生物噴氣燃料的組成及基本性質(zhì)研究

史作然，陶志平，龔冬梅

（中國石化石油化工科學研究院，北京 100083）

世界石油資源日益緊缺，我國石油安全形勢也日趨嚴峻。2011年我國消費石油448Mt，進口254Mt，對外依存程度達到56.5%，我國已經(jīng)成為世界第二大原油消費國。在石油的煉制過程中，直餾噴氣燃料餾分僅占原油總量的4%～8%，即使將部分重油進行加氫裂化，噴氣燃料的餾分也僅占20%左右。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，噴氣燃料的短缺問題已日益突出，從長遠發(fā)展來看，全世界噴氣燃料需求預計每年增加5%，噴氣燃料供應(yīng)十分緊張，我國噴氣燃料需求量保持每年10%以上的增長速率，2011年超過18Mt。到2020年左右，石油在世界能源結(jié)構(gòu)中的比例將下降一半，而在未來幾十年內(nèi)，我國在石油資源尚沒有重大突破的情況下，石油產(chǎn)量大幅度增加的可能性很小，國內(nèi)石油存在較大缺口已是不爭的事實，必將嚴重影響未來噴氣燃料的供給。

為減少溫室氣體排放，世界各國積極開展行動，紛紛制定自己的減少溫室氣體排放計劃和可再生能源的開發(fā)。航空業(yè)也從各個方面減少二氧化碳的排放。根據(jù)國際排放協(xié)議，到2050年，全球二氧化碳排放降低到2005年水平的一半。國際航運協(xié)會預測航空工業(yè)要達到2005年的水平或更低，只有采取替代燃料，而其它的措施，只是可以減緩增長并不能減少。為此，國際航運協(xié)會制定到2017年噴氣燃料使用量中的可再生噴氣燃料占10%。為此，西方國家大力發(fā)展生物噴氣燃料技術(shù)，其中通過費－托合成和對動植物油進行加氫制得生物噴氣燃料是目前成熟的兩個技術(shù)之一，產(chǎn)品列入ASTM D7566的標準中。本研究通過對動植物油加氫得到的生物噴氣燃料與石油基噴氣燃料的組成和性質(zhì)進行分析比較，考察二者在組成和性質(zhì)上的區(qū)別，并將生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料進行調(diào)合，生產(chǎn)噴氣燃料，以替代部分石油資源。

1 實驗原料

石油基噴氣燃料：加氫裂化噴氣燃料（HCJ）、直餾噴氣燃料1（SRJ）、直餾噴氣燃料2（ZHJ）。

生物噴氣燃料：以棕櫚油、椰子油、麻風樹油為原料，采用加氫工藝得到，包括實驗室和工業(yè)生產(chǎn)的樣品。有棕櫚油（SPK－1）、棕櫚油2（SPK－2）、椰子油（SPK－3）、麻風樹油（SPK－4）和工業(yè)棕櫚油（SPK－5）。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料的組成分析

采用動植物油脂生產(chǎn)的噴氣燃料，最關(guān)心的是加工得到的噴氣燃料與石油基噴氣燃料存在的差別。為此，對不同原料加氫制得的生物噴氣燃料與石油基噴氣燃料進行烴類組成和碳數(shù)分布表征。表1和圖1分別是生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料的烴類組成和碳數(shù)分布對比。

表1 生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料的烴類組成對比 w，%

圖1 生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料的碳數(shù)分布對比

表2 生物噴氣燃料中其它元素的質(zhì)量濃度

從表1和圖1可以看出：和石油基噴氣燃料相比，生物噴氣燃料具有明顯的特點。從烴類組成中可以看出，生物噴氣燃料組成都很相似，除了椰子油、棕櫚油2和工業(yè)棕櫚油中含有極少量的萘類和二苯并噻吩類以外，其它都只含有鏈烷烴和環(huán)烷烴；而石油基噴氣燃料中除了含有鏈烷烴和環(huán)烷烴之外，還有少量其它的烴類組分；從碳數(shù)分布中可以看出，直餾噴氣燃料和加氫裂化噴氣燃料的碳數(shù)分布主要為C9～C15，而棕櫚油2、麻風樹油以及工業(yè)棕櫚油燃料則有大部分分布在C16～C18之間。除此之外，生物噴氣燃料中其它雜原子的含量也特別低，表2是幾種生物噴氣燃料中氮、硫和鹵素的質(zhì)量濃度。

2.2 生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料的性質(zhì)對比

對生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料按照國家標準GB 6537進行主要理化性質(zhì)分析，結(jié)果見表3。同時，選取工業(yè)生產(chǎn)的生物噴氣燃料，按照ASTM D7566－11a要求進行評定，結(jié)果列入表4和表5。

表3 生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料主要理化性質(zhì)對比

從表3可以看出：生物噴氣燃料的餾程、閃點、密度、冰點、酸值等各項指標都能夠符合GB 6537對3號噴氣燃料的要求，與石油基噴氣燃料相比基本一致；且生物噴氣燃料的密度低、不含芳烴、熱值較高；使用生物噴氣燃料進行潤滑性試驗時，試球磨痕直徑比較大，說明其潤滑性能差，這是因為源自加氫的生物噴氣燃料經(jīng)過了深度加氫，其中含有的一些利于潤滑性的天然雜原子和化合物已被脫除，所以生物噴氣燃料的抗磨性能差，但可以通過加入抗磨添加劑來解決。除此之外，生物噴氣燃料的硫含量和氮含量比較低。但是由于生物噴氣燃料中不含有芳烴，芳烴能夠使作為密封劑的橡膠產(chǎn)生溶脹作用而防止油樣泄露，所以生物噴氣燃料不能單獨使用，必須與石油基噴氣燃料進行調(diào)合后使用。

表4 SPK－5的全分析數(shù)據(jù)

表5 對SPK－5的其它詳細要求

表4和表5數(shù)據(jù)說明，工業(yè)生產(chǎn)的生物噴氣燃料完全符合ASTM D7566的規(guī)格指標要求。

2.3 生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料調(diào)合組分的基本性質(zhì)

分別用加氫裂化噴氣燃料（HCJ）、直餾噴氣燃料1（SRJ）、直餾噴氣燃料 2（ZHJ）和棕櫚油（SPK－1）、棕櫚油2（SPK－2）及工業(yè)棕櫚油（SPK－5）按照體積分數(shù)10%、50%進行調(diào)合，并對一些質(zhì)量指標進行考察，結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出：生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料調(diào)合后，各項指標基本上能夠符合要求，尤其是黏度和磨痕直徑得到了很大的改善；HCJ＋50%SPK－1，SRJ＋10%SPK－2，ZHJ＋50%SPK－5調(diào)合完全達到了GB 6537規(guī)格要求。

表6 生物噴氣燃料和石油基噴氣燃料調(diào)合組分的理化性質(zhì)

3 結(jié) 論

（1）以不同動植物油脂為原料，經(jīng)過加氫工藝得到的生物噴氣燃料的理化性能完全符合ASTM D7566的規(guī)格要求。

（2）生物噴氣燃料具有極低芳烴、硫含量及其它雜原子和高的質(zhì)量熱值，是優(yōu)質(zhì)的環(huán)保噴氣燃料。調(diào)合后的噴氣燃料理化性質(zhì)符合GB 6537對3號噴氣燃料規(guī)格的要求。