煤焦油基變壓器油產品特性

康志華,王智榮,白云岡,任帥,李旭濤,鄧斗亮,李斌

(神木富油能源科技有限公司,陜西 神木 719319)

變壓器是電力系統中極其重要的輸變電設備,其發展與電力工業的整體發展密切相關。隨著國內人民生活水平的提高,電力行業發展迅速。據國家電網最新公開的數據截至2020年底,中國已經建成了“14交16直”,在建“2交3直”共計35個特高壓項目,在運、在建特高壓線路總長度4.8萬km。據《中國能源報》報道,“十四五”期間,國網規劃建設特高壓線路“24交14直”,涉及線路超過3萬km,變電換流容量3.4億kVA,總投資3 800億元。伴隨“一帶一路”戰略的開啟,超高壓、特高壓項目在國外正在不斷落地、走出國門實現海外創收,與其配套的變壓器及變壓器油需求量也在日益上升,廣闊的市場前景給變壓器油發展帶來了良好的機遇[1]。

環烷基原油作為最適宜生產變壓器油的組分,全球變壓器制造商,例如ABB、阿爾斯通等大型變壓器生產公司都使用以環烷基原油生產的變壓器油。我國環烷基原油資源短缺,油源主要集中于新疆克拉瑪依以及綏中等地區,僅克拉瑪依石化、遼河石化等中石油煉廠以及泰州、濱州等中海油煉廠具備原料的國內供給。其他的變壓器油廠商基本需要依靠南美等地區的原油進口[2]。

結合我國缺油、少氣、富煤的資源稟賦,我國油氣供求矛盾將長期存在,從長期發展來看以煤炭為主的能源消費結構短期內難以改變,煤焦油是煤炭熱解過程中產生的液相副產品,芳烴含量較高,經過多種加氫反應的耦合,可以使產品做到無硫、無氮、極低金屬含量的水平,加氫后的產品中含有大量的環烷烴和異構烷烴組分,可作為物理、化學性能、電氣性能優異的高檔變壓器油使用。

1 煤焦油加氫發展歷程

煤焦油深加工始于20世紀的歐洲,二戰期間德國和日本為了滿足戰爭需求曾利用煤焦油來制取動力燃料,二戰以后,由于石油資源的不斷開發利用,使得煤焦油的加工同其他煤炭液相轉化技術一樣進入停滯階段。直至20世紀后期石油危機爆發,煤焦油加工的經濟性逐漸好轉,國內外才又對這一技術重新重視起來。目前,美國SGI公司、UOP公司、加拿大國家能源研究所Canmet ENERGY、美國Chevron公司、法國AXENS公司等都在煤焦油加氫領域都有所突破,形成了如LC-Fining、H-Oil/H-Oil、MCAT等一系列的煤焦油加氫轉化技術[3]。

我國從20世紀60年代由中石化撫順院負責展開煤焦油加氫制取煤油的研究,先后開發了一段、兩段聯合加氫工藝以及相關的加氫精制、加氫裂化催化劑。進入21世紀,由于煤焦油加氫技術經濟性的顯現,先后出現了神木天元、東鑫垣延遲焦化-固定床加氫組合技術,神木富油、新疆宣力、宣東煤焦油全餾分固定床加氫技術,寶舜、河南利源蒽油加氫技術,延長石油懸浮床加氫(VCC)技術及陜西精益、新疆信匯峽沸騰床加氫技術等[4],相比于其他工藝,煤焦油全餾分固定床加氫技術具有投資少、操作簡單、轉化率高、液相收率高等優點[5]。

神木富油能源科技有限公司歷時十多年先后成功開發出擁有自主知識產權的“煤焦油全餾分加氫多產中間餾分油成套工業技術(FTH)”和“中低溫煤焦油全餾分加氫制環烷基特種油品成套工業化技術(SM-FU)”并成功實現了工業化。多年來,利用FTH、SM-FU技術對中低溫煤焦油進行深度轉化,持續推進系列特種油品的研制開發,在高檔白油、高端變壓器油、橡膠增塑劑、航空、航天[6]、軍用油品等多方面均取得了一定的進展。利用煤焦油轉化油進一步深度加氫制備富含氫化芳烴和環烷烴的高端變壓器油,試圖進一步延伸煤焦油加氫產品鏈。

2 煤焦油加氫原理

煤焦油加氫是指煤熱解所得的焦油或其某一餾分段油品,在反應器內氫氣存在條件下將焦油中的重質組分輕質化,含硫、氮、氧的有機物轉化為硫化氫、氨氣和水,含金屬元素的有機物中金屬通過化學鍵斷裂脫離原有機物沉積到催化劑上,不飽和化學鍵通過氫原子的插入變為飽和化學鍵等。反應器內裝填具有雜質沉積、金屬脫除、瀝青質脫除、加氫脫硫、加氫脫氧、加氫脫氮、重質芳烴飽和、加氫裂化等功能的催化劑,加氫后油品通過熱、冷高低分分離后進一步汽提分餾,即可得到目標產品汽油、柴油、尾油餾分[5-8]。

煤焦油深度轉化是將煤焦油在氫氣條件下與催化劑進行接觸,脫除掉油相中的硫、氮、氧、金屬離子等雜質組分,將油相中的重質芳烴、炔烴、烯烴等不飽和烴類進行加氫飽和,使油品中的直鏈烷烴或者分子中的直鏈結構通過碳碳鍵的斷裂重排轉化為異構烷烴或者分子中的支鏈結構,同時將異構過程中產生的不飽和烴類進行深度飽和,最終可以將產品油中的硫、氮、金屬離子、重質芳烴等含量降至10-6甚至10-9水平。煤焦油經過多種加氫反應的耦合,可以使產品做到無硫、無氮、極低金屬含量的水平,加氫后的油品中由于環烷烴、異構烷烴含量較高,使其同時呈現出良好的低溫流動性和高氧化安定性。煤焦油作為一種在國內來源極其廣泛的原料,具有與煤液化生成油極其相似的性質,通過其逐級轉化來生產潔凈的特種燃料和化工品是促進煤炭清潔高效轉化利用的有效途徑之一,同時也對制備高品質電氣用油具有很高的研究價值和實際意義。

3 產品特性

近年來,神木富油能源科技有限公司依托全球首套集能源新技術、新裝備、新產業、新業態為一體的“50萬t/a煤焦油全餾分加氫制環烷基油裝置”,充分發揮煤焦油深度加氫油品的優異品質,開展了變壓器油新產品的研究,先后歷經小試、中試、工業試制以及批量化生產,工業產品質量穩定,以中低溫煤焦油全餾分為原料,使用“煤焦油全餾分加氫多產中間餾分油成套工業技術(FTH)”、“中低溫煤焦油全餾分加氫制環烷基特種油品成套工業化技術(SM-FU)”制備的煤焦油基變壓器油,通過三段加氫反應(煤焦油全餾分加氫、加氫改質、補充精制)實現了煤焦油中不飽和組分的超深度加氫,幾乎全部脫除了油品中的有害雜質及不安定組分,最終可以將產品油中的硫、氮、金屬離子、稠環芳烴、多氯聯苯等含量降至10-6甚至10-6水平,大量環烷烴和異構烷烴組分的存在、正構烷烴含量少,使其具有良好的電氣絕緣性能、低溫性能、散熱性能、氧化安定性、適宜的溶解性,利用煤焦油深度轉化制得的變壓器油系列產品主要性能指標達到國內先進水平,可供高端變壓器使用,主要產品性質見表1。

3.1 富油科技U-30(通用型)變壓器油

以中低溫煤焦油全餾分為原料,經過三段高壓加氫工藝,制備出U-30(通用型)變壓器油產品,其性質見表1。

從表1中可以看出,由煤焦油深度轉化得到的變壓器油滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準中U-30(通用型)變壓器油要求,物理、化學性能、電氣性能優異,可作為普通電力行業變壓器油使用。

3.2 富油科技T-30(通用型)變壓器油

以中低溫煤焦油全餾分為原料,經過三段高壓加氫工藝,加入微量高效添加劑復配后制備出U-30(通用型)變壓器油產品,其性質見表2。

表2 富油科技T-30(通用型)變壓器油產品性質

從表2可以看出,由煤焦油深度轉化,加入微量高效添加劑復配后得到的變壓器油滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準中T-30(通用型)型變壓器油要求,低溫流動性能優異,不含糠醛、多氯聯苯,稠環芳烴含量小于1%,屬清潔環保油品,硫含量低,可減少對銅等金屬的腐蝕以及硫在高溫下轉變為腐蝕性硫的可能性,該油品具有良好的析氣性能,優異的氧化安定性能,適用于變壓器的長周期運行,推薦用于電壓等級在330 kV及以下的變壓器以及有類似要求的電氣設備中。

3.3 富油科技I-30(特殊型)變壓器油

以中低溫煤焦油全餾分為原料,經過三段高壓加氫工藝,加入高效添加劑復配后制備出I-30(特殊型)變壓器油產品,其性質見表3。

表3 富油科技 I-30(特殊型)變壓器油產品性質

從表3中可以看出,由煤焦油深度轉化,加入高效添加劑復配后得到的變壓器油(1)具有較低運動黏度,散熱性能良好;(2)具有較高的擊穿電壓、介質損耗因數較低、析氣性能良好,可防止發生氣體間隙放電使電氣設備發生故障;(3)低溫流動性能優異,有利于電氣設備低溫冷啟動;(4)產品油環烷烴、異構烷烴含量較高,正構烷烴相對較少低,抗氧化性能極好,溶解性能良好,適宜長周期運行(5)產品油閃點在140 ℃以上,不含糠醛、多氯聯苯,稠環芳烴含量小于1%,屬清潔環保油品。可以滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準中I-30(特殊型)變壓器油要求,且其物理、化學性能、電氣性能等均能夠滿足直流換流變壓器油質量指標,性能與中石油昆侖牌KI50X、中海油海疆HID-50性能相當,推薦用于電壓等級330 kV及以上的電氣設備,如超高壓直流換流變壓器、特高壓直流換流變壓器等電氣設備,也可以用于超高壓交流、特高壓交流等電氣設備。

4 結論

(1)以中低溫煤焦油為原料,使用FTH、SM-FU技術制備的變壓器油滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準中U-30(通用型)變壓器油要求,可作為普通電力行業變壓器用油。

(2))以中低溫煤焦油全餾分為原料,使用FTH、SM-FU技術制備,加入微量高效添加劑復配后制備出的變壓器油滿足GB 2536-2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準中T-30(通用型)型變壓器油要求,推薦用于電壓等級在330 kV及以下的變壓器以及有類似要求的電氣設備中。

(3)以中低溫煤焦油全餾分為原料,使用FTH、SM-FU技術制備,加入高效添加劑復配后制備出的變壓器油滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準中I-30(特殊型)型變壓器油要求,且滿足直流換流變壓器油質量指標,推薦用于電壓等級330 kV及以上的電氣設備,如超高壓直流換流變壓器、特高壓直流換流變壓器等電氣設備,也可以用于超高壓交流、特高壓交流等電氣設備。