸附能力。

(2)通過現場聯用靜電濾油機和新型多孔吸附劑可以有效再生劣化汽輪機油，再生后的油品質量達到GB/T 14541-2017《電廠用礦物渦輪機油維護管理導則》的要求，尤其是漆膜傾向指數(MPC)下降明顯。