煤直接液化生產的噴氣燃料凈熱值測定方法研究

鄧 川，肖 勇，仇義霞，柳 華

(中國民用航空總局第二研究所，成都 610041)

飛機發動機將燃料中的能量轉化為動能和熱能，從而推動飛機前進。凈熱值是燃料能量含量的指標，直接影響了飛機發動機燃油消耗的計算，決定了飛行的航程[1]。

煤直接液化是將固體原煤在高溫高壓下進行加氫反應，從而使煤直接轉化為液體油品的工藝[2]。我國自20世紀70年代開展煤直接液化研究以來[1]，于2008年底成功建成世界首座年處理能力百萬噸級煤直接液化示范項目[3]。煤直接液化生產的噴氣燃料(簡稱煤直接液化噴氣燃料)具有高密度、高閃點、低冰點和富含環烷烴等特點[2]，是我國重要的航空替代燃料[4]。由于原料和工藝的差異，煤直接液化噴氣燃料雖然能滿足3號噴氣燃料國家標準GB 6537的各項指標要求[5]，但其構成主體卻是環烷烴，這與石油基的3號噴氣燃料組成差異較大[6-7]。煤直接液化噴氣燃料凈熱值測定方法缺少研究，現行測試均按照3號噴氣燃料的方法進行[6，8]，計算法GBT 2429和氧彈法GBT 384均在使用。在國外，新型噴氣燃料的評估標準ASTM D4054規定[9]，凈熱值的測定應根據仲裁方法ASTM D4809進行，即使用氧彈法進行直接測定；在明確新燃料符合某種計算法后，方可使用計算法進行。

本研究對煤直接液化噴氣燃料的凈熱值測定方法進行初步研究，探討國內外噴氣燃料凈熱值測定方法對煤直接液化噴氣燃料的適用性。

1 實 驗

1.1 儀 器

自動氧彈量熱儀(型號C2000，IKA公司生產)，石油產品烴類組成測定儀(型號14060-0，SETA公司生產)，能量色散X射線熒光光譜儀(型號X-Supreme8000，Oxford公司生產)，苯胺點測定儀(型號K10290，Koehler公司生產)，高效液相色譜儀(型號Flexar，PE公司生產)。

1.2 樣 品

試驗所用樣品如表1所示，1號和2號樣品出廠指標均滿足GB 6537的各項要求，煤直接液化噴氣燃料來源于中國神華煤制油化工有限公司，分為兩個批次(3號和4號樣品)，5號樣品為1號和3號樣品按質量比1∶1混合的噴氣燃料，6號樣品為2號和4號樣品按質量比1∶1混合的噴氣燃料。

表1 樣品信息

1.3 試驗方法

本研究對上述樣品進行了包括計算法和氧彈法兩種類型5個標準測試方法的凈熱值測定，分別為GBT 2429,ASTM D3338,ASTM D4529,GBT 384,ASTM D4809。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

樣品芳烴含量、密度、餾程、硫含量、苯胺點等指標和采用不同標準方法得到的凈熱值分別見表2和表3。

表2 部分指標實驗結果

表3 不同標準方法得到的凈熱值 MJkg

表3 不同標準方法得到的凈熱值 MJkg

樣品編號GB∕T2429ASTMD4529ASTMD3338ASTMD4809GB∕T384143.34543.36343.39243.38743.222243.41543.42543.45343.46643.296342.99142.95543.16543.23243.044442.99242.95943.18343.27043.081543.14743.14543.25243.31143.140643.16643.16243.28643.36543.164

2.2 討 論

2.2.1 測試方法本研究使用的5種凈熱值測試方法的對比情況如表4所示[10-14]，這5種方法是GB 6537、ASTM D1655和Def Stan 91-091等國內外民用噴氣燃料主要產品標準使用的凈熱值測試方法。

采用計算法進行估算的3個標準方法均建立在經驗數據的基礎上，要求樣品與石油基燃料差異不能太大，差異越大，誤差越大。GBT 2429和ASTM D4529方法均為苯胺點計算法，需要的數據一致，但數據的單位和計算公式不同。GBT 2429使用的是苯胺點(℉)、API重度(60 ℉，約15.6 ℃)和硫含量，根據樣品類型不同，分為4個不同公式，分別適用于航空汽油、3號噴氣燃料、4號噴氣燃料和5號噴氣燃料；ASTM D4529則直接使用國際單位制的苯胺點、密度和硫含量即可，計算式為單一公式。ASTM D3338方法需要樣品揮發性數據(餾程)、芳烴含量、密度和硫含量，計算式為單一公式。

表4 凈熱值測試方法對比

目前，由于市場上只有符合ASTM D4809方法的自動化實驗儀器，大多數按照GBT 384方法測定凈熱值數據時所使用的儀器實際為符合ASTM D4809的儀器，酸生成熱值和水汽化熱值測定則按照GBT 384的方法進行。本研究按GBT 384方法測定凈熱值數據時也是如此。

2.2.2 測試結果目前，國際上航空燃料凈熱值測試的仲裁標準是ASTM D4809，這也是國際上新型噴氣燃料評估試驗時中規定的凈熱值測試方法。根據表3，以ASTM D4809的數據為基準，計算了其他標準方法數據與之的差值，如表5所示。

表5 不同標準方法凈熱值數據與ASTM D4809方法數據的差值 MJkg

表5 不同標準方法凈熱值數據與ASTM D4809方法數據的差值 MJkg

樣品編號123456GB∕T 2429-0.042-0.051-0.241-0.278-0.164-0.199ASTM D4529-0.024-0.041-0.277-0.311-0.166-0.203ASTM D33380.005-0.013-0.067-0.087-0.059-0.079GB∕T 384-0.165-0.170-0.188-0.189-0.171-0.201

由表5可知，無論是純的煤直接液化噴氣燃料還是混合燃料，凈熱值結果差值明顯。其中，苯胺點計算法差值最大，ASTM D3338方法差值最小。就樣品來看，對于純的煤直接液化噴氣燃料，苯胺點計算法與ASTM D4809差值達0.3 MJkg左右，ASTM D3338差值約0.1 MJkg，GBT 384差值約0.2 MJkg。對于混合樣品，苯胺點計算法與ASTM D4809差值約0.2 MJkg，ASTM D3338差值約0.1 MJkg，GBT 384差值仍為0.2 MJkg左右。對于純的3號噴氣燃料，3種計算法的數據相互差異不大，與ASTM D4809差異也不明顯，最大差值約0.05 MJkg；GBT 384與ASTM D4809仍差異較大，相差約0.2 MJkg。就測試方法來看，對于苯胺點計算法，純的煤直接液化噴氣燃料結果明顯偏低，差值達0.3 MJkg，混合燃料差值有所減小，3號噴氣燃料差值最小。對于ASTM D3338方法，純的煤直接液化噴氣燃料和混合燃料結果均偏低0.1 MJkg左右，混合燃料差值略小，3號噴氣燃料則差值不明顯。對于GBT 384方法，所有樣品均明顯偏低，且差值相互差異不大，均為0.2 MJkg左右。

Qn=Qg-0.212 2H

(1)

Qn=Qg-0.226 1H

(2)

式中：Qn為凈熱值，MJkg；Qg為總熱值，MJkg；H為樣品氫質量分數，%。

系數的差異將不可避免地引入一個差值，對于3號噴氣燃料(氫質量分數為14%左右)，這個差值約為0.2 MJkg。GBT 384在引入該系數時，取氧彈中水蒸氣每1%(0.01 g)在凝結時釋放的潛熱為25.12 J，這個數值實際是一個近似值。從該系數的定義來看，其未考慮恒容熱值轉換為恒壓熱值的換算系數。ASTM D4809引入的系數則綜合考慮了25 ℃下水蒸氣凝結時釋放的潛熱和恒容熱值換算成恒壓熱值的系數。

3 結 論

煤直接液化噴氣燃料的組成與3號噴氣燃料差異較大，在凈熱值測試時，與ASTM D4809相比，GBT 2429、ASTM D3338及ASTM D4529等計算類標準方法的結果不同程度偏低，特別是苯胺點計算法，與其他方法相比偏低明顯；GBT 384 則存在明顯偏低的系統誤差。國內煤直接液化噴氣燃料在研制和生產時，通常以符合GB 6537標準的3號噴氣燃料的指標為目標，目前常用的凈熱值測試方法(GBT 2429，GBT 384)容易導致結果明顯偏小。因此，對于煤直接液化噴氣燃料，若其凈熱值數據準確度要求較高，建議使用ASTM D4809方法進行精確測試；若沒有特別要求，考慮到方法的簡易程度，建議使用ASTM D3338方法進行計算即可。