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                  知否?知否?润滑油基础油:车用PAO的未来展望

                  2019-02-22    中国润滑油信息网  
                    润滑油基础油的历史发展过程离不开技术进步和制造业水平的提升,随着国际润滑油标准化及批?#22025;?#21592;会(ILSAC)GF-6(API为SN-Plus)的即将推出和国家相关产业政策陆续出台,精细化工行业整体生产技术水平的提高,加之国家精密机械制造水平的不断进步,用户素养的不断提高和理念的转变,以及对长周期换油的需求,国内车用PAO基础油需求量将不?#26174;?#21152;。

                  车用PAO的未来展望

                    2017年全球基础油产能达到了5798万t/a,比2010年增长17%。2010年至今,全球Ⅰ类(API-1509分类)基础油产能下降20%,Ⅱ类基础油产能增加75%,Ⅲ类基础油产能增长137%,占比从2010年的7%升至2017年的13%。?#22771;?#21271;美和?#20998;?#26159;Ⅲ类基础油的主要消费区域。据中国海关总署数据显示,2017年中国进口基础油总量为281.6万t,其中环烷基油为1.3万t,Ⅲ类基础油为62.4万t、Ⅱ类基础油为157.6万t、Ⅰ类基础油为60.3万t。据不完全统计,?#22771;阿?#31867;聚α-烯烃(Polyalphaolefins, PAO)国内需求量60.5万t/a(其中低黏度约45.7万t/a,高黏度14.8万t/a),需求量约95%需要进口。我国作为润滑油的主要生产国,产能多年来一直稳居世界第三位,截至2017年11月,中国Ⅱ类基础油装置产能达到521万t/a。随着“一带一路”战?#36234;?#35774;深入,我国汽车、工程机械、电力、钢铁、机床行业的快速增长,装备技术的不断提升,中国制造2025规划的提出,我国润滑油需求量?#20013;?#22686;长,已成为全球第二大润滑油市场,2017年观消费量为673.9万t。

                    随?#29260;?#36710;发动机的设计理念向节能、环保方向的转变,发动机设计的大压缩比小型化,功率体积比升高,热负荷和机械负荷不?#26174;?#21152;的趋势;加之用户对延长换油期的需求,都对润滑油基础油提出了更高的标准和质量要求。传?#36710;?#32769;三套工艺生产的APII类润滑油基础油已经不能满足现在设备对润滑油的低挥发性、良好的低温性能、高黏度指数、很好的热氧化安全性等的要求。部分加氢Ⅱ类和全加氢Ⅲ类基础油成为主流,Ⅳ类PAO优越性能作为汽车高品质润滑油组分油成为必须。

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                    润滑油基础油发展概述

                    矿物润滑油基础油来?#20174;?#30707;油(亦称原油),国内“石油”一词?#21152;?#21271;宋沈括著的《梦溪笔谈》:“鄜延境内有石油,旧说高奴县出脂水即此也”。到北宋神宗时期,中央军器监属下的作坊中就有描绘加工原油的“猛火油作”和使用猛火油的器械“猛火油柜”等词汇。可见当时石油已用于军事方面;至少在公元前17世纪,古埃及就出现了使用橄榄油来搬运巨石的记载,而到?#26031;?#20803;前14世纪,人类甚至能用动物的油脂对战车?#31181;?#36827;行润滑,减少摩擦。石油炼制工业?#21152;?9世纪初的?#35775;?#22269;家,经过100多年的发展,特别是在第二次世界大战的刺激下,在石油炼制工业发展基础上,润滑油品质需求和基础油的生产得到极大的改善和进步。

                    1. 近代炼油工业的技术进步促进润滑油基础油生产技术进步

                    20世纪30年代前后,炼油工业的另一重要进展是润滑油生产技术日臻成熟。为了分馏出黏温性能好的润滑油料和获得更多的轻质油品,发展了减压蒸馏(也称原油蒸馏);为了脱除润滑油料中的石蜡和其它杂质,开发了离心脱蜡、溶剂脱蜡、溶剂精制、丙烷脱沥青等工艺。与此同时,润滑油添加剂的使用,极大改善了润滑油的质量,延长了设备的使用寿命。此阶段主要是物理过程(热加工)工艺。二次世界大战前后,要求机械设备在较?#37327;?#30340;条件下工作,一般矿物油已不能满足使用要求,加之?#34892;?#22269;家如德国、日本的石油资源短?#20445;?#22240;而促使通过化学合成的方法研制性能更好的润滑油基础油。上世纪40年代催化裂化、异构化等装置,50年代汽柴油、润滑油加氢、60年代出现的含分子筛的催化裂化催化剂等技术出现,使加氢合成润滑基础油工业化得以实现,此阶段被称为化学过程(催化加氢)工艺。

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                    2. 国内外PAO研发与现代工业装备制造业进步协同发展

                    1876年,俄国巴拉罕建立了世界上第一个润滑油生产厂。两年后,俄国人在巴黎世界博览会上推出了第一批矿物润滑油样品。从此,润滑油作为一种材料、一类产品和一门科学进入了人们的世界,这也是润滑油发展史上一个里程碑式的记录。国外合成润滑油的研究是从合?#21830;?#24320;始的。早在1929年,美国就开始生产PAO和聚1-丁烯合成油。1934年,美国人Sullivan等合成了PAO,与此同时,德国人Zorn也发现了与Sullivan相同的制备合?#21830;?#30340;方法。从1939年第二次世界大战开始,德国人利用石蜡裂解所得的α-烯烃生产PAO润滑油基础油。我国合成润滑基础油工业起步于上世纪50年代,起?#21152;?#32858;烯烃润滑材料的研发。60年代初开始研究酯类合成油,主要用于酯类航空润滑油、精密仪表油和高温润滑脂,主要供应航?#23637;?#19994;使用;70年代中期研究出了聚醚类产品;80年代以来,对合成润滑产品的生产工艺进行改进,优化生产条件,降低原材料消耗,开发新品种和扩展产品市场,但总体与国外在技术研发和加工成本控制有明显差距。

                    3. 基础油分类标?#25216;?#23545;PAO的定义

                    基础油种类按照API1509分成以下5种类别(见表1),Ⅰ类为传统溶剂精炼矿物油,Ⅱ类为加氢裂解矿物油,Ⅲ类为高度加氢裂解或加氢异构化蜡;以?#26174;?#26009;都来?#20174;?#30707;油常减压装置减底油和侧线VGO,后两类有化学反应过程。Ⅳ类为石蜡分解法与乙烯齐聚的合成基础油(特?#36127;銑商?#22522;础油,简称PAO),Ⅴ类为除以上其他类型的基础油。

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                    由于Ⅲ类基础油基本理化指标与PAO接近,也是现在市场上混淆最厉害的基础油。代表性的是嘉实多公司从1999年开始使用Ⅲ类基础油VHVI(very high viscosity index)代替原来配方的PAO,贴上“Synthesis”-合成油的标签,而现在国内很多品牌也照搬。随着加工工艺的提高,在Ⅲ类基础油VHVI上又有了:IDW(加氢裂化-异构脱蜡)雪佛龙公司专利,MSDW(加氢处理-加氢异构化和加氢裂化-选择性脱蜡)埃克森美孚公司专利,XHVI(加氢异构化生产超高黏度指数)和溶剂精制-加氢混合法(RHC)壳牌公司专利技术,行业现在都泛称为合成基础油,技术层面也单独划称之为Ⅲ+类基础油。其中埃克森美孚公司半合成油基本都是使用MSDW技术,称为合成科技。综上可以看出市面上有很多所谓的泛称全合成油,其实并非是真正科学意义上的全合成油,它们大多数属于高度精炼加氢的第三类矿物油(Group III),而真正科学意义上的全合成油分两种,第一种是PAO,另一种便是以酒精和脂肪酸为基础材料,经化学缩聚反应而合成的酯类油。我们?#37096;?#20197;理解合成油包含PAO,“合成油”是一个市场上的叫法,不是一个技术的精确分类,本文采用科学意义合成油的概念即单指Ⅳ类PAO,其分类见表2。

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                    在这里还需明确“半合成油”概念,它是一种以矿物油Ⅰ类和/或Ⅱ类为主、为了改善其某些性能,在矿物油中加入一定比例的合成油(?#37096;?#29702;解是Ⅱ类或Ⅲ类基础油),以满足润滑油最终使用性能的混合基础油。

                    PAO基础油的特点及应用

                    1. PAO基础油的特点

                    PAO基础油是由一定碳数的α-烯烃在催化体系作用下齐聚再加氢精制饱和的烯烃低聚物,与传统矿物基础油相比,分子结构规整,其具有优异的黏温性能(见黏度指数)和高低温性能(见CCS),分别见表3和表4。

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                    从表3和表4可以看出,PAO在本质上使用的是原油基中较好的成分乙烯,国内?#22771;?#27604;较成熟的是以煤基烯烃作为原料,加以化学反应并透过人为的控制达到预期的分?#26377;?#24577;,其分?#20248;?#21015;整齐,具有更整齐的侧链结构,比传?#36710;?ldquo;老三套”及温和加氢基础油表现出更高的黏度指数、更低的倾点、更好的低温流动性、低挥发损失、氧化安定性好、生物?#21040;?#24615;好等。它针对汽车润滑系统有利于减少摩擦,延长换油周期,节约燃油。

                    2.PAO基础油的应用

                    α-烯烃用途广?#28023;?#19981;同单体聚合度不一样,产品特征也不一样(见表5)。

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                    PAO基础油由于其特殊性能,是汽车、机械工业和航天工业用合成润滑油的主要原料(详见表6)。

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                    如从设备?#37327;?#36816;行条件看,航空发动机以及R134A等为冷媒的制冷压缩机等需要用PAO;从节约能?#30784;?#25104;本和延长换油周期角度看,一些汽车、船舶、工业设备以及风力?#26032;中?#35201;PAO;从产品衍生角度看,由于PAO不含芳烃和环烃,可生物?#21040;猓?#26080;毒性,优异环保型基础油,?#37096;?#24212;用在化妆品、食品机械油等。车用PAO润滑油(包括半合成和全合成)的优点是:①低温流动性好,冷起动性优良,最低冷起动温度为-45℃;②分?#20248;?#21015;整齐,高温氧化安定性好,可改善发动机的清净性;③换油及油滤的周期长,?#21058;?#24179;均节约4.2%,润滑油年耗下降55.9%。国外发达国家车用润滑油已经向低黏度趋势发展(见图1),从低黏度机油≤SAE 5W用量增加,表明PAO作为调低温性能好的机油组分油用量在增加。

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                    3.国内外PAO基础油生产现状

                    近年来,随着润滑油升级速度加快,市场对于高端润滑油产品需求增长,带动了PAO基础油需求的迅速增长。工业上,以乙烯等低分子烯烃为原料,通过齐聚反应,得到C8~C12烯(最好是1-癸烯LAO),进一步加工可生产PAO。当前全球PAO生产供应主要集中在ExxonMobil, Ineos, Chevron Philips, Chemtura(已被德国朗盛公司?#23637;海?#31561;跨国公司。?#22771;?#22269;内以乙烯等低分子烯烃为原料的PAO产能未有明显提升,约95%的PAO需求量依靠进口,?#25381;?#32422;5%是采用蜡裂解法和传统PAO(非茂金属)生产。近年来,部?#21046;?#19994;和研究院所涉足非蜡裂解法PAO生产,如上海纳克、沈阳宏城、山西潞安纳克、中科?#33655;?#28023;高等研究院等,但由于上游原料制?#25216;?#33258;身技术成熟度等原因,其产品质量稳定性和所?#38469;?#22330;份额极其有限。?#22771;?#22269;内有不负责任的润滑油从业员或个别不负责任的公司,宣称自己公司能生产出PAO基础油,实际只是一种营销手段,或者只是一个中间贸易商。

                    国内Ⅱ/Ⅲ类合成润滑基础油的生产技术已较为成熟,Ⅰ类基础油生产装置逐步关停缩小产量,Ⅳ类基础油茂催化剂生产正在工业化放大过程中。从行业整体技术水平看,与国际先进水平相比仍有一定的差距,具体表现为:①技术研发创新设计能力不足,开发创新系统性、产品系列化和多样性不够;②产品应用研究不充分,缺乏经验积累;③产品开发、市场开发的周期长,催化剂体系成本高;④生产过程的精准控制不到位,产品质量波动大,生产工艺及装备技术水平自动化亟待提升。但随着市场需求,我国行?#30340;?#20154;员的经验积累和专业水平的提高,会加速解决我国PAO基础油的生产技术瓶颈。

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                    4. 国内外车用润滑油差距

                    由于国内的PAO产能小,产品黏度等级覆盖?#27573;?#23567;,质量差,无法和国外产品相竞争,我国的润滑油与发达国家水平差距明显,同时冶金材料、发动机设计及精密制造、排放法规和其它政府法规的变化都对润滑油构成了挑战,关键原料(如PAO)、内燃机某些复合添加剂还是基本?#35272;?#36827;口,?#29616;?#24433;响了我国高档润滑油产品的开发和市场地位,造成我国车用润滑油与?#35775;?#26085;落后20~25a。ILSAC GF-5于2009年12月22日发布,美国于2010年开始普遍施行。2011年,美国新生产下线的乘用车?#23478;?#32463;使用符合GF-5规格的机油进行保养。?#22771;?#22312;中国高低档、新旧车况车辆共存的现状决定了润滑油市场高、中、低档油并存的?#32622;?#21644;?#22771;?#28070;滑油国家标准、行业标准、企业标准、协议标准共存的事实。因此,尽快发展高品质PAO合成的相关工艺技术,并建立相应的工业化生产装置,提供高质量的PAO合成润滑油基础油,对于解决我国高档润滑油的国产化,实现我国润滑油发展战略是非常必要的。

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                    PAO基础油的发展趋势

                    1.低黏度车用润滑油成为主流依据充分

                    润滑油黏度、轴转速和轴?#32454;?#33655;这三者的关系可以用轴承特性因数C来表示,见式(1)。

                    C=ηN/P(1)

                    式中,η为润滑油的黏度(mPa·s),N为轴的转速(r/min),P为轴单位投影面上的负荷(MPa)。

                    有关研究表明,C的数?#21040;?#22823;时,该轴承一般能保持在良好的流体动力润滑状态下运转。从式(1)可以看出,对于转速快、负荷小的轴承可以用黏度小的润滑油,而对于转速慢、负荷大的轴?#24615;?#38656;要黏度大的润滑油。

                    Stribeck曲线应用于润滑摩擦领域,表明边界润滑与流体润滑的区别。不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同。润滑状态分为压力润滑、混合润滑及边界润滑3?#20013;?#24335;。?#31508;?#21152;的力(F)和相对速率(V)保持一定时,随着润滑油黏度(η)的降低,润滑状态的变化趋势由压力润滑 (Ⅲ)到混合润滑(Ⅱ)再到边界润滑(I)。Stribeck曲线表达了摩擦系数随润滑状态的变化趋势。在压力润滑情况下,摩擦系数随着黏度的降低而减小,这也是应用低黏度润滑油能够降低摩擦功的主要理论依据。日?#23621;?996年开始就已经在日产、马自达、铃?#23613;?#19977;菱、丰田、本田发动机采用0W-20的低黏度润滑油。

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                    2.PAO特性成为调和高品质机油的必要组分

                    节能、环保和发动机技术的进步已成为润滑油基础油发展的主要驱动力。?#22771;?#22269;际市场对基础油的需求正在从Ⅰ类油向Ⅱ类及Ⅲ类,尤其是Ⅲ类、Ⅳ类PAO基础油转变。不久的将来,Ⅱ类、Ⅲ类及Ⅳ类油将以优异的性能在车用润滑油基础油市场?#21152;?#32477;对地位。市场期待的车用润滑油满足黏度指数高、热氧化安定性好、挥发性低、换油周期长;无硫或低硫添加剂、黏度低、内燃机效率高?#25442;?#22659;友好、芳烃含?#24247;?#31561;需求,将成为国内外润滑油基础油发展趋势,PAO特点决定需求量将大幅度提升。

                    3.国?#19968;?#20445;节能产业政策日趋?#32454;?#20498;逼车用润滑油升级

                    从2000年开始,仅用18年的时间,我国的排放标准走过国外30年的历程,如2017年1月道路机动车排放开始推行国Ⅴ排放标准。国家产业政策《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)(征求意见稿)》推出,也就意味着从2020年7月开始,所有新车上户必须满足新的国Ⅵ排放标准。据悉,广州、深圳、北京、济南将于2019年1月1日提前实施“国Ⅵa”排放标准。此外在重点区域、珠三角以及成渝地区?#27493;?#35201;提前至2019年7月1日起执行;全国其它地区将在2020年7月1日起实施国Ⅵa。《内燃机油分类》GB/T28772—2012版增加GF-1、SJ、GF-2、SL、GF-3、SM、GF-4、SN、GF-5汽油机油品种和CF、CF-2、CG-4、CH-4、CI-4、C1-4柴油机油品种以及农用柴油机油品种,废除SD、CE以上级别。2017年9月《乘用车企业平均?#21058;?#28040;耗量与新能源汽车积分并行管理办法》对燃油消耗规定,决定PAO作为调和高品质车用润滑油成为必选。

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                    4.2025中国制造促使PAO广泛应用

                    随着润滑油配方的进步,制造精度以及?#26032;?#22686;压器技术的进步,如日车在制造凸?#31181;?#26102;,在其表面加附了一种特殊的钻石涂层,凸?#31181;?#21644;气门顶筒之间的摩擦阻力减少40%。加之使用PAO低黏度润滑油,汽车?#21058;?#28040;耗明显降低。未来几年,不论国外还是国内品牌,用低黏度如0W-20油是大趋势。随着长周期换油、消费成熟和商?#30340;?#24335;改变,国内众多润滑油厂商未来将面临洗牌。

                    5.国际润滑剂标准化及批?#22025;?#21592;会(ILSAC)标准提高促使PAO应用

                    为了适应发动机技术的发展和日益?#32454;?#30340;排放标准,国际润滑剂标准化及批?#22025;?#21592;会提出了开发ILSAC GF-6发动机油规格,并引入SAE XW-16黏度等?#19969;?#30456;比于GF-5规格,GF-6规格对综合燃油经济性、高温抗氧化性和中低温清净分散性的要求更加?#32454;瘢?#24182;要关注?#26032;?#22686;压直喷发动机的低速早燃和正时链磨损问题。来自加州的市场调查公司Grand View Research最新发布的研究报告预测,预计在2025年前,PAO的使用量将以每年3.5%的速?#23454;?#22686;,全球PAO市场需求量将达到81.52万t。

                  来源:润滑油品导购

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