“雙碳”背景下潤滑劑的降碳之路

“雙碳”目標對潤滑劑行業(yè)影響深遠。潤滑劑行業(yè)可為制造和使用綠色低碳能源的裝備提供潤滑支撐，可助力其他行業(yè)減少溫室氣體排放，目前尚需研究開發(fā)燃油經(jīng)濟性試驗評定標準方法和相應的具有節(jié)能降碳性能的潤滑劑產(chǎn)品。從潤滑劑全產(chǎn)業(yè)鏈來看，在不同的經(jīng)濟發(fā)展階段，有很多路徑可以實現(xiàn)潤滑劑的生產(chǎn)原料基礎油和添加劑低碳化，以物理方式為主的潤滑劑生產(chǎn)過程可通過使用低碳能源降低碳排放。潤滑劑行業(yè)應加強整個供應鏈綠色低碳研究，開展各種潤滑劑碳足跡研究，創(chuàng)新驅(qū)動該傳統(tǒng)行業(yè)向綠色低碳化的新質(zhì)生產(chǎn)力方向發(fā)展。本版文字由 中石化石油化工科學研究院有限公司 張建榮 提供

 

潤滑劑支撐綠色低碳能源裝備發(fā)展

 

“雙碳”目標的確立給能源供給側(cè)和需求端帶來一場革命，對與此密切相關(guān)的潤滑劑行業(yè)也產(chǎn)生巨大影響。影響最大的潤滑油品種是內(nèi)燃機油，目前包括汽油機油和柴油機油的內(nèi)燃機油消費量約占潤滑油消費總量的三分之一。隨著新能源汽車市場份額大幅提高，內(nèi)燃機油需求量將顯著下降。能源綠色轉(zhuǎn)型會使一些潤滑劑品種需求減少甚至消亡，但也會帶來一些新的需求。

 

為生產(chǎn)綠色低碳能源的裝備提供潤滑

 

綠色低碳能源包括風能、光伏、水力、生物質(zhì)、地熱能、核能等，這些能源制儲運等環(huán)節(jié)中的多種裝備均需要潤滑劑或相關(guān)油液。

 

以風電設備為例，為追求發(fā)電效率，目前單個風力發(fā)電機組功率已提高到20兆瓦，其風輪直徑也擴至260米。葉片長雖使發(fā)電效率提高，但對設備的其他性能要求也相應提高。尤其是發(fā)電機組的齒輪箱，已成為制約風電發(fā)展的重要因素。齒輪箱體故障導致風電非計劃停機時間最長，經(jīng)濟損失也最大。

 

長時間運轉(zhuǎn)的齒輪皆易發(fā)生微點蝕，其形成過程使齒輪表面材料流失、形貌改變，導致噪聲、振動及齒輪精度缺失，甚至進一步引發(fā)點蝕和剝落等疲勞問題致齒輪失效。影響微點蝕的因素很多，包括齒輪材質(zhì)和加工、運轉(zhuǎn)工況、潤滑劑等。通過改善潤滑劑抗微點蝕性能可延長齒輪箱使用壽命。微點蝕雖是老問題，但隨著風電設備標準提高，已對風電齒輪箱潤滑油提出更高要求。潤滑劑行業(yè)需根據(jù)更嚴苛的性能要求，從微點蝕的模擬試驗、基礎油和添加劑的影響等多方面開展研究，從而為風力發(fā)電提供支撐。

 

為使用綠色低碳能源的裝備提供潤滑

 

從化石能源向綠色低碳能源的轉(zhuǎn)變會導致能源使用終端的裝備發(fā)生巨大變化。對潤滑劑影響最大的是交通運輸行業(yè)，原內(nèi)燃機汽車被電動汽車等新能源車取代，車輛動力的變化對車用潤滑油和潤滑脂的品種和性能提出了新要求。如電動汽車不再需要內(nèi)燃機油這個潤滑油行業(yè)消費量最大的老品種，卻增加了電驅(qū)動用潤滑油這個新品種。目前電動車電驅(qū)動系統(tǒng)向集成化方向發(fā)展，電機、減速器一體化，電機轉(zhuǎn)速可達15000轉(zhuǎn)/分鐘以上，最大扭矩可達300牛頓·米以上，溫度上限達150攝氏度，所用潤滑油處于高速、高溫、高載、電場、接觸電機材料等多種復雜環(huán)境。與傳統(tǒng)的車輛齒輪油和自動變速箱油相比，電動車電驅(qū)動用潤滑油在潤滑性、抗銅腐蝕性、電絕緣性、電機冷卻性、抗泡性、熱穩(wěn)定性和傳動效率等方面都有新的性能要求。目前業(yè)內(nèi)尚無公認的電動車電驅(qū)動用潤滑油產(chǎn)品標準，也無公認的使用性能標準試驗方法，需要潤滑油行業(yè)和裝備行業(yè)共同開展研究，開發(fā)有別于傳統(tǒng)潤滑油的新型油品。

 

潤滑劑全產(chǎn)業(yè)鏈低碳化

 

目前，我國潤滑劑年消費量約為800萬噸。潤滑劑作為石油產(chǎn)品，其本身也應全產(chǎn)業(yè)鏈低碳化，甚至零碳化，從而降低潤滑劑產(chǎn)品碳排放量。

 

原料低碳

 

潤滑劑主要包括潤滑油和潤滑脂，均由基礎油和添加劑兩部分組成，潤滑脂中的稠化劑也可視為廣義上的添加劑。目前潤滑劑所用的基礎油主要是由煉油企業(yè)以石油為原料采用各種工藝加工而成的礦物油，也有一些合成烴油，如聚α-烯烴（PAO）、烷基萘、多烷基環(huán)戊烷等，基本由石油或其他化石原料制取，量大一些的其他合成油，如合成酯類油也主要由化石原料制取，目前通過費托法合成的基礎油有增加趨勢，所用原料基本來自煤和天然氣。添加劑品種比基礎油多，原料來源復雜，但化石原料仍是主要來源之一；由動植物油制取的添加劑，即脂肪酸類用量稍大，用作潤滑油潤滑性能改善添加劑和潤滑脂稠化劑原料。因此，主要的潤滑劑基本由化石原料制取。采用低碳原料，目前看有如下主要技術(shù)路徑。

 

基礎油?；A油在潤滑劑中的質(zhì)量百分比超90%，是潤滑劑降碳的主要對象。目前由石油制取的礦物油是基礎油主體。煉油行業(yè)低碳發(fā)展路徑包括煉廠節(jié)能、資源利用效率提升、綠氫煉化、煉廠智能化等技術(shù)的開發(fā)和使用，也包括廢塑料化學循環(huán)、生物質(zhì)能源、二氧化碳資源化等循環(huán)經(jīng)濟技術(shù)的開發(fā)和應用。這些措施是煉廠在不同時期生產(chǎn)低碳基礎油的主要路徑。

 

目前烴基基礎油是基礎油主體，除礦物基礎油外，用量較大的烴基基礎油還包括費托合成油和PAO。費托工藝包括一系列生成多種烴類的化學反應，生成的烷烴大多數(shù)為直鏈，適合作為柴油燃料；重質(zhì)組分可通過加氫異構(gòu)工藝制備黏度指數(shù)高和低溫性能好的優(yōu)質(zhì)潤滑油基礎油。費托工藝的產(chǎn)品除烷烴外，有少量烯烴生成，其中有一定比例的α-烯烴。目前生產(chǎn)費托合成油的合成氣原料主要來自煤、天然氣和石油等化石原料，將來可用低碳的可再生原料取代，如生物質(zhì)也可通過CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)制備合成氣。聚α-烯烴合成油生產(chǎn)原料通常是1-癸烯，也可采用其他來源的10個碳左右的α-烯烴混合物，但合成油的綜合性略差。1-癸烯目前多來自乙烯聚合，乙烯由石油、天然氣或煤制成，將來可由下面多種方式制備的原料來生產(chǎn)低碳PAO：一是目前普遍被接受的烯烴復分解機理是金屬卡賓催化烯烴復分解反應機理，可由油酸制1-癸烯；二是可采用可再生原料生成的合成氣通過費托制備α-烯烴；三是各種綠色低碳乙烯制備技術(shù)，如通過CCUS制備的綠色甲醇制備乙烯，綠色乙烯再齊聚制1-癸烯。

 

木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)平臺化合物，如烷基呋喃、糠醛、5-羥甲基糠醛和其他羰基化合物通過碳-碳耦聯(lián)可進行碳鏈增長，即通過羥基烷基化、共軛加成和羥醛縮合等途徑實現(xiàn)碳鏈增長，得到的含氧中間體經(jīng)加氫脫氧后轉(zhuǎn)化為支鏈化的烴類基礎油。

 

合成油類型中，酯類合成基礎油消費量僅次于烴基合成油，它們的復合使用可在添加劑的溶解性能和橡膠材料相容性等方面相互取長補短。酯類合成基礎油包括雙酯、多元醇酯和復酯。雙酯通常是以二元酸與一元醇或一元酸與二元醇通過酯化反應制得，常用的有癸二酸、壬二酸、己二酸的2–乙基己酯或碳八~碳十醇酯、碳七~碳九直鏈酸聚乙二醇酯。多元醇酯通常以多元醇和一元酸通過酯化反應制得，常用的有碳五~碳九脂肪酸的三羥甲基丙烷酯和季戊四醇酯。復酯通常是以二元酸和二元醇通過酯化反應生成長鏈分子，再由一元醇或一元酸在端基酯化終止反應而得，復酯的平均分子量一般為800~1500。目前酯類合成油的原料酸和醇來自石油和動植物油脂，后續(xù)根據(jù)合成酯基礎油低碳化的需要可提高動植物油比例，或進一步采用其他低碳化來源的酸和醇。

 

可通過可再生的動植物油脂制備交內(nèi)脂。交內(nèi)酯由脂肪酸的低聚反應制得，不僅具有高黏度指數(shù)、低蒸發(fā)損失和高生物降解率，而且具有優(yōu)異的熱氧化安定性和水解穩(wěn)定性。脂肪酸的低聚反應一般分為縮合反應和加成反應。在縮合反應中，一種脂肪酸中的羥基與另一種脂肪酸的羧基反應，生成帶羥基的脂肪酸酯。在加成反應中，一個羧酸分子的羧基進攻另一個羧酸分子的雙鍵而加成生成脂肪酸聚合物。

 

添加劑。潤滑油中添加劑種類繁多，市場上銷售的許多添加劑都含有比例不同的基礎油，純添加劑在潤滑油中占比小于10%。不同潤滑油品種中的添加劑含量不同。以油品消費量最大的內(nèi)燃機油、液壓油和齒輪油三大類為例，內(nèi)燃機油中添加劑占比最大，其中功能型添加劑在最新配方中占15%左右，還有調(diào)制基礎油性能的黏度指數(shù)改進劑和降凝劑；液壓油中添加劑含量相對較低，為1%左右；齒輪油居中，車輛齒輪油中功能劑在5%左右，工業(yè)齒輪油減半。其中用量較大的烷基苯磺酸鈣、烷基苯磺酸鎂、硫化烷基酚鈣等內(nèi)燃機油清凈劑的制備都需要α-烯烴，這些α-烯烴可用前面提到的多種綠色低碳原料制備。各種添加劑中的烷基絕大部分可用前述各種方法制備。來自動植物油中的脂肪酸可直接制備減摩劑、防銹劑等，也可利用脂肪酸中的碳碳雙鍵和羧基的易反應特點來制備多種添加劑。

 

生產(chǎn)過程低碳

 

低碳潤滑油主要采用調(diào)和工藝，使用裝置包括罐式和管道調(diào)和設備，調(diào)和過程包括原料進料、加熱、攪拌等。潤滑脂的生產(chǎn)工藝比潤滑油稍復雜一些，生產(chǎn)過程包括稠化劑制備、分散、冷卻和后處理等?？傮w來說，潤滑油和潤滑脂生產(chǎn)工藝相對簡單。在生產(chǎn)過程中降低碳排放主要是提高生產(chǎn)效率和優(yōu)化過程控制。另外，采用工廠自產(chǎn)的離網(wǎng)綠電也是降碳的一條重要途徑。

 

廢潤滑劑再循環(huán)

 

目前廢潤滑劑的再循環(huán)主要是廢潤滑油的再生。再生工藝技術(shù)包括酸洗法、溶劑精制法、吸附法、加氫精制法、膜分離法等。我國目前已建立一些廢潤滑油管理制度體系和相關(guān)標準規(guī)范，但存在對非工業(yè)源廢潤滑油監(jiān)管不到位、部分標準規(guī)范制定年代久遠等問題，還需注意回收管理、環(huán)境保護、經(jīng)濟成本等方面。同時，根據(jù)目前再生潤滑油的質(zhì)量和業(yè)內(nèi)認可度，需進一步提升質(zhì)量和采用定向使用方式。

 

總而言之，在不同的經(jīng)濟發(fā)展階段有很多方法來降低潤滑劑的生產(chǎn)原料基礎油和添加劑的“含碳量”；以物理方式為主的潤滑劑生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的碳排放和污染物排放也較一般石化企業(yè)低。潤滑劑行業(yè)應加強整個供應鏈綠色低碳研究，制定相關(guān)核查核算標準，強化各種潤滑劑產(chǎn)品碳足跡核算，以促進行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

 

潤滑劑可開發(fā)出節(jié)能降碳性能

 

潤滑劑除了對綠色低碳能源裝備構(gòu)成支撐，其本身也可以開發(fā)出節(jié)能降碳性能。廣義上說，就是能讓使用設備減少溫室氣體排放的性能；狹義上說，就是通過減少摩擦從而降低設備能耗的性能。

 

潤滑劑品種很多，到目前為止最重視節(jié)能降碳性能的是內(nèi)燃機油，尤其是汽油機油。據(jù)研究，摩擦消耗了內(nèi)燃機指示功率的22%，因此多年來汽車和石油行業(yè)共同研究通過低摩擦汽油機油來提高乘用車的燃油經(jīng)濟性。從摩擦學原理出發(fā)，要開發(fā)低摩擦發(fā)動機潤滑油，需使?jié)櫥驮诓煌l(fā)動機工況下均能保持較低的摩擦系數(shù)。發(fā)動機有多個摩擦副，要使發(fā)動機潤滑油摩擦系數(shù)降低，需要使各摩擦副的潤滑盡量在混合潤滑（部分流體潤滑和部分邊界潤滑）的合適區(qū)域，潤滑油先降低黏度來減少內(nèi)摩擦力，使流體動壓潤滑方式向混合潤滑發(fā)展。黏度也不能降得太低，否則邊界潤滑比例過大也會使摩擦系數(shù)上升。添加劑會在摩擦表面形成吸附或化學反應膜，不同膜的摩擦系數(shù)不同，因此汽油機油中還須加入減摩擦添加劑。

 

開發(fā)具有燃油經(jīng)濟性的潤滑劑要先建立公認的燃油經(jīng)濟性標準評定試驗方法。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）早在1983年就開發(fā)出采用整車的試驗方法（五車試驗法），1988年又出臺了發(fā)動機試驗方法程序Ⅵ，之后發(fā)展成不斷升級的程序Ⅵ系列標準，目前最新的是程序ⅥF，用于最新的汽油機油規(guī)格GF-6。

 

目前，柴油機油領(lǐng)域正著力研究建立燃油經(jīng)濟性評定方法，但尚未出臺。傳動油和潤滑脂等領(lǐng)域的燃油經(jīng)濟性試驗方法均處于研究階段，尚無公認的標準試驗方法。因此開發(fā)出公認具有節(jié)能降碳性能的產(chǎn)品，仍有許多研究工作要做。