變壓器廢油加氫再生工藝研究

任喬林，王延臻，張 偉，蔡世騰，李鐘靈

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司，湖北 孝感 432100；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院)

變壓器油在變壓器等電氣設(shè)備中主要起到絕緣、冷卻、消弧等作用。經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行,在高壓電場(chǎng)、高溫、氧氣、金屬催化劑等作用下,變壓器油會(huì)發(fā)生氧化生成酸性油泥,導(dǎo)致其酸值上升、介質(zhì)損耗因數(shù)增大、擊穿電壓下降,甚至喪失絕緣作用[1-6],造成變壓器油失效報(bào)廢。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)產(chǎn)生的變壓器廢油約50 kt/a,這些變壓器廢油若得不到正確處理,則會(huì)造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1]。

研究發(fā)現(xiàn)[2],變壓器廢油的主體仍為合格的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油,經(jīng)過科學(xué)合理的精煉工藝處理后,變壓器廢油可以獲得再生,并與新變壓器油品質(zhì)相當(dāng)。因此,變壓器廢油的再生利用對(duì)于提高資源利用率、提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、保護(hù)生態(tài)環(huán)境都具有十分重要的意義,同時(shí)也符合綠色、低碳、循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展的理念。

目前,變壓器廢油再生主要有以下4種工藝:一是吸附再生工藝,采用專用吸附劑吸附除去變壓器廢油中的懸浮物和極性化合物,改善其顏色、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓等性能參數(shù),該工藝對(duì)老化不嚴(yán)重的變壓器廢油有效,而對(duì)老化嚴(yán)重的變壓器廢油難以完全再生達(dá)到新變壓器油標(biāo)準(zhǔn)[7-8];二是“酸堿精制-白土處理”組合工藝,該工藝可將老化嚴(yán)重的變壓器廢油再生達(dá)到新變壓器油標(biāo)準(zhǔn),但其再生過程會(huì)產(chǎn)生大量廢酸堿、廢水和廢白土等二次污染物,造成嚴(yán)重環(huán)境污染,目前已被淘汰[9-10];三是“過濾-溶劑精制-白土補(bǔ)充精制”工藝[11-12],該工藝可以將老化嚴(yán)重的變壓器廢油再生達(dá)到新變壓器油標(biāo)準(zhǔn),但其過程也產(chǎn)生大量廢白土污染物;四是加氫再生工藝[13],該工藝將變壓器廢油進(jìn)行催化加氫,脫除其中的極性化合物,使其各項(xiàng)性能達(dá)到新變壓器油標(biāo)準(zhǔn)。

廢油加氫再生工藝主要用于其他廢潤(rùn)滑油的再生,而對(duì)于變壓器廢油的直接加氫再生,目前尚未見成熟的工藝報(bào)道。基于此,本課題利用課題組前期開發(fā)的Ni-Mo-W加氫催化劑,對(duì)變壓器廢油進(jìn)行催化加氫反應(yīng),考察加氫條件對(duì)變壓器廢油理化性質(zhì)、組成的影響,優(yōu)化變壓器廢油加氫再生工藝條件,以期為工業(yè)變壓器廢油再生利用提供可行的技術(shù)方案。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

變壓器廢油取自湖北孝感某在用變壓器,其主要理化性質(zhì)見表1。由表1可以看出,該變壓器廢油酸值高、顏色深、介質(zhì)損耗因數(shù)高、氧化安定性較差。

表1 變壓器廢油理化性質(zhì)

加氫催化劑采用自主開發(fā)的Ni-Mo-W型潤(rùn)滑油加氫精制催化劑,其主要性質(zhì)見表2。該催化劑在使用前需要預(yù)硫化,預(yù)硫化條件:以CS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的柴油為預(yù)硫化劑,氫氣壓力為5.0 MPa,溫度為300 ℃,體積空速為1.0 h-1,氫油體積比為500,預(yù)硫化時(shí)間為24 h。

表2 催化劑性質(zhì)

1.2 變壓器廢油再生試驗(yàn)

使用50 mL高壓加氫試驗(yàn)裝置進(jìn)行變壓器廢油加氫工藝條件考察。首先,在固定床反應(yīng)器中裝上加氫催化劑,然后將經(jīng)過濾去除固體雜質(zhì)的變壓器廢油進(jìn)行加熱,并送入固定床加氫反應(yīng)器進(jìn)行催化加氫試驗(yàn)。在催化劑作用下,變壓器廢油中的極性化合物發(fā)生加氫反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過汽提塔脫除加氫反應(yīng)過程中生成的氣體和輕質(zhì)組分,得到再生變壓器油。該加氫工藝流程見圖1。

圖1 變壓器廢油加氫工藝流程

加氫后的變壓器油在測(cè)試前需在105 ℃下真空干燥60 min,去除水分和裂化的輕組分。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)壓力對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

在反應(yīng)溫度為220 ℃、氫油體積比為500、體積空速為3.0 h-1的條件下,考察反應(yīng)壓力分別為1.0,2.0,4.0,6.0 MPa時(shí)變壓器廢油的加氫再生效果,結(jié)果如表3所示。由表3可知,隨著反應(yīng)壓力升高,加氫后變壓器油的密度逐漸減小,折射率逐漸變小,色號(hào)逐漸降低(由2.0降至1.0以下),特別是當(dāng)反應(yīng)壓力達(dá)到4.0 MPa后,加氫后變壓器油基本為無色。說明隨著反應(yīng)壓力升高,芳烴加氫飽和能力提高,氧化產(chǎn)物加氫脫氧能力提高,變壓器廢油顏色變淺,芳碳率降低。考慮到加氫變壓器油的理化性質(zhì)以及催化劑的工業(yè)使用壽命,推薦變壓器廢油加氫的適宜反應(yīng)壓力為3.0～4.0 MPa。

表3 反應(yīng)壓力對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

在反應(yīng)壓力為4.0 MPa、體積空速為3.0 h-1、氫油體積比為500的條件下,考察加氫反應(yīng)溫度分別為180,200,220,260 ℃時(shí)廢變壓器油的加氫效果,結(jié)果見表4。由表4可以看出:隨著反應(yīng)溫度升高,加氫油的顏色越來越淺;反應(yīng)溫度在220～260 ℃范圍內(nèi),加氫油的色號(hào)小于1,加氫脫色效果較好;當(dāng)溫度達(dá)到260 ℃時(shí),加氫油的色號(hào)趨于0。這是因?yàn)闇囟壬哂欣谔岣呒託浞磻?yīng)速率,尤其是芳烴飽和、加氫脫氮、加氫脫氧等反應(yīng)的反應(yīng)速率得以提高,加氫脫氮、脫氧、芳烴飽和程度較高,所以加氫油顏色變淺、折射率降低、芳碳率降低。但是,溫度過高會(huì)導(dǎo)致烴類裂化副反應(yīng)增加,不利于加氫油的氧化安定性,因此在保證加氫效果的前提下應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。

表4 反應(yīng)溫度對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

2.3 反應(yīng)空速對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

在反應(yīng)壓力為4.0 MPa、反應(yīng)溫度為220 ℃、氫油體積比為500的條件下,考察體積空速分別為1.0,2.0,3.0,4.0 h-1時(shí)變壓器廢油的加氫效果,結(jié)果見表5。由表5可以看出:隨著空速增大,加氫油的顏色逐漸變深,密度和折射率均增大,芳碳率也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),這是因?yàn)榭账僭礁?加氫反應(yīng)時(shí)間越短,廢變壓器油的加氫程度越低,不飽和烴和含氮化合物的去除效果越差;在本試驗(yàn)條件下,當(dāng)體積空速由1.0 h-1升至4.0 h-1時(shí),加氫油的色號(hào)都在1.0以下。考慮到催化劑的使用壽命和反應(yīng)器尺寸,體積空速選擇2.0～3.0 h-1比較合適。

表5 反應(yīng)空速對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

2.4 氫油比對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

在體積空速為3.0 h-1、反應(yīng)壓力為4.0 MPa、反應(yīng)溫度為220 ℃的條件下,考察氫油體積比分別為200,300,500時(shí)變壓器廢油的加氫效果,結(jié)果如表6所示。由表6可以看出:隨著氫油比增大,加氫油的顏色逐漸變淺;在氫油體積比為200,300,500時(shí),加氫油的色號(hào)都小于1;尤其在氫油體積比為500時(shí),加氫油的色號(hào)趨近于0,幾乎無色。考慮到氫油比提高會(huì)造成能耗的增加,氫油體積比以300～500為宜。

表6 氫油比對(duì)變壓器廢油加氫效果的影響

綜上所述,最優(yōu)的變壓器廢油加氫反應(yīng)條件為:體積空速2.0～3.0 h-1,反應(yīng)壓力4.0 MPa,反應(yīng)溫度220～260 ℃,氫油體積比300～500。

2.5 變壓器廢油加氫反應(yīng)產(chǎn)物

在體積空速為3.0 h-1、反應(yīng)壓力為4.0 MPa、反應(yīng)溫度為220 ℃、氫油體積比為300的條件下,對(duì)變壓器廢油進(jìn)行加氫反應(yīng),制備得到5 L加氫油,并測(cè)定其收率、組成及理化性質(zhì),結(jié)果如表7所示。綜合表1和表7可以看出,與變壓器廢油相比,加氫再生變壓器油的氧化安定性明顯提高,其旋轉(zhuǎn)氧彈氧化誘導(dǎo)期由變壓器廢油的80 min提高至105 min,酸值由變壓器廢油的0.15 mgKOH/g降至0.006 mgKOH/g,色號(hào)由變壓器廢油的2.0降至0.3,多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至1.2%,擊穿電壓略有降低,但均滿足GB 2536—2011標(biāo)準(zhǔn)中I-10 ℃(通用)型變壓器油質(zhì)量指標(biāo)要求,可以再次使用。

表7 變壓器廢油加氫再生產(chǎn)物的收率、組成和性質(zhì)

3 結(jié) 論

(1)采用加氫法對(duì)變壓器廢油進(jìn)行加氫再生,所得加氫再生變壓器油的氧化安定性明顯提高,其旋轉(zhuǎn)氧彈氧化誘導(dǎo)期由變壓器廢油的80 min提高至105 min,酸值由變壓器廢油的0.15 mgKOH/g降至0.006 mgKOH/g,色號(hào)由變壓器廢油的2.0降至0.3,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2536—2011中I-10 ℃(通用)型變壓器油質(zhì)量指標(biāo)要求。

(2)變壓器廢油的最優(yōu)加氫反應(yīng)條件為:體積空速2.0～3.0 h-1,反應(yīng)壓力4.0 MPa,反應(yīng)溫度220～260 ℃,氫油體積比300～500;同時(shí),變壓器廢油的加氫反應(yīng)效果表明,Ni-Mo-W型加氫精制催化劑具有良好的催化性能。