GTL基础油简介
在过去的20年里，世界润滑油工业发生了巨大的变化。新装置、新工艺、新技术和日益严格的产品规格驱动着整个润滑油行业进行一轮又一轮的变革，基础油加工技术的变革自然成为推动润滑油行业发展的重要因素。目前，世界著名的石油石化公司正在投入大量资金进行气制油(GTL)的研究，GTL技术制备基础油的逐步商业化将引起基础油领域的新一轮改革。
一、GTL技术概述
GTL技术是将天然气转化为合成油，然后进一步转化为燃料油和其他碳氢化合物。通俗地说，就是先把天然气分子撕开，然后重新组合成长链分子。该工艺将生产出纯度高、不含硫、不含氮、不含芳烃、不含金属元素的合成原油，其分子基本由直链烷烃和烯烃组成。然后，将合成油进一步精炼，生产环保燃料油和化学品，如柴油、石脑油、石蜡及其特种产品。
1的加工工艺及优点。GTL
GTL工艺包括以下两个主要步骤:将天然气转化为合成气。天然气和氧气进行部分氧化反应制备合成气，合成气的组成主要包括一氧化碳(CO)和氢气(H2)，投资较高。2)将合成气转化为合成油。这是GTL技术的关键步骤，即费托合成转化，即通过含有专利钴基催化剂的固定床或悬浮床反应器，将合成气转化为各种粘度等级的液态烃。GTL加工工艺示意图见图1。
根据《石油与天然气》杂志最近的评估以及各部门和石油公司的调查，世界剩余探明天然气储量为1.7万亿立方米以上，但由于远离消费者、运输困难等原因，大部分被搁置。GTL技术可以为消费者提供石油产品的替代品，为拥有天然气储备的国家和地区带来经济效益，同时可以避免石油开采过程中伴生的天然气资源在空气中燃烧。既充分利用了天然气资源，又保护了环境。GTL技术制备的合成烃性能优异，可直接使用或与低品质原油生产的燃料混合使用，满足日益苛刻的环保和油品性能指标要求。
2.费托合成技术的发展
用催化剂将合成气转化为液态烃的方法是德国科学家Frans Fischer和Hans Tropsch在1923发明的，简称费托合成。费托合成技术于1932在德国首次工业化。到1939，德国9套FT装置每天生产12000桶产品。费托合成技术的工业化生产经过几十年的风风雨雨，在20世纪90年代开始进入新的发展轨道。石油资源日益减少和劣质化的趋势以及天然气探明可采储量的不断增加，使GTL再次成为大石油公司关注的焦点。1993年，壳牌在马来西亚宾图鲁的GTL工厂投产。2002年，BP在美国阿拉斯加州尼基斯基的实验装置投入运行；2003年，康菲石油公司在美国俄克拉荷马州的庞卡城启动了这个实验装置。同年6月5438+10月，壳牌在卡塔尔签署了第二个GTL项目。2004年7月，埃克森美孚公司与卡塔尔* *公司签约，在卡塔尔北部的拉斯拉凡投资70亿美元建设世界上最大的GTL项目，计划于2011开始运营。
二、基础油加工技术的改造
1.基础油加工技术的发展
石油炼制技术生产的润滑油基础油质量主要取决于原油质量和所采用的技术。加工API I及以下的润滑油基础油传统生产工艺包括溶剂精制、溶剂脱蜡和白土补充精制，其中溶剂脱蜡是润滑油基础油加工中的主要生产工艺。在该方法中，通常使用甲基乙基酮/甲苯和甲基乙基酮/甲基异丁基酮作为溶剂。当用溶剂稀释溶解的含蜡基础油冷却到-10 ~-20℃时，溶液中的蜡会结晶析出，然后通过蒸发、汽提、过滤除去基础油中的石蜡，从而降低润滑油基础油的倾点，得到副产品——工业石蜡原料。这个生产过程主要是物理过程，烃结构没有改变。生产的基础油质量取决于原料中理想组分的含量和性质。由于这种精制过程中所含的杂质不能完全除去，生产出的基础油倾点高，不适合在寒冷条件下作业。同时，由于芳烃等非理想组分含量高，抗氧化性差，容易被排除在高级润滑油的调合选择之外。
为了满足新一代汽车发动机和高性能装备对润滑油的更高要求，近二三十年来出现了加氢工艺制备的APIⅱ/ⅲ基础油，大大改善了润滑油产品的使用性能，扩大了石油炼制基础油的应用范围，其中以催化脱蜡(CDW)技术和异构脱蜡(IDW)技术为代表。以雪佛龙为例，其异构脱蜡技术一般包括三段全加氢工艺:加氢处理、异构脱蜡和加氢后精制。加氢脱除原料中的硫、氮、金属等杂质，然后通过加氢异构脱蜡的转化过程，将粘度指数低的组分转化为粘度指数高、倾点低的基础油。加氢处理和异构脱蜡后，得到的脱蜡油由于含有少量残留的多环芳烃，稳定性往往不理想，光照下与空气接触容易变色产生沉淀，需要通过常压蒸馏和减压蒸馏进一步加氢脱除。因此，异构脱蜡反应器的馏出液需要换热后进入后精制反应器进行加氢饱和，以改善产品的颜色和氧化稳定性。
与ⅰ类相比，API、ⅲ、ⅳ类基础油的挥发性物质、硫和芳烃含量降低，粘温系数更高，粘度更低。他们逐渐升级的性能正受到市场的追捧。润滑油基础油分类指数见表1。在美国和欧洲市场，由于汽车制造商和环保部的影响，API II和I II基础油的消费量正以每年8%的速度增长。2004年北美市场API、ⅲ、ⅳ等高端基础油的市场消费总量超过了ⅰ类基础油的消费总量。在此期间，Motiva和其他基础油加工企业增加了API II和I II基础油的生产和加工能力，而壳牌和其他公司关闭了API I基础油制造厂。
2.第一代GTL基础油
费托合成后，GTL装置可以在生产超清洁燃料的同时生产清洁的合成烷基烷烃。石蜡可以进一步转化为不含硫、氮、芳烃和金属杂质的润滑油基础油，与石油炼制过程中溶剂精制或加氢精制制备的基础油完全不同。由于GTL基础油分子结构基本为异构烷烃，GTL基础油具有低粘度、清洁、长寿命的特点，为市场需求提供了新的选择。
世界上已有两套第一代GTL基础油装置投入运行或小规模试运行。这两套GTL装置的费托合成部分采用固定床工艺。壳牌在马来西亚宾图鲁的GTL工厂于1993年开工，日产量为12500桶。采用的工艺是壳牌的SMDS(壳牌中间独特合成)工艺。所生产的石蜡产品被运输到位于日本Yokkaichi和法国Petit-Couronne的两个基础油加工厂，在那里通过加氢裂化和加氢异构化制备含有蜡油的合适基础油组分，然后通过简单的溶剂脱蜡工艺制备Shell XHVI基础油产品。Syntroleum在西澳大利亚塔尔萨的实验装置于5438年6月+2000年2月投入运行，由于合作伙伴安然公司破产，该项目被迫终止。
3.第二代GTL基础油加工技术
基于市场对超清洁柴油的需求，世界上许多知名的石油石化公司都加大了对GTL技术的投资，计划大规模生产GTL基础油的装置位于卡塔尔半岛北部。埃克森美孚在卡塔尔GTL工厂的投资接近70亿美元，投产后的工厂将是全球最大的GTL工厂。该工厂将采用埃克森美孚的AGC-21专利技术，总产能的20%将用于生产高性能基础油。此外，还将采用本公司专有的MWI(石蜡异构化工艺)，将蜡油、软蜡等高含蜡量原料送入装有选择性分子筛的固定床反应器，转化为高粘度指数基础油(见图2)。该工厂预计年产基础油654.38+50万吨，约为埃克森美孚现有全球基础油产量的654.38+07%。雪佛龙公司和南非沙索公司在卡塔尔建设的羚羊GTL基地炼油厂将于2008年上半年投产。壳牌在卡塔尔的GTL工厂被称为珍珠GTL项目，该项目将依赖壳牌在马拉西亚GTL工厂的SMDS工艺。一期工程预计2009年投产，年产50万吨GTL基础油。二期项目建成后，产能将达到654.38+0万吨/年，约占壳牌全球基础油产能的25%。预计到2010 ~ 2012，GTL基础油潜在日产量将达到30000 ~ 50000桶。届时，将对高等级基础油市场造成一定影响。三大GTL基础油生产商的生产计划和生产日期如表2所示。
三、GTL基础油的性能
正在制定或实施的内燃机油规格，例如API SL/SM和ILSAC GF-4，需要低粘度以满足燃料经济性标准。同时，环境法规要求减少重型柴油发动机的颗粒污染物(PM)和氮氧化物(NOX)的排放，以及低NOX内燃机设计产生的额外烟尘。为了改善重负荷柴油机油的使用性能，有必要改善所用基础油的性能，以避免发动机过早磨损。汽车制造商正在用长寿命自动传动液或液压传动液填充他们的乘用车和卡车，以降低保修维护的成本。GTL基础油以其几乎为零的硫、氮和芳烃含量，以及几乎完全异构烷烃的结构特征，表现出优异的氧化安定性、低温性能、低NOACK蒸发损失和高粘度指数，能够满足市场对更高性能基础油的需求。目前，GTL基础油的生产技术已经发展到可以配制粘度等级(100℃)，跨度从2厘沲到9厘沲以上，甚至可以生产高粘度等级的光亮油。突破了加氢工艺只能生产9cSt以下等级API II/III基础油的窄范围限制，也扩大了行业对高粘度、高性能基础油的需求。按API分类的不同等级基础油的性能对比见表3。
第一代GTL基础油产品的试验数据是人们评价新一代基础油产品的依据。目前，壳牌在日本的GTL基础油工厂XHVI(r)日产量约为65，438+000桶，已用于乘用车发动机油(PCMO)和自动传动液(ATF)的调合。Syntroleum公司对其试验装置生产的GTL基础油产品进行了发动机台架试验。结果表明，产品的性能不仅能满足ILSAC GF-4的现行规范要求，而且在考察发动机燃油消耗和磨损的程序ⅲF试验和考察燃油经济性的ⅵ B试验中表现出产品在性能方面的竞争力(见表4)。
第二代GTL基础油生产工艺试验装置的工作也表明，产品中含有少量的单环烷烃分子，该装置可以生产GTL光亮油。一些GTL基础油制造商已经开始向添加剂公司和独立的润滑油调和厂提供他们的测试产品，如Fuchs和Castrol。
四。GTL基础油市场前景分析
为了减少废气排放和提高内燃机的能效，汽车制造商需要高性能的基础油，如API ⅲ和API ⅳ基础油。GTL技术制备的润滑基础油是APIⅲ/ⅳ基础油的重要替代品，具有良好的粘温性能、抗氧化性能和低温冷启动性能。用这种基础油调合的润滑油能满足现代内燃机的运行需要。
GTL装置主要用于生产高清洁燃料、石脑油和特殊化学产品。只有少数单位为了加工产品的组成价值最大化而配制部分基础油，其份额一般为10% ~ 20%。虽然润滑油和石蜡的市场规模仅占燃料市场的5%，但专家预测，GTL法制备的高纯度基础油将对市场产生重要影响。
Kline的分析显示，合成聚α-烯烃价格一般为4.5 ~ 8美元/加仑，API基础油价格为1.6 ~ 2.5美元/加仑。GTL基础油的价格优于上述两种价格。它不仅会对目前的API II基础油市场产生冲击，而且由于其优异的低温性能和抗氧化性能，在低粘度和燃油经济性(尤其是SAE 0W)方面也将成为聚α烯烃的直接竞争对手。在发动机和变速箱用润滑油方面，GTL基础油由于蒸发损失小，也将与APIⅲ/ⅳ基础油竞争。如果本文所述的大型GTL基础油厂能够正常生产，GTL基础油的产量将大幅增加，那么GTL基础油与APIⅲ/ⅳ基础油甚至ⅱ基础油争夺市场也就不远了。可以预见，GTL基础油将首先应用于高档内燃机油、自动传动液等配方，并从欧洲和北美推广到日本，最终应用于亚太地区。随着壳牌、埃克森美孚、雪佛龙沙索等公司大型GTL装置的投产，GTL基础油将取代传统基础油，广泛应用于液压油、铁路内燃机油、工业齿轮油等领域。I级基础油厂商将面临新基础油供应的更大压力。
然而，市场对APIⅲ和APIⅳ基础油的偏好，以及APIⅱ基础油生产的巨大利润空间，将迫使GTL制造商考虑其产品是否通过降低价格或牺牲产量来与APIⅱ基础油竞争，以保持APIⅲ/ⅳ的价格优势。考虑到上述经济因素，GTL基础油的生产将在小型实验装置上进行。目前上述各大公司自有润滑油品牌的产品仍在使用GTL基础油，大型GTL基础油装置的前景暂时还难以决定。
动词 （verb的缩写）总结与思考
为了提高燃油经济性，需要更多的低粘度润滑油。比如SAE 0W/20内燃机油，限制了发动机的高低温粘度。目前这种油只能用聚α-烯烃和酯类油的混合物调合，而用API ⅲ基础油很难满足低粘度、低挥发性的要求。GTL基础油可以满足这种新规格的要求。
作为生产润滑油的重要原料，GTL基础油能否在市场上获得成功取决于许多其他因素。制造企业要想在市场上取得成功，除了满足自身需求外，还必须使GTL的工厂工艺和质量控制不断满足生产高品质GTL基础油的需要。由于拟建的GTL基础油大型工厂位于偏远地区，即远离终端消费市场，其物流供应环节的可靠性非常重要。此外，润滑油调和厂和经销商也应考虑如何提高GTL基础油的价格竞争力，以开拓更大的市场。GTL基础油作为新一代基础油，需要大量的必要测试才能代替其他产品进入市场，包括发动机台架试验、添加剂相容性、产品相容性、OEM认证等，需要大量的资金进行相关的研究和配套服务。