煤基直接液化低凝點(diǎn)柴油試驗(yàn)研究

熊春華, 安高軍, 魯長(zhǎng)波, 賈振斌, 陳茂山, 張繼明

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

煤基直接液化低凝點(diǎn)柴油試驗(yàn)研究

熊春華1, 安高軍1, 魯長(zhǎng)波1, 賈振斌2, 陳茂山2, 張繼明2

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

通過(guò)化學(xué)組成分析、理化性能分析和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)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(chǎn)生原因,提出油品質(zhì)量改進(jìn)措施,分析煤基直接液化低凝點(diǎn)柴油使用的可行性。結(jié)果表明:煤基直接液化柴油主要由環(huán)烷烴組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%),碳數(shù)分布集中,具有凝點(diǎn)(低于-60 ℃)低、密度大、體積熱值高和十六烷值略低等特點(diǎn)以及良好的發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性;現(xiàn)有的煤基直接液化柴油經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶豳|(zhì)處理后可以直接作為低凝點(diǎn)柴油使用。

煤基柴油; 直接液化; 低凝點(diǎn)柴油; 臺(tái)架試驗(yàn); 可行性

中國(guó)石油對(duì)外依賴程度超過(guò)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(zhì)等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)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(tuán)于2008年投入運(yùn)行的世界第一條百萬(wàn)噸級(jí)煤炭直接液化生產(chǎn)線使中國(guó)的煤基直接液化合成燃料技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位[5-7]。筆者通過(guò)化學(xué)組成分析、理化性能分析和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),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(zhì)量改進(jìn)措施,分析煤基直接液化柴油作為低凝點(diǎn)柴油使用的可行性。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)油樣

采集國(guó)內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)的典型煤基直接液化柴油餾分油和成品油各兩個(gè)樣品(神華集團(tuán)生產(chǎn)),分別命名為神華1～4號(hào),其中神華2和4號(hào)樣品是分別在神華1號(hào)和3號(hào)餾分油的基礎(chǔ)上加有十六烷值改進(jìn)劑和潤(rùn)滑性改進(jìn)劑調(diào)合而成的成品油。采集-35號(hào)、-50號(hào)軍用柴油各1個(gè)樣品(編號(hào)依次為軍柴3號(hào)、軍柴5號(hào))和1個(gè)-35號(hào)輕柴油樣品(編號(hào)輕柴3號(hào))作為實(shí)物對(duì)比油樣。

1.2 試驗(yàn)方法

按照《中間餾分烴類組成測(cè)定法(質(zhì)譜法)》(SH/T 0606-94),測(cè)定油樣烴類族組成;采用飛行時(shí)間質(zhì)譜,按照石油化工科學(xué)研究院方法《GC/TOF法分析柴油碳數(shù)分布》測(cè)定油樣碳數(shù)分布;按照《石油產(chǎn)品及潤(rùn)滑劑中碳、氫、氮測(cè)定法(元素分析儀法)》(SH/T 0656-1998,2004)測(cè)定油樣碳?xì)湓亟M成,分析煤基直接液化柴油與石油基柴油在化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)要求,對(duì)煤基直接液化柴油進(jìn)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(dòng)機(jī),按照《裝甲車輛柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)》(GJB5464-2005)中規(guī)定的試驗(yàn)方法,進(jìn)行燃用煤基直接液化柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和負(fù)荷特性試驗(yàn),考察煤基直接液化柴油在裝備發(fā)動(dòng)機(jī)上的適應(yīng)性。

2 結(jié)果分析

2.1 化學(xué)組成、理化性能

2.1.1 化學(xué)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(jié)果。可以看出,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(yuǎn)。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(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%,其中以一環(huán)烷烴和二環(huán)烷烴為主,二者含量達(dá)80%,但鏈烷烴(不超過(guò)10%)和芳烴(不超過(guò)2%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小。相比之下,石油基柴油的組成非常復(fù)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(chǎn)原料和生產(chǎn)工藝的不同。煤基直接液化柴油是以煤炭為原料,經(jīng)過(guò)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(yīng)生產(chǎn)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(jīng)過(guò)高溫、高壓加氫反應(yīng)后,這些結(jié)合在一起的芳香性環(huán)狀大分子結(jié)構(gòu)被打破,變?yōu)樾》肿拥沫h(huán)狀物質(zhì),同時(shí)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(chǎn)原料,經(jīng)過(guò)常減壓蒸餾、催化裂化、加氫精制、加氫裂化等工藝生產(chǎn)得到。由于原油組成非常復(fù)雜,在經(jīng)過(guò)一系列的加工處理后,得到的柴油中往往同時(shí)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(jié)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(dòng)性能主要由一環(huán)烷烴決定,一環(huán)烷烴含量越高則凝點(diǎn)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(huì)使其具有低溫性能好、密度大和十六烷值低等特點(diǎn)。

(2)碳數(shù)分布。圖1給出煤基直接液化柴油(神華1、3號(hào))和石油基柴油的碳數(shù)分布測(cè)定結(jié)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(jié)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(huì)導(dǎo)致其餾程、閃點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)黏度等指標(biāo)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(cè)鏈,則為C10;若含有側(cè)鏈,則超過(guò)C10,但限于生產(chǎn)工藝,這種環(huán)上的側(cè)鏈不會(huì)過(guò)多過(guò)長(zhǎng),因此碳數(shù)大多集中在C14以內(nèi)。相比之下,石油基柴油中則同時(shí)含有大量的鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴,導(dǎo)致其碳數(shù)分布非常寬泛。

(3)碳?xì)湓亟M成。表2為不同油樣中碳?xì)湓亟M成分析的結(jié)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?xì)湓亟M成,但由于其主要由環(huán)烷烴組成,導(dǎo)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(zhì)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(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)性。由此可知,煤基直接液化柴油具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

表2 油樣碳?xì)湓亟M成分析結(jié)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的理化性能分析結(jié)果。

表3 煤基直接液化柴油理化性能分析結(jié)果

可以看出,煤基直接液化柴油餾分油(神華1、3號(hào))具有如下特點(diǎn):①外觀清澈透明(幾乎無(wú)色),低溫性能優(yōu)異(凝點(diǎn)、冷濾點(diǎn)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?、?shí)際膠質(zhì)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(dá)到最高等級(jí)(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(jī)械雜質(zhì)、固體顆粒污染物含量低、灰分含量小;⑤密度大,運(yùn)動(dòng)黏度偏低;⑥安全性能較好,閃點(diǎn)較高,可以滿足-35號(hào)和-50號(hào)柴油標(biāo)準(zhǔn)要求,低于-35號(hào)和-50號(hào)軍柴油樣閃點(diǎn);⑦著火性能較好,十六烷值可以滿足-35號(hào)和-50號(hào)軍用柴油標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值,明顯低于對(duì)比油樣的十六烷值;⑧餾分偏輕,餾程指標(biāo)中的10%回收溫度偏低;⑨潤(rùn)滑性能稍差,磨痕直徑不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,稍大于對(duì)比油樣測(cè)定結(jié)果。

表4 石油基柴油理化性能分析結(jié)果

2.1.3 應(yīng)用分析

根據(jù)油樣化學(xué)組成與理化性能的分析結(jié)果,從煤基直接液化柴油自身組成結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)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(xué)組成分析結(jié)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?xì)錈N類物質(zhì),都主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴組成,因此從組成結(jié)構(gòu)角度來(lái)說(shuō)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(dá)90%),這使其性質(zhì)與石油基柴油有所差別,主要體現(xiàn)在凝點(diǎn)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(jù)可知,煤基直接液化柴油的低溫性能優(yōu)異,具備作為-35號(hào)或-50號(hào)低凝點(diǎn)軍用柴油、輕柴油和車用柴油使用的潛力。對(duì)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(hào))除5項(xiàng)指標(biāo)不太理想(十六烷值、閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、10%回收溫度、潤(rùn)滑性),其余指標(biāo)均可滿足現(xiàn)行軍用柴油標(biāo)準(zhǔn)(GJB 3075-97)要求,且大部分指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求以及實(shí)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(diǎn)、運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑性差則主要是由于在煤直接液化過(guò)程中的深度加氫處理工藝將油品中絕大部分具有潤(rùn)滑功能的極性物質(zhì)脫除掉所致。

煤基直接液化柴油餾分油除了十六烷值和潤(rùn)滑性指標(biāo)不太理想外,其余指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于輕柴油標(biāo)準(zhǔn)要求(GB 252-2011)以及實(shí)物油樣測(cè)定結(jié)果。通過(guò)與現(xiàn)行車用柴油標(biāo)準(zhǔn)(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(rùn)滑性指標(biāo)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外,其余指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(diǎn)低、密度大、體積熱值高和安定性好等特點(diǎn),將是一種非常理想的生產(chǎn)低凝點(diǎn)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(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶豳|(zhì)處理,如通過(guò)餾分切割去除低碳數(shù)組分或有針對(duì)性地使用功能提質(zhì)添加劑(見神華2、4號(hào)成品油分析結(jié)果,在加入十六烷值和潤(rùn)滑性改進(jìn)劑后,煤直接液化柴油的十六烷值、潤(rùn)滑性等指標(biāo)明顯改善),完全可以直接作為低凝點(diǎn)的軍用柴油、輕柴油和車用柴油使用。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

某型裝甲裝備發(fā)動(dòng)機(jī)燃用煤基直接液化柴油后,起動(dòng)正常,工作平穩(wěn)柔和,完成動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)。

2.2.1 動(dòng)力性

從圖2看出,4種油樣(神華3、4號(hào)和-35號(hào)、-50號(hào)軍柴)的功率、扭矩變化趨勢(shì)一致,其中功率隨轉(zhuǎn)速的增加而升高,扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低,最大扭矩點(diǎn)均在1 400 r/min。與-35號(hào)和-50號(hào)軍柴相比,神華3號(hào)、神華4號(hào)在外特性各點(diǎn)功率、扭矩均有所提高,特別是神華4號(hào)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(hào)軍柴相比,神華4號(hào)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(hào)軍柴相比,神華4號(hào)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)?？傊?煤基直接液化柴油能夠提高裝甲裝備柴油機(jī)的動(dòng)力性,特別是加有十六烷值改進(jìn)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(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)燃燒室的柴油質(zhì)量更大,燃燒產(chǎn)生的熱量就更多,則對(duì)外做功更多,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更高的輸出功率和扭矩,表現(xiàn)為裝備動(dòng)力性提高[12]。

圖2 不同轉(zhuǎn)速時(shí)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(jīng)濟(jì)性

圖3為額定轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)、常用轉(zhuǎn)速(1 750 r/min)和最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速(1 400 r/min)下燃用神華3號(hào)、神華4號(hào)和-35號(hào)、-50號(hào)軍柴時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油質(zhì)量消耗率變化曲線?？梢钥闯?4種油品的燃油質(zhì)量消耗率普遍隨著負(fù)荷的增加而逐漸降低。對(duì)比分析可以看出,在3種速度條件下,除個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)外,神華4號(hào)成品油的燃油質(zhì)量消耗率均略高于其他3種油品,神華3號(hào)餾分油的燃油質(zhì)量消耗率與-35號(hào)軍柴較為接近,-50號(hào)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(dòng)機(jī)在燃用煤基柴油時(shí)的供油量更大,過(guò)量空氣系數(shù)有所減小,多噴入燃燒室的煤基柴油沒(méi)有得到完全燃燒,熱量沒(méi)有完全釋放,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的功率雖然有所提高,但其提高的幅度沒(méi)有供油量增加的幅度大,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃油質(zhì)量消耗率略有增加;另一方面煤基柴油的質(zhì)量熱值略低于石油基柴油,單位質(zhì)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(dòng)機(jī)燃用煤基柴油時(shí)的燃油質(zhì)量消耗率略有增加[12]。

圖3 不同負(fù)荷時(shí)的燃油質(zhì)量消耗率曲線Fig.3 Specific fuel consumption curves of different loads

綜合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)看出,裝甲裝備柴油機(jī)燃用煤基直接液化柴油后雖然燃油質(zhì)量消耗率略有增加,但起動(dòng)正常,工作平穩(wěn)柔和,動(dòng)力性有所提高?？傮w而言,煤基直接液化柴油在裝甲裝備發(fā)動(dòng)機(jī)上具有良好的適應(yīng)性。

3 結(jié) 論

(1)煤基直接液化柴油與石油基柴油組成相似,均屬于碳?xì)錈N類物質(zhì),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(dá)90%),這使其具有凝點(diǎn)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(diǎn)。

(2)裝甲裝備柴油機(jī)燃用煤基直接液化柴油后起動(dòng)正常,工作平穩(wěn)柔和,動(dòng)力性有所提高,燃油質(zhì)量消耗率略有增加,在裝甲裝備發(fā)動(dòng)機(jī)上具有良好的適應(yīng)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(zhì)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(jīng)過(guò)適當(dāng)提質(zhì)處理后,具備直接作為低凝點(diǎn)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(diǎn)項(xiàng)目(BX210J004)

熊春華(1966-),男,高級(jí)工程師,博士,研究方向?yàn)檐娛履茉础-mail:xch@263.net.cn。

安高軍(1980-),男,高級(jí)工程師,博士,研究方向?yàn)檐娛履茉?。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(zhǎng)波,等.煤基直接液化低凝點(diǎn)柴油試驗(yàn)研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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.