
2017年全球基礎(chǔ)油產(chǎn)能達(dá)到了5798萬t/a,比2010年增長17%。2010年至今,全球Ⅰ類(API-1509分類)基礎(chǔ)油產(chǎn)能下降20%,Ⅱ類基礎(chǔ)油產(chǎn)能增加75%,Ⅲ類基礎(chǔ)油產(chǎn)能增長137%,占比從2010年的7%升至2017年的13%。目前北美和歐洲是Ⅲ類基礎(chǔ)油的主要消費(fèi)區(qū)域。據(jù)中國海關(guān)總署數(shù)據(jù)顯示,2017年中國進(jìn)口基礎(chǔ)油總量為281.6萬t,其中環(huán)烷基油為1.3萬t,Ⅲ類基礎(chǔ)油為62.4萬t、Ⅱ類基礎(chǔ)油為157.6萬t、Ⅰ類基礎(chǔ)油為60.3萬t。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前Ⅳ類聚α-烯烴(Polyalphaolefins, PAO)國內(nèi)需求量60.5萬t/a(其中低黏度約45.7萬t/a,高黏度14.8萬t/a),需求量約95%需要進(jìn)口。我國作為潤滑油的主要生產(chǎn)國,產(chǎn)能多年來一直穩(wěn)居世界第三位,截至2017年11月,中國Ⅱ類基礎(chǔ)油裝置產(chǎn)能達(dá)到521萬t/a。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略建設(shè)深入,我國汽車、工程機(jī)械、電力、鋼鐵、機(jī)床行業(yè)的快速增長,裝備技術(shù)的不斷提升,中國制造2025規(guī)劃的提出,我國潤滑油需求量持續(xù)增長,已成為全球第二大潤滑油市場,2017年觀消費(fèi)量為673.9萬t。
隨著汽車發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)理念向節(jié)能、環(huán)保方向的轉(zhuǎn)變,發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的大壓縮比小型化,功率體積比升高,熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷不斷增加的趨勢;加之用戶對延長換油期的需求,都對潤滑油基礎(chǔ)油提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求。傳統(tǒng)的老三套工藝生產(chǎn)的APII類潤滑油基礎(chǔ)油已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在設(shè)備對潤滑油的低揮發(fā)性、良好的低溫性能、高黏度指數(shù)、很好的熱氧化安全性等的要求。部分加氫Ⅱ類和全加氫Ⅲ類基礎(chǔ)油成為主流,Ⅳ類PAO優(yōu)越性能作為汽車高品質(zhì)潤滑油組分油成為必須。

潤滑油基礎(chǔ)油發(fā)展概述
礦物潤滑油基礎(chǔ)油來源于石油(亦稱原油),國內(nèi)“石油”一詞始于北宋沈括著的《夢溪筆談》:“鄜延境內(nèi)有石油,舊說高奴縣出脂水即此也”。到北宋神宗時(shí)期,中央軍器監(jiān)屬下的作坊中就有描繪加工原油的“猛火油作”和使用猛火油的器械“猛火油柜”等詞匯??梢姰?dāng)時(shí)石油已用于軍事方面;至少在公元前17世紀(jì),古埃及就出現(xiàn)了使用橄欖油來搬運(yùn)巨石的記載,而到了公元前14世紀(jì),人類甚至能用動物的油脂對戰(zhàn)車輪軸進(jìn)行潤滑,減少摩擦。石油煉制工業(yè)始于19世紀(jì)初的歐美國家,經(jīng)過100多年的發(fā)展,特別是在第二次世界大戰(zhàn)的刺激下,在石油煉制工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)上,潤滑油品質(zhì)需求和基礎(chǔ)油的生產(chǎn)得到極大的改善和進(jìn)步。
1. 近代煉油工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)潤滑油基礎(chǔ)油生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步
20世紀(jì)30年代前后,煉油工業(yè)的另一重要進(jìn)展是潤滑油生產(chǎn)技術(shù)日臻成熟。為了分餾出黏溫性能好的潤滑油料和獲得更多的輕質(zhì)油品,發(fā)展了減壓蒸餾(也稱原油蒸餾);為了脫除潤滑油料中的石蠟和其它雜質(zhì),開發(fā)了離心脫蠟、溶劑脫蠟、溶劑精制、丙烷脫瀝青等工藝。與此同時(shí),潤滑油添加劑的使用,極大改善了潤滑油的質(zhì)量,延長了設(shè)備的使用壽命。此階段主要是物理過程(熱加工)工藝。二次世界大戰(zhàn)前后,要求機(jī)械設(shè)備在較苛刻的條件下工作,一般礦物油已不能滿足使用要求,加之有些國家如德國、日本的石油資源短缺,因而促使通過化學(xué)合成的方法研制性能更好的潤滑油基礎(chǔ)油。上世紀(jì)40年代催化裂化、異構(gòu)化等裝置,50年代汽柴油、潤滑油加氫、60年代出現(xiàn)的含分子篩的催化裂化催化劑等技術(shù)出現(xiàn),使加氫合成潤滑基礎(chǔ)油工業(yè)化得以實(shí)現(xiàn),此階段被稱為化學(xué)過程(催化加氫)工藝。

2. 國內(nèi)外PAO研發(fā)與現(xiàn)代工業(yè)裝備制造業(yè)進(jìn)步協(xié)同發(fā)展
1876年,俄國巴拉罕建立了世界上第一個(gè)潤滑油生產(chǎn)廠。兩年后,俄國人在巴黎世界博覽會上推出了第一批礦物潤滑油樣品。從此,潤滑油作為一種材料、一類產(chǎn)品和一門科學(xué)進(jìn)入了人們的世界,這也是潤滑油發(fā)展史上一個(gè)里程碑式的記錄。國外合成潤滑油的研究是從合成烴開始的。早在1929年,美國就開始生產(chǎn)PAO和聚1-丁烯合成油。1934年,美國人Sullivan等合成了PAO,與此同時(shí),德國人Zorn也發(fā)現(xiàn)了與Sullivan相同的制備合成烴的方法。從1939年第二次世界大戰(zhàn)開始,德國人利用石蠟裂解所得的α-烯烴生產(chǎn)PAO潤滑油基礎(chǔ)油。我國合成潤滑基礎(chǔ)油工業(yè)起步于上世紀(jì)50年代,起始于聚烯烴潤滑材料的研發(fā)。60年代初開始研究酯類合成油,主要用于酯類航空潤滑油、精密儀表油和高溫潤滑脂,主要供應(yīng)航空工業(yè)使用;70年代中期研究出了聚醚類產(chǎn)品;80年代以來,對合成潤滑產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化生產(chǎn)條件,降低原材料消耗,開發(fā)新品種和擴(kuò)展產(chǎn)品市場,但總體與國外在技術(shù)研發(fā)和加工成本控制有明顯差距。
3. 基礎(chǔ)油分類標(biāo)準(zhǔn)及對PAO的定義
基礎(chǔ)油種類按照API1509分成以下5種類別(見表1),Ⅰ類為傳統(tǒng)溶劑精煉礦物油,Ⅱ類為加氫裂解礦物油,Ⅲ類為高度加氫裂解或加氫異構(gòu)化蠟;以上原料都來源于石油常減壓裝置減底油和側(cè)線VGO,后兩類有化學(xué)反應(yīng)過程。Ⅳ類為石蠟分解法與乙烯齊聚的合成基礎(chǔ)油(特指合成烴基礎(chǔ)油,簡稱PAO),Ⅴ類為除以上其他類型的基礎(chǔ)油。

由于Ⅲ類基礎(chǔ)油基本理化指標(biāo)與PAO接近,也是現(xiàn)在市場上混淆最厲害的基礎(chǔ)油。代表性的是嘉實(shí)多公司從1999年開始使用Ⅲ類基礎(chǔ)油VHVI(very high viscosity index)代替原來配方的PAO,貼上“Synthesis”-合成油的標(biāo)簽,而現(xiàn)在國內(nèi)很多品牌也照搬。隨著加工工藝的提高,在Ⅲ類基礎(chǔ)油VHVI上又有了:IDW(加氫裂化-異構(gòu)脫蠟)雪佛龍公司專利,MSDW(加氫處理-加氫異構(gòu)化和加氫裂化-選擇性脫蠟)??松梨诠緦@?,XHVI(加氫異構(gòu)化生產(chǎn)超高黏度指數(shù))和溶劑精制-加氫混合法(RHC)殼牌公司專利技術(shù),行業(yè)現(xiàn)在都泛稱為合成基礎(chǔ)油,技術(shù)層面也單獨(dú)劃稱之為Ⅲ+類基礎(chǔ)油。其中埃克森美孚公司半合成油基本都是使用MSDW技術(shù),稱為合成科技。綜上可以看出市面上有很多所謂的泛稱全合成油,其實(shí)并非是真正科學(xué)意義上的全合成油,它們大多數(shù)屬于高度精煉加氫的第三類礦物油(Group III),而真正科學(xué)意義上的全合成油分兩種,第一種是PAO,另一種便是以酒精和脂肪酸為基礎(chǔ)材料,經(jīng)化學(xué)縮聚反應(yīng)而合成的酯類油。我們也可以理解合成油包含PAO,“合成油”是一個(gè)市場上的叫法,不是一個(gè)技術(shù)的精確分類,本文采用科學(xué)意義合成油的概念即單指Ⅳ類PAO,其分類見表2。

在這里還需明確“半合成油”概念,它是一種以礦物油Ⅰ類和/或Ⅱ類為主、為了改善其某些性能,在礦物油中加入一定比例的合成油(也可理解是Ⅱ類或Ⅲ類基礎(chǔ)油),以滿足潤滑油最終使用性能的混合基礎(chǔ)油。
PAO基礎(chǔ)油的特點(diǎn)及應(yīng)用
1. PAO基礎(chǔ)油的特點(diǎn)
PAO基礎(chǔ)油是由一定碳數(shù)的α-烯烴在催化體系作用下齊聚再加氫精制飽和的烯烴低聚物,與傳統(tǒng)礦物基礎(chǔ)油相比,分子結(jié)構(gòu)規(guī)整,其具有優(yōu)異的黏溫性能(見黏度指數(shù))和高低溫性能(見CCS),分別見表3和表4。


從表3和表4可以看出,PAO在本質(zhì)上使用的是原油基中較好的成分乙烯,國內(nèi)目前比較成熟的是以煤基烯烴作為原料,加以化學(xué)反應(yīng)并透過人為的控制達(dá)到預(yù)期的分子形態(tài),其分子排列整齊,具有更整齊的側(cè)鏈結(jié)構(gòu),比傳統(tǒng)的“老三套”及溫和加氫基礎(chǔ)油表現(xiàn)出更高的黏度指數(shù)、更低的傾點(diǎn)、更好的低溫流動性、低揮發(fā)損失、氧化安定性好、生物降解性好等。它針對汽車潤滑系統(tǒng)有利于減少摩擦,延長換油周期,節(jié)約燃油。
2.PAO基礎(chǔ)油的應(yīng)用
α-烯烴用途廣泛,不同單體聚合度不一樣,產(chǎn)品特征也不一樣(見表5)。

PAO基礎(chǔ)油由于其特殊性能,是汽車、機(jī)械工業(yè)和航天工業(yè)用合成潤滑油的主要原料(詳見表6)。

如從設(shè)備苛刻運(yùn)行條件看,航空發(fā)動機(jī)以及R134A等為冷媒的制冷壓縮機(jī)等需要用PAO;從節(jié)約能源、成本和延長換油周期角度看,一些汽車、船舶、工業(yè)設(shè)備以及風(fēng)力渦輪需要PAO;從產(chǎn)品衍生角度看,由于PAO不含芳烴和環(huán)烴,可生物降解,無毒性,優(yōu)異環(huán)保型基礎(chǔ)油,也可應(yīng)用在化妝品、食品機(jī)械油等。車用PAO潤滑油(包括半合成和全合成)的優(yōu)點(diǎn)是:①低溫流動性好,冷起動性優(yōu)良,最低冷起動溫度為-45℃;②分子排列整齊,高溫氧化安定性好,可改善發(fā)動機(jī)的清凈性;③換油及油濾的周期長,燃料平均節(jié)約4.2%,潤滑油年耗下降55.9%。國外發(fā)達(dá)國家車用潤滑油已經(jīng)向低黏度趨勢發(fā)展(見圖1),從低黏度機(jī)油≤SAE 5W用量增加,表明PAO作為調(diào)低溫性能好的機(jī)油組分油用量在增加。

3.國內(nèi)外PAO基礎(chǔ)油生產(chǎn)現(xiàn)狀
近年來,隨著潤滑油升級速度加快,市場對于高端潤滑油產(chǎn)品需求增長,帶動了PAO基礎(chǔ)油需求的迅速增長。工業(yè)上,以乙烯等低分子烯烴為原料,通過齊聚反應(yīng),得到C8~C12烯(最好是1-癸烯LAO),進(jìn)一步加工可生產(chǎn)PAO。當(dāng)前全球PAO生產(chǎn)供應(yīng)主要集中在ExxonMobil, Ineos, Chevron Philips, Chemtura(已被德國朗盛公司收購)等跨國公司。目前國內(nèi)以乙烯等低分子烯烴為原料的PAO產(chǎn)能未有明顯提升,約95%的PAO需求量依靠進(jìn)口,只有約5%是采用蠟裂解法和傳統(tǒng)PAO(非茂金屬)生產(chǎn)。近年來,部分企業(yè)和研究院所涉足非蠟裂解法PAO生產(chǎn),如上海納克、沈陽宏城、山西潞安納克、中科院上海高等研究院等,但由于上游原料制約及自身技術(shù)成熟度等原因,其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和所占市場份額極其有限。目前國內(nèi)有不負(fù)責(zé)任的潤滑油從業(yè)員或個(gè)別不負(fù)責(zé)任的公司,宣稱自己公司能生產(chǎn)出PAO基礎(chǔ)油,實(shí)際只是一種營銷手段,或者只是一個(gè)中間貿(mào)易商。
國內(nèi)Ⅱ/Ⅲ類合成潤滑基礎(chǔ)油的生產(chǎn)技術(shù)已較為成熟,Ⅰ類基礎(chǔ)油生產(chǎn)裝置逐步關(guān)停縮小產(chǎn)量,Ⅳ類基礎(chǔ)油茂催化劑生產(chǎn)正在工業(yè)化放大過程中。從行業(yè)整體技術(shù)水平看,與國際先進(jìn)水平相比仍有一定的差距,具體表現(xiàn)為:①技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力不足,開發(fā)創(chuàng)新系統(tǒng)性、產(chǎn)品系列化和多樣性不夠;②產(chǎn)品應(yīng)用研究不充分,缺乏經(jīng)驗(yàn)積累;③產(chǎn)品開發(fā)、市場開發(fā)的周期長,催化劑體系成本高;④生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)控制不到位,產(chǎn)品質(zhì)量波動大,生產(chǎn)工藝及裝備技術(shù)水平自動化亟待提升。但隨著市場需求,我國行業(yè)內(nèi)人員的經(jīng)驗(yàn)積累和專業(yè)水平的提高,會加速解決我國PAO基礎(chǔ)油的生產(chǎn)技術(shù)瓶頸。

4. 國內(nèi)外車用潤滑油差距
由于國內(nèi)的PAO產(chǎn)能小,產(chǎn)品黏度等級覆蓋范圍小,質(zhì)量差,無法和國外產(chǎn)品相競爭,我國的潤滑油與發(fā)達(dá)國家水平差距明顯,同時(shí)冶金材料、發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)及精密制造、排放法規(guī)和其它政府法規(guī)的變化都對潤滑油構(gòu)成了挑戰(zhàn),關(guān)鍵原料(如PAO)、內(nèi)燃機(jī)某些復(fù)合添加劑還是基本依賴進(jìn)口,嚴(yán)重影響了我國高檔潤滑油產(chǎn)品的開發(fā)和市場地位,造成我國車用潤滑油與歐美日落后20~25a。ILSAC GF-5于2009年12月22日發(fā)布,美國于2010年開始普遍施行。2011年,美國新生產(chǎn)下線的乘用車都已經(jīng)使用符合GF-5規(guī)格的機(jī)油進(jìn)行保養(yǎng)。目前在中國高低檔、新舊車況車輛共存的現(xiàn)狀決定了潤滑油市場高、中、低檔油并存的局面和目前潤滑油國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共存的事實(shí)。因此,盡快發(fā)展高品質(zhì)PAO合成的相關(guān)工藝技術(shù),并建立相應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)裝置,提供高質(zhì)量的PAO合成潤滑油基礎(chǔ)油,對于解決我國高檔潤滑油的國產(chǎn)化,實(shí)現(xiàn)我國潤滑油發(fā)展戰(zhàn)略是非常必要的。

PAO基礎(chǔ)油的發(fā)展趨勢
1.低黏度車用潤滑油成為主流依據(jù)充分
潤滑油黏度、軸轉(zhuǎn)速和軸上負(fù)荷這三者的關(guān)系可以用軸承特性因數(shù)C來表示,見式(1)。
C=ηN/P(1)
式中,η為潤滑油的黏度(mPa·s),N為軸的轉(zhuǎn)速(r/min),P為軸單位投影面上的負(fù)荷(MPa)。
有關(guān)研究表明,C的數(shù)值較大時(shí),該軸承一般能保持在良好的流體動力潤滑狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。從式(1)可以看出,對于轉(zhuǎn)速快、負(fù)荷小的軸承可以用黏度小的潤滑油,而對于轉(zhuǎn)速慢、負(fù)荷大的軸承則需要黏度大的潤滑油。
Stribeck曲線應(yīng)用于潤滑摩擦領(lǐng)域,表明邊界潤滑與流體潤滑的區(qū)別。不同的摩擦狀態(tài)表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)不同。潤滑狀態(tài)分為壓力潤滑、混合潤滑及邊界潤滑3種形式。當(dāng)施加的力(F)和相對速率(V)保持一定時(shí),隨著潤滑油黏度(η)的降低,潤滑狀態(tài)的變化趨勢由壓力潤滑 (Ⅲ)到混合潤滑(Ⅱ)再到邊界潤滑(I)。Stribeck曲線表達(dá)了摩擦系數(shù)隨潤滑狀態(tài)的變化趨勢。在壓力潤滑情況下,摩擦系數(shù)隨著黏度的降低而減小,這也是應(yīng)用低黏度潤滑油能夠降低摩擦功的主要理論依據(jù)。日本于1996年開始就已經(jīng)在日產(chǎn)、馬自達(dá)、鈴木、三菱、豐田、本田發(fā)動機(jī)采用0W-20的低黏度潤滑油。

2.PAO特性成為調(diào)和高品質(zhì)機(jī)油的必要組分
節(jié)能、環(huán)保和發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步已成為潤滑油基礎(chǔ)油發(fā)展的主要驅(qū)動力。目前國際市場對基礎(chǔ)油的需求正在從Ⅰ類油向Ⅱ類及Ⅲ類,尤其是Ⅲ類、Ⅳ類PAO基礎(chǔ)油轉(zhuǎn)變。不久的將來,Ⅱ類、Ⅲ類及Ⅳ類油將以優(yōu)異的性能在車用潤滑油基礎(chǔ)油市場占有絕對地位。市場期待的車用潤滑油滿足黏度指數(shù)高、熱氧化安定性好、揮發(fā)性低、換油周期長;無硫或低硫添加劑、黏度低、內(nèi)燃機(jī)效率高;環(huán)境友好、芳烴含量低等需求,將成為國內(nèi)外潤滑油基礎(chǔ)油發(fā)展趨勢,PAO特點(diǎn)決定需求量將大幅度提升。
3.國家環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)政策日趨嚴(yán)格倒逼車用潤滑油升級
從2000年開始,僅用18年的時(shí)間,我國的排放標(biāo)準(zhǔn)走過國外30年的歷程,如2017年1月道路機(jī)動車排放開始推行國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。國家產(chǎn)業(yè)政策《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)(征求意見稿)》推出,也就意味著從2020年7月開始,所有新車上戶必須滿足新的國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)悉,廣州、深圳、北京、濟(jì)南將于2019年1月1日提前實(shí)施“國Ⅵa”排放標(biāo)準(zhǔn)。此外在重點(diǎn)區(qū)域、珠三角以及成渝地區(qū)也將要提前至2019年7月1日起執(zhí)行;全國其它地區(qū)將在2020年7月1日起實(shí)施國Ⅵa?!秲?nèi)燃機(jī)油分類》GB/T28772—2012版增加GF-1、SJ、GF-2、SL、GF-3、SM、GF-4、SN、GF-5汽油機(jī)油品種和CF、CF-2、CG-4、CH-4、CI-4、C1-4柴油機(jī)油品種以及農(nóng)用柴油機(jī)油品種,廢除SD、CE以上級別。2017年9月《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》對燃油消耗規(guī)定,決定PAO作為調(diào)和高品質(zhì)車用潤滑油成為必選。

4.2025中國制造促使PAO廣泛應(yīng)用
隨著潤滑油配方的進(jìn)步,制造精度以及渦輪增壓器技術(shù)的進(jìn)步,如日車在制造凸輪軸時(shí),在其表面加附了一種特殊的鉆石涂層,凸輪軸和氣門頂筒之間的摩擦阻力減少40%。加之使用PAO低黏度潤滑油,汽車燃料消耗明顯降低。未來幾年,不論國外還是國內(nèi)品牌,用低黏度如0W-20油是大趨勢。隨著長周期換油、消費(fèi)成熟和商業(yè)模式改變,國內(nèi)眾多潤滑油廠商未來將面臨洗牌。
5.國際潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)化及批準(zhǔn)委員會(ILSAC)標(biāo)準(zhǔn)提高促使PAO應(yīng)用
為了適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展和日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),國際潤滑劑標(biāo)準(zhǔn)化及批準(zhǔn)委員會提出了開發(fā)ILSAC GF-6發(fā)動機(jī)油規(guī)格,并引入SAE XW-16黏度等級。相比于GF-5規(guī)格,GF-6規(guī)格對綜合燃油經(jīng)濟(jì)性、高溫抗氧化性和中低溫清凈分散性的要求更加嚴(yán)格,并要關(guān)注渦輪增壓直噴發(fā)動機(jī)的低速早燃和正時(shí)鏈磨損問題。來自加州的市場調(diào)查公司Grand View Research最新發(fā)布的研究報(bào)告預(yù)測,預(yù)計(jì)在2025年前,PAO的使用量將以每年3.5%的速率遞增,全球PAO市場需求量將達(dá)到81.52萬t。
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作為世界500強(qiáng),加拿大石油擁有豐厚的油砂礦資源,經(jīng)營著世界上最大的基礎(chǔ)油精煉廠之一,調(diào)配并包裝生產(chǎn)出多種潤滑油成品。
南京東沛國際貿(mào)易集團(tuán)有限公司(DU-HOPE INTERNATIONAL GROUP)是一家成立于1978年的專業(yè)外貿(mào)企業(yè),注冊資金3900萬元。
北京龍潤凱達(dá)石化產(chǎn)品有限公司成立于2001年,是中國北方地區(qū)潤滑油基礎(chǔ)油銷售量最大的貿(mào)易企業(yè)。