变压器废油加氢再生工艺研究

任乔林，王延臻，张 伟，蔡世腾，李钟灵

(1.国网湖北省电力有限公司孝感供电公司，湖北 孝感 432100；2.中国石油大学(华东)化学化工学院)

变压器油在变压器等电气设备中主要起到绝缘、冷却、消弧等作用。经过长期运行,在高压电场、高温、氧气、金属催化剂等作用下,变压器油会发生氧化生成酸性油泥,导致其酸值上升、介质损耗因数增大、击穿电压下降,甚至丧失绝缘作用[1-6],造成变压器油失效报废。据统计,我国产生的变压器废油约50 kt/a,这些变压器废油若得不到正确处理,则会造成环境污染和资源浪费[1]。

研究发现[2],变压器废油的主体仍为合格的润滑油基础油,经过科学合理的精炼工艺处理后,变压器废油可以获得再生,并与新变压器油品质相当。因此,变压器废油的再生利用对于提高资源利用率、提升企业经济效益、保护生态环境都具有十分重要的意义,同时也符合绿色、低碳、循环和可持续发展的理念。

目前,变压器废油再生主要有以下4种工艺:一是吸附再生工艺,采用专用吸附剂吸附除去变压器废油中的悬浮物和极性化合物,改善其颜色、介质损耗因数、击穿电压等性能参数,该工艺对老化不严重的变压器废油有效,而对老化严重的变压器废油难以完全再生达到新变压器油标准[7-8];二是“酸碱精制-白土处理”组合工艺,该工艺可将老化严重的变压器废油再生达到新变压器油标准,但其再生过程会产生大量废酸碱、废水和废白土等二次污染物,造成严重环境污染,目前已被淘汰[9-10];三是“过滤-溶剂精制-白土补充精制”工艺[11-12],该工艺可以将老化严重的变压器废油再生达到新变压器油标准,但其过程也产生大量废白土污染物;四是加氢再生工艺[13],该工艺将变压器废油进行催化加氢,脱除其中的极性化合物,使其各项性能达到新变压器油标准。

废油加氢再生工艺主要用于其他废润滑油的再生,而对于变压器废油的直接加氢再生,目前尚未见成熟的工艺报道。基于此,本课题利用课题组前期开发的Ni-Mo-W加氢催化剂,对变压器废油进行催化加氢反应,考察加氢条件对变压器废油理化性质、组成的影响,优化变压器废油加氢再生工艺条件,以期为工业变压器废油再生利用提供可行的技术方案。

1 实 验

1.1 原 料

变压器废油取自湖北孝感某在用变压器,其主要理化性质见表1。由表1可以看出,该变压器废油酸值高、颜色深、介质损耗因数高、氧化安定性较差。

表1 变压器废油理化性质

加氢催化剂采用自主开发的Ni-Mo-W型润滑油加氢精制催化剂,其主要性质见表2。该催化剂在使用前需要预硫化,预硫化条件:以CS2质量分数为3%的柴油为预硫化剂,氢气压力为5.0 MPa,温度为300 ℃,体积空速为1.0 h-1,氢油体积比为500,预硫化时间为24 h。

表2 催化剂性质

1.2 变压器废油再生试验

使用50 mL高压加氢试验装置进行变压器废油加氢工艺条件考察。首先,在固定床反应器中装上加氢催化剂,然后将经过滤去除固体杂质的变压器废油进行加热,并送入固定床加氢反应器进行催化加氢试验。在催化剂作用下,变压器废油中的极性化合物发生加氢反应。反应产物经过汽提塔脱除加氢反应过程中生成的气体和轻质组分,得到再生变压器油。该加氢工艺流程见图1。

图1 变压器废油加氢工艺流程

加氢后的变压器油在测试前需在105 ℃下真空干燥60 min,去除水分和裂化的轻组分。

2 结果与讨论

2.1 反应压力对变压器废油加氢效果的影响

在反应温度为220 ℃、氢油体积比为500、体积空速为3.0 h-1的条件下,考察反应压力分别为1.0,2.0,4.0,6.0 MPa时变压器废油的加氢再生效果,结果如表3所示。由表3可知,随着反应压力升高,加氢后变压器油的密度逐渐减小,折射率逐渐变小,色号逐渐降低(由2.0降至1.0以下),特别是当反应压力达到4.0 MPa后,加氢后变压器油基本为无色。说明随着反应压力升高,芳烃加氢饱和能力提高,氧化产物加氢脱氧能力提高,变压器废油颜色变浅,芳碳率降低。考虑到加氢变压器油的理化性质以及催化剂的工业使用寿命,推荐变压器废油加氢的适宜反应压力为3.0～4.0 MPa。

表3 反应压力对变压器废油加氢效果的影响

2.2 反应温度对变压器废油加氢效果的影响

在反应压力为4.0 MPa、体积空速为3.0 h-1、氢油体积比为500的条件下,考察加氢反应温度分别为180,200,220,260 ℃时废变压器油的加氢效果,结果见表4。由表4可以看出:随着反应温度升高,加氢油的颜色越来越浅;反应温度在220～260 ℃范围内,加氢油的色号小于1,加氢脱色效果较好;当温度达到260 ℃时,加氢油的色号趋于0。这是因为温度升高有利于提高加氢反应速率,尤其是芳烃饱和、加氢脱氮、加氢脱氧等反应的反应速率得以提高,加氢脱氮、脱氧、芳烃饱和程度较高,所以加氢油颜色变浅、折射率降低、芳碳率降低。但是,温度过高会导致烃类裂化副反应增加,不利于加氢油的氧化安定性,因此在保证加氢效果的前提下应尽可能采用较低的反应温度。

表4 反应温度对变压器废油加氢效果的影响

2.3 反应空速对变压器废油加氢效果的影响

在反应压力为4.0 MPa、反应温度为220 ℃、氢油体积比为500的条件下,考察体积空速分别为1.0,2.0,3.0,4.0 h-1时变压器废油的加氢效果,结果见表5。由表5可以看出:随着空速增大,加氢油的颜色逐渐变深,密度和折射率均增大,芳碳率也呈现增加的趋势,这是因为空速越高,加氢反应时间越短,废变压器油的加氢程度越低,不饱和烃和含氮化合物的去除效果越差;在本试验条件下,当体积空速由1.0 h-1升至4.0 h-1时,加氢油的色号都在1.0以下。考虑到催化剂的使用寿命和反应器尺寸,体积空速选择2.0～3.0 h-1比较合适。

表5 反应空速对变压器废油加氢效果的影响

2.4 氢油比对变压器废油加氢效果的影响

在体积空速为3.0 h-1、反应压力为4.0 MPa、反应温度为220 ℃的条件下,考察氢油体积比分别为200,300,500时变压器废油的加氢效果,结果如表6所示。由表6可以看出:随着氢油比增大,加氢油的颜色逐渐变浅;在氢油体积比为200,300,500时,加氢油的色号都小于1;尤其在氢油体积比为500时,加氢油的色号趋近于0,几乎无色。考虑到氢油比提高会造成能耗的增加,氢油体积比以300～500为宜。

表6 氢油比对变压器废油加氢效果的影响

综上所述,最优的变压器废油加氢反应条件为:体积空速2.0～3.0 h-1,反应压力4.0 MPa,反应温度220～260 ℃,氢油体积比300～500。

2.5 变压器废油加氢反应产物

在体积空速为3.0 h-1、反应压力为4.0 MPa、反应温度为220 ℃、氢油体积比为300的条件下,对变压器废油进行加氢反应,制备得到5 L加氢油,并测定其收率、组成及理化性质,结果如表7所示。综合表1和表7可以看出,与变压器废油相比,加氢再生变压器油的氧化安定性明显提高,其旋转氧弹氧化诱导期由变压器废油的80 min提高至105 min,酸值由变压器废油的0.15 mgKOH/g降至0.006 mgKOH/g,色号由变压器废油的2.0降至0.3,多环芳烃质量分数降至1.2%,击穿电压略有降低,但均满足GB 2536—2011标准中I-10 ℃(通用)型变压器油质量指标要求,可以再次使用。

表7 变压器废油加氢再生产物的收率、组成和性质

3 结 论

(1)采用加氢法对变压器废油进行加氢再生,所得加氢再生变压器油的氧化安定性明显提高,其旋转氧弹氧化诱导期由变压器废油的80 min提高至105 min,酸值由变压器废油的0.15 mgKOH/g降至0.006 mgKOH/g,色号由变压器废油的2.0降至0.3,满足国家标准GB 2536—2011中I-10 ℃(通用)型变压器油质量指标要求。

(2)变压器废油的最优加氢反应条件为:体积空速2.0～3.0 h-1,反应压力4.0 MPa,反应温度220～260 ℃,氢油体积比300～500;同时,变压器废油的加氢反应效果表明,Ni-Mo-W型加氢精制催化剂具有良好的催化性能。