煤直接液化與煤間接液化油品工業(yè)調和應用研究

韓來喜，齊振東

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

引 言

2020 年8 月，鄂爾多斯煤制油分公司煤直接液化柴油組分油與寧夏煤業(yè)有限責任公司煤間接液化柴油組分油完成工業(yè)調和，調和柴油可滿足GB 19147—2016[1]車用柴油（Ⅵ）（簡稱國Ⅵ標準）的技術要求（0 號柴油、-10 號柴油和-20 號柴油），標志著煤直接液化與間接液化柴油在世界范圍內完成首次工業(yè)化調和，并取得成功。

鄂爾多斯煤直接液化柴油組分油是在高溫、高壓和鐵系催化劑作用下，通過多次加氫反應得到的柴油組分，油品主要由環(huán)狀烴類構成，具有硫、氮及芳烴含量低，凝點和冷濾點低，密度大，十六烷值低等特點。寧夏煤間接液化柴油是經(jīng)過費托合成工藝，將煤氣化制備的合成氣（CO 和H2）原料在一定的溫度和壓力下催化合成烴類燃料，再通過加氫裂化工藝得到的柴油組分，油品主要由烷烴構成，具有硫、氮及芳烴含量低，十六烷值高的優(yōu)點，但密度偏低，凝點和冷濾點偏高。上述兩種煤液化柴油的凝點和冷濾點、密度、十六烷值可以通過調和實現(xiàn)優(yōu)勢互補[2]，因此，開展煤液化柴油調和對促進煤制油產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要的意義。

一些學者[2-4]通過煤液化柴油小試調和，獲得了相關調和理論基礎。白雪梅[2]的研究結果表明，煤直接液化柴油和煤間接液化柴油具有很好的相容性；調和柴油的密度和十六烷值與其中煤間接液化柴油的質量分數(shù)呈線性關系，其對潤滑性改進劑具有良好的感受性，在發(fā)動機上有很好的動力性，油耗較石油基柴油略有優(yōu)勢，常規(guī)排放滿足GB 17691—2005 排放限值要求，且在NOx、煙度和PM 排放方面較石油基柴油有較大優(yōu)勢。梁雪美等[3]分析了煤直接液化柴油和煤間接液化柴油烴類組成和理化性能，結果表明：兩者調和能生產(chǎn)出滿足國家標準要求的低硫低芳烴清潔柴油，且對抗磨劑具有良好的感受性。曹文峰等[4]提出了適合煤基液化車用柴油調和的擴展虛擬純組分法模型，采用該模型可粗略調和制取煤基車用柴油。

本文通過分析煤直接液化和間接液化柴油組分油理化性質，并與國Ⅵ標準的技術要求進行對比，得出了煤液化柴油工業(yè)調和的關鍵控制指標，通過實驗室調和試驗得出了工業(yè)調和方案，并提出通過控制煤液化柴油的生產(chǎn)過程來生產(chǎn)滿足指標要求的調和組分油，為煤液化柴油工業(yè)調和提供實際調和方案和應用數(shù)據(jù)。

1 油品調和關鍵控制指標及其優(yōu)化

煤直接液化柴油組分油取自鄂爾多斯煤制油分公司煤直接液化示范裝置，煤間接液化柴油組分油取自寧夏煤業(yè)有限責任公司煤炭間接液化示范裝置。

1.1 油品調和關鍵控制指標

煤直接液化柴油組分油和煤間接液化柴油組分油部分產(chǎn)品指標可通過生產(chǎn)工藝調整來進行優(yōu)化，達到調和組分油性質指標要求。煤直接液化和間接液化柴油組分油性質見表1。

表1 煤液化柴油組分油性質

對比表1 和國Ⅵ標準[1]可知，煤直接液化和間接液化組分油氧化安定性、硫含量、酸度、10%蒸余物殘?zhí)俊⒒曳帧~片腐蝕、水含量、多環(huán)芳烴含量、總污染物含量、餾程、脂肪酸甲酯含量均滿足甚至優(yōu)于國Ⅵ標準要求，潤滑性和十六烷值可通過加入抗磨劑和十六烷值改進劑來達到標準要求[5]。因此，油品調和控制指標的關鍵影響因素主要是運動黏度、凝點、冷濾點、閃點、十六烷指數(shù)和密度，具體見表2。

表2 油品調和關鍵控制指標

1.2 關鍵指標生產(chǎn)控制分析

在煤液化柴油組分油的生產(chǎn)過程中，通過優(yōu)化生產(chǎn)操作和工藝條件，可使生產(chǎn)的組分油性質控制在一定目標范圍內，有利于調和出目標柴油產(chǎn)品。

1.2.1 十六烷指數(shù)

柴油的十六烷值代表柴油燃料在發(fā)動機中的著火性能；十六烷指數(shù)表示餾分燃料在發(fā)動機中的發(fā)火性能，可以從餾分燃料的標準密度和中沸點計算而得。煤直接液化柴油的十六烷值和十六烷指數(shù)均較低，而煤間接液化柴油的十六烷值和十六烷指數(shù)均較高。

文獻[2]在實驗室模擬了煤液化柴油工業(yè)調和的十六烷指數(shù)，結果見圖1[2]。

圖1 實驗室模擬煤液化柴油工業(yè)調和的十六烷指數(shù)趨勢圖

從圖1 可以看出，調和柴油的十六烷指數(shù)同兩種柴油調和比例滿足線性關系，隨著煤間接液化油品比例增加，調和柴油的十六烷指數(shù)升高。在實際生產(chǎn)調和過程中，調和產(chǎn)品的十六烷指數(shù)可滿足國Ⅵ標準0號、-10 號和-20 號車用柴油指標要求。

十六烷指數(shù)是煤液化調和柴油的關鍵控制指標，由于煤直接液化柴油環(huán)烷基組分質量分數(shù)達90%以上，組分構成不同于石蠟基原油，中沸點較低，而GB/T 11139—89《餾分燃料十六烷指數(shù)計算法》是針對石蠟基原油制訂的，因此煤直接液化柴油按照該標準計算出的十六烷指數(shù)偏低。在實際生產(chǎn)調和過程中，可通過提高柴油分餾塔側線切割溫度來增加柴油的中沸點和密度，進而提高油品的十六烷指數(shù)；但切割溫度過高會提高柴油的凝點和冷濾點，因此應根據(jù)所需柴油型號來平衡生產(chǎn)操作工藝條件，以便于調和出符合標準的柴油產(chǎn)品。

1.2.2 凝點和冷濾點

凝點和冷濾點是評價柴油低溫流動性能的指標。為了滿足調和柴油凝點和冷濾點指標要求，在生產(chǎn)過程中，平衡經(jīng)濟效益和產(chǎn)品指標要求，煤直接液化和煤間接液化柴油均可通過調整工藝來控制凝點和冷濾點。

煤直接液化柴油在生產(chǎn)過程中可通過控制柴油終餾點和添加一定比例蒽油來降低凝點和冷濾點。柴油終餾點越低，凝點和冷濾點越低，但餾程縮短會導致燃燒性能降低，柴油密度變小；添加一定比例蒽油會增加柴油密度，降低柴油凝點和冷濾點，但蒽油添加量高會使柴油收率降低，生產(chǎn)成本升高，且由于蒽油中金屬含量高，其添加量過高會引起催化劑活性降低，影響裝置長周期運行。煤間接液化柴油在生產(chǎn)過程中可通過加氫降凝裝置來降低凝點。

1.2.3 密度

密度是油品性能的一個重要指標。煤直接液化和煤間接液化柴油均可通過切割柴油餾分段來控制產(chǎn)品密度，煤直接液化柴油也可通過在生產(chǎn)中添加蒽油來加大產(chǎn)品密度。

1.2.4 閃點

閃點是調和0 號和-10 號車用柴油時的重要控制指標。國Ⅵ標準要求0 號和-10 號柴油閃點高于60 ℃，而煤直接液化柴油閃點在55 ℃～59 ℃，在生產(chǎn)過程中，可通過提高調和組分油終餾點來提高柴油閃點，滿足調和指標要求。

1.2.5 運動黏度

黏度是表征柴油流動性的主要指標，與柴油額定供給量、霧化性、燃燒性和潤滑性均有密切的關系。煤直接液化和煤間接液化柴油運動黏度均偏低，隨著煤間接液化柴油質量分數(shù)的增加，調和柴油的運動黏度逐漸增加。柴油的相對分子質量越大，其黏度也越大，煤液化油在生產(chǎn)過程中均可通過增大柴油95%回收溫度來增大運動黏度，但這一操作同時會降低柴油的凝點。

2 柴油調和分析

工業(yè)化調和前首先進行了實驗室分析，通過實驗室調和試驗得出調和比例，最終完成柴油工業(yè)化調和。試驗用煤直接液化和煤間接液化調和組分油性質見表3。

表3 試驗用煤直接液化和煤間接液化調和組分油性質

2.1 實驗室調和試驗

將煤直接液化和煤間接液化組分油在實驗室按照體積比為1∶2.5、1∶2、1∶1.5、1∶1、1∶0.75、1∶0.5、1∶0.4 進行調和，得到1#～7#調和柴油樣品，其性質見表4。將表4 與國Ⅵ標準進行對比可以看出，煤直接液化組分油添加比例過高時，柴油十六烷指數(shù)不滿足指標要求；煤間接液化組分油添加比例過高時，柴油密度過低，不滿足指標要求。從表4 可得出，由煤直接液化油和煤間接液化油可調和出滿足國Ⅵ標準要求的0 號、-10 號和-20 號車用柴油。

表4 煤直接液化和煤間接液化組分油調和試驗數(shù)據(jù)

2.1.1 國Ⅵ標準0 號柴油的調和

將表4 與國Ⅵ標準中0 號柴油的指標要求進行對照可以看出，1#～7#調和柴油凝點和冷濾點均能滿足0 號柴油標準要求，6#和7#調和柴油不滿足閃點不低于60 ℃、十六烷指數(shù)不低于46 的要求，1#～3#調和柴油密度低于810 kg/m3，5#～7#調和柴油運動黏度不滿足標準指標要求，綜合調和柴油試驗數(shù)據(jù)，僅4#調和柴油（煤直接液化和煤間接液化組分油體積比為1∶1）可滿足國Ⅵ標準0 號柴油要求。

通過試驗可以看出，調和0 號柴油的關鍵影響指標為運動黏度、閃點、十六烷指數(shù)和密度。4#調和柴油雖滿足國Ⅵ標準要求，但其運動黏度和閃點指標余量不大，其余指標有一定余量，在生產(chǎn)操作中可通過提高煤直接液化組分油的95%回收溫度來提高運動黏度和閃點，給調和過程留出控制余量。

2.1.2 國Ⅵ標準-10 號柴油的調和

將表4 與國Ⅵ標準中-10 號柴油的指標要求進行對照可以看出，2#～7#調和柴油凝點和冷濾點均能滿足-10 號柴油標準指標要求，1#～7#調和柴油運動黏度均能滿足指標要求，6#和7#調和柴油不滿足閃點不低于60 ℃、十六烷指數(shù)不低于46 的要求，2#和3#調和柴油密度低于810 kg/m3，綜合調和柴油試驗數(shù)據(jù)，僅4#和5#調和柴油（煤直接液化和煤間接液化組分油體積比為1∶0.75）可滿足國Ⅵ標準-10 號柴油要求。

通過試驗可以看出，調和-10 號柴油的關鍵影響指標為閃點、十六烷指數(shù)和密度。4#和5#調和柴油均可滿足標準要求，在調和過程中可根據(jù)兩種煤液化組分油的市場價格合理調整調和比例。

2.1.3 國Ⅵ標準-20 號柴油的調和

將表4 與國Ⅵ標準中-20 號柴油的指標要求進行對照可以看出，5#～7#調和柴油凝點和冷濾點均能滿足-20 號柴油標準指標要求，6#和7#調和柴油十六烷指數(shù)低于46，綜合調和柴油試驗數(shù)據(jù)，僅5#調和柴油可滿足國Ⅵ標準-20 號柴油要求。

通過試驗可以看出，調和-20 號柴油的關鍵影響指標為凝點、冷濾點和十六烷指數(shù)。5#調和柴油可滿足標準要求，在調和-20 號柴油過程中，為了保證調和柴油質量，需保證煤間接液化組分油凝點在-5 ℃以下，要求煤間接液化組分油必須經(jīng)過降凝裝置處理來保證凝點和冷濾點指標，同時在生產(chǎn)煤直接液化組分油的過程中添加一定比例蒽油，增加環(huán)烷烴含量，從而降低凝點和冷濾點，保證調和柴油質量。

2.2 工業(yè)化調和

2020 年，鄂爾多斯煤制油分公司工業(yè)調和-10 號煤液化柴油14 000 t，調和比例為煤直接液化和煤間接液化組分油體積比1∶1。工業(yè)化和實驗室調和的-10 號柴油性質見表5。

表5 實驗室和工業(yè)化調和的-10 號柴油性質

由表5 可以看出，實驗室調和柴油數(shù)據(jù)和工業(yè)化調和柴油數(shù)據(jù)均滿足國Ⅵ標準-10 號柴油要求，且實驗室和工業(yè)化調和柴油數(shù)據(jù)偏差較小。

3 結 論

3.1 煤液化油品調和控制指標的關鍵影響因素主要是運動黏度、凝點、冷濾點、閃點、十六烷指數(shù)和密度。

3.2 可通過控制煤直接液化和煤間接液化裝置生產(chǎn)操作來調整部分組分油指標，生產(chǎn)出符合調和要求的調和組分油。

3.3 實驗室調和試驗表明，煤液化油品能調和出滿足國Ⅵ標準要求的0 號、-10 號和-20 號柴油。

3.4 實驗室和工業(yè)化調和的-10 號柴油均滿足國Ⅵ標準-10 號柴油要求，且實驗室和工業(yè)化調和柴油數(shù)據(jù)偏差較小。