“雙碳”背景下潤(rùn)滑劑的降碳之路

“雙碳”目標(biāo)對(duì)潤(rùn)滑劑行業(yè)影響深遠(yuǎn)。潤(rùn)滑劑行業(yè)可為制造和使用綠色低碳能源的裝備提供潤(rùn)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(jì)性試驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)方法和相應(yīng)的具有節(jié)能降碳性能的潤(rùn)滑劑產(chǎn)品。從潤(rùn)滑劑全產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，在不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段，有很多路徑可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑劑的生產(chǎn)原料基礎(chǔ)油和添加劑低碳化，以物理方式為主的潤(rùn)滑劑生產(chǎn)過程可通過使用低碳能源降低碳排放。潤(rùn)滑劑行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)整個(gè)供應(yīng)鏈綠色低碳研究，開展各種潤(rùn)滑劑碳足跡研究，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)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(xué)研究院有限公司 張建榮 提供

 

潤(rùn)滑劑支撐綠色低碳能源裝備發(fā)展

 

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

 

為生產(chǎn)綠色低碳能源的裝備提供潤(rùn)滑

 

綠色低碳能源包括風(fēng)能、光伏、水力、生物質(zhì)、地?zé)崮堋⒑四艿?，這些能源制儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)中的多種裝備均需要潤(rùn)滑劑或相關(guān)油液。

 

以風(fēng)電設(shè)備為例，為追求發(fā)電效率，目前單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率已提高到20兆瓦，其風(fēng)輪直徑也擴(kuò)至260米。葉片長(zhǎng)雖使發(fā)電效率提高，但對(duì)設(shè)備的其他性能要求也相應(yīng)提高。尤其是發(fā)電機(jī)組的齒輪箱，已成為制約風(fēng)電發(fā)展的重要因素。齒輪箱體故障導(dǎo)致風(fēng)電非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損失也最大。

 

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪皆易發(fā)生微點(diǎn)蝕，其形成過程使齒輪表面材料流失、形貌改變，導(dǎo)致噪聲、振動(dòng)及齒輪精度缺失，甚至進(jìn)一步引發(fā)點(diǎn)蝕和剝落等疲勞問題致齒輪失效。影響微點(diǎn)蝕的因素很多，包括齒輪材質(zhì)和加工、運(yùn)轉(zhuǎn)工況、潤(rùn)滑劑等。通過改善潤(rùn)滑劑抗微點(diǎn)蝕性能可延長(zhǎng)齒輪箱使用壽命。微點(diǎn)蝕雖是老問題，但隨著風(fēng)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)提高，已對(duì)風(fēng)電齒輪箱潤(rùn)滑油提出更高要求。潤(rùn)滑劑行業(yè)需根據(jù)更嚴(yán)苛的性能要求，從微點(diǎn)蝕的模擬試驗(yàn)、基礎(chǔ)油和添加劑的影響等多方面開展研究，從而為風(fēng)力發(fā)電提供支撐。

 

為使用綠色低碳能源的裝備提供潤(rùn)滑

 

從化石能源向綠色低碳能源的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致能源使用終端的裝備發(fā)生巨大變化。對(duì)潤(rùn)滑劑影響最大的是交通運(yùn)輸行業(yè)，原內(nèi)燃機(jī)汽車被電動(dòng)汽車等新能源車取代，車輛動(dòng)力的變化對(duì)車用潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂的品種和性能提出了新要求。如電動(dòng)汽車不再需要內(nèi)燃機(jī)油這個(gè)潤(rùn)滑油行業(yè)消費(fèi)量最大的老品種，卻增加了電驅(qū)動(dòng)用潤(rùn)滑油這個(gè)新品種。目前電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向集成化方向發(fā)展，電機(jī)、減速器一體化，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)15000轉(zhuǎn)/分鐘以上，最大扭矩可達(dá)300牛頓·米以上，溫度上限達(dá)150攝氏度，所用潤(rùn)滑油處于高速、高溫、高載、電場(chǎng)、接觸電機(jī)材料等多種復(fù)雜環(huán)境。與傳統(tǒng)的車輛齒輪油和自動(dòng)變速箱油相比，電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)用潤(rùn)滑油在潤(rùn)滑性、抗銅腐蝕性、電絕緣性、電機(jī)冷卻性、抗泡性、熱穩(wěn)定性和傳動(dòng)效率等方面都有新的性能要求。目前業(yè)內(nèi)尚無(wú)公認(rèn)的電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)用潤(rùn)滑油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)公認(rèn)的使用性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，需要潤(rùn)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(rùn)滑油的新型油品。

 

潤(rùn)滑劑全產(chǎn)業(yè)鏈低碳化

 

目前，我國(guó)潤(rùn)滑劑年消費(fèi)量約為800萬(wàn)噸。潤(rùn)滑劑作為石油產(chǎn)品，其本身也應(yīng)全產(chǎn)業(yè)鏈低碳化，甚至零碳化，從而降低潤(rùn)滑劑產(chǎn)品碳排放量。

 

原料低碳

 

潤(rùn)滑劑主要包括潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，均由基礎(chǔ)油和添加劑兩部分組成，潤(rùn)滑脂中的稠化劑也可視為廣義上的添加劑。目前潤(rùn)滑劑所用的基礎(chǔ)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(fèi)托法合成的基礎(chǔ)油有增加趨勢(shì)，所用原料基本來(lái)自煤和天然氣。添加劑品種比基礎(chǔ)油多，原料來(lái)源復(fù)雜，但化石原料仍是主要來(lái)源之一；由動(dòng)植物油制取的添加劑，即脂肪酸類用量稍大，用作潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能改善添加劑和潤(rùn)滑脂稠化劑原料。因此，主要的潤(rùn)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(chǔ)油?；A(chǔ)油在潤(rùn)滑劑中的質(zhì)量百分比超90%，是潤(rùn)滑劑降碳的主要對(duì)象。目前由石油制取的礦物油是基礎(chǔ)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(xué)循環(huán)、生物質(zhì)能源、二氧化碳資源化等循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。這些措施是煉廠在不同時(shí)期生產(chǎn)低碳基礎(chǔ)油的主要路徑。

 

目前烴基基礎(chǔ)油是基礎(chǔ)油主體，除礦物基礎(chǔ)油外，用量較大的烴基基礎(chǔ)油還包括費(fèi)托合成油和PAO。費(fèi)托工藝包括一系列生成多種烴類的化學(xué)反應(yīng)，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(rùn)滑油基礎(chǔ)油。費(fèi)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(fèi)托合成油的合成氣原料主要來(lái)自煤、天然氣和石油等化石原料，將來(lái)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(lái)源的10個(gè)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(lái)自乙烯聚合，乙烯由石油、天然氣或煤制成，將來(lái)可由下面多種方式制備的原料來(lái)生產(chǎn)低碳PAO：一是目前普遍被接受的烯烴復(fù)分解機(jī)理是金屬卡賓催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)機(jī)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(fèi)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(tái)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(jìn)行碳鏈增長(zhǎng)，即通過羥基烷基化、共軛加成和羥醛縮合等途徑實(shí)現(xiàn)碳鏈增長(zhǎng)，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(chǔ)油。

 

合成油類型中，酯類合成基礎(chǔ)油消費(fèi)量?jī)H次于烴基合成油，它們的復(fù)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(zhǎng)補(bǔ)短。酯類合成基礎(chǔ)油包括雙酯、多元醇酯和復(fù)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(yīng)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(yīng)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(fù)酯通常是以二元酸和二元醇通過酯化反應(yīng)生成長(zhǎng)鏈分子，再由一元醇或一元酸在端基酯化終止反應(yīng)而得，復(fù)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(lái)自石油和動(dòng)植物油脂，后續(xù)根據(jù)合成酯基礎(chǔ)油低碳化的需要可提高動(dòng)植物油比例，或進(jìn)一步采用其他低碳化來(lái)源的酸和醇。

 

可通過可再生的動(dòng)植物油脂制備交內(nèi)脂。交內(nèi)酯由脂肪酸的低聚反應(yīng)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(yīng)一般分為縮合反應(yīng)和加成反應(yīng)。在縮合反應(yīng)中，一種脂肪酸中的羥基與另一種脂肪酸的羧基反應(yīng)，生成帶羥基的脂肪酸酯。在加成反應(yīng)中，一個(gè)羧酸分子的羧基進(jìn)攻另一個(gè)羧酸分子的雙鍵而加成生成脂肪酸聚合物。

 

添加劑。潤(rùn)滑油中添加劑種類繁多，市場(chǎng)上銷售的許多添加劑都含有比例不同的基礎(chǔ)油，純添加劑在潤(rùn)滑油中占比小于10%。不同潤(rùn)滑油品種中的添加劑含量不同。以油品消費(fèi)量最大的內(nèi)燃機(jī)油、液壓油和齒輪油三大類為例，內(nèi)燃機(jī)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(chǔ)油性能的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和降凝劑；液壓油中添加劑含量相對(duì)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(jī)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(lái)自動(dòng)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(yīng)特點(diǎn)來(lái)制備多種添加劑。

 

生產(chǎn)過程低碳

 

低碳潤(rùn)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(shè)備，調(diào)和過程包括原料進(jìn)料、加熱、攪拌等。潤(rùn)滑脂的生產(chǎn)工藝比潤(rùn)滑油稍復(fù)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(lái)說，潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(rùn)滑劑再循環(huán)

 

目前廢潤(rùn)滑劑的再循環(huán)主要是廢潤(rùn)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(guó)目前已建立一些廢潤(rùn)滑油管理制度體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但存在對(duì)非工業(yè)源廢潤(rùn)滑油監(jiān)管不到位、部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定年代久遠(yuǎn)等問題，還需注意回收管理、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)成本等方面。同時(shí)，根據(jù)目前再生潤(rùn)滑油的質(zhì)量和業(yè)內(nèi)認(rèn)可度，需進(jìn)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(jì)發(fā)展階段有很多方法來(lái)降低潤(rùn)滑劑的生產(chǎn)原料基礎(chǔ)油和添加劑的“含碳量”；以物理方式為主的潤(rùn)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(rùn)滑劑行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)整個(gè)供應(yīng)鏈綠色低碳研究，制定相關(guān)核查核算標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化各種潤(rùn)滑劑產(chǎn)品碳足跡核算，以促進(jìn)行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

 

潤(rùn)滑劑可開發(fā)出節(jié)能降碳性能

 

潤(rùn)滑劑除了對(duì)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(shè)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(shè)備能耗的性能。

 

潤(rùn)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(jī)油，尤其是汽油機(jī)油。據(jù)研究，摩擦消耗了內(nèi)燃機(jī)指示功率的22%，因此多年來(lái)汽車和石油行業(yè)共同研究通過低摩擦汽油機(jī)油來(lái)提高乘用車的燃油經(jīng)濟(jì)性。從摩擦學(xué)原理出發(fā)，要開發(fā)低摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，需使?jié)櫥驮诓煌l(fā)動(dòng)機(jī)工況下均能保持較低的摩擦系數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)有多個(gè)摩擦副，要使發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)降低，需要使各摩擦副的潤(rùn)滑盡量在混合潤(rùn)滑（部分流體潤(rùn)滑和部分邊界潤(rùn)滑）的合適區(qū)域，潤(rùn)滑油先降低黏度來(lái)減少內(nèi)摩擦力，使流體動(dòng)壓潤(rùn)滑方式向混合潤(rùn)滑發(fā)展。黏度也不能降得太低，否則邊界潤(rùn)滑比例過大也會(huì)使摩擦系數(shù)上升。添加劑會(huì)在摩擦表面形成吸附或化學(xué)反應(yīng)膜，不同膜的摩擦系數(shù)不同，因此汽油機(jī)油中還須加入減摩擦添加劑。

 

開發(fā)具有燃油經(jīng)濟(jì)性的潤(rùn)滑劑要先建立公認(rèn)的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定試驗(yàn)方法。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）早在1983年就開發(fā)出采用整車的試驗(yàn)方法（五車試驗(yàn)法），1988年又出臺(tái)了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法程序Ⅵ，之后發(fā)展成不斷升級(jí)的程序Ⅵ系列標(biāo)準(zhǔn)，目前最新的是程序ⅥF，用于最新的汽油機(jī)油規(guī)格GF-6。

 

目前，柴油機(jī)油領(lǐng)域正著力研究建立燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)定方法，但尚未出臺(tái)。傳動(dòng)油和潤(rùn)滑脂等領(lǐng)域的燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)方法均處于研究階段，尚無(wú)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。因此開發(fā)出公認(rèn)具有節(jié)能降碳性能的產(chǎn)品，仍有許多研究工作要做。