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GTL基础油介绍
1 化学成分
GTL基础油是以碳氢化合物(天然气)为原料合成的基础油。
2 市场前景
新一代基础油——GTL基础油市场前景分析
近20年来，世界润滑油工业发生了巨大的变化，新装置、新工艺、新技术和愈加苛刻的产品规格驱动着整个润滑油工业进行一轮又一轮的变革，基础油加工工艺的变革自然也成为推动润滑油行业发展的重要因素。目前，世界著名石油石化公司正在投入大量资金进行天然气合成油(Gas-to-Liquid，简称GTL)的研究，而GTL技术制备基础油工艺的逐步商业化，将引起基础油领域新一轮的变革。
3 GTL技术概述
GTL技术是将天然气转变为合成油后再进一步转变为燃油及其他碳氢化合。通俗地说，首先是将天然气分子撕裂，再 将它们重新组成长链分子。这个过程将制备纯度极高、无硫、无氮、无芳烃和无金属元素的合成型原油，其分子基本上是由直链烷、烯烃组成。然后，合成油经过进一步炼制，生产出对环境友好的燃料油和化学品，例如柴油、石脑油、石蜡及其特殊产物。
3.1 GTL加工工艺及优势
GTL工艺包括下列两个主要步骤：1)将天然气转换为合成气。天然气与氧气经过部分氧化反应制备成合成气，合成气的成分主要包括一氧化碳(CO)和氢气(H2)，该步骤投资费用较高。2)将合成气转变为合成油。这是GTL技术的关键步骤，是经过费托(Fischer-Tropsch)合成转换，即：将合成气经过含有钴基专利催化剂的固定床或浆态悬浮床的反应器，转变为各种黏度级别的液态碳氢化合物。GTL加工工艺示意图见图1。
根据《油气杂志》近期的评估以及各**部门和石油公司的勘测，世界天然气剩余探明储量为170万亿立方米以上，但由于远离消费者、运输困难等原因，多数储量被搁置。GTL技术能够为消费者提供石油产品的替代物，给拥有天然气储量的国家和地区带来经济效益，同时还可以避免在石油开采时将伴生天然气资源放空燃烧。不仅使天然气资源得到充分利用，而且使环境得到保护。GTL技术制备的合成型碳氢化合物性能优异，可以直接使用或与低质量原油生产的燃料进行混合使用，以满足越来越苛刻的环保和油品性能指标的要求。
3.2 费托(FT)合成的发展
将合成气经过催化剂作用转化为液态烃的方法是1923年由德国科学家Frans Fischer和Hans Tropsch发明的，简称费托(FT)合成。费托合成技术1932年首先在德国实现工业化，到1939年，德国的9套FT装置已达到每天生产1.2万桶产品。费托合成技术工业化生产经过几十年的沉浮，在20世纪90年代开始步入新的发展轨道。石油资源逐渐减少与劣质化的趋势和天然气探明可采储量的持续增加，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Bintulu的GTL工厂装置投入运营;2002年，BP在美国阿拉斯加州Nikiski的试验装置投入运营;2003年，康菲公司在美国俄克拉何马州Ponca城的试验装置开工;同年10月，壳牌在卡塔尔的该公司第二套GTL项目签约。2004年7月，埃克森美孚与卡塔尔**签约，在卡塔尔北部的Ras Laffan投资70亿美元，建设世界上最大的GTL项目，并计划于2011年开始运营。
4 基础油加工工艺的变革
4.1 原油加工制备基础油工艺的发展
经石油炼制工艺生产的润滑油基础油的质量优劣主要取决于原油品质及所采用的工艺。用来加工API Ⅰ类及其标准以下的传统的润滑油基础油生产工艺包括“溶剂精制”、“溶剂脱蜡”和“白土补充精制”，其中的溶剂脱蜡是润滑油基础油加工过程中的主要生产工艺。此工艺通常采用甲乙酮/甲苯、甲乙酮/甲基异丁基酮作为溶剂，经溶剂稀释溶解的含蜡基础油冷却到-10～-20℃时，溶液中的蜡会形成结晶、沉积，然后辅助以蒸发、汽提、过滤等工艺除去基础油中的石蜡，以降低润滑油基础油的倾点，同时得到副产品——工业石蜡原料。这种生产过程基本以物理过程为主，不改变烃类结构，生产的基础油的品质取决于原料中理想组分的含量与性质。由于这种提炼过程无法将所含的杂质清除干净，因此生产的基础油倾点较高，不适合在寒冷条件下作业时使用，同时，还会由于芳烃等非理想成分含量较高而造成抗氧化性较差等特性，容易被排斥在高档润滑油的调配选择之外。
为满足新一代汽车发动机、高性能设备对润滑油的更高要求，近二三十年出现了加氢工艺制备的API Ⅱ/Ⅲ类基础油，这极大地提高了润滑油产品的使用性能，而且扩展了石油炼制基础油的使用范围，这其中以催化脱蜡(CDW)技术和异构脱蜡(IDW)技术为代表。以雪佛龙公司为例，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。加氢处理脱除原料中的硫、氮、金属及其他杂质，再通过加氢异构脱蜡转化过程，将低黏度指数的组分转化为高黏度指数、低倾点的基础油。进料经加氢处理和异构脱蜡后，由于含有残留的少量稠环芳烃，得到的脱蜡油的稳定性往往并不理想，在光照下与空气接触容易变色并生成沉淀，故需经过常压蒸馏和减压蒸馏，进一步加氢加以清除，因此从异构脱蜡反应器出来的馏出物，经换热后需进入后精制反应器进行加氢饱和,以改进产品的颜色和产品的氧化安定性。
与Ⅰ类相比，API Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类基础油减少了挥发物质、硫、芳香烃的含量，并具有较高黏温系数和较低黏度，其逐步升级的性能正在受到市场的追捧。润滑油基础油分类指标见表1。在美国和欧洲市场，由于受到汽车制造商和**环保部们的影响，API Ⅱ、Ⅲ类基础油的消费正在以每年8%的速度增长。2004年北美市场API Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类等高端基础油的市场消费总量已经超过Ⅰ类基础油的消费总量。其间，Motiva等基础油加工企业增加了API Ⅱ、Ⅲ类基础油的生产加工能力，而壳牌等公司关闭了API Ⅰ类基础油制造厂。
4.2 第一代GTL基础油
GTL装置经过费托合成在制备超清洁燃料的同时，还可以生产清洁的合成型烷基石蜡。石蜡可以进一步被转化为不含硫、氮、芳烃、金属杂质的润滑油基础油，完全不同于石油炼制过程经过溶剂精制或加氢精制过程制备的基础油。由于GTL基础油的分子结构基本上完全为异构烷烃，因此GTL基础油具有低黏度、清洁、寿命长的特点，为市场需求提供了新的选择。
世界上投入运转或小规模试运行的第一代GTL基础油装置有两套。这两套GTL装置的费托合成部分均采用固定床工艺。壳牌在马来西亚Bintulu的GTL装置于1993年启动，日产量为1.25万桶，其采用的工艺是壳牌公司的SMDS(Shell Middle Distillate Synthesis)工艺，所产生的石蜡产品运往日本Yokkaichi和法国Petit-Couronne的两处基础油加工装置，经过加氢裂解和加氢异构化，制备合适的含蜡油基础油组分，再经过简单的溶剂脱蜡工艺制备Shell XHVI(r)基础油产品。Syntroleum公司在西澳大利亚Tulsa的试验装置于2000年12月投入运行，由于合作伙伴安然公司的破产，该项目也被迫终止。
4.3 第二代GTL基础油加工工艺
基于市场对超清洁柴油燃料的需求，世界许多著名石油石化公司纷纷加大对GTL技术的投资，而所计划大规模生产GTL基础油的装置均位于卡塔尔半岛的北部。埃克森美孚公司在卡塔尔的GTL装置投资接近70亿美元，投产后的装置将是世界最大的GTL装置。该装置将采用埃克森美孚公司的AGC-21专利技术，其总产能的20%将用来生产高性能的基础油，并且还将采用该公司专有的MWI(tm)(蜡异构化工艺)，将含蜡油、软蜡等蜡含量高的原料送进装填择型分子筛的固定床反应器，转变成高黏度指数基础油(见图2)。该装置预计年产150万吨的基础油，其产量约为埃克森美孚现有的全球基础油产量的17%。雪佛龙公司与南非的Sasol公司合资在卡塔尔建设的Oryx GTL基础油装置，将于2008年上半年投入生产。壳牌在卡塔尔的GTL装置被称为Pearl GTL项目，该项目将依托壳牌在马来西亚GTL装置上的SMDS工艺。第一阶段工程预计于2009年投入运行，计划年产50万吨GTL基础油;待第二阶段工程竣工后，产能将达到100万吨/年，约占目前壳牌全球基础油产能的25%。预计到2010～2012年，GTL基础油的潜在日产量将达到3万～5万桶。届时，将会对高档基础油市场产生一定的影响。三大主要GTL基础油生产商的产量计划与出产日期见表2。
5 GTL基础油的性能
正在制定或实施的内燃机油规格，如API SL/SM，ILSAC GF-4，需要较低的黏度以满足燃油经济性的标准。同时，环保法规要求减少重负荷柴油机的颗粒污染物(PM)、氮氧化合物(NOX)的排放，以及低NOX内燃机设计所产生的额外烟炱。要提高重负荷柴油机油的操作性能，就必须使所用基础油的性能提高，避免发动机过早磨损。汽车制造商正在为他们的乘用轿车和卡车装填长寿命的自动传动液或液力传动液，以减少质保维修成本。GTL基础油基于其几乎零硫、氮、芳烃含量，以及几乎完全为异构烷烃的结构特点，表现出优异的氧化安定性、低温性能，较低的NOACK蒸发损失和高的黏度指数，能够满足市场对于更高性能基础油的增长要求。目前，GTL基础油的生产工艺已发展到能够制备从2cSt到大于9cSt的较大跨度的黏度级别(100℃)，甚至可以生产高黏度级别的光亮油。突破了加氢工艺只能生产几乎9cSt以下级别的API Ⅱ/Ⅲ类基础油的较窄范围局限，也扩展了业界对高黏度级别高性能基础油的需求。API 分类不同等级基础油性能比较见表3。
6 GTL基础油的市场前景分析
为了减少尾气排放，增加内燃机能效，汽车制造商需要高性能的基础油，如API Ⅲ和API Ⅳ类基础油。由GTL技术制备的润滑油基础油是API Ⅲ/Ⅳ类基础油的重要替代产品，具有很好的黏温性能、抗氧化性能和低温冷启动性能，用此类基础油调配的润滑油能够满足现代内燃机的操作需要。
GTL装置大多是为了生产高清洁燃油、石脑油和特殊化学产品而建的，只有少部分的装置为了实现加工产品的构成价值最大化而制备部分基础油，其份额一般为10%～20%。虽然润滑油和石蜡的市场规模只有燃油市场的5%，但是专家们预测GTL工艺制备的高纯度基础油将会对市场产生重要影响。
Kline公司的分析显示，合成型聚α-烯烃的价格一般在4.5～8美元/加仑，API Ⅲ类基础油的价格为1.6～2.5美元/加仑。GTL基础油的价格比上述两种价格均有优势，它不仅会对现在的API Ⅱ类的基础油市场产生影响，还能以其优异的低温性能和抗氧化性能，不可避免地在低黏度、燃油经济性(特别是SAE 0W)方面直接成为聚α-烯烃的竞争对手。在发动机和齿轮变速箱用润滑油方面，由于GTL基础油蒸发损失很少，与API Ⅲ/Ⅳ类基础油也将展开市场竞争。如果文中所述的大型GTL基础油装置能正常生产，GTL基础油的产量将大大增加，那么GTL基础油与API Ⅲ/Ⅳ类基础油，甚至Ⅱ类基础油争夺市场将为期不再遥远。可以预见，GTL基础油将首先在高档内燃机油、自动传动液等配方中得到应用，并从欧洲、北美市场向日本市场延伸，最后在亚太地区得到应用。随着壳牌、埃克森美孚、雪佛龙Sasol等几家公司的大规模GTL装置投入运营，GTL基础油将会取代传统类型的基础油，在液压油、铁路内燃机油、工业齿轮油等领域得到大规模应用。Ⅰ类基础油制造商将会受到新型基础油供应带来的更大压力。
但是市场对于API Ⅲ和API Ⅳ类基础油的偏爱，以及API Ⅱ类基础油生产的较大利润空间，会迫使GTL制造商考虑其产品是通过降低价格与API Ⅱ类基础油争夺市场，还是牺牲产量以保持API III/IV类的价格优势。基于上述经济因素的考虑，GTL基础油的生产还将在小规模的试验装置上进行，而目前 GTL基础油仍是使用在上述几家大公司自有润滑油品牌的产品上，大规模的GTL基础油装置的前景一时还难以定夺。
7 总结与思考
为了提高燃油经济性，需要更多的低黏度的润滑油，例如SAE 0W/20的内燃机油限定了发动机的高低温黏度，这类油品目前只能用聚α-烯烃和酯类油的混合物才能调合出来，而用API Ⅲ类基础油很难同时满足低黏度和低挥发性的要求。GTL基础油则能够满足此类新规格的要求。
作为生产润滑油的重要原料，GTL基础油是否能够在市场上获得成功，还取决于许多其他因素。制造企业如果想在满足自身需求以外获得市场的成功，必须使GTL的装置工艺和质量控制能够不断地满足生产高质量GTL基础油的需要。由于计划中的GTL基础油大型装置均位于较为偏远的地区，即离终端消费市场较远，其物流供应环节的可靠性非常重要。此外，润滑油调合厂和经销商还应考虑怎样共同提高GTL基础油的价格竞争力，以打开更大的市场。GTL类基础油作为新一代基础油，要替代其他产品进入市场，还需要进行大量的、必要的测试，其中包括发动机台架试验，添加剂适配性，产品互溶性，产品的OEM认证等工作，这需要投入大量资金进行相关研究和配套服务。
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