熊春華, 安高軍, 魯長(zhǎng)波, 賈振斌, 陳茂山, 張繼明

(1.中國(guó)人民解放軍總后勤部油料研究所,北京 102300;2.中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209)

煤基直接液化低凝點(diǎn)柴油試驗(yàn)研究

熊春華1, 安高軍1, 魯長(zhǎng)波1, 賈振斌2, 陳茂山2, 張繼明2

(1.中國(guó)人民解放軍總后勤部油料研究所,北京 102300;2.中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209)

通過(guò)化學(xué)組成分析、理化性能分析和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究典型煤基直接液化柴油與石油基柴油的差異性及其產(chǎn)生原因,提出油品質(zhì)量改進(jìn)措施,分析煤基直接液化低凝點(diǎn)柴油使用的可行性。結(jié)果表明:煤基直接液化柴油主要由環(huán)烷烴組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%),碳數(shù)分布集中,具有凝點(diǎn)(低于-60 ℃)低、密度大、體積熱值高和十六烷值略低等特點(diǎn)以及良好的發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性;現(xiàn)有的煤基直接液化柴油經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶豳|(zhì)處理后可以直接作為低凝點(diǎn)柴油使用。

煤基柴油; 直接液化; 低凝點(diǎn)柴油; 臺(tái)架試驗(yàn); 可行性

中國(guó)石油對(duì)外依賴(lài)程度超過(guò)60%[1],煤基合成燃料由于具有組成與石油基燃料接近、高清潔、高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是首選的替代能源[2-3]。開(kāi)發(fā)煤基合成燃料意義重大[4]。神華集團(tuán)于2008年投入運(yùn)行的世界第一條百萬(wàn)噸級(jí)煤炭直接液化生產(chǎn)線使中國(guó)的煤基直接液化合成燃料技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位[5-7]。筆者通過(guò)化學(xué)組成分析、理化性能分析和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),研究煤基直接液化柴油與石油基柴油的差異性,提出油品質(zhì)量改進(jìn)措施,分析煤基直接液化柴油作為低凝點(diǎn)柴油使用的可行性。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)油樣

采集國(guó)內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)的典型煤基直接液化柴油餾分油和成品油各兩個(gè)樣品(神華集團(tuán)生產(chǎn)),分別命名為神華1～4號(hào),其中神華2和4號(hào)樣品是分別在神華1號(hào)和3號(hào)餾分油的基礎(chǔ)上加有十六烷值改進(jìn)劑和潤(rùn)滑性改進(jìn)劑調(diào)合而成的成品油。采集-35號(hào)、-50號(hào)軍用柴油各1個(gè)樣品(編號(hào)依次為軍柴3號(hào)、軍柴5號(hào))和1個(gè)-35號(hào)輕柴油樣品(編號(hào)輕柴3號(hào))作為實(shí)物對(duì)比油樣。

1.2 試驗(yàn)方法

按照《中間餾分烴類(lèi)組成測(cè)定法(質(zhì)譜法)》(SH/T 0606-94),測(cè)定油樣烴類(lèi)族組成;采用飛行時(shí)間質(zhì)譜,按照石油化工科學(xué)研究院方法《GC/TOF法分析柴油碳數(shù)分布》測(cè)定油樣碳數(shù)分布;按照《石油產(chǎn)品及潤(rùn)滑劑中碳、氫、氮測(cè)定法(元素分析儀法)》(SH/T 0656-1998,2004)測(cè)定油樣碳?xì)湓亟M成,分析煤基直接液化柴油與石油基柴油在化學(xué)組成方面的差異性。

按照軍用柴油(GJB3075-97)、輕柴油(GB 252-2011)和車(chē)用柴油(GB19147-2013)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)要求,對(duì)煤基直接液化柴油進(jìn)行理化性能分析,考察煤基直接液化柴油與石油基柴油在理化性能方面的差異性。

選用某型裝甲裝備發(fā)動(dòng)機(jī),按照《裝甲車(chē)輛柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)》(GJB5464-2005)中規(guī)定的試驗(yàn)方法,進(jìn)行燃用煤基直接液化柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和負(fù)荷特性試驗(yàn),考察煤基直接液化柴油在裝備發(fā)動(dòng)機(jī)上的適應(yīng)性。

2 結(jié)果分析

2.1 化學(xué)組成、理化性能

2.1.1 化學(xué)組成

(1)烴類(lèi)族組成。表1為煤基直接液化柴油和石油基柴油的烴類(lèi)族組成分析結(jié)果?？梢钥闯?煤基直接液化柴油與石油基柴油均由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴三大類(lèi)化合物組成,但兩種柴油中這三大類(lèi)化合物的組成含量相差甚遠(yuǎn)。其中,煤基直接液化柴油中絕大部分化合物是環(huán)烷烴,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%,其中以一環(huán)烷烴和二環(huán)烷烴為主,二者含量達(dá)80%,但鏈烷烴(不超過(guò)10%)和芳烴(不超過(guò)2%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小。相比之下,石油基柴油的組成非常復(fù)雜,不僅含有大量的鏈烷烴(35.3%～46.5%)和環(huán)烷烴(37.7%～46.0%),還含有數(shù)量眾多的單環(huán)、雙環(huán)和三環(huán)芳烴(芳烴總含量為15.8%～20.6%)。造成煤基直接液化柴油與石油基柴油在烴類(lèi)族組成方面顯著差異的原因在于二者所用生產(chǎn)原料和生產(chǎn)工藝的不同。煤基直接液化柴油是以煤炭為原料,經(jīng)過(guò)熱解加氫、液化油加氫穩(wěn)定和裂化加氫等3次高溫、高壓加氫反應(yīng)生產(chǎn)得到。煤炭主要由一些具有芳香性的環(huán)狀大分子組成,在經(jīng)過(guò)高溫、高壓加氫反應(yīng)后,這些結(jié)合在一起的芳香性環(huán)狀大分子結(jié)構(gòu)被打破,變?yōu)樾》肿拥沫h(huán)狀物質(zhì),同時(shí)芳香環(huán)被加氫飽和,因此煤基直接液化柴油主要由環(huán)烷烴,特別是一環(huán)烷烴和二環(huán)烷烴組成[8-9]。相比之下,石油基柴油是以原油為生產(chǎn)原料,經(jīng)過(guò)常減壓蒸餾、催化裂化、加氫精制、加氫裂化等工藝生產(chǎn)得到。由于原油組成非常復(fù)雜,在經(jīng)過(guò)一系列的加工處理后,得到的柴油中往往同時(shí)含有大量的鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴[10]。

表1 油樣烴族組成分析結(jié)果Table 1 Analysis results of diesel hydrocarbon groups %

研究[11]表明,柴油的十六烷值和密度主要由鏈烷烴決定,鏈烷烴含量越高則十六烷值越高,密度越小,反之亦然;低溫流動(dòng)性能主要由一環(huán)烷烴決定,一環(huán)烷烴含量越高則凝點(diǎn)越低,反之亦然。煤基直接液化柴油中大量環(huán)烷烴的存在會(huì)使其具有低溫性能好、密度大和十六烷值低等特點(diǎn)。

(2)碳數(shù)分布。圖1給出煤基直接液化柴油(神華1、3號(hào))和石油基柴油的碳數(shù)分布測(cè)定結(jié)果。可以看出,煤基直接液化柴油的碳數(shù)分布為C8～C16,主要集中在C10～C14;石油基柴油的碳數(shù)分布為C9～C20,主要集中在C11～C17。這一結(jié)果表明,與石油基柴油相比,現(xiàn)有煤基直接液化柴油的碳數(shù)分布非常集中,但低碳數(shù)輕組分較多,這會(huì)導(dǎo)致其餾程、閃點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)黏度等指標(biāo)降低。

圖1 煤基直接液化柴油與石油基柴油碳數(shù)分布Fig.1 Carbon number distribution of coal-based direct liquefaction diesel and petroleum-based diesel

造成煤基直接液化柴油碳數(shù)分布主要集中在C10～C14的原因在于其主要是由一環(huán)烷烴、二環(huán)烷烴和三環(huán)烷烴組成。以二環(huán)烷烴為例,若其不含側(cè)鏈,則為C10;若含有側(cè)鏈,則超過(guò)C10,但限于生產(chǎn)工藝,這種環(huán)上的側(cè)鏈不會(huì)過(guò)多過(guò)長(zhǎng),因此碳數(shù)大多集中在C14以?xún)?nèi)。相比之下,石油基柴油中則同時(shí)含有大量的鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴,導(dǎo)致其碳數(shù)分布非常寬泛。

(3)碳?xì)湓亟M成。表2為不同油樣中碳?xì)湓亟M成分析的結(jié)果。從表2看出,與石油基柴油相似,煤基直接液化柴油也主要由碳?xì)湓亟M成,但由于其主要由環(huán)烷烴組成,導(dǎo)致H/C原子比低于含有大量鏈烷烴的石油基柴油,這使其質(zhì)量熱值低于石油基柴油。由于密度大,煤基直接液化柴油反而具有更大的體積熱值。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油箱容積受限的情況下,更大的體積熱值意味著能有效增加所攜帶的能量,從而增加裝備行駛距離,或在保持性能不變的情況下,可減小燃油箱容積,提高裝備的機(jī)動(dòng)性。由此可知,煤基直接液化柴油具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

表2 油樣碳?xì)湓亟M成分析結(jié)果Table 2 Analysis results of diesel carbon and hydrogen components

2.1.2 理化性能

表3和表4分別為煤基直接液化柴油和石油基柴油按照現(xiàn)行柴油標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的理化性能分析結(jié)果。

表3 煤基直接液化柴油理化性能分析結(jié)果

可以看出,煤基直接液化柴油餾分油(神華1、3號(hào))具有如下特點(diǎn):①外觀清澈透明(幾乎無(wú)色),低溫性能優(yōu)異(凝點(diǎn)、冷濾點(diǎn)極低);②安定性能良好,表現(xiàn)在氧化安定性總不溶物含量低、10%蒸余物殘?zhí)亢康?、?shí)際膠質(zhì)含量極低;③抗腐蝕性能良好,表現(xiàn)在硫含量(小于1 mg/kg)極低、銅片腐蝕達(dá)到最高等級(jí)(1a)、酸度值為0,且不含有水溶性酸或堿;④潔凈性能良好,表現(xiàn)在不含有水分和機(jī)械雜質(zhì)、固體顆粒污染物含量低、灰分含量小;⑤密度大,運(yùn)動(dòng)黏度偏低;⑥安全性能較好,閃點(diǎn)較高,可以滿足-35號(hào)和-50號(hào)柴油標(biāo)準(zhǔn)要求,低于-35號(hào)和-50號(hào)軍柴油樣閃點(diǎn);⑦著火性能較好,十六烷值可以滿足-35號(hào)和-50號(hào)軍用柴油標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值,明顯低于對(duì)比油樣的十六烷值;⑧餾分偏輕,餾程指標(biāo)中的10%回收溫度偏低;⑨潤(rùn)滑性能稍差,磨痕直徑不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,稍大于對(duì)比油樣測(cè)定結(jié)果。

表4 石油基柴油理化性能分析結(jié)果

2.1.3 應(yīng)用分析

根據(jù)油樣化學(xué)組成與理化性能的分析結(jié)果,從煤基直接液化柴油自身組成結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的角度,分析其作為軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油使用的可行性。

化學(xué)組成分析結(jié)果表明,煤基直接液化柴油與石油基柴油組成相似,均屬于碳?xì)錈N類(lèi)物質(zhì),都主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成,因此從組成結(jié)構(gòu)角度來(lái)說(shuō)煤基直接液化柴油作為石油基柴油的替代燃料具有可行性。但煤基直接液化柴油中環(huán)烷烴含量很高(可達(dá)90%),這使其性質(zhì)與石油基柴油有所差別,主要體現(xiàn)在凝點(diǎn)極低、密度大和十六烷值偏低等方面。

由表3理化性能分析數(shù)據(jù)可知,煤基直接液化柴油的低溫性能優(yōu)異,具備作為-35號(hào)或-50號(hào)低凝點(diǎn)軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油使用的潛力。對(duì)比分析表3、表4看出,煤基直接液化柴油餾分油(神華1、3號(hào))除5項(xiàng)指標(biāo)不太理想(十六烷值、閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、10%回收溫度、潤(rùn)滑性),其余指標(biāo)均可滿足現(xiàn)行軍用柴油標(biāo)準(zhǔn)(GJB 3075-97)要求,且大部分指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求以及實(shí)物油樣。其中,十六烷值偏低是由于煤基直接液化柴油餾分油主要由環(huán)烷烴組成,鏈烷烴太少所致;閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、10%回收溫度偏低是由于現(xiàn)有煤基直接液化柴油中含有較多的低碳數(shù)輕組分造成;潤(rùn)滑性差則主要是由于在煤直接液化過(guò)程中的深度加氫處理工藝將油品中絕大部分具有潤(rùn)滑功能的極性物質(zhì)脫除掉所致。

煤基直接液化柴油餾分油除了十六烷值和潤(rùn)滑性指標(biāo)不太理想外,其余指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于輕柴油標(biāo)準(zhǔn)要求(GB 252-2011)以及實(shí)物油樣測(cè)定結(jié)果。通過(guò)與現(xiàn)行車(chē)用柴油標(biāo)準(zhǔn)(GB19147-2013)比較分析可知,在作為車(chē)用柴油可行性方面,煤基直接液化柴油餾分油除十六烷值和潤(rùn)滑性指標(biāo)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外,其余指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合上述分析可以看出,現(xiàn)有的煤基直接液化柴油餾分油雖然不能直接作為軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油使用,但其優(yōu)異的品質(zhì)顯示出完全具備作為軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油的潛力,特別是其具有凝點(diǎn)低、密度大、體積熱值高和安定性好等特點(diǎn),將是一種非常理想的生產(chǎn)低凝點(diǎn)軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油的組分。這種煤直接液化餾分油經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶豳|(zhì)處理,如通過(guò)餾分切割去除低碳數(shù)組分或有針對(duì)性地使用功能提質(zhì)添加劑(見(jiàn)神華2、4號(hào)成品油分析結(jié)果,在加入十六烷值和潤(rùn)滑性改進(jìn)劑后,煤直接液化柴油的十六烷值、潤(rùn)滑性等指標(biāo)明顯改善),完全可以直接作為低凝點(diǎn)的軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油使用。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

某型裝甲裝備發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤基直接液化柴油后,起動(dòng)正常,工作平穩(wěn)柔和,完成動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。

2.2.1 動(dòng)力性

從圖2看出,4種油樣(神華3、4號(hào)和-35號(hào)、-50號(hào)軍柴)的功率、扭矩變化趨勢(shì)一致,其中功率隨轉(zhuǎn)速的增加而升高,扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低,最大扭矩點(diǎn)均在1 400 r/min。與-35號(hào)和-50號(hào)軍柴相比,神華3號(hào)、神華4號(hào)在外特性各點(diǎn)功率、扭矩均有所提高,特別是神華4號(hào)成品油在中速條件下(1 600～1 800 r/min)提高的幅度更大。與-35號(hào)軍柴相比,神華4號(hào)功率最大提高幅度為1.86%(1 600 r/min),扭矩最大提高幅度為1.86%(1 600 r/min);與-50號(hào)軍柴相比,神華4號(hào)的功率最大提高幅度為3.27%(1 800 r/min),扭矩最大提高幅度為3.28%(1 800 r/min)?？傊?煤基直接液化柴油能夠提高裝甲裝備柴油機(jī)的動(dòng)力性,特別是加有十六烷值改進(jìn)劑的成品油提高幅度更大。

裝備燃用煤基直接液化柴油后動(dòng)力性提高的原因在于煤基柴油具有更大的密度和體積熱值(表2)。由于該型裝備發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓噴油泵為柱塞式體積泵,每次供油的體積是確定的,煤基直接液化柴油具有更大的密度和體積熱值,每次噴入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的柴油質(zhì)量更大,燃燒產(chǎn)生的熱量就更多,則對(duì)外做功更多,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更高的輸出功率和扭矩,表現(xiàn)為裝備動(dòng)力性提高[12]。

圖2 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的功率和扭矩變化曲線Fig.2 Power and torque curves of different speeds

2.2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

圖3為額定轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)、常用轉(zhuǎn)速(1 750 r/min)和最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速(1 400 r/min)下燃用神華3號(hào)、神華4號(hào)和-35號(hào)、-50號(hào)軍柴時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油質(zhì)量消耗率變化曲線。可以看出,4種油品的燃油質(zhì)量消耗率普遍隨著負(fù)荷的增加而逐漸降低。對(duì)比分析可以看出,在3種速度條件下,除個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)外,神華4號(hào)成品油的燃油質(zhì)量消耗率均略高于其他3種油品,神華3號(hào)餾分油的燃油質(zhì)量消耗率與-35號(hào)軍柴較為接近,-50號(hào)軍柴的燃油消耗率則最低。造成這一現(xiàn)象的原因在于,一方面煤基柴油具有更大的密度和體積熱值(表2),發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用煤基柴油時(shí)的供油量更大,過(guò)量空氣系數(shù)有所減小,多噴入燃燒室的煤基柴油沒(méi)有得到完全燃燒,熱量沒(méi)有完全釋放,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的功率雖然有所提高,但其提高的幅度沒(méi)有供油量增加的幅度大,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃油質(zhì)量消耗率略有增加;另一方面煤基柴油的質(zhì)量熱值略低于石油基柴油,單位質(zhì)量煤基柴油燃燒所釋放出的熱量略低于石油基柴油,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤基柴油時(shí)的燃油質(zhì)量消耗率略有增加[12]。

圖3 不同負(fù)荷時(shí)的燃油質(zhì)量消耗率曲線Fig.3 Specific fuel consumption curves of different loads

綜合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)看出,裝甲裝備柴油機(jī)燃用煤基直接液化柴油后雖然燃油質(zhì)量消耗率略有增加,但起動(dòng)正常,工作平穩(wěn)柔和,動(dòng)力性有所提高?？傮w而言,煤基直接液化柴油在裝甲裝備發(fā)動(dòng)機(jī)上具有良好的適應(yīng)性。

3 結(jié) 論

(1)煤基直接液化柴油與石油基柴油組成相似,均屬于碳?xì)錈N類(lèi)物質(zhì),都主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成。但煤基直接液化柴油中環(huán)烷烴含量很高(可達(dá)90%),這使其具有凝點(diǎn)極低、密度大、體積熱值高、硫含量超低、安定性好、十六烷值略低和碳數(shù)分布集中等特點(diǎn)。

(2)裝甲裝備柴油機(jī)燃用煤基直接液化柴油后起動(dòng)正常,工作平穩(wěn)柔和,動(dòng)力性有所提高,燃油質(zhì)量消耗率略有增加,在裝甲裝備發(fā)動(dòng)機(jī)上具有良好的適應(yīng)性。

(3)現(xiàn)有的煤基直接液化柴油餾分油雖然不能直接作為軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油使用,但其優(yōu)異的品質(zhì)顯示出完全具備作為軍用柴油、輕柴油和車(chē)用柴油使用的潛力,其經(jīng)過(guò)適當(dāng)提質(zhì)處理后,具備直接作為低凝點(diǎn)柴油使用的可行性。

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(編輯 劉為清)

Experimentalresearchondirectliquefactionofcoalbasedlowpourpointdiesel

XIONG Chunhua1, AN Gaojun1, LU Changbo1, JIA Zhenbin2, CHEN Maoshan2, ZHANG Jiming2

(1.BeijingPOLResearchInstitute,Beijing102300;2.ChinaShenhuaCoaltoLiquidandChemicalCompanyLimitedOrdosBranch,Ordos017209)

The difference between domestic typical coal-based direct liquefaction diesel and petroleum-based diesel was systematically studied through chemical composition and physical-chemical properties analysis, as well as the engine test. On the basis of the analysis, the measures for improving the oil qualities were proposed and the feasibility of coal-based direct liquefaction diesel used as the low solidification point diesel was discussed. It is found that the coal-based direct liquefaction diesel is mainly composed of cycloparaffinic hydrocarbon (up to 90%), and has the characteristic of low solidification point (less than -60 ℃). It shows the characteristics of heavy density, high volume heat value, low cetane value, and concentrated carbon distribution. In addition, the coal-based direct liquefaction diesel has good engine suitability. And the coal-based direct liquefaction diesel can be directly used as the low solidification point diesel after proper treatment of improving qualities.

coal-based diesel; direct liquefaction; low solidification point diesel; engine test; feasibility

2016-10-11

全軍后勤重點(diǎn)項(xiàng)目(BX210J004)

熊春華(1966-),男,高級(jí)工程師,博士,研究方向?yàn)檐娛履茉础-mail:xch@263.net.cn。

安高軍(1980-),男,高級(jí)工程師,博士,研究方向?yàn)檐娛履茉?。E-mail:angaojun2013@163.com。

1673-5005(2017)05-0181-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.023

TQ 529.1

A

熊春華,安高軍,魯長(zhǎng)波,等.煤基直接液化低凝點(diǎn)柴油試驗(yàn)研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(5):181-186.

XIONG Chunhua, AN Gaojun, LU Changbo, et al. Experimental research on direct liquefaction of coal based low pour point diesel[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2017,41(5):181-186.