熊春華, 安高軍, 魯長波, 賈振斌, 陳茂山, 張繼明

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

煤基直接液化低凝點柴油試驗研究

熊春華1, 安高軍1, 魯長波1, 賈振斌2, 陳茂山2, 張繼明2

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

通過化學組成分析、理化性能分析和發(fā)動機臺架試驗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生原因,提出油品質量改進措施,分析煤基直接液化低凝點柴油使用的可行性。結果表明:煤基直接液化柴油主要由環(huán)烷烴組成(質量分數(shù)達90%),碳數(shù)分布集中,具有凝點(低于-60 ℃)低、密度大、體積熱值高和十六烷值略低等特點以及良好的發(fā)動機適應性;現(xiàn)有的煤基直接液化柴油經過適當?shù)奶豳|處理后可以直接作為低凝點柴油使用。

煤基柴油; 直接液化; 低凝點柴油; 臺架試驗; 可行性

中國石油對外依賴程度超過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、高品質等優(yōu)點被認為是首選的替代能源[2-3]。開發(fā)煤基合成燃料意義重大[4]。神華集團于2008年投入運行的世界第一條百萬噸級煤炭直接液化生產線使中國的煤基直接液化合成燃料技術處于世界領先地位[5-7]。筆者通過化學組成分析、理化性能分析和發(fā)動機臺架試驗,研究煤基直接液化柴油與石油基柴油的差異性,提出油品質量改進措施,分析煤基直接液化柴油作為低凝點柴油使用的可行性。

1 試 驗

1.1 試驗油樣

采集國內現(xiàn)有生產的典型煤基直接液化柴油餾分油和成品油各兩個樣品(神華集團生產),分別命名為神華1～4號,其中神華2和4號樣品是分別在神華1號和3號餾分油的基礎上加有十六烷值改進劑和潤滑性改進劑調合而成的成品油。采集-35號、-50號軍用柴油各1個樣品(編號依次為軍柴3號、軍柴5號)和1個-35號輕柴油樣品(編號輕柴3號)作為實物對比油樣。

1.2 試驗方法

按照《中間餾分烴類組成測定法(質譜法)》(SH/T 0606-94),測定油樣烴類族組成;采用飛行時間質譜,按照石油化工科學研究院方法《GC/TOF法分析柴油碳數(shù)分布》測定油樣碳數(shù)分布;按照《石油產品及潤滑劑中碳、氫、氮測定法(元素分析儀法)》(SH/T 0656-1998,2004)測定油樣碳氫元素組成,分析煤基直接液化柴油與石油基柴油在化學組成方面的差異性。

按照軍用柴油(GJB3075-97)、輕柴油(GB 252-2011)和車用柴油(GB19147-2013)現(xiàn)行標準的技術指標要求,對煤基直接液化柴油進行理化性能分析,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)動機,按照《裝甲車輛柴油機臺架試驗》(GJB5464-2005)中規(guī)定的試驗方法,進行燃用煤基直接液化柴油的發(fā)動機外特性和負荷特性試驗,考察煤基直接液化柴油在裝備發(fā)動機上的適應性。

2 結果分析

2.1 化學組成、理化性能

2.1.1 化學組成

(1)烴類族組成。表1為煤基直接液化柴油和石油基柴油的烴類族組成分析結果?？梢钥闯?煤基直接液化柴油與石油基柴油均由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴三大類化合物組成,但兩種柴油中這三大類化合物的組成含量相差甚遠。其中,煤基直接液化柴油中絕大部分化合物是環(huán)烷烴,其質量分數(shù)達90%,其中以一環(huán)烷烴和二環(huán)烷烴為主,二者含量達80%,但鏈烷烴(不超過10%)和芳烴(不超過2%)質量分數(shù)較小。相比之下,石油基柴油的組成非常復雜,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族組成方面顯著差異的原因在于二者所用生產原料和生產工藝的不同。煤基直接液化柴油是以煤炭為原料,經過熱解加氫、液化油加氫穩(wěn)定和裂化加氫等3次高溫、高壓加氫反應生產得到。煤炭主要由一些具有芳香性的環(huán)狀大分子組成,在經過高溫、高壓加氫反應后,這些結合在一起的芳香性環(huán)狀大分子結構被打破,變?yōu)樾》肿拥沫h(huán)狀物質,同時芳香環(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原料,經過常減壓蒸餾、催化裂化、加氫精制、加氫裂化等工藝生產得到。由于原油組成非常復雜,在經過一系列的加工處理后,得到的柴油中往往同時含有大量的鏈烷烴、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;低溫流動性能主要由一環(huán)烷烴決定,一環(huán)烷烴含量越高則凝點越低,反之亦然。煤基直接液化柴油中大量環(huán)烷烴的存在會使其具有低溫性能好、密度大和十六烷值低等特點。

(2)碳數(shù)分布。圖1給出煤基直接液化柴油(神華1、3號)和石油基柴油的碳數(shù)分布測定結果?？梢钥闯?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,這會導致其餾程、閃點和運動黏度等指標降低。

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,若其不含側鏈,則為C10;若含有側鏈,則超過C10,但限于生產工藝,這種環(huán)上的側鏈不會過多過長,因此碳數(shù)大多集中在C14以內。相比之下,石油基柴油中則同時含有大量的鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴,導致其碳數(shù)分布非常寬泛。

(3)碳氫元素組成。表2為不同油樣中碳氫元素組成分析的結果。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氫元素組成,但由于其主要由環(huán)烷烴組成,導致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)動機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,提高裝備的機動性。由此可知,煤基直接液化柴油具有很高的應用價值。

表2 油樣碳氫元素組成分析結果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)行柴油標準測定的理化性能分析結果。

表3 煤基直接液化柴油理化性能分析結果

可以看出,煤基直接液化柴油餾分油(神華1、3號)具有如下特點:①外觀清澈透明(幾乎無色),低溫性能優(yōu)異(凝點、冷濾點極低);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?、實際膠質含量極低;③抗腐蝕性能良好,表現(xiàn)在硫含量(小于1 mg/kg)極低、銅片腐蝕達到最高等級(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)在不含有水分和機械雜質、固體顆粒污染物含量低、灰分含量小;⑤密度大,運動黏度偏低;⑥安全性能較好,閃點較高,可以滿足-35號和-50號柴油標準要求,低于-35號和-50號軍柴油樣閃點;⑦著火性能較好,十六烷值可以滿足-35號和-50號軍用柴油標準要求的最低值,明顯低于對比油樣的十六烷值;⑧餾分偏輕,餾程指標中的10%回收溫度偏低;⑨潤滑性能稍差,磨痕直徑不能滿足標準要求,稍大于對比油樣測定結果。

表4 石油基柴油理化性能分析結果

2.1.3 應用分析

根據油樣化學組成與理化性能的分析結果,從煤基直接液化柴油自身組成結構和理化性質的角度,分析其作為軍用柴油、輕柴油和車用柴油使用的可行性。

化學組成分析結果表明,煤基直接液化柴油與石油基柴油組成相似,均屬于碳氫烴類物質,都主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成,因此從組成結構角度來說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90%),這使其性質與石油基柴油有所差別,主要體現(xiàn)在凝點極低、密度大和十六烷值偏低等方面。

由表3理化性能分析數(shù)據可知,煤基直接液化柴油的低溫性能優(yōu)異,具備作為-35號或-50號低凝點軍用柴油、輕柴油和車用柴油使用的潛力。對比分析表3、表4看出,煤基直接液化柴油餾分油(神華1、3號)除5項指標不太理想(十六烷值、閃點、運動黏度、10%回收溫度、潤滑性),其余指標均可滿足現(xiàn)行軍用柴油標準(GJB 3075-97)要求,且大部分指標遠優(yōu)于標準要求以及實物油樣。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、運動黏度、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;潤滑性差則主要是由于在煤直接液化過程中的深度加氫處理工藝將油品中絕大部分具有潤滑功能的極性物質脫除掉所致。

煤基直接液化柴油餾分油除了十六烷值和潤滑性指標不太理想外,其余指標遠優(yōu)于輕柴油標準要求(GB 252-2011)以及實物油樣測定結果。通過與現(xiàn)行車用柴油標準(GB19147-2013)比較分析可知,在作為車用柴油可行性方面,煤基直接液化柴油餾分油除十六烷值和潤滑性指標不能滿足標準要求外,其余指標均遠遠優(yōu)于標準要求。

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、輕柴油和車用柴油使用,但其優(yōu)異的品質顯示出完全具備作為軍用柴油、輕柴油和車用柴油的潛力,特別是其具有凝點低、密度大、體積熱值高和安定性好等特點,將是一種非常理想的生產低凝點軍用柴油、輕柴油和車用柴油的組分。這種煤直接液化餾分油經過適當?shù)奶豳|處理,如通過餾分切割去除低碳數(shù)組分或有針對性地使用功能提質添加劑(見神華2、4號成品油分析結果,在加入十六烷值和潤滑性改進劑后,煤直接液化柴油的十六烷值、潤滑性等指標明顯改善),完全可以直接作為低凝點的軍用柴油、輕柴油和車用柴油使用。

2.2 發(fā)動機臺架試驗

某型裝甲裝備發(fā)動機燃用煤基直接液化柴油后,起動正常,工作平穩(wěn)柔和,完成動力性和燃油經濟性試驗。

2.2.1 動力性

從圖2看出,4種油樣(神華3、4號和-35號、-50號軍柴)的功率、扭矩變化趨勢一致,其中功率隨轉速的增加而升高,扭矩隨轉速的增加先升高后降低,最大扭矩點均在1 400 r/min。與-35號和-50號軍柴相比,神華3號、神華4號在外特性各點功率、扭矩均有所提高,特別是神華4號成品油在中速條件下(1 600～1 800 r/min)提高的幅度更大。與-35號軍柴相比,神華4號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號軍柴相比,神華4號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)。總之,煤基直接液化柴油能夠提高裝甲裝備柴油機的動力性,特別是加有十六烷值改進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)動機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)動機燃燒室的柴油質量更大,燃燒產生的熱量就更多,則對外做功更多,從而使得發(fā)動機獲得更高的輸出功率和扭矩,表現(xiàn)為裝備動力性提高[12]。

圖2 不同轉速時的功率和扭矩變化曲線Fig.2 Power and torque curves of different speeds

2.2.2 燃油經濟性

圖3為額定轉速(2 000 r/min)、常用轉速(1 750 r/min)和最大扭矩點轉速(1 400 r/min)下燃用神華3號、神華4號和-35號、-50號軍柴時發(fā)動機的燃油質量消耗率變化曲線?？梢钥闯?4種油品的燃油質量消耗率普遍隨著負荷的增加而逐漸降低。對比分析可以看出,在3種速度條件下,除個別試驗點外,神華4號成品油的燃油質量消耗率均略高于其他3種油品,神華3號餾分油的燃油質量消耗率與-35號軍柴較為接近,-50號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)動機在燃用煤基柴油時的供油量更大,過量空氣系數(shù)有所減小,多噴入燃燒室的煤基柴油沒有得到完全燃燒,熱量沒有完全釋放,導致發(fā)動機的功率雖然有所提高,但其提高的幅度沒有供油量增加的幅度大,從而使得發(fā)動機燃油質量消耗率略有增加;另一方面煤基柴油的質量熱值略低于石油基柴油,單位質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)動機燃用煤基柴油時的燃油質量消耗率略有增加[12]。

圖3 不同負荷時的燃油質量消耗率曲線Fig.3 Specific fuel consumption curves of different loads

綜合發(fā)動機臺架試驗看出,裝甲裝備柴油機燃用煤基直接液化柴油后雖然燃油質量消耗率略有增加,但起動正常,工作平穩(wěn)柔和,動力性有所提高。總體而言,煤基直接液化柴油在裝甲裝備發(fā)動機上具有良好的適應性。

3 結 論

(1)煤基直接液化柴油與石油基柴油組成相似,均屬于碳氫烴類物質,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90%),這使其具有凝點極低、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。

(2)裝甲裝備柴油機燃用煤基直接液化柴油后起動正常,工作平穩(wěn)柔和,動力性有所提高,燃油質量消耗率略有增加,在裝甲裝備發(fā)動機上具有良好的適應性。

(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、輕柴油和車用柴油使用,但其優(yōu)異的品質顯示出完全具備作為軍用柴油、輕柴油和車用柴油使用的潛力,其經過適當提質處理后,具備直接作為低凝點柴油使用的可行性。

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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

全軍后勤重點項目(BX210J004)

熊春華(1966-),男,高級工程師,博士,研究方向為軍事能源。E-mail:xch@263.net.cn。

安高軍(1980-),男,高級工程師,博士,研究方向為軍事能源。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,魯長波,等.煤基直接液化低凝點柴油試驗研究[J].中國石油大學學報(自然科學版),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.