聯(lián)合新型多孔吸附劑和靜電濾油技術(shù)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(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

汽輪機油主要由烷烴、環(huán)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(zhì)等因素的影響，逐漸劣化導致油品理化性能下降，甚至產(chǎn)生漆膜和油泥等老化物質(zhì)[1-3]， 影響到機組的安全運行。

目前，針對汽輪機油現(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)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(shù)的關(guān)鍵和核心，一直是該領(lǐng)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(chǎn)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(zhì)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(yōu)點是： 過濾精度非常高， 可去除油中的微小的顆粒雜質(zhì)如膠泥、膠質(zhì)、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(yōu)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(lián)合新型多孔吸附劑和靜電濾油技術(shù)，既能去除油中固體顆粒雜質(zhì)，又能吸附溶解在油中的劣化產(chǎn)物，能很好地解決汽輪機油的污染問題，不僅可以實現(xiàn)劣化油的回收利用，還能保護環(huán)境，帶來顯著的經(jīng)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(yè)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(diào)節(jié)漿液的pH值為6～7。將漿液放入不銹鋼反應釜中，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)，y是Al2O3的分子數(shù)，z是SiO2的分子數(shù)，n是稀土Re的分子數(shù)。

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(chǎn)生空位等缺陷，使內(nèi)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(wěn)定性和吸附性能。

高嶺土具有層鏈狀結(jié)構(gòu)，有較強的吸附能力和黏因結(jié)力，且親水疏油，本發(fā)明經(jīng)過酸活化改性處理后，可疏通微孔，去除雜質(zhì)，提高其活性基團的種類和數(shù)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(zhì)，吸附飽和后不容易破碎，是一種性能優(yōu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)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(tài)的劣化產(chǎn)物。

2 現(xiàn)場處理

江蘇某電廠一臺135 MW抽凝式發(fā)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(chǎn)生大量油泥，顆粒污染度超過12級，漆膜傾向指數(shù)(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(lián)合新型多孔吸附劑和靜電濾油處理技術(shù)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(wǎng)電極式結(jié)構(gòu)，集粒體是由相互絕緣的金屬網(wǎng)電極和纖維介質(zhì)卷成的柱狀結(jié)構(gòu)。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(zhì)等，再通過吸附濾筒，去除油中的溶解態(tài)劣化產(chǎn)物，流量為20 L/min，連續(xù)過濾96 h，見圖1。

圖1 現(xiàn)場處理實物

3 結(jié)果分析

3.1 劣化油再生比對結(jié)果分析

如圖2所示 ，再生處理后的潤滑油顏色由深黃色變?yōu)榈S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(zhì)、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(jié)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(jīng)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(shù)(MPC)由26.3降低到1.2，主要是吸附劑對劣化油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、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(jié)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(xiàn)明顯的吸收峰，尤其是波數(shù)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(xiàn)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(shù)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(jīng)出現(xiàn)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(shù)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(huán)C=C振動峰完全相同,這是由于礦物油中主要元素C、H構(gòu)成分子的基本構(gòu)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(qū)間內(nèi), 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(zhì)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(chǎn)生的不飽和烴類物質(zhì)，且不損傷油品的基本成分，有較好的選擇性吸附能力。

4 結(jié)論

(1)新型多孔吸附劑具有優(yōu)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(chǎn)生的不飽和烴類物質(zhì)，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(xiàn)場聯(lián)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(zhì)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(shù)(MPC)下降明顯。