煤焦油基變壓器油產(chǎn)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(tǒng)中極其重要的輸變電設(shè)備,其發(fā)展與電力工業(yè)的整體發(fā)展密切相關(guān)。隨著國內(nèi)人民生活水平的提高,電力行業(yè)發(fā)展迅速。據(jù)國家電網(wǎng)最新公開的數(shù)據(jù)截至2020年底,中國已經(jīng)建成了“14交16直”,在建“2交3直”共計(jì)35個(gè)特高壓項(xiàng)目,在運(yùn)、在建特高壓線路總長度4.8萬km。據(jù)《中國能源報(bào)》報(bào)道,“十四五”期間,國網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)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(zhàn)略的開啟,超高壓、特高壓項(xiàng)目在國外正在不斷落地、走出國門實(shí)現(xiàn)海外創(chuàng)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(chǎng)前景給變壓器油發(fā)展帶來了良好的機(jī)遇[1]。

環(huán)烷基原油作為最適宜生產(chǎn)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(chǎn)公司都使用以環(huán)烷基原油生產(chǎn)的變壓器油。我國環(huán)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(qū),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(nèi)供給。其他的變壓器油廠商基本需要依靠南美等地區(qū)的原油進(jìn)口[2]。

結(jié)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(fā)展來看以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變,煤焦油是煤炭熱解過程中產(chǎn)生的液相副產(chǎn)品,芳烴含量較高,經(jīng)過多種加氫反應(yīng)的耦合,可以使產(chǎn)品做到無硫、無氮、極低金屬含量的水平,加氫后的產(chǎn)品中含有大量的環(huán)烷烴和異構(gòu)烷烴組分,可作為物理、化學(xué)性能、電氣性能優(yōu)異的高檔變壓器油使用。

1 煤焦油加氫發(fā)展歷程

煤焦油深加工始于20世紀(jì)的歐洲,二戰(zhàn)期間德國和日本為了滿足戰(zhàn)爭(zhēng)需求曾利用煤焦油來制取動(dòng)力燃料,二戰(zhàn)以后,由于石油資源的不斷開發(fā)利用,使得煤焦油的加工同其他煤炭液相轉(zhuǎn)化技術(shù)一樣進(jìn)入停滯階段。直至20世紀(jì)后期石油危機(jī)爆發(fā),煤焦油加工的經(jīng)濟(jì)性逐漸好轉(zhuǎn),國內(nèi)外才又對(duì)這一技術(shù)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(lǐng)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(zhuǎn)化技術(shù)[3]。

我國從20世紀(jì)60年代由中石化撫順院負(fù)責(zé)展開煤焦油加氫制取煤油的研究,先后開發(fā)了一段、兩段聯(lián)合加氫工藝以及相關(guān)的加氫精制、加氫裂化催化劑。進(jìn)入21世紀(jì),由于煤焦油加氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的顯現(xiàn),先后出現(xiàn)了神木天元、東鑫垣延遲焦化-固定床加氫組合技術(shù),神木富油、新疆宣力、宣東煤焦油全餾分固定床加氫技術(shù),寶舜、河南利源蒽油加氫技術(shù),延長石油懸浮床加氫(VCC)技術(shù)及陜西精益、新疆信匯峽沸騰床加氫技術(shù)等[4],相比于其他工藝,煤焦油全餾分固定床加氫技術(shù)具有投資少、操作簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化率高、液相收率高等優(yōu)點(diǎn)[5]。

神木富油能源科技有限公司歷時(shí)十多年先后成功開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“煤焦油全餾分加氫多產(chǎn)中間餾分油成套工業(yè)技術(shù)(FTH)”和“中低溫煤焦油全餾分加氫制環(huán)烷基特種油品成套工業(yè)化技術(shù)(SM-FU)”并成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。多年來,利用FTH、SM-FU技術(shù)對(duì)中低溫煤焦油進(jìn)行深度轉(zhuǎn)化,持續(xù)推進(jìn)系列特種油品的研制開發(fā),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(jìn)展。利用煤焦油轉(zhuǎn)化油進(jìn)一步深度加氫制備富含氫化芳烴和環(huán)烷烴的高端變壓器油,試圖進(jìn)一步延伸煤焦油加氫產(chǎn)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(yīng)器內(nèi)氫氣存在條件下將焦油中的重質(zhì)組分輕質(zhì)化,含硫、氮、氧的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為硫化氫、氨氣和水,含金屬元素的有機(jī)物中金屬通過化學(xué)鍵斷裂脫離原有機(jī)物沉積到催化劑上,不飽和化學(xué)鍵通過氫原子的插入變?yōu)轱柡突瘜W(xué)鍵等。反應(yīng)器內(nèi)裝填具有雜質(zhì)沉積、金屬脫除、瀝青質(zhì)脫除、加氫脫硫、加氫脫氧、加氫脫氮、重質(zhì)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(jìn)一步汽提分餾,即可得到目標(biāo)產(chǎn)品汽油、柴油、尾油餾分[5-8]。

煤焦油深度轉(zhuǎn)化是將煤焦油在氫氣條件下與催化劑進(jìn)行接觸,脫除掉油相中的硫、氮、氧、金屬離子等雜質(zhì)組分,將油相中的重質(zhì)芳烴、炔烴、烯烴等不飽和烴類進(jìn)行加氫飽和,使油品中的直鏈烷烴或者分子中的直鏈結(jié)構(gòu)通過碳碳鍵的斷裂重排轉(zhuǎn)化為異構(gòu)烷烴或者分子中的支鏈結(jié)構(gòu),同時(shí)將異構(gòu)過程中產(chǎn)生的不飽和烴類進(jìn)行深度飽和,最終可以將產(chǎn)品油中的硫、氮、金屬離子、重質(zhì)芳烴等含量降至10-6甚至10-9水平。煤焦油經(jīng)過多種加氫反應(yīng)的耦合,可以使產(chǎn)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(huán)烷烴、異構(gòu)烷烴含量較高,使其同時(shí)呈現(xiàn)出良好的低溫流動(dòng)性和高氧化安定性。煤焦油作為一種在國內(nèi)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(zhì),通過其逐級(jí)轉(zhuǎn)化來生產(chǎn)潔凈的特種燃料和化工品是促進(jìn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用的有效途徑之一,同時(shí)也對(duì)制備高品質(zhì)電氣用油具有很高的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。

3 產(chǎn)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(shù)、新裝備、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)為一體的“50萬t/a煤焦油全餾分加氫制環(huán)烷基油裝置”,充分發(fā)揮煤焦油深度加氫油品的優(yōu)異品質(zhì),開展了變壓器油新產(chǎn)品的研究,先后歷經(jīng)小試、中試、工業(yè)試制以及批量化生產(chǎn),工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)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(chǎn)中間餾分油成套工業(yè)技術(shù)(FTH)”、“中低溫煤焦油全餾分加氫制環(huán)烷基特種油品成套工業(yè)化技術(shù)(SM-FU)”制備的煤焦油基變壓器油,通過三段加氫反應(yīng)(煤焦油全餾分加氫、加氫改質(zhì)、補(bǔ)充精制)實(shí)現(xiàn)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(zhì)及不安定組分,最終可以將產(chǎn)品油中的硫、氮、金屬離子、稠環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等含量降至10-6甚至10-6水平,大量環(huán)烷烴和異構(gòu)烷烴組分的存在、正構(gòu)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(zhuǎn)化制得的變壓器油系列產(chǎn)品主要性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平,可供高端變壓器使用,主要產(chǎn)品性質(zhì)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(jīng)過三段高壓加氫工藝,制備出U-30(通用型)變壓器油產(chǎn)品,其性質(zhì)見表1。

從表1中可以看出,由煤焦油深度轉(zhuǎn)化得到的變壓器油滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》標(biāo)準(zhǔn)中U-30(通用型)變壓器油要求,物理、化學(xué)性能、電氣性能優(yōu)異,可作為普通電力行業(yè)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(jīng)過三段高壓加氫工藝,加入微量高效添加劑復(fù)配后制備出U-30(通用型)變壓器油產(chǎn)品,其性質(zhì)見表2。

表2 富油科技T-30(通用型)變壓器油產(chǎn)品性質(zhì)

從表2可以看出,由煤焦油深度轉(zhuǎn)化,加入微量高效添加劑復(fù)配后得到的變壓器油滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》標(biāo)準(zhǔn)中T-30(通用型)型變壓器油要求,低溫流動(dòng)性能優(yōu)異,不含糠醛、多氯聯(lián)苯,稠環(huán)芳烴含量小于1%,屬清潔環(huán)保油品,硫含量低,可減少對(duì)銅等金屬的腐蝕以及硫在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)楦g性硫的可能性,該油品具有良好的析氣性能,優(yōu)異的氧化安定性能,適用于變壓器的長周期運(yùn)行,推薦用于電壓等級(jí)在330 kV及以下的變壓器以及有類似要求的電氣設(shè)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(jīng)過三段高壓加氫工藝,加入高效添加劑復(fù)配后制備出I-30(特殊型)變壓器油產(chǎn)品,其性質(zhì)見表3。

表3 富油科技 I-30(特殊型)變壓器油產(chǎn)品性質(zhì)

從表3中可以看出,由煤焦油深度轉(zhuǎn)化,加入高效添加劑復(fù)配后得到的變壓器油(1)具有較低運(yùn)動(dòng)黏度,散熱性能良好;(2)具有較高的擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)較低、析氣性能良好,可防止發(fā)生氣體間隙放電使電氣設(shè)備發(fā)生故障;(3)低溫流動(dòng)性能優(yōu)異,有利于電氣設(shè)備低溫冷啟動(dòng);(4)產(chǎn)品油環(huán)烷烴、異構(gòu)烷烴含量較高,正構(gòu)烷烴相對(duì)較少低,抗氧化性能極好,溶解性能良好,適宜長周期運(yùn)行(5)產(chǎn)品油閃點(diǎn)在140 ℃以上,不含糠醛、多氯聯(lián)苯,稠環(huán)芳烴含量小于1%,屬清潔環(huán)保油品。可以滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》標(biāo)準(zhǔn)中I-30(特殊型)變壓器油要求,且其物理、化學(xué)性能、電氣性能等均能夠滿足直流換流變壓器油質(zhì)量指標(biāo),性能與中石油昆侖牌KI50X、中海油海疆HID-50性能相當(dāng),推薦用于電壓等級(jí)330 kV及以上的電氣設(shè)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(shè)備,也可以用于超高壓交流、特高壓交流等電氣設(shè)備。

4 結(jié)論

(1)以中低溫煤焦油為原料,使用FTH、SM-FU技術(shù)制備的變壓器油滿足GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》標(biāo)準(zhǔn)中U-30(通用型)變壓器油要求,可作為普通電力行業(yè)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(shù)制備,加入微量高效添加劑復(fù)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(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》標(biāo)準(zhǔn)中T-30(通用型)型變壓器油要求,推薦用于電壓等級(jí)在330 kV及以下的變壓器以及有類似要求的電氣設(shè)備中。

(3)以中低溫煤焦油全餾分為原料,使用FTH、SM-FU技術(shù)制備,加入高效添加劑復(fù)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(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量指標(biāo),推薦用于電壓等級(jí)330 kV及以上的電氣設(shè)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(shè)備,也可以用于超高壓交流、特高壓交流等電氣設(shè)備。