费托合成油和石油基油加工产品对比分析

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费托合成油和石油基油加工产品对比分析

资 讯 来 源 ： 化 工 进 展

作者：张雅琳  张占全  王燕  张志华

费托（F-T）合成技术是指以合成气（CO和H2）为原料，在催化剂作用下，通过链增长的方式生产烃类的反应，是非石油路线合成清洁燃料及化工产品的重要途径，原料主要来源于煤、天然气和生物质的转化。

我国是一个富煤、少油、缺气的国家，其中一次能源消费中，煤炭占比65%以上，同时我国原油加工的对外依存度高于60%，因此大力开发煤炭清洁转化技术，尤其是F-T合成技术制备特色产品、清洁燃料和化工原料显得尤为关键和重要。

由于我国煤储量较天然气丰富，因此我国费托合成技术原料主要为煤。煤液化技术分为煤直接液化和煤间接液化，两种煤液化技术对煤需求及对反应条件苛刻度有所不同，煤直接液化对煤质要求较高，热效率高，适于生产芳烃和汽油，而煤间接液化比较适合生产柴油、含氧有机化合物和烯烃。

国外典型的工业化煤间接液化费托合成技术主要是南非Sasol公司的SSPD技术、Shell公司的SMDS技术等，国内间接液化主要采用中科合成油技术，伊泰集团在内蒙古建设的16万吨/年合成油工业试验装置正在运行，120万吨/年装置已于今年开工投产。除此之外，伊泰集团在新疆伊犁（100万吨/年）、内蒙古准格尔旗（200万吨/年）、新疆乌鲁木齐（200万吨/年）3个煤制油项目处于在建或审批阶段。神华集团鄂尔多斯（18万吨/年）、宁夏宁东（400万吨/年）项目已经投产。此外还有潞安集团已投产的襄垣（180万吨/年）、屯留（16万吨/年）工业示范装置和兖矿在陕西榆林的100万吨/年煤制油项目，预计我国煤制油加工能力可达到1350万吨/年，煤制油技术也已逐渐发展成熟。

费托合成技术选用催化剂、工艺和工程不同，产品分布及种类也存在本质区别。其中高温费托技术（HTFT为300～350℃）以生产汽油、烯烃为主，低温费托技术（LTFT为220～250℃）主要以生产柴油、长链烷烃、费托蜡和润滑油基础油原料为主。在当前长期维持低油价的大环境下，清洁燃料需求增速放缓，传统炼油加工面临从炼油向化工转型，因此以F-T合成技术生产清洁燃料的加工模式在目前受到很大的冲击，F-T合成需要拓展产业链，增加特色产品。F-T合成产业链的拓展应该借鉴传统炼油模式或炼化一体化模式。因此本文主要针对费托合成油和传统石油基产品进行对比分析，指出二者的相似性和差异性，指导F-T合成工厂的生产，提高F-T合成炼厂的经济效益。

1、对比分析

煤基低温费托产品碳数分布较宽（C2～C90），依托下游加氢和分离工艺，大宗产品主要有低碳烷烃、低碳烯烃、轻石脑油、重石脑油、加氢裂化尾油、柴油、费托粗蜡、费托精蜡、润滑油基础油原料等；而相对应的传统石油基油品全馏分产品有干气、液化气、低碳烯烃、低碳烷烃、汽油、柴油、石蜡、微晶蜡、润滑油基础油、沥青等。本文主要从以下几个方面展开讨论。

1.1  石脑油

石脑油作为煤制油的副产物，主要来自于费托一次产品的加氢精制或加氢裂化，馏程范围约30～180℃，以神华宁煤400万吨/年煤间接液化项目为例，石脑油产量接近于100万吨/年，但其产品性质与传统石油基石脑油有所区别，加工途径的选择直接关系到整个煤制油项目的经济效益。

传统的石脑油中的轻组分用于乙烯裂解原料或汽油调和组分，但石脑油的辛烷值需要达到80才适宜作调和组分。重石脑油组分用作催化重整原料，根据其产品性质，经过加氢精制后还可以用作轻质白油或溶剂油。由于来源不同，几种石脑油产品的结构族组成差异较大（见表1），常规石油基石脑油链烷烃质量分数为50%～70%，低温费托合成的石脑油链烷烃质量分数高达99%。但是F-T合成石脑油馏分中的环烷烃及芳烃含量很少，因此不适合作催化重整原料。需要指出的是：虽然F-T合成石脑油和F-T合成加氢裂化石脑油均来自F-T合成单元和下游配套加氢单元，直链烷烃质量分数都接近99%，但其正构烷烃和异构烷烃的含量确相差悬殊。其中加氢裂化F-T合成石脑油主要以异构烷烃含量为主，而F-T合成石脑油主要以正构烷烃含量为主，也决定了其辛烷值的高低。

F-T合成石脑油产品作为乙烯裂解原料具有明显的优势。当正构烷烃含量较高时，乙烯产品收率相对较高；异构烷烃含量高时，丙烯产品收率相对较高；环烷烃含量较高时，丁二烯收率相对较高。与F-T合成石脑油相比，加氢裂化F-T石脑油通过乙烯裂解的丙烯收率高。但是与传统石油基石脑油相比，F-T石脑油经乙烯裂解后双烯收率高出6.87%，三烯收率高出6.52%。

综上而言，石油基重石脑油适合做生产芳烃和高辛烷值汽油的重整原料，而费托合成的重石脑油、轻石脑油组分适宜作乙烯裂解原料，同样可以通过产品切割方案调整，制备具有更高附加值的溶剂油，例如，ExxonMobil公司研发的脱芳烃ExxsolTMD30和IsoparTMC-H溶剂油产品芳烃质量分数均＜0.01%。

1.2  航煤

航空业的快速发展，带动了喷气燃料的需求及品质不断增长和提升。费托合成生产的航煤作为航煤替代燃料之一，大部分处于研发阶段。Sasol公司的煤基全合成喷气燃料于2008年宣布研发成功，获得了国际商用航空认证，由表2可以看出，Sasol公司生产的全合成喷气燃料表现出的性能与JetA-1相似，甚至更优。表2对比了石油基航煤与F-T合成航煤的性质差异。直馏航煤产品和加氢裂化制取的航煤相比，费托合成生产的航煤低硫、低氮和低芳烃特点，可降低燃烧时污染物的排放，具有环境友好性。但采用费托工艺生产的航煤密度偏低，体积热值低，冰点不能满足航煤标准要求。

费托合成产品主要以链烷烃为主，大部分为正构烷烃，因此表现出冰点高的特点。可以通过双功能催化剂的加氢中心和酸中心进行异构反应，将正构烷烃转化为异构烷烃，提高异构烷烃含量，降低航煤冰点，满足标准中对喷气燃料冰点的要求。F-T合成直馏煤油和F-T合成异构裂化煤油的冰点的差异性，也验证了异构和裂化途径能够有效改善冰点。

和传统石油基航煤相比，费托工艺生产的航煤基本不含芳烃，这也是费托工艺制备航煤的优势。航煤烟点和芳烃含量有关，芳烃含量越高，航煤烟点越低。因此费托工艺生产的航煤烟点高，具有更好的抗积碳性能。值得注意的是：由费托工艺制备的航煤密度一般都小于石油基航煤（直馏航煤和加氢裂化航煤），主要原因归结于组分的差异性。费托工艺制备的航煤主要组成为链烷烃（正构烷烃、异构烷烃），无芳烃组分，产品密度较低，体积热值低，因此并非是理想的航煤，只能作为航煤调和组分。航煤的质量热值和密度性质直接影响飞机航程，可以通过航煤密度馏程调整和组分调和改善费托航煤的密度。

1.3  柴油

国家十二五期间，柴油需求量增加，因此F-T合成企业采用加氢裂化工艺处理F-T减压馏分油大限度生产优质柴油。如伊泰煤制油公司利用16万吨/年的F-T合成工业试验装置生产柴油产品。通过表3可以看出费托合成柴油中链烷烃含量高，芳烃含量少，烯烃中绝大部分为直链的α-烯烃，比较适宜生产高十六烷值、高品质的柴油。由于费托合成工艺、配套加氢裂化工艺和催化剂的特殊性，采用F-T初级产品生产的费托合成柴油，具有以下特点。

（1）十六烷值较高，尤其是低温费托柴油十六烷值达73，远超于国Ⅵ柴油标准要求（CN≥51），甚至比以传统石油基减压馏分油为原料加氢裂化柴油的十六烷值还高。柴油十六烷值较高，不仅有利于降低尾气中NOx的排放，还能提高油品燃烧速度。

（2）传统石油基柴油加氢精制后，硫含量＜10×10–6，而费托合成柴油几乎不含硫、不含氮且芳烃含量低。硫含量高低与PM排放中硫酸盐含量相关，低硫含量可以降低PM排放量。研究表明，由于F-T合成柴油终馏点低，芳烃痕量，难以燃烧的重馏分较少，使油品滞然期较短，发动机的燃烧性能较好，机械燃烧效率较高，有利于降低PM、HC、NOx、CO等的排放，提高了柴油的燃烧经济性和环保性。

（3）F-T合成柴油的油品密度较低，但热值高，可作为优质柴油的调和组分或生产清洁柴油，通过调和等手段可以改善密度不达标的缺陷。

（4）F-T合成柴油凝点过高，不适宜作为偏冷地区及冬用柴油，可通过调和、调整干点、临氢降凝或加氢异构等方式改善凝点性质。

总之，费托合成柴油具有无硫、无氮和低芳烃的性能，又能和传统石油基柴油进行调和，是一种优异的柴油机清洁燃料替代原料或调和组分。当前柴油过剩的行业背景下，2016年柴油需求量出现负增长，F-T合成配套的加氢工艺和产品也需要进行调整。例如伊泰煤制油公司16万吨/年的工业示范装置根据市场需求，由原先经加氢裂化生产清洁燃料模式转变为采用加氢精制单元生产粗蜡生产模式。

1.4  润滑油基础油产品

费托合成技术作为一项重要的战略储备技术，其工业化的关键点：能够产生经济效益和生产高端产品。低温费托合成可以生产60%以上的费托蜡初级产品，费托蜡馏程范围宽、碳数高，无硫、无氮和无芳烃，这部分产品的性质是石油基产品无法媲美的。费托蜡的增值化加工利用，会推动费托合成技术的发展。

费托蜡主要以长链正构烷烃为主，黏度指数高，是生产优质高端润滑油基础油的原料。从全球基础油的发展趋势来看，APIⅠ类润滑油基础油产能下降，通过加氢工艺生产APIⅡ、APIⅢ的润滑基础油产品需求增速旺盛，同时合成类高档润滑油基础油如煤基润滑油基础油、聚α-烯烃（PAO）需求也增加。由F-T合成蜡生产APIⅢ类/Ⅲ+润滑油基础油技术已逐渐成为众多石油公司研发的热点，具有良好的市场应用前景。

与传统石油基生产的润滑油基础油相比，F-T合成蜡生产的润滑油基础油产品黏度指数高，蒸发损失低，可生产超高黏度指数的润滑油基础油，而且润滑油基础油产品无硫氮和芳烃（见表4和表5），可以满足日益严格的汽车防冻剂润滑油的需要。

根据卓创资讯报道，费托合成润滑油基础油价格12000～13000元/吨，PAO价格20000～30000元/吨，传统石油基润滑油基础油价格6000～9000元/吨，同时F-T合成润滑油基础油的性质可以和PAO媲美，F-T合成蜡生产润滑油基础油，具有良好的经济效益。

虽然采用F-T合成蜡生产的润滑油基础油性质优异，但是由于原料的差异性，生产润滑油基础油的工艺与传统石油基润滑油基础油生产工艺也略有区别。从原料对比中可以看出，F-T合成蜡的凝点远高于传统石油基高含蜡的大庆减四线馏分油650SN，蜡质量分数在95%以上，高含蜡量虽然可以带来超高的黏度指数，但是配套的加氢降凝工艺负荷较大，需要将原料从凝点70℃降低至倾点小于–18℃的合格APIⅢ类润滑油基础油，降凝幅度需要接近100℃，加工难度非常大，同时F-T合成蜡含有一定量的烯烃和氧，在加工前需要先脱除。由于F-T合成蜡原料的碳数高，合成的润滑油基础油产品的浊点可能偏高，为保证浊点满足–5℃的标准要求，加氢异构/降凝操作需要在高苛刻度条件下操作，可能产品收率偏低。

综上而言，费托合成生产润滑油基础油在性能及经济上具有较大的优势，但仍需对配套催化剂及工艺进行深入研究，开发出深度降凝催化剂和加工组合工艺，例如配套缓和加氢裂化或高苛刻度加氢处理等有效降凝技术，才能加速费托合成生产的高档润滑油工艺技术发展。

1.5  高端蜡

费托合成蜡生产高端蜡，是费托长链产品高值利用的另外一种工艺。费托合成蜡不含硫、氮、芳烃，经脱氧和脱烯烃加氢精制得到的精制蜡可以达到食品级标准，可用于蜡烛、食品包装及日化产品。随着北美洲和欧洲采用“老三套”工艺生产APIⅠ类润滑油基础油炼厂的关闭，石油蜡生产能力下降至70%，费托蜡和植物基蜡市场空间上扬，预计2019年合成蜡的市场比重将从2010年的11%上升到15%，同时高熔点蜡的市场需求增加，也将加速合成蜡市场的发展。

由表6可见，根据化学组成、结构和性质的不同，石油基蜡主要分为石蜡和微晶蜡；费托合成蜡划分为中低熔点蜡和高熔点蜡。从组成上可以看出，传统石油基蜡主要以正构烷烃和异构烷烃为主。随着倾点/熔点的增加，异构烷烃的含量大幅度增加。基于费托合成工艺和链增长的原理，费托合成蜡主要以正构烷烃为主，异构烷烃含量远低于石蜡和微晶蜡。中熔点F-T合成蜡熔点范围介于50～70℃，含油量0～4%（质量分数），其应用领域和石蜡类似。高熔点F-T合成蜡是指分子量在500～1000的直链、饱和的高碳烷烃。通过对比可知，传统石油基蜡结构复杂，熔点普遍不超过80℃，由于其产品性能特点，只能用于炸药、沥青改性等中低端领域。

费托合成蜡不仅杂质含量低，而且高熔点蜡的熔点是普通石油基石蜡无法达到的，可以用于更高端的市场。高熔点费托合成蜡熔点一般大于85℃，高可达120℃，具有窄熔点范围、低含油量、低针入度、稳定性高、坚硬耐磨等特点。其粗蜡及改性处理后的精制蜡可用于做石蜡、微晶蜡的改性剂，塑料的加工助剂以及多种上光产品、油墨、涂料、日化产品以及食品保鲜等。

与传统石油基蜡相比，费托合成蜡具有2000～8000元/吨的价格优势，费托合成蜡的开发和生产具有更好的经济效益。目前国外能够工业化生产费托精制蜡产品的公司有Sasol公司和Shell公司，分别拥有7万吨/年和5万吨/年的高熔点费托蜡合成装置。国内大部分煤化工企业主要以生产石脑油、溶剂油、柴油、液蜡、重质石蜡、粗蜡为主，只有潞安集团通过技术研发，生产出了符合Sasol标准的不同熔点范围的高熔点费托合成蜡（见表7），填补了国内该领域的技术空白。近年来，我国蜡产品市场的需求量一直保持稳定的增长，但是高熔点蜡产品还主要依赖进口，自有技术还存在一定的差距，需要在加氢精制、蜡产品切割技术、粗蜡的改性及成型等方面进行深入的研究，并对蜡产品的标准体系及产品体系进行完善，加快这一高附加值产品的全产业链突破。

2、结语

综上所述，费托合成得到的产品与传统石油基产品相比，更加清洁，更符合目前全球对环保的要求，尤其在高档润滑油基础油和高熔点石蜡生产方面更具有优势。但由于其本身油品的链烷烃高等特点，针对不同产品，需要采用精制、异构、裂化、重整等技术对油品进行二次加工，并通过切割、掺炼等工艺调整使产品性质达到相应油品指标。

随着我国能源结构调整及替代燃料的发展，特别是一批新建大型炼厂陆续投产，我国炼化行业不仅面临燃料结构性的过剩，更存在低端产品的过剩问题。因此为了提高费托合成加工的竞争力，费托合成工艺和煤制油应向高端、高品质方向转型，延伸加工产业链，产品由粗放型向精细型方向发展，充分发挥煤化工高端产品的优势，使其更具有市场竞争力。