论文赏析——煤直接液化与煤间接液化油品工业调和应用研究
煤直接液化与煤间接液化油品工业调和应用研究
韩来喜，齐振东
（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209）
摘 要
为实现煤直接液化与煤间接液化组分油的工业化调和，将鄂尔多斯煤直接液化柴油和宁夏煤间接液化柴油性质与GB 19147-2016中车用柴油（Ⅵ）（简称国Ⅵ标准）的技术要求进行了对比，得出煤液化油品调和控制的关键指标为运动黏度、凝点、冷滤点、闪点、十六烷指数和密度，并对关键指标的生产控制进行了分析。通过实验室调和试验调和出满足国Ⅵ标准要求的0号、-10号和-20号柴油，确定了两种组分油的工业化调和比例；实验室和工业化调和的-10号柴油数据均满足国Ⅵ标准对-10号柴油的要求，且两者偏差较小。
作 者 简 介
韩来喜（1970- ），男，辽宁抚顺，高级工程师，硕士，1993年本科毕业于辽宁广播电视大学化工机械专业，现从事煤直接液化质量技术方面工作。
正 文
引言
2020年8月，鄂尔多斯煤制油分公司煤直接液化柴油组分油与宁夏煤业有限责任公司煤间接液化柴油组分油完成工业调和，调和柴油可满足GB 19147-2016[1]车用柴油（Ⅵ）（简称国Ⅵ标准）的技术要求（0号柴油、-10号柴油和-20号柴油），标志着煤直接液化与间接液化柴油在世界范围内完成首次工业化调和，并取得成功。
鄂尔多斯煤直接液化柴油组分油是在高温、高压和铁系催化剂作用下，通过多次加氢反应得到的柴油组分，油品主要由环状烃类构成，具有硫、氮及芳烃含量低，凝点和冷滤点低，密度大，十六烷值低等特点。宁夏煤间接液化柴油是经过费托合成工艺，将煤气化制备的合成气（CO和H2）原料在一定的温度和压力下催化合成烃类燃料，再通过加氢裂化工艺得到的柴油组分，油品主要由烷烃构成，具有硫、氮及芳烃含量低，十六烷值高的优点，但密度偏低，凝点和冷滤点偏高。上述两种煤液化柴油的凝点和冷滤点、密度、十六烷值可以通过调和实现优势互补[2]，因此，开展煤液化柴油调和对促进煤制油产业的快速发展具有重要的意义。
一些学者[2-4]通过煤液化柴油小试调和，获得了相关调和理论基础。白雪梅[2]的研究结果表明，煤直接液化柴油和煤间接液化柴油具有很好的相容性；调和柴油的密度和十六烷值与其中煤间接液化柴油的质量分数呈线性关系，其对润滑性改进剂具有良好的感受性，在发动机上有很好的动力性，油耗较石油基柴油略有优势，常规排放满足GB 17691-2005排放限值要求，且在NOx、烟度和PM排放方面较石油基柴油有较大优势。梁雪美等[3]分析了煤直接液化柴油和煤间接液化柴油烃类组成和理化性能，结果表明：两者调和能生产出满足国家标准要求的低硫低芳烃清洁柴油，且对抗磨剂具有良好的感受性。曹文峰等[4]提出了适合煤基液化车用柴油调和的扩展虚拟纯组分法模型，采用该模型可粗略调和制取煤基车用柴油。
本文通过分析煤直接液化和间接液化柴油组分油理化性质，并与国Ⅵ标准的技术要求进行对比，得出了煤液化柴油工业调和的关键控制指标，通过实验室调和试验得出了工业调和方案，并提出通过控制煤液化柴油的生产过程来生产满足指标要求的调和组分油，为煤液化柴油工业调和提供实际调和方案和应用数据。
1 油品调和关键控制指标及其优化
煤直接液化柴油组分油取自鄂尔多斯煤制油分公司煤直接液化示范装置，煤间接液化柴油组分油取自宁夏煤业有限责任公司煤炭间接液化示范装置。
1.1 油品调和关键控制指标
煤直接液化柴油组分油和煤间接液化柴油组分油部分产品指标可通过生产工艺调整来进行优化，达到调和组分油性质指标要求。煤直接液化和间接液化柴油组分油性质见表1。
表1 煤液化柴油组分油性质
对比表1和国Ⅵ标准[1]可知，煤直接液化和间接液化组分油氧化安定性、硫含量、酸度、10%蒸余物残炭、灰分、铜片腐蚀、水含量、多环芳烃含量、总污染物含量、馏程、脂肪酸甲酯含量均满足甚至优于国Ⅵ标准要求，润滑性和十六烷值可通过加入抗磨剂和十六烷值改进剂来达到标准要求[5]。因此，油品调和控制指标的关键影响因素主要是运动黏度、凝点、冷滤点、闪点、十六烷指数和密度，具体见表2。
表2 油品调和关键控制指标
1.2 关键指标生产控制分析
在煤液化柴油组分油的生产过程中，通过优化生产操作和工艺条件，可使生产的组分油性质控制在一定目标范围内，有利于调和出目标柴油产品。
1.2.1 十六烷指数
柴油的十六烷值代表柴油燃料在发动机中的着火性能；十六烷指数表示馏分燃料在发动机中的发火性能，可以从馏分燃料的标准密度和中沸点计算而得。煤直接液化柴油的十六烷值和十六烷指数均较低，而煤间接液化柴油的十六烷值和十六烷指数均较高。
文献[2]在实验室模拟了煤液化柴油工业调和的十六烷指数，结果见图1[2]。
图1 实验室模拟煤液化柴油工业调和的十六烷指数趋势图
从图1可以看出，调和柴油的十六烷指数同两种柴油调和比例满足线性关系，随着煤间接液化油品比例增加，调和柴油的十六烷指数升高。在实际生产调和过程中，调和产品的十六烷指数可满足国Ⅵ标准0号、-10号和-20号车用柴油指标要求。
十六烷指数是煤液化调和柴油的关键控制指标，由于煤直接液化柴油环烷基组分质量分数达90%以上，组分构成不同于石蜡基原油，中沸点较低，而GB/T 11139-89《馏分燃料十六烷指数计算法》是针对石蜡基原油制订的，因此煤直接液化柴油按照该标准计算出的十六烷指数偏低。在实际生产调和过程中，可通过提高柴油分馏塔侧线切割温度来增加柴油的中沸点和密度，进而提高油品的十六烷指数；但切割温度过高会提高柴油的凝点和冷滤点，因此应根据所需柴油型号来平衡生产操作工艺条件，以便于调和出符合标准的柴油产品。
1.2.2 凝点和冷滤点
凝点和冷滤点是评价柴油低温流动性能的指标。为了满足调和柴油凝点和冷滤点指标要求，在生产过程中，平衡经济效益和产品指标要求，煤直接液化和煤间接液化柴油均可通过调整工艺来控制凝点和冷滤点。
煤直接液化柴油在生产过程中可通过控制柴油终馏点和添加一定比例蒽油来降低凝点和冷滤点。柴油终馏点越低，凝点和冷滤点越低，但馏程缩短会导致燃烧性能降低，柴油密度变小；添加一定比例蒽油会增加柴油密度，降低柴油凝点和冷滤点，但蒽油添加量高会使柴油收率降低，生产成本升高，且由于蒽油中金属含量高，其添加量过高会引起催化剂活性降低，影响装置长周期运行。煤间接液化柴油在生产过程中可通过加氢降凝装置来降低凝点。
1.2.3 密度
密度是油品性能的一个重要指标。煤直接液化和煤间接液化柴油均可通过切割柴油馏分段来控制产品密度，煤直接液化柴油也可通过在生产中添加蒽油来加大产品密度。
1.2.4 闪点
闪点是调和0号和-10号车用柴油时的重要控制指标。国Ⅵ标准要求0号和-10号柴油闪点高于60 ℃，而煤直接液化柴油闪点在55 ℃～59 ℃，在生产过程中，可通过提高调和组分油终馏点来提高柴油闪点，满足调和指标要求。
1.2.5 运动黏度
黏度是表征柴油流动性的主要指标，与柴油额定供给量、雾化性、燃烧性和润滑性均有密切的关系。煤直接液化和煤间接液化柴油运动黏度均偏低，随着煤间接液化柴油质量分数的增加，调和柴油的运动黏度逐渐增加。柴油的相对分子质量越大，其黏度也越大，煤液化油在生产过程中均可通过增大柴油95%回收温度来增大运动黏度，但这一操作同时会降低柴油的凝点。
2 柴油调和分析
工业化调和前首先进行了实验室分析，通过实验室调和试验得出调和比例，最终完成柴油工业化调和。试验用煤直接液化和煤间接液化调和组分油性质见表3。
表3 试验用煤直接液化和煤间接液化调和组分油性质
2.1 实验室调和试验
将煤直接液化和煤间接液化组分油在实验室按照体积比为1∶2.5、1∶2、1∶1.5、1∶1、1∶0.75、1∶0.5、1∶0.4进行调和，得到1#～7#调和柴油样品，其性质见表4。将表4与国Ⅵ标准进行对比可以看出，煤直接液化组分油添加比例过高时，柴油十六烷指数不满足指标要求；煤间接液化组分油添加比例过高时，柴油密度过低，不满足指标要求。从表4可得出，由煤直接液化油和煤间接液化油可调和出满足国Ⅵ标准要求的0号、-10号和-20号车用柴油。
表4 煤直接液化和煤间接液化组分油调和试验数据
2.1.1 国Ⅵ标准0号柴油的调和
将表4与国Ⅵ标准中0号柴油的指标要求进行对照可以看出，1#～7#调和柴油凝点和冷滤点均能满足0号柴油标准要求，6#和7#调和柴油不满足闪点不低于60 ℃、十六烷指数不低于46的要求，1#～3#调和柴油密度低于810 kg/m3，5#～7#调和柴油运动黏度不满足标准指标要求，综合调和柴油试验数据，仅4#调和柴油（煤直接液化和煤间接液化组分油体积比为1∶1）可满足国Ⅵ标准0 号柴油要求。
通过试验可以看出，调和0号柴油的关键影响指标为运动黏度、闪点、十六烷指数和密度。4#调和柴油虽满足国Ⅵ标准要求，但其运动黏度和闪点指标余量不大，其余指标有一定余量，在生产操作中可通过提高煤直接液化组分油的95%回收温度来提高运动黏度和闪点，给调和过程留出控制余量。
2.1.2 国Ⅵ标准-10号柴油的调和
将表4与国Ⅵ标准中-10号柴油的指标要求进行对照可以看出，2#～7#调和柴油凝点和冷滤点均能满足-10号柴油标准指标要求，1#～7#调和柴油运动黏度均能满足指标要求，6#和7#调和柴油不满足闪点不低于60 ℃、十六烷指数不低于46的要求，2#和3#调和柴油密度低于810 kg/m3，综合调和柴油试验数据，仅4#和5#调和柴油（煤直接液化和煤间接液化组分油体积比为1∶0.75）可满足国Ⅵ标准-10号柴油要求。
通过试验可以看出，调和-10号柴油的关键影响指标为闪点、十六烷指数和密度。4#和5#调和柴油均可满足标准要求，在调和过程中可根据两种煤液化组分油的市场价格合理调整调和比例。
2.1.3 国Ⅵ标准-20号柴油的调和
将表4与国Ⅵ标准中-20号柴油的指标要求进行对照可以看出，5#～7#调和柴油凝点和冷滤点均能满足-20号柴油标准指标要求，6# 和7#调和柴油十六烷指数低于46，综合调和柴油试验数据，仅5#调和柴油可满足国Ⅵ标准-20号柴油要求。
通过试验可以看出，调和-20号柴油的关键影响指标为凝点、冷滤点和十六烷指数。5#调和柴油可满足标准要求，在调和-20号柴油过程中，为了保证调和柴油质量，需保证煤间接液化组分油凝点在-5 ℃以下，要求煤间接液化组分油必须经过降凝装置处理来保证凝点和冷滤点指标，同时在生产煤直接液化组分油的过程中添加一定比例蒽油，增加环烷烃含量，从而降低凝点和冷滤点，保证调和柴油质量。
2.2 工业化调和
2020年，鄂尔多斯煤制油分公司工业调和-10号煤液化柴油14 000 t，调和比例为煤直接液化和煤间接液化组分油体积比1∶1。工业化和实验室调和的-10号柴油性质见表5。
表5 实验室和工业化调和的-10号柴油性质
由表5可以看出，实验室调和柴油数据和工业化调和柴油数据均满足国Ⅵ标准-10号柴油要求，且实验室和工业化调和柴油数据偏差较小。
3 结论
3.1
煤液化油品调和控制指标的关键影响因素主要是运动黏度、凝点、冷滤点、闪点、十六烷指数和密度。
3.2
可通过控制煤直接液化和煤间接液化装置生产操作来调整部分组分油指标，生产出符合调和要求的调和组分油。
3.3
实验室调和试验表明，煤液化油品能调和出满足国Ⅵ标准要求的0号、-10号和-20号柴油。
3.4
实验室和工业化调和的-10号柴油均满足国Ⅵ标准-10号柴油要求，且实验室和工业化调和柴油数据偏差较小。
参考文献：
[1]中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，中国石油天然气股份有限公司炼油与化工分公司，中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，等. 车用柴油：GB 19147-2016[S]. 北京：中国标准出版社，2016.
[2]白雪梅. 煤液化柴油调和及发动机试验研究[J]. 煤炭转化，2017，40（3）: 44-51.
[3]梁雪美，张安贵，刘素丽，等. 煤基液化柴油产品特性及调和试验研究[J]. 洁净煤技术，2019，25(S2)：29-34.
[4]曹文峰，余小兵. 直接液化柴油与间接液化柴油调和实验研究[J]. 内蒙古石油化工，2020，46（7）：35-38.
[5]李小强，裴晓芳，杨德宝. 煤直接液化柴油润滑性研究及抗磨剂的选用[J]. 煤化工，2020，48（3）：33-36.