煤液化柴油對潤滑性添加劑的感受性試驗

馮玉艷 白雪梅

中國神華煤制油化工有限公司上海研究院 （上海 201108）

煤液化柴油硫氮含量低、芳烴含量少、酸度低、儲存安定性好，是清潔環保的車用燃料。但是由于低硫柴油潤滑性較差，會導致發動機的精密部件過度磨損、配合精度下降、柴油霧化不良、發動機功率不足或怠速不穩等問題，造成使用壽命降低，嚴重時可能引起油泵漏油，所以改善潤滑性成為煤液化柴油車用的一個重要問題。

改善柴油潤滑性的根本途徑是添加潤滑性添加劑。能夠提高柴油潤滑性能的添加劑主要有醚、醇、胺、酰胺、長鏈羧酸、酯等化合物，不同結構的抗磨劑潤滑性能迥異[1]。在不影響柴油其他性能的情況下，添加這些化合物可改善柴油的潤滑性能，具有簡便、經濟且行之有效的特點。用作潤滑性添加劑的羧酸主要為一些長鏈的脂肪酸化合物，含有極性很強的羧基和長碳鏈，可以在金屬表面形成致密的吸附膜，能夠有效地減少摩擦和磨損[2]。脂肪酸酯型潤滑性添加劑是應用最多的一類柴油潤滑性產品，由不飽和脂肪酸和多元醇反應合成，含有羰基氧和醇基氧等多種形態的氧原子，在摩擦副間形成的油膜可明顯改善柴油的抗磨潤滑效果，有效抑制金屬表面的磨損和腐蝕，無毒無害，是環境友好型柴油抗磨劑[3]。

目前市場上的潤滑性添加劑大多是針對石油基柴油開發的，本文以煤直接液化柴油（DDCL）、煤間接液化柴油（DICL）和煤液化調和柴油（MYTC）為原料，模擬柴油泵的黏著磨損和微動磨損，測試了潤滑性添加劑添加量不同時柴油的潤滑性，考察了煤液化柴油對市面上較為通用的柴油潤滑性添加劑的感受性，得到不同添加劑在不同添加量條件下煤液化柴油潤滑性的基本數據，同時考察了潤滑性添加劑對柴油酸度、密度等性質的影響，對比找出合適的添加劑和最優添加量。

1 試驗部分

1.1 原料

煤直接液化柴油（樣品編號DDCL）、煤間接液化柴油（樣品編號DICL）和煤液化調和柴油（樣品編號MYTC），其中MYTC是由DDCL與DICL調和而成，滿足GB 19147—2016《車用柴油》技術要求。3種煤液化柴油的基本理化性質見表1。

表1 煤液化柴油的理化性質

選用市場上具有代表性的4種潤滑性添加劑進行試驗，分別是美國雅富頓潤滑油公司生產的單酸脂肪酸型添加劑(H4)，美國路博潤公司生產的高分子脂肪酸型添加劑(L5)，國產脂肪酸型添加劑(N1)和國產酯型添加劑(G5)。

1.2 測量儀器

試驗采用邁瑞爾實驗設備（上海）有限公司的高頻往復式摩擦磨損試驗機。利用溫濕度控制系統控制恒溫恒濕箱內溫度為（23±2）℃、濕度為50%±3%。給直徑為6 mm的試驗球施加200 g的負荷，作用在直徑為10 mm、厚度為3 mm的試驗片上，并浸在2 mL（60℃）的油樣中，在激振器帶動下做每秒50次、行程為1 mm的往復振動75 min，通過測量試驗球的磨斑直徑來反應油品的潤滑性。

1.3 測量方法

根據GB/T 19147—2016的要求，柴油潤滑性測量方法參照SH/T 0765—2005《柴油潤滑性評定法（高頻往復試驗機法）》（高頻往復試驗機簡稱HFRR），以校正磨痕直徑（60℃）不大于460μm考察柴油潤滑性指標。根據該標準方法，試驗的重復性為63μm，因此在實際生產中，通常以校正磨痕直徑（60℃）不大于400μm作為生產要求的考核指標，該指標有益于保障油泵不出現過度磨損，同時有足夠的裕度[4]。

2 結果與討論

2.1 潤滑性添加劑對柴油潤滑性的影響

DDCL的磨痕直徑隨H4，L5，N1和G5 4種添加劑添加量變化的趨勢見圖1。

由圖1可見，DDCL的磨痕直徑隨添加劑添加量的增加而減小，DDCL的潤滑性得到了改善，說明DDCL對4種潤滑性添加劑均有良好的感受性。如圖中實線所示：L5添加量達到130 mg/kg時，可將DDCL 的磨痕直徑降至 460μm；H4，N1，G5 添加量分別達到120，140及160 mg/kg時，可將DDCL的磨痕直徑降至460μm。

當添加劑添加量小于175 mg/kg時，DDCL對3種酸型添加劑L5，H4和N1的感受性優于酯型添加劑G5。當添加量大于175 mg/kg時，DDCL對酯型添加劑的感受性優于3種酸型添加劑。

DICL的磨痕直徑隨4種添加劑添加量變化的趨勢見圖2。

圖2 DICL的磨痕直徑隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

由圖2可見，DICL的磨痕直徑隨添加劑添加量的增加而減小，DICL的潤滑性得到了改善，說明DICL對4種潤滑性添加劑均有良好的感受性。如圖中實線所示：L5添加量達到150 mg/kg時，可將DICL 的磨痕直徑降至 460 μm；H4，N1，G5添加量分別達到175，200，190 mg/kg時，可將DICL的磨痕直徑降至460μm。

當添加劑添加量小于190 mg/kg時，DICL對3種酸型添加劑L5，H4和N1的感受性優于酯型添加劑G5。當添加量大于190 mg/kg時，DICL對酯型添加劑的感受性優于3種酸型添加劑。

MYTC的磨痕直徑隨4種添加劑添加量變化的趨勢見圖3。

由圖3可見，MYTC的磨痕直徑隨添加劑添加量的增加而減小，MYTC的潤滑性得到改善，說明MYTC對4種潤滑性添加劑均有良好的感受性。如圖中實線所示：L5添加量達到100 mg/kg時，可將MYTC 的磨痕直徑降至 460 μm；H4，N1，G5添加量分別達到95，120，170 mg/kg時，可將MYTC的磨痕直徑降至460μm。

圖3 MYTC的磨痕直徑隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

當添加劑添加量小于180 mg/kg時，MYTC對3種酸型添加劑L5，H4和N1的感受性優于酯型添加劑G5。當添加量大于180 mg/kg時，MYTC對酯型添加劑的感受性優于3種酸型添加劑。

如圖3虛線所示：L5，H4和N1這3種酸型添加劑的添加量為250 mg/kg時，可使MYTC磨痕直徑降至400μm；而G5的添加量為195 mg/kg時，即可使柴油的磨痕直徑降至400μm。這說明要滿足MYTC實際生產指標要求，酯型添加劑G5的添加量小于3種酸型添加劑。

從制備工藝上來說，DDCL是經過深度加氫脫硫得到的，雖然硫含量的大幅度降低并不會引起柴油潤滑性的明顯下降，甚至由于除去了一些增加磨損的有機硫化物，會使潤滑性得到一定程度的改善，但由于硫化物多以雜環形式存在于芳烴和多環芳烴中，在脫硫過程中，具有潤滑性的含氧化合物、含氮化合物、芳烴和多環芳烴以及其他具有潤滑性的組分也被脫出[5-6]，導致DDCL潤滑性較差。

柴油潤滑性的關鍵組分為具有較強極性的芳香性雜環化合物，而含氮極性化合物和酸性組分是有效的抗磨組分[7]。DICL是以合成氣(CO和H2)為原料，在催化劑和適當反應條件下合成的以石蠟烴為主的液體燃料，硫、氮、氧等天然潤滑組分含量低，所以DICL潤滑性能較差。

MYTC由DDCL與DICL調和而成，因此潤滑性能較差。

分別加入4種潤滑性添加劑，DDCL，DICL和MYTC的潤滑性均得到改善。在合適的添加范圍內，潤滑性添加劑可以使不同柴油的潤滑性能達到標準和生產的要求。

3種煤液化柴油的烴類組成比例與石油基柴油相差較大，但烴類組成種類與石油基柴油基本相同，因此對于針對石油基柴油開發的潤滑性添加劑，煤液化柴油也具有良好的感受性。

2.2 潤滑性添加劑對柴油酸度的影響

DDCL，DICL 和 MYTC 的酸度隨 H4，L5，N1 和G5 4種添加劑添加量變化的趨勢分別見圖4、圖5和圖6。

圖4 DDCL的酸度隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

圖5 DICL的酸度隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

由圖4～6可知，3種煤液化柴油的酸度均隨著L5，H4和N1 3種酸型添加劑添加量的增大而增加，且與加入量成正比關系，而不隨G5添加量的增大產生較大變化。說明酸型添加劑L5，H4和N1的添加會使得3種煤液化柴油的酸度明顯增加，酯型添加劑G5則對其基本無影響。

圖6 MYTC的酸度隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

煤液化柴油餾分中酸性物質含量極低，酸度小，幾乎不存在有機酸危害。酸型潤滑性添加劑主要是一些長鏈的脂肪酸化合物[2]，高酸值抗磨劑的使用會增加柴油的酸度和腐蝕風險。酯型潤滑性添加劑的主要成分是脂肪酸酯類，添加到柴油中對其酸度基本無影響。

柴油的酸度是表征油品腐蝕性能和使用性能的主要指標之一。酸性物質與高堿值分散劑和二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）相互作用，造成燃料過濾網嚴重堵塞，且酸性物質與金屬表面易起作用，造成金屬的腐蝕[8]；而酯型添加劑不影響柴油的酸度，在這方面具有較大的優勢。

2.3 潤滑性添加劑對柴油運動黏度和密度的影響

DDDCL，DICL和MYTC的運動黏度隨 H4，L5，N1和G5 4種添加劑添加量變化的趨勢分別見圖7、圖 8 和圖 9。

DDCL，DICL 和 MYTC 的密度隨 H4，L5，N1 和G5 4種添加劑添加量變化的趨勢分別見表2，表3和表4。

圖7 DDCL的運動黏度隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

圖8 DICL的運動黏度隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

圖9 MYTC的運動黏度隨潤滑性添加劑添加量變化的趨勢

表2 添加劑添加后DDCL的密度(20℃)g/cm3

由圖 7～9和表 2～4可見，H4，L5，N1和 G5 4種添加劑在本次選用的添加范圍內對該柴油的運動黏度和密度影響不大。添加劑的添加量根據成分和柴油種類的不同而異，一般在50～300 mg/kg之間。因為添加量比較小，在此范圍內，添加劑對油品運動黏度和密度的影響甚微。

表3 添加劑添加后DICL的密度(20℃)g/cm3

表4 添加劑添加后MYTC的密度(20℃)g/cm3

3 結論

（1）DDCL，DICL和MYTC對市場上廣泛使用的4種潤滑性添加劑均有很好的感受性。要使其他指標滿足GB 19147—2016中MYTC的磨痕直徑要求（<400μm），3種酸型添加劑L5，H4和N1的添加量約為250 mg/kg，而酯型添加劑G5的添加量為195 mg/kg。

（2）對3種煤液化柴油來講，酸型添加劑L5，H4和N1對每種柴油潤滑性的改善效果基本相同。

（3）L5，H4，N1和G5 4種添加劑的添加量不大于300 mg/kg時，對3種煤液化柴油的運動黏度和密度幾乎無影響。

（4）酸型添加劑L5，H4和N1的添加會使煤液化柴油的酸度增大；酯型添加劑G5的添加對柴油的酸度基本無影響，并且在潤滑性能考察指標較為苛刻的情況下，添加量少于酸性添加劑。因此，酯型添加劑是煤液化柴油較理想的潤滑性添加劑。