電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油的研究

揭斌華，吳曉濤，林國(guó)就，王鵬，王雪梅

(1.中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011;2.茂名市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 茂名 525000)

0 引言

近年來(lái)，隨著環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的燃煤、燃油、燃生物質(zhì)鍋爐導(dǎo)熱油鍋爐因尾氣排放等問(wèn)題關(guān)停或整改而減少。電加熱導(dǎo)熱油具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少，無(wú)需在相關(guān)監(jiān)管部門(mén)報(bào)備等特點(diǎn)，迅速得到廣泛應(yīng)用[1]。

電加熱導(dǎo)熱油系統(tǒng)存在眾多隱患，易引發(fā)火災(zāi)等安全事故：1)系統(tǒng)安裝不合理，高位槽大小、高度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致高溫導(dǎo)熱油長(zhǎng)期與空氣接觸，加速導(dǎo)熱油的氧化、結(jié)焦等；2)使用過(guò)程中，容易發(fā)生系統(tǒng)泄露、噴油、冒白煙等現(xiàn)象；3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)熱油流速小，存在加熱盲區(qū)，造成導(dǎo)熱油受熱不均勻、局部過(guò)熱；4)電加熱系統(tǒng)單位能量高，電加熱絲表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)導(dǎo)熱油的最高允許油膜溫度，因超溫使用而加速導(dǎo)熱油的裂解、失效等[2]。因此，電加熱導(dǎo)熱油系統(tǒng)苛刻的工況對(duì)導(dǎo)熱油的熱氧化安定性、熱穩(wěn)定性、閃點(diǎn)、自燃點(diǎn)、餾程等性能提出了更高的要求，尤其是導(dǎo)熱油應(yīng)具有優(yōu)異的高溫?zé)嵫趸捕ㄐ?，抑制高溫氧化，減緩結(jié)焦，延長(zhǎng)使用壽命。

本文通過(guò)熱穩(wěn)定性、熱氧化安定性等試驗(yàn)評(píng)定對(duì)基礎(chǔ)油、添加劑進(jìn)行篩選，旨在開(kāi)發(fā)一款高溫?zé)嵫趸捕ㄐ阅軆?yōu)異的電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油，并與參比油開(kāi)展理化性能、應(yīng)用跟蹤對(duì)比，實(shí)現(xiàn)電加熱導(dǎo)熱油系統(tǒng)的安全可靠、長(zhǎng)期高效運(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)原料見(jiàn)表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表2所示。

表2 主要所需實(shí)驗(yàn)儀器

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)油的確定

分別對(duì)Ⅰ基礎(chǔ)油、Ⅱ基礎(chǔ)油的黏度、傾點(diǎn)、密度等理化性質(zhì)進(jìn)行分析，并與參比油進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 基礎(chǔ)油的主要理化性質(zhì)

從表3來(lái)看，Ⅰ基礎(chǔ)油和Ⅱ基礎(chǔ)油均滿(mǎn)足GB 23971-2009《有機(jī)熱載體》[3]產(chǎn)品理化指標(biāo)要求，但與參比油相比較，Ⅱ基礎(chǔ)油初餾點(diǎn)高、閃點(diǎn)高、安全性能更優(yōu)越，更適用于電加熱系統(tǒng)，且具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)硫含量低，顏色淡、無(wú)臭、無(wú)刺激性氣味，滿(mǎn)足綠色環(huán)保產(chǎn)品要求，保障使用者的健康與安全。

(2)2%初餾點(diǎn)高，閃點(diǎn)高，在使用過(guò)程中可減少油品揮發(fā)消耗、不易發(fā)生冒煙等。

(3)自燃點(diǎn)高，安全性能更優(yōu)異。

2.2 熱氧化安定性試驗(yàn)

按照GB/T 23971-2009附錄C的要求，通過(guò)考察抗氧劑、分散劑、清凈劑對(duì)Ⅱ基礎(chǔ)油熱氧化安定性能的影響，確定最佳的配方，并與參比油進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 不同抗氧劑對(duì)導(dǎo)熱油熱氧化安定性的影響

抗氧劑按照作用機(jī)理和使用溫度的不同而有不同的選擇。由于電加熱導(dǎo)熱油系統(tǒng)使用溫度往往超過(guò)150 ℃，對(duì)抗氧劑提出非常高的要求，因此，分別在Ⅱ加氫基礎(chǔ)油中，加入0.2%分散劑B、0.2%清凈劑C，分別加入0.6%的A(胺型抗氧劑)、E(胺型抗氧劑)、F(胺型抗氧劑)、G(酚型抗氧劑)、H(酚型抗氧劑)，考察不同類(lèi)型的抗氧劑對(duì)熱氧化安定性的影響。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 抗氧劑對(duì)熱氧化安定性的影響

從表4來(lái)看，不同類(lèi)型的抗氧劑對(duì)熱氧化安定性的影響差異較大，而胺型抗氧劑的抗氧化性能優(yōu)于酚型抗氧劑，這是由于試驗(yàn)溫度為175 ℃，而酚型抗氧劑超過(guò)90 ℃時(shí)容易分解。同時(shí)，A抗氧劑與Ⅱ基礎(chǔ)油的配伍性最佳，酸值增加、黏度增長(zhǎng)、沉渣最小。

2.2.2 利用正交分析確定最佳導(dǎo)熱油配方

(1)確定因素波動(dòng)范圍

抗氧劑A加入量：0.3%～0.9%。

分散劑B加入量：0.1%～0.3%。

清凈劑C加入量：0%～0.2%。

(2)確定考察指標(biāo)

考察添加劑對(duì)基礎(chǔ)油熱氧化安定性的影響，即酸值增加、黏度增長(zhǎng)、沉渣的變化情況。

(3)確定因素水平(見(jiàn)表5)

表5 因素水平

(4)選定正交表進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)

從因素水平表來(lái)看，為3因素3水平，選用L9(34)正交表，結(jié)果見(jiàn)表6～表8。

表6 酸值增加因素水平表的設(shè)計(jì)

表7 黏度增長(zhǎng)因素水平表的設(shè)計(jì)

表8 沉渣因素水平表的設(shè)計(jì)

從表6酸值增加的正交分析來(lái)看，因素主次順序?yàn)锳>C>B，最佳方案為A2B3C3，而正交試驗(yàn)的最佳方案為A2B2C3。

從表7黏度增長(zhǎng)的正交分析來(lái)看，因素主次順序?yàn)锳>C>B，與正交試驗(yàn)的最佳方案均為A2B2C3。

從表8沉渣的正交分析來(lái)看，因素主次順序?yàn)锳>B>C，最佳方案為A2B3C3，而正交試驗(yàn)的最佳方案為A2B2C3。

(5)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了與正交試驗(yàn)選出的最佳方案進(jìn)行對(duì)比，用A2B3C3方案和A2B2C3方案各做一次驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果

從表9來(lái)看，A2B3C3方案和A2B2C3方案中的酸值增加與沉渣相差不大，而黏度增長(zhǎng)A2B2C3方案優(yōu)于A2B3C3方案，同時(shí)考慮到添加劑的成本，因此，確定最佳方案為A2B2C3方案，即以Ⅱ基礎(chǔ)油為原料，加入0.6%抗氧劑A、0.2%分散劑B、0.2%清凈劑C制得電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油。

2.2.3 與參比油的對(duì)比

在相同的氧化試驗(yàn)條件下，所研制的電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油的熱氧化安定性能與參比油的對(duì)比情況見(jiàn)表10。

表10 熱氧化安定性能對(duì)比

從表10來(lái)看，研制油與參比油的熱氧化安定性能均滿(mǎn)足GB 23971-2009的指標(biāo)要求，但研制油的熱氧化安定性數(shù)據(jù)全面優(yōu)于參比油。這是由于Ⅱ基礎(chǔ)油是由加氫異構(gòu)工藝制得，其中鏈狀烴、飽和烴含量高，而參比油為普通加氫精制基礎(chǔ)油，其含有部分環(huán)烴組分，環(huán)烴在高溫下氧化形成大分子的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，從而對(duì)沉渣、黏度造成影響[4]。

2.3 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 23800-2009的要求，將一定量的電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油、參比油分別盛入玻璃安瓶中，在300 ℃溫度下試驗(yàn)720 h。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察油品外觀，并對(duì)試驗(yàn)前后的低沸物、高沸物、變質(zhì)率進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 熱穩(wěn)定性試驗(yàn) %

從表11來(lái)看，電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油的外觀、低沸物、高沸物、變質(zhì)率均優(yōu)于參比油，且數(shù)值遠(yuǎn)低于GB 23971-2009的指標(biāo)要求，說(shuō)明電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油抗高溫安定性更優(yōu)異，在試驗(yàn)溫度下不易發(fā)生裂解反應(yīng)和縮合反應(yīng)[5]。

2.4 實(shí)際應(yīng)用情況

某塑膠公司兩套75 kW電加熱導(dǎo)熱油系統(tǒng)，于2019年4月分別使用700 kg開(kāi)發(fā)的電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油、參比油導(dǎo)熱油，使用溫度為220 ℃。使用半年后，分別對(duì)在用油主要理化性能指標(biāo)進(jìn)行分析，并與GB 24747-2009《有機(jī)熱載體安全技術(shù)條件》[6]在用導(dǎo)熱油的質(zhì)量指標(biāo)要求進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表12。

表12 在用導(dǎo)熱油的分析數(shù)據(jù)

從表12的分析數(shù)據(jù)來(lái)看，使用半年的電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油的運(yùn)動(dòng)黏度、閉口閃點(diǎn)、殘?zhí)?、酸值指?biāo)均滿(mǎn)足GB 24747-2009《有機(jī)熱載體安全技術(shù)條件》的允許使用質(zhì)量指標(biāo)，遠(yuǎn)低于停止使用質(zhì)量指標(biāo)，且明顯優(yōu)于參比油。同時(shí)，使用后電加熱絲表面光滑，未出現(xiàn)附著現(xiàn)象，說(shuō)明電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油抗高溫氧化性能優(yōu)異，具有突出的沉渣控制能力，使用過(guò)程中酸值、殘?zhí)枯^小，可減緩沉渣物質(zhì)對(duì)用熱設(shè)備、管道及過(guò)濾器等的影響，延長(zhǎng)導(dǎo)熱油及系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。

3 結(jié)論

(1)Ⅱ類(lèi)基礎(chǔ)油的黏度、傾點(diǎn)、密度等理化性質(zhì)和熱氧化安定性、熱穩(wěn)定性等均滿(mǎn)足GB 23971-2009 L-QB300導(dǎo)熱油的指標(biāo)要求，是電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油適宜的原料。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)添加劑進(jìn)行篩選，確定電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油最佳配方為：0.6%抗氧劑A1、0.2%分散劑B、0.2%清凈劑C。

(3)以Ⅱ基礎(chǔ)油為原料的電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油熱氧化安定性、熱穩(wěn)定性能優(yōu)異，在相同試驗(yàn)條件下，指標(biāo)均優(yōu)于參比油。

(4)電加熱專(zhuān)用導(dǎo)熱油在實(shí)際電加熱系統(tǒng)安全使用半年，其抗高溫氧化性能優(yōu)異，酸值、殘?zhí)枯^小，滿(mǎn)足電加熱系統(tǒng)安全運(yùn)行要求，得到客戶(hù)的認(rèn)可。