潤滑油加氫組合技術的工業應用

宋以常，王魯強

(1.中國石化北京燕山分公司，北京 102500；2.中石化石油化工科學研究院有限公司)

經過多年的發展進步，我國潤滑油加氫技術日臻成熟。1999年，中石化石油化工科學研究院有限公司(簡稱石科院)開發的全氫型潤滑油加氫技術在中國石油克拉瑪依石化有限公司進行了工業應用；2009年，中國石油石油化工研究院與中國科學院大連化學物理研究所共同研制的異構脫蠟催化劑在中國石油大慶煉化公司0.2 Mt/a的異構脫蠟裝置進行了工業應用，有效提高了產品質量[1]。2016年，石科院自主研發的RIW異構脫蠟技術在中國石化茂名分公司0.4 Mt/a潤滑油加氫異構脫蠟裝置上成功進行了工業應用，標志著我國異構脫蠟技術又取得了一項重要突破[2]

未來幾年，進口APIⅠ類潤滑油基礎油(簡稱基礎油)的市場份額將持續小幅滑落，而光亮油仍會以進口為主。同時，進口APIⅡ類基礎油的占比也將有所回落，隨著國內API Ⅱ類基礎油新生產裝置持續增加，國產低黏度API Ⅱ類基礎油將逐步滿足潤滑油成品油的生產需求，但部分高黏度API Ⅱ類基礎油仍需進口。此外，隨著車用潤滑油向高檔化發展，API Ⅲ類基礎油的需求量不斷增長[3]。

按照煉化企業“油轉特”、提升效益的要求，中國石化北京燕山分公司(簡稱燕山石化)新建了一套0.45 Mt/a潤滑油加氫裝置(簡稱加氫裝置)。該加氫裝置由加氫處理單元和加氫異構單元組合而成，以生產高黏度API Ⅱ+類基礎油和高黏度指數基礎油為目標。該裝置于2021年9月一次開工成功，生產出了高黏度指數的API Ⅲ類基礎油產品。

1 裝置工藝流程與技術特點

燕山石化潤滑油加氫裝置的加氫處理單元和加氫異構單元分別采用石科院開發的RLT技術和埃克森-美孚公司的異構降凝MSDW工藝。RLT技術采用潤滑油加氫處理專用催化劑RL-2[4]，該催化劑的金屬功能和酸性功能平衡，加氫活性很強并有一定的異構化活性，可在緩和反應條件下大幅提高基礎油的黏度指數，同時減少其黏度損失。MSDW工藝中脫蠟部分使用貴金屬催化劑EM-7210和EM-7320，后精制部分使用EM-7520催化劑；基礎油異構降凝過程中，正構烷烴和短側鏈烷烴通過選擇性裂化和加氫異構來降低基礎油的傾點，并通過后精制改善油品顏色。

潤滑油加氫工藝流程如圖1所示。其加氫處理單元由反應系統和分餾系統組成。反應系統有兩個反應器，第一反應器填裝RG系列保護劑及脫金屬劑，潤滑油基礎油主要發生脫雜質、脫硫、脫氮和芳烴飽和反應；第二反應器填裝RL-2主劑，基礎油中環烷烴通過選擇性開環提高其黏度指數。加氫異構單元包括一個選擇性脫蠟反應器和一個后精制反應器。由圖1可知，該裝置設計的主要特點為：①反應部分采用成熟的爐前混氫流程，可提高傳熱效率、減少換熱設備、降低系統壓降；②采用熱高壓分離器(熱高分)和熱低壓分離器(熱低分)，可降低反應產物冷卻負荷及反應生成油分餾加熱爐負荷；③加氫處理單元的循環氫壓縮機與裝置中的新氫壓縮機組成聯合機組，以降低能耗；④反應器采用新型內構件，使氣液分布更均勻，減小徑向溫差；⑤減壓分餾塔設置中段回流，回收熱量、降低能耗；⑥基礎油產品側線抽出采用汽提+干燥塔流程，可降低基礎油水含量，提高產品品質。

圖1 潤滑油加氫工藝流程

2 裝置開工應用情況

為降低催化劑成本，潤滑油加氫處理單元使用了RL-2再生劑，其脫硫、脫氮性能不及RL-2新鮮劑。為保證產品質量，不宜加工劣質重質原料，因此本次開車以減三線蠟油為原料，其主要性質見表1。此外，潤滑油加氫裝置全流程開車期間加工的原料油是由以巴士拉原油和科威特原油為主要油種生產的減三線蠟油。

表1 減三線蠟油的主要性質

由1表可見：原料減三線蠟油的密度(20 ℃)、硫含量、芳烴含量均大于裝置原料質量指標設計值；同時，其黏度指數僅有55，與API Ⅱ+類(黏度指數大于110)或API Ⅲ類(黏度指數大于120)基礎油產品的黏度指數指標差距很大，生產高黏度指數產品的難度較大。

潤滑油加氫反應器的主要操作參數見表2。由表2可知，反應器入口氫分壓為15.3 MPa，加氫預精制反應器溫升約為30 ℃。由于芳烴含量高，減三線蠟油需要進行芳烴加氫飽和反應和加氫脫硫、脫氮反應；同時為了生產高黏度指數基礎油產品，加氫處理減三線蠟油需要進一步深度加氫開環異構，在保證基礎油餾分的同時提高異構產物的黏度指數。研究發現[5]，通過工藝手段提高基礎油的鏈烷烴含量，不僅可以提高基礎油黏度指數，還可降低基礎油的蒸發損失，有利于改善產品質量。因此，加氫處理反應器的反應溫度比設計值略高，以提高潤滑油餾分中的鏈烷烴含量。

減三線蠟油加氫處理后，經減壓塔分餾得到減壓塔塔底油(簡稱減底油)，其主要性質如表3所示。從表3可知：加氫處理減底油硫質量分數為30 μg/g左右，氮質量分數為1 μg/g左右，滿足異構單元進料質量要求(硫質量分數不大于50 μg/g、氮質量分數不大于5 μg/g)；減底油的初餾點及50%餾出溫度均低于設計值，說明減底油中包含部分柴油餾分，但其黏度指數由55提高至120，增幅顯著；減三線蠟油的大部分芳烴發生加氫飽和，減底油的芳烴質量分數由57%降至3%左右，而鏈烷烴由15.6%提高至28.3%，表明RL-2再生劑的加氫處理性能基本達到了預期目標。

表3 加氫處理減底油的性質

表4為異構輕質潤滑油基礎油(簡稱輕潤)和中間餾分潤滑油基礎油(簡稱中潤)產品的性質。由表4可知：輕潤的運動黏度(40 ℃)為10.56 mm2/s，黏度指數為69，傾點為-48 ℃，可以作為變壓器油基礎油；中潤的運動黏度(40 ℃)為17.21 mm2/s，黏度指數為99，芳烴質量分數小于0.2%，賽波特方法測定的色號大于+30，因而中潤可以作為15號工業白油或API Ⅱ 4基礎油產品。

表4 異構輕質和中質潤滑油基礎油產品的性質

表5為異構重質潤滑油基礎油(簡稱重潤)產品的性質。由表5可知，重潤的運動黏度(100 ℃)為5.945 mm2/s，黏度指數為119，達到API Ⅱ+類黏度指數大于110的指標要求。若適當調整原油類型或增加加氫深度，可以生產出黏度指數大于120的API Ⅲ 6基礎油產品。

表5 重質潤滑油基礎油產品性質

按照國際通用的調合油品黏度計算模型[6]，計算加氫異構產物(按產率比例混合的輕潤、中潤、重潤混合物)的綜合黏度指數為108，這比加氫異構單元進料(減底油)的黏度指數小12，說明加氫異構降凝后，基礎油的黏度指數有一定損失。

3 加氫基礎油的生產情況

3.1 API Ⅲ 4基礎油的生產

目前，國內潤滑油加氫裝置產能已達5 Mt/a以上，但高黏度指數基礎油產量仍很低，如黏度指數120以上的API Ⅲ 4基礎油的產量不足1 000 t/a。國內API Ⅲ 4基礎油的需求量在80～100 kt/a，基本依靠進口。國際上，SK公司和S-Oil公司是API Ⅲ類基礎油的兩大生產供應商，其API Ⅲ類基礎油的產量占全球總產量的2/3以上[7]。

國內一般用加氫裂化尾油(或摻煉蠟下油)來生產API Ⅲ類基礎油產品[8]。自2021年12月開始，燕山石化以減二線餾分油為原料，進行API Ⅲ 4基礎油的生產試驗。表6為減二線餾分油的理化性質，表7為減二線餾分油加氫減底油的理化性質，表8為減底油異構降凝得到API Ⅲ 4基礎油的理化性質。

表6 減二線餾分油的理化性質

由表6可知：減二線原料餾程較輕，初餾點為303 ℃、95%餾出溫度為477 ℃，沸程范圍較寬；同時，其硫質量分數為3.08%，屬于高硫餾分油，芳烴質量分數在50%以上；另外，其黏度指數很低，為61。由表7可知，減二線餾分油經過高壓加氫處理后，得到減底油的硫質量分數降至20 μg/g，黏度指數升至118。從其餾程看，減底油的50%餾出溫度為376 ℃，說明減底油中含有較多柴油餾分，而其中潤滑油餾分的實際黏度指數遠高于減底油。切除減底油中的柴油餾分，得到餾程>370 ℃的潤滑油餾分，其黏度指數高達135。說明經過高壓加氫處理后，基礎油的黏度指數增幅超過70。由表8可知，API Ⅲ 4基礎油產品的餾程與減底油>370 ℃潤滑油餾分相近，其黏度指數為121；與減底油>370 ℃潤滑油餾分對比可知，在加氫異構降凝過程中，減底油中潤滑油餾分的黏度指數損失約為14。

表7 加氫處理減底油的理化性質

表8 減二線餾分油加氫生產API Ⅲ 4基礎油的理化性質

由上述分析結果可知，減二線蠟油通過潤滑油加氫處理和異構化后，可以穩定生產API Ⅲ 4基礎油；但是減二線餾分油的餾程較低，致使目標基礎油產品的收率偏低，而柴油收率大幅增加，不利于改善產品結構和提升經濟效益。

3.2 API Ⅲ 6基礎油的生產

2021年11月，燕山石化以減三線餾分油為原料，進行了API Ⅲ 6基礎油的生產試驗。表9為減三線餾分油的理化性質。

表9 減三線餾分油的理化性質

由表9可見：減三線餾分油的黏度指數為75；其芳烴質量分數為53.9%，超過了設計限值(不大于50%)要求；其硫質量分數為2.48%，也超過了設計限值(不大于1.75%)要求；從其組成來看，燕山減三線餾分油的鏈烷烴質量分數僅為16.3%，含量很低，用于生產高黏度指數基礎油存在一定困難。

減三線餾分油加氫處理減底油的理化性質見表10。從表10可知：加氫處理減底油的黏度指數達135；從其餾程看，作為加氫異構單元的進料，減底油中含有部分柴油餾分，因此按照重質潤滑油基礎油的100 ℃運動黏度，對減底油進行了餾分切割，得到100 ℃運動黏度為6.010 mm2/s，黏度指數為137，凝點為42 ℃的潤滑油餾分。與減三線餾分油相比，加氫處理減底油的黏度指數增幅超過60；加氫處理過程中，芳烴表現出優良的選擇性加氫、開環性能，減底油芳烴質量分數由53.9%降至4.2%，芳烴飽和率達到92%，鏈烷烴質量分數由16.3%提高到40.2%，加氫效果良好。

表10 加氫處理減底油的理化性質

表11為減底油經加氫異構降凝后得到的各段基礎油的理化性質。由表11可知，重潤的100 ℃運動黏度為6.150 mm2/s，黏度指數達到122，傾點低于-21 ℃，芳烴質量分數為0，滿足API Ⅲ 6基礎油的質量指標要求。異構降凝過程中，重潤組分的黏度指數約降低15。

表11 異構潤滑油基礎油產品性質

4 結 論

燕山石化潤滑油加氫裝置將石科院開發的脫硫、脫氮、芳烴飽和性能優異的RLT加氫處理技術與ExxonMobil公司的MSDW異構降凝技術組合，通過加工高硫原油減二線、減三線餾分油，穩定生產出質量合格的API Ⅱ+和API Ⅲ類基礎油。

原料油經過加氫處理，其黏度指數提高60～70，芳烴飽和率超過90%；加氫處理減底油在加氫異構降凝后，其黏度指數下降12～15，基礎油中不含芳烴，鏈烷烴含量大幅提高。

燕山石化采用該潤滑油加氫裝置，通過加工高硫原油的減二線餾分油，生產出API Ⅲ4基礎油；通過加工高硫原油的減三線餾分油，生產出API Ⅲ6基礎油，裝置的原料適應性強，目標產品的選擇性良好且質量穩定，總體達到國內領先水平。