煤基加氫裂化尾油抽余油制備環保橡膠填充油的研究

孫顯鋒，劉美芳，李 正，付 剛，閔小建

(陜西煤業化工技術研究院有限責任公司國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，西安 710061)

當前，陜北地區的煤焦油加工企業多以生產汽油、柴油等車用燃料為主，加工規模有限，產品辛烷值(RON)或十六烷值等主要指標與相應的商品車用燃料有一定差距，經濟效益受到一定的影響，因此，探索燃料-化工型加工方案具有一定的現實意義。煤基加氫裂化尾油(以下簡稱加氫尾油)環烷烴和芳烴含量較高，將該餾分加工為煤基環保橡膠填充油，既可以降低加氫精制-加氫裂化單元的氫耗，又可為煤焦油加工企業開發一種新產品，實現資源的合理利用。

煤基加氫尾油的凝點較高，大于300 ℃餾分的凝點為24 ℃[1]，大于350 ℃餾分的凝點為39 ℃[2]，不能滿足環保橡膠填充油對凝點的要求，需要減少煤基加氫尾油中高凝點組分的含量，降低凝點。臨氫降凝是利用分子篩催化劑的獨特孔道和適當的酸性中心，在一定的溫度和氫分壓下，使原料油中凝點較高的正構烷烴和帶有短側鏈的異構烷烴在分子篩孔道內發生選擇性的裂化反應或異構化反應，生成小分子的烷烴或異構烷烴，從而降低油品的凝點。臨氫降凝技術主要應用于降低柴油餾分及潤滑油餾分的凝點。中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)針對環烷基原油開發了以ZSM-5分子篩為酸性組分的臨氫降凝催化劑(RDW-1)，已應用于中國石油克拉瑪依石化分公司和中國石油遼河油田分公司石油化工總廠潤滑油臨氫降凝裝置，處理常二線油、常三線油、減二線油等原料，凝點可降低20 ℃以上，生產出符合要求的各種低凝點潤滑油基礎油產品[3-4]。中國石化大連(撫順)石油化工研究院以改性ZSM-5分子篩和專有技術特種分子篩FH-3為酸性組分，以金屬鎳為加氫組分，研制開發了新型臨氫降凝催化劑(FDW-3)，于2007年首次應用于陜西延長石油(集團)有限責任公司永坪煉油廠200 kta柴油加氫降凝裝置，柴油餾分收率增加2.5%[5]。

橡膠填充油中的多環芳烴對環境和人體造成危害，因此，歐盟REACH法規規定[6]，自2010年起橡膠填充油中的多環芳烴質量分數不得超過3.0%。煤焦油加氫裂化尾油中多環芳烴含量較高，需要采用一定的加工工藝降低多環芳烴含量，才能制備符合環保標準要求的化工產品。

脫除多環芳烴制備環保橡膠填充油的工藝主要包括溶劑抽提、加氫精制和加氫精制-溶劑抽提組合工藝。石科院以富含芳烴的溶劑精制抽出油為原料，篩選出對多環芳烴具有選擇性溶解能力的抽提溶劑，開發了環保型芳烴橡膠填充油抽提工藝(ARE)，生產出滿足歐盟標準的芳烴橡膠填充油。該工藝已應用于中國石化濟南分公司70 kta環保型芳烴橡膠填充油生產裝置[7]。蔡烈奎等[8]開發了溶劑抽提逐級精分離工藝新技術，提高了目標產品的收率。齊邦峰等[9]以環烷基減壓餾分油為原料，采用單段加氫處理工藝，生產了滿足歐盟REACH標準的輪胎用環保橡膠填充油。馮濤[10]以環烷基減壓餾分油為原料，采用加氫脫酸-糠醛精制組合工藝生產符合要求的橡膠填充油，加氫脫酸過程中部分地飽和了多環芳烴。劉東等[11]采用催化加氫-溶劑抽提聯合工藝制備環保型高芳碳橡膠填充油，其中，催化加氫工藝可飽和大部分多環芳烴。

本課題以煤基加氫尾油溶劑抽余油為原料，采用臨氫降凝-溶劑抽提組合工藝，制備煤基環保橡膠填充油，為煤焦油加工企業加工方案的轉變提供技術支持。

1 實 驗

1.1 原 料

煤基加氫尾油取自陜西神木某煤焦油加氫裝置，主要性質見表1。煤基加氫尾油溶劑抽余油，由實驗室自制。采用糠醛為溶劑，在抽提溫度為60 ℃、劑油質量比為2∶1、二級逆流的條件下，進行加氫尾油的溶劑抽提試驗，將所得抽余相經減壓蒸餾脫除溶劑后得到抽余油，其主要性質見表1。

表1 煤基加氫尾油和抽余油主要性質

由表1可知，煤基加氫尾油密度大、傾點高、硫和氮含量低、芳烴含量較高，其中，多環芳烴質量分數為7.70%。與煤基加氫尾油相比，糠醛抽余油的密度、運動黏度、硫含量、氮含量、多環芳烴含量降低；從組成上看，鏈烷烴含量和環烷烴含量增加、芳烴含量降低。由于抽余油的多環芳烴質量分數為5.80%，高于環保橡膠填充油的質量要求(質量分數小于3.0%)，需要采用一定的加工工藝，進一步降低多環芳烴含量，同時，保留抽余油中的單環、雙環芳烴，才能生產滿足環保要求的橡膠填充油。

1.2 臨氫降凝

臨氫降凝是指在氫氣和催化劑存在的條件下，選擇性裂解油品中的長鏈正構烷烴、支鏈化程度低的異構烷烴和長側鏈環烷烴等高凝點組分，從而降低油品凝點的過程。采用100 mL固定床加氫反應裝置進行臨氫降凝反應，在反應管中部裝填一定量臨氫降凝催化劑(以ZSM-5分子篩為主要組分)，反應管兩端裝填適量石英砂，在一定的反應溫度、壓力、氫油體積比和空速條件下，催化劑先經過預硫化，再通入原料油和氫氣進行反應，反應產物經低溫冷凝，收集液體產物。

1.3 逆流抽提

多級逆流抽提是將每次所得抽出相作為溶劑，繼續對新原料或者抽余油進行抽提，節約了大量溶劑，多級逆流抽提主要應用于工業生產。糠醛是一種廣泛應用于工業生產的極性溶劑，由于糠醛與原料油中不同組分的溶解能力不同，可以選擇性地將極性組分從原料油中抽提出來，降低抽余油中的芳烴含量，尤其是多環芳烴含量。因此，選用糠醛作為抽提溶劑。

本試驗采用串級實驗室模擬多級逆流萃取過程，這是最常見的模擬工業多級逆流萃取過程的實驗室方法。模擬二級逆流萃取的串級試驗流程示意如圖1所示。每一個圓圈代表一次完整的萃取過程，圈內數字表示第幾級，圈外一列數字n表示實驗排數。F和S分別代表原料油和新鮮溶劑，P代表抽余油，相應的箭頭表示物料走向。采用同樣方法可進行三級逆流至多級逆流試驗。

圖1 二級逆流抽提試驗流程示意

2 結果與討論

2.1 臨氫降凝

煤基加氫尾油溶劑抽余油的傾點較高，為26 ℃，不能滿足芳香基環保橡膠填充油對傾點的最低要求(不大于15 ℃)，需要將抽余油中的高凝點組分脫除或裂解為低凝點組分。臨氫降凝技術具有產品方案靈活、原料適應性強、操作壓力低、氫耗極低等特點[4]，廣泛用于降低柴油、潤滑油基礎油的凝點。因此，可以采用臨氫降凝技術將抽余油中的高凝點組分裂解或異構化為低凝點組分，降低抽余油的凝點。

在反應壓力為5.0 MPa、反應溫度為350 ℃、氫油體積比為800∶1、質量空速為1.0 h-1的條件下，開展抽余油降凝試驗，得到降凝油。臨氫降凝所得的降凝油通過蒸餾可以得到汽油餾分、柴油餾分和蠟油餾分，其中蠟油餾分適合作為制備橡膠填充油的原料，因此，在試驗過程中，將大于300 ℃餾分作為制備環保橡膠填充油的原料。降凝油及其大于300 ℃餾分的主要性質見表2。

表2 降凝油及其大于300 ℃餾分的主要性質及族組成

由表2可知，降凝油主要由環烷烴和芳烴組成，其中環烷烴的質量分數超過了55%，鏈烷烴質量分數僅為6.4%，與抽余油中的鏈烷烴質量分數為22.3%相比，降凝油的鏈烷烴含量大幅降低，這是因為在臨氫降凝反應過程中，降凝油的鏈烷烴主要發生了裂解反應，生成了相對分子質量較小的烷烴，包括C2、C3烷烴。因此，抽余油的傾點由26 ℃降為-6 ℃，降低了32 ℃，達到了抽余油降低傾點的目的。大于300 ℃餾分的傾點為-2 ℃，滿足環保橡膠填充油對傾點的質量要求(不大于15 ℃)；與全餾分降凝油的性質相比，大于300 ℃餾分具有較大的密度和黏度、較高的芳烴及多環芳烴含量，其中多環芳烴質量分數為7.07%，因此，以大于300 ℃餾分制備環保橡膠填充油，需要進一步降低多環芳烴含量，使其滿足環保橡膠填充油對多環芳烴含量的最低要求。

2.2 多級逆流抽提

以大于300 ℃餾分為原料、糠醛為溶劑，在抽提溫度為60 ℃、劑油質量比為2∶1的條件下，開展單級抽提、二級抽提脫除多環芳烴的研究。單級抽提、二級抽提所得抽余油的主要性質見表3。

表3 單級、二級抽提所得抽余油的主要性質

由表3可以看出：與原料相比，單級抽提所得抽余油的密度、黏度、多環芳烴含量均降低，傾點增加；其中多環芳烴的脫除率為48.3%，多環芳烴質量分數為3.66%，沒有達到環保橡膠填充油對多環芳烴含量的最低要求。

在單級抽提試驗的基礎上，進一步開展了大于300 ℃餾分的二級逆流抽提研究，二級逆流抽提所得抽余油的密度、黏度、多環芳烴含量進一步降低，傾點進一步增加。其中，傾點增加到4 ℃，多環芳烴的脫除率達到73.4%，多環芳烴的質量分數減小到1.88%，滿足環保橡膠填充油的質量要求。

2.3 環保橡膠填充油的主要性質

以煤基加氫尾油溶劑抽余油為原料，通過開展臨氫降凝、溶劑抽提的試驗研究，得到了環保橡膠填充油，將其主要性質與國家標準GBT 33322—2016規定的商品橡膠填充油性質進行對比，結果見表4。由表4可知：環保橡膠填充油的多環芳烴質量分數為1.88%，8種多環芳烴(PAHs)質量分數小于0.1 μgg，苯并[a]芘質量分數小于0.1 μgg，滿足GBT 33322—2016的環保要求；環保橡膠填充油的傾點為4 ℃、芳碳率CA為12.0%，滿足商品橡膠填充油A0709和A1020對產品低溫流動性及溶解性能的要求；環保橡膠填充油的運動黏度(100 ℃)為11.92 mm2s，略高于商品橡膠填充油A0709對黏度的要求，可以通過調整蒸餾切割終點來調整產品的黏度。總之，依照國家標準GBT 33322—2016規定的不同橡膠填充油產品的主要指標，環保橡膠填充油的主要性質基本滿足芳香基橡膠填充油A0709的質量要求。

表4 環保橡膠填充油與GBT 33322—2016規定的商品橡膠填充油的主要性質對比

表4 環保橡膠填充油與GBT 33322—2016規定的商品橡膠填充油的主要性質對比

項 目環保橡膠填充油GB∕T 33322—2016A0709A1020折射率(20 ℃)1.506 9密度(20 ℃)∕(g·cm-3)0.915 0閃點(開口)∕℃223190210傾點∕℃41515運動黏度(100 ℃)∕(mm2·s-1)11.927～1116～26黏重常數(VGC)0.869碳型分布,% CA12.0710 CN46.0 CP42.0w(多環芳烴(PCA))1),%1.88<3<3w(PAHs)2)∕(μg·g-1)<0.11010w(苯并[a]芘)2)∕(μg·g-1)<0.111

3 結 論

以煤基加氫尾油抽余油為原料，采用臨氫降凝-溶劑抽提組合工藝，制備了滿足環保要求的煤基環保橡膠填充油。在壓力為5.0 MPa、溫度為350 ℃、氫油體積比為800∶1、質量空速為1.0 h-1的條件下，臨氫降凝得到的降凝油傾點為-6 ℃，與加氫尾油抽余油相比，傾點降低32 ℃。對降凝油中大于300 ℃餾分進行二級逆流溶劑抽提，能夠有效地脫除其中的多環芳烴，多環芳烴的脫除率大于70%，多環芳烴的質量分數降低到1.88%。得到的環保橡膠填充油的主要性質基本滿足國家標準GBT 33322—2016規定的芳香基橡膠填充油A0709的質量要求。