煤直接液化噴氣燃料性質(zhì)及適航認(rèn)證流程研究

林建飛，陳 竹

（1.中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610000；2.成都市青白江區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 成都 610000）

隨著我國航空工業(yè)的快速發(fā)展，對航空燃料的需求不斷增加，年均增速達(dá)到8%，預(yù)計(jì)到2025年需求量將達(dá)到5 708萬t[1]。同時(shí)，隨著高性能航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，對噴氣燃料的性能有了更高要求，急需開發(fā)新型高能量密度、高穩(wěn)定性的航空噴氣燃料。我國能源結(jié)構(gòu)具有“富煤、缺油、少氣”的特點(diǎn)，石油對外依存度過高，產(chǎn)品單一，同質(zhì)化嚴(yán)重，能源利用率相對較低，煤炭資源優(yōu)勢沒有得到充分利用[2]。因此，發(fā)展煤基航空噴氣燃料不僅有利于緩解我國航空燃料需求壓力，對煤化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要的意義。

根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）發(fā)布的ASTM D1655—20d等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前雖然開發(fā)了非石油基航空噴氣燃料，但主要集中于生物質(zhì)航空噴氣燃料和煤基費(fèi)托合成噴氣燃料，且多數(shù)需要與石油基航空噴氣燃料調(diào)和使用。由于煤直接液化裝置較少，僅中國建有百萬噸級煤直接液化工業(yè)示范裝置，國內(nèi)外缺少煤直接液化噴氣燃料的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及適航認(rèn)證流程。因此，本文結(jié)合近年來國內(nèi)外關(guān)于煤基噴氣燃料的研究成果，對煤直接液化噴氣燃料組成及性質(zhì)進(jìn)行分析，并以現(xiàn)有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，探討了煤直接液化噴氣燃料的標(biāo)準(zhǔn)符合性，同時(shí)對其適航認(rèn)證流程進(jìn)行探討，為煤直接液化噴氣燃料的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 煤直接液化噴氣燃料的組成及特性

煤直接液化工藝是將煤在高溫（450℃左右）、高壓（20 MPa～30 MPa）及催化劑作用下與氫氣反應(yīng)，使煤中大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生加氫斷鏈，形成富含芳香烴成分的液化油，通過進(jìn)一步加氫提質(zhì)及分離可得到合格的汽油、煤油、柴油、石腦油等化工產(chǎn)品。其中以煤直接液化油為原料切割的航空煤油餾分（150℃～260℃）富含環(huán)烷烴、氫化芳烴，具有高密度、高熱穩(wěn)定性、高閃點(diǎn)、低冰點(diǎn)等特點(diǎn)，具有發(fā)展優(yōu)質(zhì)航空噴氣燃料的潛力[3]。但由于其氮、硫及酸值含量偏高，需要經(jīng)堿洗脫酚、加氫脫硫及加氫飽和等工藝改善煤油品質(zhì)，以滿足航空噴氣燃料的要求[4]。

1.1燃料組成分析

神華煤直接液化噴氣燃料原料油元素組成如表1所示。由表1計(jì)算可知，其氫碳原子比為1.44，具有較高不飽和度，同時(shí)硫含量和氧含量較高[4]。

表1 煤直接液化噴氣燃料原料油元素組成%

李軍芳等[3]研究了神華煤直接液化噴氣燃料原料油烴族組成和硫、氮及氧化物組成分布，結(jié)果表明原料油中組分以芳烴和環(huán)烷烴為主，其中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到80%左右，鏈烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%，烯烴含量很少；硫化物以硫醇、硫醚和噻吩為主，其中硫醇含量最高；氮化物以苯胺類和吲哚類化合物為主，是造成油品顏色變深和油品變質(zhì)的重要影響因素；氧化物則主要以酚類化合物存在，且主要以低級酚形式存在，是造成原料油酸值偏高的主要原因。

通過堿洗提酚及加氫精制后得到的神華煤直接液化噴氣燃料鏈烷烴含量基本不變，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～15%；環(huán)烷烴明顯增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%～95%；芳烴明顯減少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%；不含烯烴，總飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%～99%，硫、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1×10-6。可以看出原料油通過精制后，芳烴加氫飽和轉(zhuǎn)化為環(huán)烷烴，并能有效脫除氧、硫、氮等雜質(zhì)。由于煤直接液化噴氣燃料富含環(huán)烷烴，其具有凝點(diǎn)低，熱穩(wěn)定性、橡膠相容性好等特點(diǎn)，同時(shí)具有低硫、低氮、低芳烴的特點(diǎn)。

1.2煤直接液化噴氣燃料的物化特性

噴氣燃料不僅是飛行器的推進(jìn)劑，還要作為冷卻劑為過熱部件降溫，同時(shí)作為潤滑劑降低運(yùn)動部件的磨損，其物化性能直接關(guān)系到航空器運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性，根據(jù)ASTMD1655—20d標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，噴氣燃料主要的性能和對應(yīng)物化指標(biāo)見表2。

表2 航空噴氣燃料性能及對應(yīng)的物化指標(biāo)

作為具有高性能噴氣燃料發(fā)展?jié)摿Φ拿褐苯右夯停趯?shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用前，必須對其物化性能進(jìn)行重點(diǎn)研究。

在熱氧化安定性方面，楊文等[5]研究了煤直接液化噴氣燃料與石油基3號噴氣燃料的差異，結(jié)果表明，煤直接液化噴氣燃料在顏色、酸值和固體沉積物量等方面均好于石油基3號噴氣燃料。李輝等[6]研究了煤直接液化噴氣燃料中環(huán)烷烴的構(gòu)成，結(jié)果表明單環(huán)烷烴占環(huán)烷烴總量的36.4%，雙環(huán)烷烴占48.1%，三環(huán)烷烴占15.5%，其中雙環(huán)烷烴中有22%的十氫萘和四氫萘，十氫萘和四氫萘均為良好的供氫劑，在受熱過程中可以有效防止烷烴的氧化。C.S.SONG等[7]研究發(fā)現(xiàn)，400℃～500℃條件下環(huán)烷烴能保持較好的熱氧化安定性，因此富含環(huán)烷烴的煤直接液化噴氣燃料表現(xiàn)出良好的熱氧化安定性。

在燃燒性能方面，鏈烷烴燃燒性能最佳，環(huán)烷烴次之，芳烴最差。若燃料芳烴含量高，燃燒火焰中炭微粒數(shù)量多，火焰輻射強(qiáng)度大，燃料的能量轉(zhuǎn)化率低。由于煤直接液化噴氣燃料鏈烷烴和環(huán)烷烴含量高，占比達(dá)到95%以上，同時(shí)芳烴含量少，因此其煙點(diǎn)高度滿足GB6537—2018《3號噴氣燃料》要求，燃燒性能較好。

燃油和飛行半徑性能主要由燃料密度和燃燒凈熱值決定。燃料密度較低可能意味著單位體積熱值低，在飛行器油箱容積一定的情況下，較低單位體積熱值的燃料將縮短飛行半徑；飛行器通過將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來提供飛行動力，凈熱值是燃料提供熱能的重要表征指標(biāo)，航空燃料規(guī)范限定了燃料凈熱值的最小值，以保證燃料具有足夠的熱能以提供飛行器的動力，保證飛行器的航程。與3號噴氣燃料相比，煤直接液化噴氣燃料含有更高的環(huán)烷烴，雖然凈熱值略低，但密度為828.7 kg/m3，具有更高的體積熱值[6]。

霧化性能關(guān)系到燃料在燃燒室內(nèi)的燃燒效果，與燃料的貧油點(diǎn)火和貧油熄火性能密切相關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究，具有較低的餾程，較小的密度、黏度及表面張力的噴氣燃料其霧化性能更好[8]。由于煤直接液化噴氣燃料密度較高，黏度和表面張力較大，與3號噴氣燃料相比，其霧化性能較差，但隨著燃油壓力升高，這種差距逐步變小[9]。

噴氣燃料必須具有較好的低溫流動性，以保證高空低溫飛行過程中燃料通過燃油過濾系統(tǒng)到達(dá)發(fā)動機(jī)燃燒室。因此，航空噴氣燃料規(guī)范規(guī)定了燃料的冰點(diǎn)上限。煤直接液化噴氣燃料冰點(diǎn)達(dá)到-70℃，具有良好的低溫流動性。

材料相容性對噴氣燃油系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)有重要影響。相容性與燃料的硫醇硫、總硫含量、酸值有密切關(guān)系。硫醇硫能與飛行器的橡膠材料反應(yīng)，影響系統(tǒng)密封性和輸油效果，同時(shí)燃料中的硫燃燒產(chǎn)生的硫氧化物會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生腐蝕。為了保證飛行器材料的正常使用，GB6537—2018規(guī)范對其可能造成腐蝕的燃料酸值及銅片腐蝕指標(biāo)作了嚴(yán)格限定。煤直接液化噴氣燃料由于生產(chǎn)工藝及組成特點(diǎn)，具有硫含量低、酸值小的特點(diǎn)。曹文杰等[10]研究了煤直接液化噴氣燃料的材料相容性，結(jié)果見表3，表明煤直接液化噴氣燃料對銅片、鋼片、丁腈橡膠、聚硫密封膠均具有良好的適應(yīng)性。

表3 煤直接液化噴氣燃料的材料相容性[10]

正常存儲情況下，噴氣燃料質(zhì)量應(yīng)保持穩(wěn)定，防止氧化變質(zhì)。其中，燃料中的膠質(zhì)容易吸附于燃料供應(yīng)系統(tǒng)和存儲容器，在使用過程中沉積于換熱器表面，導(dǎo)致冷卻效率降低，同時(shí)造成發(fā)動機(jī)過濾器和噴嘴堵塞，引起燃燒不完全等問題。因此，需對噴氣燃料膠質(zhì)含量進(jìn)行控制。煤直接液化噴氣燃料膠質(zhì)含量較少，具有良好的存儲安定性能[11]。

噴氣燃料裝卸過程中，必須保證操作安全，同時(shí)防止燃料污染，因此要求噴氣燃料具有較高的閃點(diǎn)（閉口閃點(diǎn)不低于38℃），以防止操作溫度下發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)，同時(shí)要求燃料具有一定的導(dǎo)電率，防止靜電聚集發(fā)生火災(zāi)。此外，為了保證燃料的清潔性，ASTM D1655—20d規(guī)范對噴氣燃料的水分離特性、懸浮顆粒物含量都做了要求。煤直接液化噴氣燃料閃點(diǎn)較高，水反應(yīng)不明顯，懸浮固體顆粒含量較低，基本符合噴氣燃料標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。

噴氣燃料除了提供動力、作為冷卻介質(zhì)外，還作為潤滑劑為發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)部件和燃油控制單元的動組件提供潤滑作用。因此需對潤滑性較低的噴氣燃料添加抗磨劑，以提高潤滑性能。曹文杰等[10]對煤直接液化噴氣燃料的潤滑性能進(jìn)行了研究，其磨痕直徑為0.62 mm，具有較好的潤滑性能。

1.3煤直接液化噴氣燃料標(biāo)準(zhǔn)符合性分析

目前，國內(nèi)外噴氣燃料的標(biāo)準(zhǔn)主要包括美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)ASTMD1655和ASTMD7566、英國國防部標(biāo)準(zhǔn)DEFSTAN91—91、國際上八家石油公司認(rèn)可的聯(lián)營系統(tǒng)燃油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)AFQRJOS、我國的GB 6537—2018。此外，我國還制定了GJB 1603—93《大比重噴氣燃料規(guī)范》。以上標(biāo)準(zhǔn)中涉及煤基噴氣燃料的標(biāo)準(zhǔn)主要包括

ASTMD7566、DEF STAN91—91、AFQRJOS、GB 6537—2018，但主要是針對煤基費(fèi)托合成噴氣燃料，且大多規(guī)定需要與石油基噴氣燃料混合使用，其體積分?jǐn)?shù)不超過50%。以上標(biāo)準(zhǔn)均未對煤直接液化噴氣燃料的規(guī)格要求作相關(guān)規(guī)定，這主要是因?yàn)槊褐苯右夯I(yè)化示范裝置運(yùn)行時(shí)間短，裝置數(shù)量少，煤直接液化噴氣燃料數(shù)量有限，且還未獲得完整的研究數(shù)據(jù)。本文以我國現(xiàn)有有關(guān)煤基噴氣燃料標(biāo)準(zhǔn)GB 6537—2018和GJB 1603—93為依據(jù)，對煤直接液化噴氣燃料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)符合性分析，研究各項(xiàng)理化性能，為進(jìn)一步的材料相容性等特定性能分析、臺架燃燒性能測試及發(fā)動機(jī)試車提供參考。

煤直接液化油具有生產(chǎn)大比重噴氣燃料的主要特征，通過加氫精制、超精過濾等措施后，獲得的煤直接液化噴氣燃料與GJB 1603—93中大比重噴氣燃料主要理化性能對比分析見表4[11]。

表4 煤直接液化噴氣燃料主要理化性能與GJB 1603—93規(guī)范值對比分析

由表4可知，除凈熱值略低以外，煤直接液化噴氣燃料其他理化性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。凈熱值偏低主要是由油品碳?xì)浔容^高造成，生產(chǎn)過程中可以通過提高加氫反應(yīng)深度，增加鏈烷烴含量或降低不飽和度等措施降低碳?xì)浔龋黾尤剂蟽魺嶂怠?/p>

通過對煤直接液化噴氣燃料原料油進(jìn)行脫酚及深度加氫精制處理，油品密度降低，凈熱值增加，得到相應(yīng)規(guī)格的噴氣燃料，與GB 6537—2018主要理化性能指標(biāo)進(jìn)行對照，結(jié)果如表5所示[12]。由表5可以看出，煤直接液化噴氣燃料主要物化性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其冰點(diǎn)、熱安定性指標(biāo)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較好的低溫性能和抗氧化性能。

表5 煤直接液化噴氣燃料主要理化性能與GB 6537—2018標(biāo)準(zhǔn)值對比分析

目前的研究結(jié)果表明，煤直接液化噴氣燃料物化性能能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有成為大比重噴氣燃料和3號噴氣燃料的潛質(zhì)。但是，由于其烴類組成與傳統(tǒng)石油基噴氣燃料有明顯的不同，且黏度、表面張力和密度均大于石油基噴氣燃料，因此，后續(xù)還要通過特定性能試驗(yàn)、臺架試驗(yàn)及發(fā)動機(jī)試車試驗(yàn)，深入研究燃料霧化及點(diǎn)火性能、燃燒室內(nèi)燃燒及排放性能、低溫狀態(tài)黏度及流動性能等，以進(jìn)一步驗(yàn)證煤直接液化噴氣燃料的安全性、可靠性和操作性。

2 煤直接液化噴氣燃料適航認(rèn)證流程

2.1國外新型噴氣燃料適航認(rèn)證流程

噴氣燃料作為航空器上使用的產(chǎn)品，其性能和質(zhì)量直接影響發(fā)動機(jī)操作性能和運(yùn)行安全，一種新型燃料投入使用前，必須確保其滿足航空器使用限制、性能及安全要求，與航空器材料有良好相容性，各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求并通過適航認(rèn)證，獲得民航管理部門批準(zhǔn)許可。

目前，國際上兩個(gè)重要的民航管理局美國聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）均借助ASTM等行業(yè)協(xié)會技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的管理方式對新型噴氣燃料進(jìn)行驗(yàn)證及管理。根據(jù)ASTMD4054規(guī)定，新型噴氣燃料批準(zhǔn)流程分為三部分，分別為測試程序、發(fā)動機(jī)原始設(shè)備制造商（OEM）內(nèi)部評審、標(biāo)準(zhǔn)變化的確定。測試程序的目的是保證新型燃料對發(fā)動機(jī)的安全性、耐用性和性能沒有負(fù)面影響，主要進(jìn)行規(guī)格性能、特定性能、部件臺架試驗(yàn)、發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測試，根據(jù)新型燃料的化學(xué)成分、與已批準(zhǔn)過的燃料和添加劑的相似性以及發(fā)動機(jī)制造商的經(jīng)驗(yàn)來確定可接受性，最終形成產(chǎn)品測試研究報(bào)告，提交OEM內(nèi)部審查。OEM與航空局（如FAA、EASA）按工作職責(zé)審核產(chǎn)品測試研究報(bào)告，探討燃燒、渦輪機(jī)、燃料系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)性能分析、系統(tǒng)整體和適航性，根據(jù)評審結(jié)果形成OEM報(bào)告，表明拒絕或批準(zhǔn)這種新型燃料。批準(zhǔn)使用的新型燃料由OEM發(fā)布服務(wù)公告和發(fā)動機(jī)手冊，同時(shí)由ASTM審查、投票對ASTM D1655進(jìn)行調(diào)整或制定新的標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，OEM需等待ASTM的投票成功后，才更改相應(yīng)的服務(wù)公告、發(fā)動機(jī)手冊，以適應(yīng)新型燃料。

2.2國內(nèi)新型噴氣燃料適航認(rèn)證流程

與國外采用行業(yè)協(xié)會對新型噴氣燃料進(jìn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)管理不同，我國把噴氣燃料視為航空器的重要“零部件”，參考零部件的審定方式，由中國民用航空局（簡稱民航局）直接采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定批準(zhǔn)書（CTSOA）的方式進(jìn)行認(rèn)證管理。首先，由國家相關(guān)部門組織標(biāo)準(zhǔn)編寫單位制定新型噴氣燃料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（CTSO）并由民航局頒布，CTSO規(guī)定了燃料的生產(chǎn)工藝、最低性能標(biāo)準(zhǔn)等要求，是噴氣燃料適航認(rèn)證的基礎(chǔ)。然后民航局適航審定部門根據(jù)CCAR-55《民用航空油料適航管理規(guī)定》及相關(guān)CTSO對噴氣燃料進(jìn)行適航審定，包括設(shè)計(jì)審定、生產(chǎn)質(zhì)量控制體系評審及證后監(jiān)管內(nèi)容。設(shè)計(jì)審定包括噴氣燃料的理化性能試驗(yàn)、特定性能試驗(yàn)、燃燒室部件對比試驗(yàn)、發(fā)動機(jī)試驗(yàn)、試飛試驗(yàn)以及生產(chǎn)工藝審查；生產(chǎn)質(zhì)量控制體系評審主要包括質(zhì)量控制資料評審及現(xiàn)場符合性審查；在通過以上審定后，噴氣燃料供應(yīng)企業(yè)獲得民航局頒布的CTSOA并接受證后監(jiān)管。

2.3煤直接液化噴氣燃料適航認(rèn)證流程探討

在我國，煤直接液化噴氣燃料實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用必須通過民航局適航認(rèn)證并取得CTSOA，但由于作為一種新的噴氣燃料，目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于煤直接液化噴氣燃料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及適航認(rèn)證案例，本章節(jié)以我國現(xiàn)有噴氣燃料適航認(rèn)證流程為基礎(chǔ)，結(jié)合國外新型噴氣燃料認(rèn)證流程，探討我國煤直接液化噴氣燃料的適航認(rèn)證流程。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是噴氣燃料適航認(rèn)證的基礎(chǔ)，我國需要建立煤直接液化噴氣燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。民航局或國家標(biāo)準(zhǔn)管理部門可以組織相關(guān)企業(yè)、科研院所開展煤直接液化噴氣燃料各項(xiàng)測試工作，以保證其對發(fā)動機(jī)安全性、耐用性和性能沒有負(fù)面影響，測試內(nèi)容可以參照ASTMD4054中表2所討論項(xiàng)目并結(jié)合發(fā)動機(jī)原始設(shè)備制造商的建議選擇進(jìn)行，其性能應(yīng)符合ASTMD4054中相關(guān)強(qiáng)制指標(biāo)要求。在通過測試后，由民航局和國家標(biāo)準(zhǔn)管理部門對現(xiàn)有噴氣燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，補(bǔ)充煤直接液化噴氣燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，或制定新的標(biāo)準(zhǔn)（如CTSO）。之后，民航局適航審定部門以民航局頒布的相應(yīng)CTSO為基礎(chǔ)，按照CCAR-55的要求對煤直接液化噴氣燃料供應(yīng)企業(yè)進(jìn)行適航審定，對符合要求的企業(yè)頒發(fā)CSTOA，證明加注到飛機(jī)上的煤直接液化噴氣燃料符合標(biāo)準(zhǔn)要求。準(zhǔn)書（CTSOA）的方式對噴氣燃料進(jìn)行認(rèn)證管理。

3.4我國可以參考ASTMD4054開展煤直接液化噴氣燃料測試程序，將煤直接液化噴氣燃料規(guī)格要求寫入現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)布新標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)開展煤直接液化噴氣燃料適航認(rèn)證。

3 結(jié)語

3.1煤直接液化噴氣燃料與傳統(tǒng)石油基噴氣燃料組成上有明顯不同，其富含環(huán)烷烴，同時(shí)低硫、低氮、低芳烴，具有較高的體積熱值，較好的低溫流動性、熱氧化安定性、燃燒性能、材料相容性、存儲安定性及潤滑性能。

3.2通過對煤直接液化油進(jìn)行脫酚及不同程度的加氫精制和分離，可以得到大比重噴氣燃料和3號噴氣燃料，其主要物化指標(biāo)符合GJB1603—93和GB6537—2018要求，但后續(xù)還需開展煤直接液化噴氣燃料特定性能試驗(yàn)、臺架試驗(yàn)及發(fā)動機(jī)試車試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證煤直接液化噴氣燃料的安全性、可靠性和操作性。

3.3國內(nèi)外對噴氣燃料適航認(rèn)證流程明顯不同，國外民航管理部門主要借助行業(yè)協(xié)會采用“間接管理”模式，對新型噴氣燃料進(jìn)行驗(yàn)證及管理；國內(nèi)民航管理部門則采用“直接管理”模式，以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定批