煤基與石油基航天煤油摻混理化性能

韓 偉，楊 超，蘭海平，于 君，杜宗罡，朱成財，符全軍

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

大推力液氧煤油發(fā)動機和重型運載火箭是未來航天技術的發(fā)展方向，作為其主推進劑的航天煤油需求量日益增加，且呈逐年增加趨勢[1-5]。作為現(xiàn)役石油基航天煤油的備份和替代者，煤基航天煤油應用于型號研制與發(fā)射活動時，必然會遇到與石油基航天煤油摻混、相互代用的問題。因此，開展不同比例摻混煤油的理化特性測試，研究兩種煤油的摻混特性，對于降低用戶油品替換成本和難度，具有十分重要的意義。

從理論上分析，石油基航天煤油和煤基航天煤油均以環(huán)烷烴為主、鏈烷烴為輔，并含有極少量芳烴，化學性質非常穩(wěn)定[6-10]。在無外界激勵源的情況下，自身難于發(fā)生反應。從物理性質方面來說，兩種煤油中環(huán)烷烴、鏈烷烴、芳烴均為烴類，屬于弱極性物質，根據相似相溶原理，相互溶解性好，石油基航天煤油和煤基航天煤油長時間放置也不會存在分層等現(xiàn)象。

本文研究了煤基航天煤油以不同比例與石油基航天煤油摻混時的理化性能，按照GJB 8087—2013《液體火箭發(fā)動機用煤油安全應用準則》要求測試，分析了摻混后煤油指標合理性[11]。

1試驗條件

1.1 樣品及測試設備

煤基航天煤油為西安航天動力試驗技術研究所研制的201801批煤基航天煤油；石油基航天煤油為新疆克拉瑪依石化研究院生產的航天煤油。試驗所用的主要儀器設備如表1所示。

1.2 試驗內容

將煤基航天煤油按照不同比例與石油基航天煤油摻混，其中煤基航天煤油所占質量比分別為0，5%，10%，30%，50%，70%，90%，95%，100%。9個樣品分別以CB0，CB5，CB10，CB30，CB50，CB70，CB90，CB95，CB100表示。分別測定其密度、餾程、運動粘度、結晶點、閃點、碘值、實際膠質、芳烴含量、總硫含量、銅片腐蝕、酸度、水分、機械雜質。測試方法如表2所示。

表1 主要實驗儀器設備

表2 油品理化性能測試方法

2 結果分析

2.1 互溶性

將CB0，CB5，CB10，CB30，CB50，CB70，CB90，CB95，CB100不同摻混比的摻混煤油密封于量筒中，在它們的結晶點之上觀察煤基航天煤油與石油基航天煤油在不同溫度下的互溶性。把以上油樣在溫度為-60℃，-40℃，-20℃，0℃，20℃，40℃下各放置24 h，觀察油品是否發(fā)生分層。

試驗結果顯示，隨著煤基航天煤油摻混比的增大，各油樣無分層現(xiàn)象發(fā)生，不必添加助溶劑，兩者就能以任意比例互溶。這主要是由于煤基航天煤油與石油基航天煤油主要組成均為鏈烷烴、環(huán)烷烴，根據“相似相溶”原理，二者在試驗條件下具有良好的互溶性。

2.2 密度

密度是燃料最重要的參數(shù)之一，燃料的大部分物理化學性質與密度之間都存在某種內在關系。相同碳原子數(shù)的烴類，烷烴密度最小，芳烴密度最大，環(huán)烷烴密度居中[12]。因而GJB 8087—2013中對密度要求也確定了航天煤油構成中環(huán)烷烴、芳烴、烷烴含量都在一定范圍內。采用SY-02型石油密度計，測定了煤基航天煤油摻混量不同時的密度，結果如圖1所示。

圖1 摻混煤油的密度與煤基煤油含量關系Fig.1 The relationship between density of blended kerosene and content of coal-based kerosene

根據試驗數(shù)據，得出煤基航天煤油與石油基航天煤油摻混煤油密度的經驗計算公式：

ρ=832.53+0.005 2x+6.534 0×10-5x2-

5.995 3×10-7x3

(1)

式中：ρ為摻混后煤油的密度，kg/m3；x為煤基航天煤油的摻混比，%。

從圖1可看出，隨著煤基航天煤油含量增加，密度也在逐步增加，從832.5 kg/m3直到833.1 kg/m3，但均在GJB 8087—2013要求范圍內(GJB 8087—2013要求20℃時，航天煤油密度為830.0～836.0 kg/m3)。

2.3 餾程

餾程反映了燃料的蒸發(fā)能力。蒸發(fā)性能影響燃燒的穩(wěn)定性和完全程度。蒸發(fā)性能好的燃料，在燃燒室中被噴射后，與氧化劑迅速形成均勻的混合氣，進行平穩(wěn)和完全的燃燒。如果燃料過重，蒸發(fā)性能差，燃燒不正常，未蒸發(fā)的燃料受熱分解，形成積碳。不同的烴類燃燒完全程度不同，依次為芳香烴<環(huán)烷烴<烷烴。環(huán)數(shù)越多，越不易燃燒完全。由這一點也應限制芳香烴特別是雙環(huán)芳香烴的含量。通常用餾程的10%餾出溫度表示蒸發(fā)的難易程度，用90%點控制重組分不能太多。表3為煤基航天煤油與石油基航天煤油不同量摻混后混合燃料餾程結果。從試驗結果看，煤基航天煤油以任意比例摻混后的煤油均符合GJB 8087—2013要求的餾程范圍(初餾點≥188℃，10%餾出點≤215℃，50%餾出點≤235℃，90%餾出點≤260℃，干點≤270℃)，也符合我國最初研制航天煤油時規(guī)定的不同回收率時溫度要求。

表3 摻混煤油的餾程

2.4 運動粘度

不同摻混比的煤油在20℃和-40℃的運動粘度如圖2所示。根據試驗數(shù)據，分別得出煤基航天煤油與現(xiàn)役航天煤油摻混后煤油在20℃和-40℃的運動粘度經驗計算公式：

v1=2.790 7-0.010 1x+1.615×10-4x2-

9.589 2×10-7x3

(2)

v2=20.220 1-0.093 3x+6.010×10-4x2-

3.176×10-6x3

(3)

式中：v1為摻混煤油在20℃的運動粘度，mm2/s；v2為摻混煤油在-40℃的運動粘度，mm2/s。

圖2 摻混煤油的粘度與煤基煤油含量關系Fig.2 The relationship between viscosity of blended kerosene and content of coal-based kerosene

從燃料本身來看，粘度對傳熱的影響最大。粘度小流動快，換熱相對劇烈，粘度大流動慢，換熱相對較弱，從而引發(fā)鏈式反應即產生結焦積碳。同時，燃料被噴注燃燒時，粘度過大的燃料噴射角小而射程遠，液滴大，霧化不良，以致燃燒不均勻，不完全；另外，粘度過大的燃料在低溫下流動性差，供油量減少。而粘度過小的燃料，噴射角大而射程近，火焰燃燒區(qū)寬而短，易引起局部過熱[13]。因而航天煤油既規(guī)定20℃時的粘度不能小于一定值(2.4 mm2/s)，又規(guī)定低溫-40℃時的粘度不能大于一定值(25 mm2/s)。從圖3可得到，現(xiàn)役航天煤油的粘度為2.83 mm2/s(20℃)，20.18 mm2/s(-40℃)，隨著煤基航天煤油加入量的不斷增大，摻混煤油的粘度在減小，CB100的粘度為2.44 mm2/s(20℃)，13.51 mm2/s(-40℃)，均滿足GJB 8087—2013使用要求。

2.5 結晶點

煤基航天煤油摻混量不同時的結晶點如表4所示。結晶點反映了煤油的低溫性能。大分子正構烷烴和芳香烴的結晶點較高，環(huán)烷烴和烯烴的結晶點較低。在同一烴族中，結晶點隨相對分子質量的增大而升高。異構烷烴通常具有較低的結晶點。當燃料的尾餾分愈寬，燃料的密度增大，其結晶點也相應地升高。從表4中可看出，隨著煤基航天煤油的逐步加入，其結晶點相應有所升高，這主要是煤基煤油中正構烷烴、尾餾分及密度相對石油基航天煤油相對較高的緣故，但均在GJB 8087—2013要求范圍內，滿足指標要求。

表4 摻混煤油的結晶點

2.6 閃點

煤基航天煤油摻混量不同時的閃點如圖3所示。

圖3 摻混煤油的閃點與煤基煤油含量關系Fig.3 The relationship between flash point of blended kerosene and content of coal-based kerosene

根據試驗數(shù)據，得出煤基航天煤油與石油基航天煤油摻混后煤油的閃點經驗計算公式：

t=78.301 5-0.139 4x+2.251 1×10-4x2

(4)

式中t為摻混后煤油的閃點，℃。

燃料的閃點是引起火災的最低溫度，其定義為燃料蒸汽與空氣混合物遇明火或是開始閃火的最低溫度。燃料的沸點愈低，其閃點也愈低，火災危險性也愈大。從圖3中可看出，摻混不同比例的煤基航天煤油后，摻混煤油的閃點滿足GJB 8087-2013閃點必須大于60℃的指標要求。

2.7 芳烴含量

煤油中芳烴含量影響主要存在以下幾個方面：當芳烴含量愈高時，特別是雙環(huán)芳烴含量愈高，直接對發(fā)動機中橡膠等密封材料造成浸蝕，使其密封性能下降；芳烴含量高時，煤油流經高溫部件時產生積碳的可能性進一步增大；芳烴含量高時，在長期儲存過程中，生成膠質的傾向更加明顯。因此，航天煤油的芳烴含量有嚴格要求，控制在5%(質量分數(shù))以下。表5為煤基航天煤油摻混量不同時的芳烴含量測定結果，從表5可看出，摻混不同比例的煤基航天煤油后，摻混煤油的芳烴含量遠小于GJB 8087—2013規(guī)定的芳烴含量小于5%(質量分數(shù))的指標，基本上小一個數(shù)量級。

表5 摻混煤油的芳烴含量

2.8 酸度

油品中酸度一般表示煤油中有機酸和無機酸的總含量，其單位為mgKOH/100 mL，表示中和100 mL油品所需的氫氧化鉀(KOH)毫克數(shù)。煤油中的無機酸含量極小，有機酸為環(huán)烷酸、脂肪酸和烷基苯酚等含氧有機化合物。其中主要是環(huán)烷酸，可近似認為煤油中的環(huán)烷酸含量與實際酸度成正比。一般說來，煤油中環(huán)烷酸濃度在0.003%(酸度約為0.6 mgKOH/100 mL時)就不會對金屬材料產生明顯的腐蝕。表6為煤基航天煤油摻混量不同時的酸度測定結果。

表6 摻混煤油的酸度

從表6可看出，摻混不同比例的煤基航天煤油后，摻混煤油的酸度符合GJB 8087—2013中必須小于0.5 mgKOH/100 mL的指標要求。

2.9 其他指標

針對其他指標如碘值、實際膠質、總硫含量、銅片腐蝕、水分、機械雜質均進行了相應的分析，結果如表7所示。

表7 摻混煤油的其他性能指標

從表7可以看出，煤基航天煤油的加入，并未影響產品指標。其中，摻混煤油的硫含量，水分含量等指標相較于GJB 8087—2013要求要小一個數(shù)量級，摻混煤油可正常使用。

3 結論

本文研究了煤基航天煤油以不同比例與石油基航天進行摻混時，按照GJB 8087—2013《液體火箭發(fā)動機用煤油安全應用準則》中要求，分析了摻混后的指標變化。得到以下結論：

1)煤基航天煤油與石油基航天煤油以任意比例摻混后，其各項指標仍然滿足GJB 8087—2013要求。

2)兩種煤油以任意比例摻混，在無外界激勵源的情況下，不會發(fā)生任何的化學反應及化學變化。

3)兩種煤油中鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳烴均屬于弱極性物質，根據相似相溶原理，相互溶解性好，以任意比例摻混后，長時間放置也不會存在分層等現(xiàn)象。