康志华,王智荣,白云冈,任帅,李旭涛,邓斗亮,李斌

(神木富油能源科技有限公司,陕西 神木 719319)

变压器是电力系统中极其重要的输变电设备,其发展与电力工业的整体发展密切相关。随着国内人民生活水平的提高,电力行业发展迅速。据国家电网最新公开的数据截至2020年底,中国已经建成了“14交16直”,在建“2交3直”共计35个特高压项目,在运、在建特高压线路总长度4.8万km。据《中国能源报》报道,“十四五”期间,国网规划建设特高压线路“24交14直”,涉及线路超过3万km,变电换流容量3.4亿kVA,总投资3 800亿元。伴随“一带一路”战略的开启,超高压、特高压项目在国外正在不断落地、走出国门实现海外创收,与其配套的变压器及变压器油需求量也在日益上升,广阔的市场前景给变压器油发展带来了良好的机遇[1]。

环烷基原油作为最适宜生产变压器油的组分,全球变压器制造商,例如ABB、阿尔斯通等大型变压器生产公司都使用以环烷基原油生产的变压器油。我国环烷基原油资源短缺,油源主要集中于新疆克拉玛依以及绥中等地区,仅克拉玛依石化、辽河石化等中石油炼厂以及泰州、滨州等中海油炼厂具备原料的国内供给。其他的变压器油厂商基本需要依靠南美等地区的原油进口[2]。

结合我国缺油、少气、富煤的资源禀赋,我国油气供求矛盾将长期存在,从长期发展来看以煤炭为主的能源消费结构短期内难以改变,煤焦油是煤炭热解过程中产生的液相副产品,芳烃含量较高,经过多种加氢反应的耦合,可以使产品做到无硫、无氮、极低金属含量的水平,加氢后的产品中含有大量的环烷烃和异构烷烃组分,可作为物理、化学性能、电气性能优异的高档变压器油使用。

1 煤焦油加氢发展历程

煤焦油深加工始于20世纪的欧洲,二战期间德国和日本为了满足战争需求曾利用煤焦油来制取动力燃料,二战以后,由于石油资源的不断开发利用,使得煤焦油的加工同其他煤炭液相转化技术一样进入停滞阶段。直至20世纪后期石油危机爆发,煤焦油加工的经济性逐渐好转,国内外才又对这一技术重新重视起来。目前,美国SGI公司、UOP公司、加拿大国家能源研究所Canmet ENERGY、美国Chevron公司、法国AXENS公司等都在煤焦油加氢领域都有所突破,形成了如LC-Fining、H-Oil/H-Oil、MCAT等一系列的煤焦油加氢转化技术[3]。

我国从20世纪60年代由中石化抚顺院负责展开煤焦油加氢制取煤油的研究,先后开发了一段、两段联合加氢工艺以及相关的加氢精制、加氢裂化催化剂。进入21世纪,由于煤焦油加氢技术经济性的显现,先后出现了神木天元、东鑫垣延迟焦化-固定床加氢组合技术,神木富油、新疆宣力、宣东煤焦油全馏分固定床加氢技术,宝舜、河南利源蒽油加氢技术,延长石油悬浮床加氢(VCC)技术及陕西精益、新疆信汇峡沸腾床加氢技术等[4],相比于其他工艺,煤焦油全馏分固定床加氢技术具有投资少、操作简单、转化率高、液相收率高等优点[5]。

神木富油能源科技有限公司历时十多年先后成功开发出拥有自主知识产权的“煤焦油全馏分加氢多产中间馏分油成套工业技术(FTH)”和“中低温煤焦油全馏分加氢制环烷基特种油品成套工业化技术(SM-FU)”并成功实现了工业化。多年来,利用FTH、SM-FU技术对中低温煤焦油进行深度转化,持续推进系列特种油品的研制开发,在高档白油、高端变压器油、橡胶增塑剂、航空、航天[6]、军用油品等多方面均取得了一定的进展。利用煤焦油转化油进一步深度加氢制备富含氢化芳烃和环烷烃的高端变压器油,试图进一步延伸煤焦油加氢产品链。

2 煤焦油加氢原理

煤焦油加氢是指煤热解所得的焦油或其某一馏分段油品,在反应器内氢气存在条件下将焦油中的重质组分轻质化,含硫、氮、氧的有机物转化为硫化氢、氨气和水,含金属元素的有机物中金属通过化学键断裂脱离原有机物沉积到催化剂上,不饱和化学键通过氢原子的插入变为饱和化学键等。反应器内装填具有杂质沉积、金属脱除、沥青质脱除、加氢脱硫、加氢脱氧、加氢脱氮、重质芳烃饱和、加氢裂化等功能的催化剂,加氢后油品通过热、冷高低分分离后进一步汽提分馏,即可得到目标产品汽油、柴油、尾油馏分[5-8]。

煤焦油深度转化是将煤焦油在氢气条件下与催化剂进行接触,脱除掉油相中的硫、氮、氧、金属离子等杂质组分,将油相中的重质芳烃、炔烃、烯烃等不饱和烃类进行加氢饱和,使油品中的直链烷烃或者分子中的直链结构通过碳碳键的断裂重排转化为异构烷烃或者分子中的支链结构,同时将异构过程中产生的不饱和烃类进行深度饱和,最终可以将产品油中的硫、氮、金属离子、重质芳烃等含量降至10-6甚至10-9水平。煤焦油经过多种加氢反应的耦合,可以使产品做到无硫、无氮、极低金属含量的水平,加氢后的油品中由于环烷烃、异构烷烃含量较高,使其同时呈现出良好的低温流动性和高氧化安定性。煤焦油作为一种在国内来源极其广泛的原料,具有与煤液化生成油极其相似的性质,通过其逐级转化来生产洁净的特种燃料和化工品是促进煤炭清洁高效转化利用的有效途径之一,同时也对制备高品质电气用油具有很高的研究价值和实际意义。

3 产品特性

近年来,神木富油能源科技有限公司依托全球首套集能源新技术、新装备、新产业、新业态为一体的“50万t/a煤焦油全馏分加氢制环烷基油装置”,充分发挥煤焦油深度加氢油品的优异品质,开展了变压器油新产品的研究,先后历经小试、中试、工业试制以及批量化生产,工业产品质量稳定,以中低温煤焦油全馏分为原料,使用“煤焦油全馏分加氢多产中间馏分油成套工业技术(FTH)”、“中低温煤焦油全馏分加氢制环烷基特种油品成套工业化技术(SM-FU)”制备的煤焦油基变压器油,通过三段加氢反应(煤焦油全馏分加氢、加氢改质、补充精制)实现了煤焦油中不饱和组分的超深度加氢,几乎全部脱除了油品中的有害杂质及不安定组分,最终可以将产品油中的硫、氮、金属离子、稠环芳烃、多氯联苯等含量降至10-6甚至10-6水平,大量环烷烃和异构烷烃组分的存在、正构烷烃含量少,使其具有良好的电气绝缘性能、低温性能、散热性能、氧化安定性、适宜的溶解性,利用煤焦油深度转化制得的变压器油系列产品主要性能指标达到国内先进水平,可供高端变压器使用,主要产品性质见表1。

3.1 富油科技U-30(通用型)变压器油

以中低温煤焦油全馏分为原料,经过三段高压加氢工艺,制备出U-30(通用型)变压器油产品,其性质见表1。

从表1中可以看出,由煤焦油深度转化得到的变压器油满足GB 2536—2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》标准中U-30(通用型)变压器油要求,物理、化学性能、电气性能优异,可作为普通电力行业变压器油使用。

3.2 富油科技T-30(通用型)变压器油

以中低温煤焦油全馏分为原料,经过三段高压加氢工艺,加入微量高效添加剂复配后制备出U-30(通用型)变压器油产品,其性质见表2。

表2 富油科技T-30(通用型)变压器油产品性质

从表2可以看出,由煤焦油深度转化,加入微量高效添加剂复配后得到的变压器油满足GB 2536—2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》标准中T-30(通用型)型变压器油要求,低温流动性能优异,不含糠醛、多氯联苯,稠环芳烃含量小于1%,属清洁环保油品,硫含量低,可减少对铜等金属的腐蚀以及硫在高温下转变为腐蚀性硫的可能性,该油品具有良好的析气性能,优异的氧化安定性能,适用于变压器的长周期运行,推荐用于电压等级在330 kV及以下的变压器以及有类似要求的电气设备中。

3.3 富油科技I-30(特殊型)变压器油

以中低温煤焦油全馏分为原料,经过三段高压加氢工艺,加入高效添加剂复配后制备出I-30(特殊型)变压器油产品,其性质见表3。

表3 富油科技 I-30(特殊型)变压器油产品性质

从表3中可以看出,由煤焦油深度转化,加入高效添加剂复配后得到的变压器油(1)具有较低运动黏度,散热性能良好;(2)具有较高的击穿电压、介质损耗因数较低、析气性能良好,可防止发生气体间隙放电使电气设备发生故障;(3)低温流动性能优异,有利于电气设备低温冷启动;(4)产品油环烷烃、异构烷烃含量较高,正构烷烃相对较少低,抗氧化性能极好,溶解性能良好,适宜长周期运行(5)产品油闪点在140 ℃以上,不含糠醛、多氯联苯,稠环芳烃含量小于1%,属清洁环保油品。可以满足GB 2536—2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》标准中I-30(特殊型)变压器油要求,且其物理、化学性能、电气性能等均能够满足直流换流变压器油质量指标,性能与中石油昆仑牌KI50X、中海油海疆HID-50性能相当,推荐用于电压等级330 kV及以上的电气设备,如超高压直流换流变压器、特高压直流换流变压器等电气设备,也可以用于超高压交流、特高压交流等电气设备。

4 结论

(1)以中低温煤焦油为原料,使用FTH、SM-FU技术制备的变压器油满足GB 2536—2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》标准中U-30(通用型)变压器油要求,可作为普通电力行业变压器用油。

(2))以中低温煤焦油全馏分为原料,使用FTH、SM-FU技术制备,加入微量高效添加剂复配后制备出的变压器油满足GB 2536-2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》标准中T-30(通用型)型变压器油要求,推荐用于电压等级在330 kV及以下的变压器以及有类似要求的电气设备中。

(3)以中低温煤焦油全馏分为原料,使用FTH、SM-FU技术制备,加入高效添加剂复配后制备出的变压器油满足GB 2536—2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》标准中I-30(特殊型)型变压器油要求,且满足直流换流变压器油质量指标,推荐用于电压等级330 kV及以上的电气设备,如超高压直流换流变压器、特高压直流换流变压器等电气设备,也可以用于超高压交流、特高压交流等电气设备。