联合新型多孔吸附剂和静电滤油技术再生处理劣化汽轮机油的试验研究

窦鹏,黄燕,车美美,周义凤

(江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

汽轮机油主要由烷烃、环烷烃和少量芳香烃组成，在运行过程中由于受到水分、温度、杂质等因素的影响，逐渐劣化导致油品理化性能下降，甚至产生漆膜和油泥等老化物质[1-3]， 影响到机组的安全运行。

目前，针对汽轮机油现场再生处理，一般采用吸附法[4]，包括吸附剂法和电吸附法。因汽轮机油的劣化产物主要为羟基类、羧基类、羰基类等极性化合物， 这些极性化合物具有较大的偶极矩， 极易被极性分子吸附剂吸附而予以去除[5-6]。而传统的吸附剂如硅胶、硅藻土、分子筛、801吸附剂和活性氧化铝等，用于油品再生时效果不佳[7]。因此，吸附剂作为吸附处理技术的关键和核心，一直是该领域研究的热点[8-13]。电吸附法主要包括平衡电荷吸附和静电吸附，静电滤油的原理是利用在电极上施加高压直流电(10 kV)， 电极间产生高压电场， 带电粒子被吸引到相反极性的电极上， 不带电的中性污染物则沿着电力线被吸引到就近的电极上。静电滤油机同时利用电气迁移、介质迁移这2 种电气特性， 可以高效地捕集所有的颗粒污染物。静电滤油机的优点是： 过滤精度非常高， 可去除油中的微小的颗粒杂质如胶泥、胶质、氧化物等，最高可达0.03 μm。缺点是：一次通过的油液净化效率较低， 油液流过静电滤油机的速度不宜太快， 否则将降低净化效果。当油中存在游离水时， 必须利用其他手段先去除游离水， 再进行静电滤油[14]。

平衡电荷式滤油机是让油分两路走，分别在两路中放置正负电极，一路加载正电荷，一路加载负电荷，油液中的污染物通过后会分别带上正负电荷，分别带上正负电荷的污染物再次混合时会相互集聚抱团长大，这些微小的不易被滤芯拦截的颗粒物长大后就很容易被捕捉拦截掉。平衡电荷滤油机的优点是：过滤精度较高，可以达到0.1 μm；缺点是：一次通过的油液净化效率较低， 油液流过装置的速度不宜太快， 否则影响净化效果[15]。

联合新型多孔吸附剂和静电滤油技术，既能去除油中固体颗粒杂质，又能吸附溶解在油中的劣化产物，能很好地解决汽轮机油的污染问题，不仅可以实现劣化油的回收利用，还能保护环境，带来显著的经济效益和社会效益。

1 新型多孔吸附剂的制备

1.1 试剂

水玻璃(工业级)、偏铝酸钠(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、氯化稀土(纯度99.99%)、氯化铵溶液(浓度18%)。

稀土硫酸溶液的配置：称取0.5 g氧化稀土于烧杯中，缓慢加入10 mL浓硫酸中，搅拌至氧化稀土完全溶解，然后缓慢加入到1 L水中，配制成氧化稀土和硫酸混合溶液。

改性高岭土的制备：称取20 g高岭土于烧杯中,加入200 mL浓度为8%的硫酸,室温下搅拌2 h,然后过滤、洗涤至中性, 将酸改性后的高岭土在105 ℃烘干、研磨，过200目筛，即得到改性高岭土。

1.2 实验步骤

向50 g/L的偏铝酸钠溶液中缓慢加入浓度25%～30%硅溶胶，搅拌2～3 h浆液沉淀。用稀土硫酸溶液调节浆液的pH值为6～7。将浆液放入不锈钢反应釜中，转速为300 r/min，80 ℃下晶化24 h。出料后充分洗涤、过滤、烘干、研磨，过200目筛，得到多孔吸附剂。

按照重量比9∶1分别称取多孔吸附剂和改性高岭土，混合均匀后放入滚球机中，运转过程中喷淋10%～20%硅溶胶溶液，成型过程中用直径1～2 mm的双层筛子筛分球形颗粒，最终得到直径2 mm的球形吸附剂，将其置于焙烧炉600 ℃焙烧3 h得到成品，分子式表示为：

xMOyAl2O3zSiO2nRe

(1)

式(1)中M是金属阳离子(如钠离子)；x是MO的分子数，y是Al2O3的分子数，z是SiO2的分子数，n是稀土Re的分子数。

吸附剂中因引入了少量稀土，稀土元素的原子半径大又极易失掉外层的6 s电子和5 d或4 f电子，在不等价离子取代中将会产生空位等缺陷，使内晶表面高度极化，从而提高了晶间的库伦力和静电吸附力，极大地改善了吸附剂的稳定性和吸附性能。

高岭土具有层链状结构，有较强的吸附能力和黏因结力，且亲水疏油，本发明经过酸活化改性处理后，可疏通微孔，去除杂质，提高其活性基团的种类和数量，可很好地与有机物相容，能有效地吸附油品中的色素等杂质，吸附饱和后不容易破碎，是一种性能优异的吸附剂和脱色剂。

该吸附剂的原料来源广泛且价格便宜，制备方法工艺简单、操作方便、结构稳定，能够大规模生产。本发明制备的球形吸附剂的抗压强度可以达到10～12 N/mm，油品的脱酸率可以达到80%～90%，脱色效果明显，能有效吸附油中溶解态的劣化产物。

2 现场处理

江苏某电厂一台135 MW抽凝式发电机组，于2018年机组大修时换油加入20 t长城威越L-TSA68汽轮机油(A级)润滑油，仅仅使用2年，润滑油颜色变深，产生大量油泥，颗粒污染度超过12级，漆膜倾向指数(MPC值)达到26，使用了几种滤芯式滤油机均无法去除油泥和漆膜。

联合新型多孔吸附剂和静电滤油处理技术对该机组劣化润滑油进行离线滤油，从油箱底部放出约200 kg润滑油到油桶里。静电滤油机使用2套圆柱形金属网电极式结构，集粒体是由相互绝缘的金属网电极和纤维介质卷成的柱状结构。吸附剂装填在2个滤筒里，装填量为每筒8 kg。油液先通过静电滤芯，去除油中颗粒杂质等，再通过吸附滤筒，去除油中的溶解态劣化产物，流量为20 L/min，连续过滤96 h，见图1。

图1 现场处理实物

3 结果分析

3.1 劣化油再生比对结果分析

如图2所示 ，再生处理后的润滑油颜色由深黄色变为淡黄色，因吸附剂具有较大的比表面积和强极性，对炭黑颗粒、胶质、树脂和沥青等着色物有较强的吸附能力，脱色能力强。

图2 吸附再生前后油样外观对比

按照GB/T 14541-2017《电厂用矿物涡轮机油维护管理导则》对劣化油和再生油进行检测，结果见表1。

表1 劣化汽轮机油再生性能比对试验

由表1可见，经过96 h吸附过滤后，再生油的理化指标得到大幅提高，均达到GB/T 14541-2017《电厂用矿物涡轮机油维护管理导则》的要求，尤其是漆膜倾向指数(MPC)由26.3降低到1.2，主要是吸附剂对劣化油中的胶质、沥青质、有机酸、有机酸盐和氮化合物等极性分子有较强吸附能力。

3.2 红外光谱试验结果分析

分别取新油、劣化油和吸附再生后的油，做红外光谱对比试验,所得到的谱图见图3。

图3 3种油样红外光谱对比

从图3看出, 劣化油相比较新油和再生油，均出现明显的吸收峰，尤其是波数1100 cm-1的C-O伸缩振动特征吸收峰，可判断为醇类化合物。从1720 cm-1的醛基吸收峰以及2720 cm-1C-H伸缩振动出现的特征吸收峰，判定汽轮机油有不饱和醛类化合物生成，新油在波数3650 cm-1处有明显的抗氧化剂吸收峰，而劣化油和再生油均没有，表明油品已经出现严重的劣化。新油和再生油的红外光谱图并未有较大的改变，在波数2952～2855 cm-1的C-H伸缩振动峰、1456～1376 cm-1的C-H变形振动峰和1600 cm-1苯环C=C振动峰完全相同,这是由于矿物油中主要元素C、H构成分子的基本构架不变所致，表明多孔吸附剂再生后的汽轮机油基本成分不变。在1600～1700 cm-1的波段区间内, 新油和再生油波峰比劣化油小,即所代表的羰基含量小,说明再生后油的羰基等活性物质减小,油中活性自由基减少,油品得到精制。

由此可见，多孔吸附剂可以高效吸附汽轮机油劣化产生的不饱和烃类物质，且不损伤油品的基本成分，有较好的选择性吸附能力。

4 结论

(1)新型多孔吸附剂具有优良的油品脱色、脱酸、再生的能力,能高效吸附汽轮机油劣化产生的不饱和烃类物质，且不损伤油品的基本成分，有较好的选择性吸附能力。

(2)通过现场联用静电滤油机和新型多孔吸附剂可以有效再生劣化汽轮机油，再生后的油品质量达到GB/T 14541-2017《电厂用矿物涡轮机油维护管理导则》的要求，尤其是漆膜倾向指数(MPC)下降明显。