100LL低鉛航空活塞式發動機燃料國產化研究與應用

宋 丹，崔文峰

(中國石油蘭州石化公司，蘭州 730060)

100LL低鉛航空活塞式發動機燃料國產化研究與應用

宋 丹，崔文峰

(中國石油蘭州石化公司，蘭州 730060)

為滿足環保要求和新型通用飛機對燃油標準和性能提出的更高要求，系統考察了航空汽油基礎油品組分的性能，開發出了符合ASTM D910—2013標準中100LL規格的低鉛航空活塞式發動機燃料(簡稱低鉛航空汽油)，并實現了工業化試生產。飛行試驗結果表明，新開發的低鉛航空汽油性能與美國同類產品相當，具有蒸發性能好、易燃、性質穩定、結晶點低和不腐蝕發動機零部件的特點，應用前景廣闊。

低鉛活塞式發動機燃料 辛烷值 蒸氣壓

改革開放以來，我國航空運輸業發展迅速。通用航空的發展即將進入一個快速增長期，形成具有規模經濟的產業，通用航空產業鏈上的各個環節都將迎來歷史性的發展機遇[1-2]。而長期以來，由于航空活塞式發動機燃料(航空汽油)配方技術難度高、工藝流程復雜、生產控制難度大，需要獨立的生產和儲運系統，生產成本高，造成航空汽油供應困難，已經成為中國通用航空發展的主要制約因素之一[3]。

中國石油蘭州石化公司(簡稱蘭州石化)可生產75號、95號和100號全系列的航空汽油。而目前國產95號和100號航空汽油含鉛量較高，明顯高于國外發動機廠家推薦的燃油等級，導致使用過程中存在安全及環境隱患。隨著環境保護要求和新型通用飛機對燃油標準和性能要求的提高，開發低鉛航空汽油也成為必然選擇。通過系統研究開發，100LL低鉛航空汽油已在蘭州石化實現工業化生產，并完成試飛試驗，投入商業運行，為我國通用航空的發展奠定了物質基礎。本文主要介紹低鉛100LL航空活塞式發動機燃料的研制和應用情況。

1 100LL低鉛航空汽油的研制與生產

1.1 航空汽油標準簡介

通用航空活塞式發動機主要是歐美國家的產品，其發動機數據只允許使用符合ASTM D910、D7547等產品標準的100號、100LL、100VLL、UL91、91/96等牌號的航空汽油。

目前我國航空汽油生產執行GB 1787—2008標準，由中國石化石油化工科學研究院和中國石油蘭州石化公司共同起草，其技術指標水平與國外含鉛型航空汽油標準一致。GB 1787《航空活塞式發動機燃料》標準于1979年發布，2008年首次修訂，但指標中抗爆添加劑四乙基鉛的含量仍然較高。一些關鍵性能指標與國外先進標準也存在一定差異。為了確保產品質量，根據國產汽油組分性質和儲運系統較國外差的實際情況，增加了酸度、碘值、水溶性酸堿、實際膠質、機械雜質和水分、芳烴含量等指標，確保國產航空汽油使用性能能夠達到國外同類產品水平，并通過航空油料鑒定委員會鑒定。

目前，100號航空汽油中含有四乙基鉛以及二溴磷，會對環境造成破壞。美國通航每年的鉛排放量約為700 t，占鉛污染總量的40%左右，是金屬行業的近1倍，制造行業的近3倍，嚴重的鉛污染越來越引起各類環保組織以及人們的不滿[4-5]。因此，美國聯邦航空管理局(FAA)要求，到2018年大部分通用機隊要使用無鉛燃油，替代現有的100號航空汽油。然而，無鉛航空汽油也必將對煉油廠提出更高、更苛刻的生產和運輸要求，也成為航空汽油生產企業技術進步和產品質量升級的發展方向。

1.2 100LL低鉛航空汽油標準

根據GB 1787—2008《航空活塞式發動機燃料》標準中100號航空汽油技術要求和ASTM D910—2013《美國民用航空汽油規格》中100LL級要求，蘭州石化新產品100LL低鉛航空汽油標準見表1，其指標要求與美國標準完全一致，研究試驗均按照滿足該標準要求進行。

表1 低鉛100LL航空汽油標準

1)單位為gkg。

1.3 配方篩選的原則和思路

由于鉛含量大幅下降，辛烷值損失明顯，需要通過提高組分的辛烷值來補充，由于汽油組分有限，采用現有的配方組分無法研制出滿足要求的產品配方。因此，根據產品標準要求，通過對現有組分性質的考察，以及引入新組分，篩選高辛烷值組分，作為配方研究的基礎。由于鉛含量已經固定，配方研究主要考察調合組分的性質，同時將降低鉛含量、提高組分辛烷值、平衡餾程和蒸氣壓及降低芳烴含量4個方面作為配方研究的基本原則。

1.4 配方的研究

1.4.1 組分性質考察 航空汽油由基礎油組分、蒸氣壓和餾程調節組分以及辛烷值改進劑(抗爆劑)等組成。由于四乙基鉛的加入量已經降低，彌補辛烷值損失的途徑為：①篩選高辛烷值組分；②尋找新的辛烷值改進劑。同時，配方研究還必須協調蒸氣壓和餾程的關系，滿足組分匹配和其它指標的要求。經過文獻查閱和性能篩選[6-7]，研究試驗共使用10種組分和添加劑對辛烷值等關鍵指標進行考察，各組分的主要性質見表2。

表2 航空汽油各組分的主要性質

1.4.2 基礎油組分性質考察 基礎油組分的性質相對穩定對配方調合具有關鍵性的作用，好的基礎油組分具有較高的辛烷值、較低的芳烴含量，對其它組分的相容性好，具有比較穩定的蒸氣壓，餾程分布均勻，特別是蒸氣壓變化對辛烷值的影響較小，具有良好的儲存穩定性。對蘭州石化生產的基礎油組分進行了全面考察，通過組分調合配制了系列基礎油組分配方，對其餾程、蒸氣壓和辛烷值的關系進行考察，結果見圖1～圖3。

從圖1～圖3可以看出，調合篩選的9個基礎油配方的辛烷值比較穩定，可作為配方基礎組分進行調合試驗，并具有以下特征：①初餾點和10%餾出溫度越低，蒸氣壓越高，且關聯性較好；②由于輕組分揮發快，初餾點不穩定，10%餾出溫度對蒸氣壓的影響比初餾點大；③組分辛烷值隨蒸氣壓的變化較小，有利于配方篩選。

圖1 基礎油組分配方餾出溫度與蒸氣壓的關系■—初餾點； ■—10%餾出溫度； ■—10%餾出溫度與初餾點的溫度差； ■—蒸氣壓

圖2 基礎油組分配方餾出溫度與辛烷值的關系■—MON； ■—10%餾出溫度與初餾點的溫度差； ■—10%餾出溫度； ■—初餾點

圖3 基礎油組分配方蒸氣壓與辛烷值的關系■—蒸氣壓； ■—MON

1.4.3 辛烷值改進劑的感受性考察 從上述試驗結果可以看出，調合基礎油的辛烷值與指標要求差距較大，必須引入添加劑和高辛烷值組分以滿足指標要求，而四乙基鉛含量不能超過限制值，需要篩選其它辛烷值改進劑。

圖4為辛烷值改進劑T1的感受性，其中基礎油1為加氫汽油、基礎油2為重整汽油，基礎油3為1和2的混合組分。從圖4可以看出，辛烷值改進劑T1對基礎油組分辛烷值提高的作用十分明顯。同時對T1的腐蝕性和硫含量進行考察，結果見表3。從表3可以看出，博士試驗不通過，說明T1具有一定的腐蝕性，但能夠滿足其它指標要求，具有潛在的應用價值[7]，但不作為本配方的改進劑。

分別將辛烷值改進劑T2和T3按一定比例加入航空汽油，對其性能進行考察，并對四乙基鉛含量進行微量調整，形成3個小試樣品，試驗結果見表4。從表4可以看出，3種配方下油品的各項指標全面改善，只有T2配方1的品度達不到要求，適當增加四乙基鉛含量，其它配方的性能均滿足要求。

圖4 辛烷值改進劑T1對油品辛烷值的影響◆—基礎汽油1； ■—基礎汽油2； ▲—基礎汽油3

項 目內控指標辛烷值改進劑T1加劑量(w),%01234博士試驗通過不通過不通過不通過不通過不通過硫醇硫含量(w),%0.00090.00040.00070.00100.00130.0013銅片腐蝕∕級111111

表4 辛烷值改進劑T2和T3對航空汽油性質的影響

1.4.4 蒸氣壓調節組分考察 將蒸氣壓調節組分C1和C2按一定比例加入航空汽油配方形成3個樣品，考察產品的性能，結果見表5。從表5可以看出，3種配方下油品的50%餾出溫度均不合格，且分別有兩個配方品度和蒸氣壓超過指標要求，說明蒸氣壓調節組分對油品的穩定影響較大，由于其具有較高的蒸氣壓，導致產品的蒸氣壓達不到要求，同時由于該組分辛烷值較低，不能調合出滿足標準的產品。

1.5 產品配方優化和工業試生產

在上述實驗研究的基礎上，進一步引入高辛烷值組分G1和G2，并按一定比例加入辛烷值改進劑T2和T3，分別采用不同基礎油組分進行小試配方調合試驗，結果見表6。從表6可以看出，小試產品質量完全滿足質量標準要求。按照優化配方進行工業試生產，嚴格按照產品標準進行檢驗，結果見表6。工業產品性能穩定，與100號產品相比，100LL工業產品具有辛烷值高、熱值高、蒸氣壓穩定、芳烴含量低的特點，產品的清潔性明顯提高，各項質量指標完全滿足標準要求。該工業產品經中國民航飛行學院飛行試驗證明各項性能與美國同類產品性能相當，具有蒸發性能好、易燃、性質穩定、結晶點低和不腐蝕發動機零部件的特點，標志著100LL航空汽油研制成功。

表5 蒸氣壓調節組分對航空汽油性質的影響

表6 航空汽油小試樣品和工業試生產產品性能評價結果

2 結 論

通過對蘭州石化航空汽油組分進行考察和配方優化，研制出滿足100LL標準要求的低鉛航空汽油，實現了工業化生產，生產出的低鉛航空汽油具有蒸發性能好、易燃、性質穩定、結晶點低和不腐蝕發動機零部件的特點。與100號產品相比，具有辛烷值高、熱值高、蒸氣壓穩定、芳烴含量低的特點，產品的清潔性明顯提高，各項質量指標完全滿足標準要求。

[1] http：//www.chinairn.com/news/20140919/10085328.shtml[EB/OL].2014-09-19

[2] http：//www.chinairn.com/news/20140919/100006282.shtml[EB/OL].2014-09-19

[3] http：//www.chinairn.com/news/20140918/114332664.shtml[EB/OL].2014-09-18

[4] http：//www.aircraftnurse.com/?m=news&s=newsd&id=4069#rd&sukey=4093a841665b25f292490326e28576e46 ba853848c7d630b87fc286a6f23f2e4d0cd8c8432f8d29f8085abb b9076ff35[EB/OL].2014-07-04

[5] 王九，方建華，董玲.石油添加劑基礎知識[M].北京：中國石化出版社，2009：12-13

[6] 趙忠水.燕山石化75號航空活塞式發動機燃料的研發與生產[D].北京：中國石油大學，2011

[7] 王宏.汽油辛烷值促進劑T1109性能評價[J].中外能源，2010，15(2)：89-91

STUDY ON FORMULATION OF LOW LEAD PISTON ENGINE FUEL (100LL) AND APPLICATION

Song Dan， Cui Wenfeng

(PetroChinaLanzhouPetrochemicalCompany，Lanzhou730060)

To meet the requirements of environmental protection and standards and performance of a new kind of general aircraft fuel， the performance of compositions of aviation fuel were investigated， resulting in low lead aviation gasoline， which meets the standard of 100LL of ASTM D910—2013 and realizes the industrial trial production. Flight tests indicate that the performance of the new developed fuel is similar to the product of the United States. The developed aviation fuel has the characteristics of good evaporation， ignitability， stable properties and low crystallization point. No corrosion to engine parts is observed. The technology fills a domestic gap in this field with broad prospect.

low lead piston engine fuel； octane number； vapor pressure

2014-12-22； 修改稿收到日期： 2015-03-11。

宋丹，碩士，高級工程師，從事質量技術和標準化工作，公開發表論文10余篇。

宋丹，E-mail：songdan@petrochina.com.cn。