高熱安定性噴氣燃料的研究

蘭 迪

（中國石油天然氣銷售西部事業(yè)部，新疆 烏魯木齊 830019）

噴氣燃料是國民經(jīng)濟(jì)的重要能源，它作為飛機(jī)的血液在飛機(jī)的發(fā)展過程中起著重要作用，尤其是噴氣燃料的質(zhì)量問題關(guān)系到飛機(jī)的性能與安全。航空技術(shù)發(fā)展對噴氣燃料質(zhì)量的要求越來越高，隨著飛行器速度的提升，未來航空燃料不僅起推進(jìn)劑作用，還要用作冷卻劑為飛行器的過熱部件降溫，更要求燃料具有優(yōu)良的熱安定性［1］。

1 影響發(fā)動機(jī)燃料熱安定性的因素

燃料的高溫?zé)嵫趸捕ㄐ允侵溉剂显诟邷睾脱鯕獯嬖跅l件下抵抗氧化變質(zhì)的能力，特別是燃料在高速飛行過程中抵抗氧化，減少氧化產(chǎn)物危害的性能。

燃料主要是由各類烴類物質(zhì)組成，燃料氧化的實質(zhì)是烴類的氧化，烴類氧化是按照自由基鏈反應(yīng)進(jìn)行的，表現(xiàn)為相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。

在相同的外部條件下，對燃料熱氧化安定性起決定作用的因素是燃料的組成，即在沉淀物生成過程中，起主要作用的是燃料的烴類組成、非烴化合物和氧化產(chǎn)物。

烴類組成對高溫下沉淀物的生成有很大的影響。燃料受熱時，按各種烴類產(chǎn)生沉淀物的傾向，有如下排序：

烷烴、環(huán)烷烴＜單環(huán)芳烴＜雙環(huán)芳烴＜烯烴＜烯基單環(huán)芳烴＜烯基雙環(huán)芳烴［2］。

導(dǎo)致燃料熱安定性降低的原因有3個。

（1）燃料本身含有不安定性的化學(xué)組分，如烯類芳烴、硫醇等；

（2）一些不安定性組分在受到外界因素影響后發(fā)生化學(xué)變化，生成膠質(zhì)、沉淀等物質(zhì)使燃料品質(zhì)變壞；

（3）在特殊的環(huán)境下，燃料中的安定組分受熱發(fā)生裂解縮合反應(yīng)，生成沉淀［3］。

2 高熱安定性燃料的研制方案

根據(jù)前人理論研究的成果，燃料的化學(xué)組成是燃料性質(zhì)的決定性因素。

研究表明：隨著異構(gòu)烷烴和正構(gòu)烷烴含量的減少，環(huán)烷烴和單環(huán)芳烴含量的增加，燃料的熱安定性升高［4］。

為了得到某種產(chǎn)品，在原料的選擇上應(yīng)采用接近目的產(chǎn)品要求的組成的原料為佳。產(chǎn)品的組成與選擇的原料、工藝過程等密切相關(guān)。

2.1 原料的選擇

某公司加工的主要原油性質(zhì)見表1。

表1 原油主要性質(zhì)

某公司加工的原油性質(zhì)穩(wěn)定，分為3種。

（1）原油1 為低硫中間基原油，原油密度較高，凝點較低，輕質(zhì)油收率低；

（2）原油2 為環(huán)烷中間基原油，原油密度大，酸值低，輕質(zhì)油收率低；

（3）原油3 為低硫中間基原油，密度適中，酸值低，凝點低，輕質(zhì)油收率較高。

2.2 工藝的選擇

生產(chǎn)航煤的工藝路線主要有加氫精制和加氫裂化 2種［5］。

加氫裂化航煤是指減壓餾分油在高溫、高壓、臨氫及催化劑存在下，進(jìn)行加氫、脫硫、脫氮、分子骨架結(jié)構(gòu)重排和裂解等反應(yīng)的1種催化轉(zhuǎn)化過程。加氫裂化工藝具有優(yōu)異的芳烴飽和、選擇性斷環(huán)以及烴類異構(gòu)化的性能，工藝決定產(chǎn)品的熱安定性較加氫航煤有較大提高。因此，對加氫裂化原料蠟油開展評價，結(jié)果見表2。

表2 蠟油餾分段性質(zhì)

從表2數(shù)據(jù)可知，3種原油蠟油金屬含量較低，總芳烴含量在25.2%~49.6%。

2.3 工藝條件的確定

（1）反應(yīng)壓力。反應(yīng)壓力是加氫裂化過程的重要參數(shù)，反應(yīng)壓力越高對加氫裂化反應(yīng)過程越有利。對受平衡限制的芳烴加氫反應(yīng)，壓力的影響尤為明顯，加氫裂化過程中，精制段的目的主要是降低原料中硫、氮含量，防止裂化催化劑中毒，同時飽和部分芳烴，有利于提高裂化催化劑的活性。氫分壓對芳烴飽和反應(yīng)有較大影響，蠟油原料A不同壓力下精制油中芳烴含量的變化見表3。

表3 氫分壓對芳烴飽和的影響

結(jié)果表明，氫分壓對芳烴飽和影響明顯，隨著反應(yīng)氫分壓從15 MPa 降低到8 MPa，精制油中單環(huán)、雙環(huán)和三環(huán)及三環(huán)以上芳烴含量分別從4.2%，1.2%，0.7%升高到15.4%，3.7%，4.2%。

法國 IFP 研究院研究表明［6］，將 VGO 原料在14 MPa 壓力下加氫精制，得到只含有烷烴和環(huán)烷烴的生成油。因此為使產(chǎn)品中含有更多環(huán)烷烴并盡可能提高芳烴轉(zhuǎn)化率，將多環(huán)芳烴飽和成單環(huán)芳烴，必須選擇較高的反應(yīng)壓力。當(dāng)加工環(huán)烷基原油和中間基原油生產(chǎn)的減壓蠟油時，蠟油含有較多多環(huán)芳烴，建議反應(yīng)壓力控制在15 MPa。

（2）反應(yīng)溫度。反應(yīng)溫度既影響精制段反應(yīng)器原料油的加氫脫硫、脫氮深度，也影響裂化段反應(yīng)器的單程轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品分布及產(chǎn)品性質(zhì)。選用原料A，在氫分壓15 MPa、體積空速1.0 h-1、氫油體積比1 000 的條件下，考察溫度對芳烴飽和的影響，實驗結(jié)果見表4。

表4 溫度對芳烴飽和的影響

隨著溫度升高，三環(huán)及以上芳烴含量降低不再明顯，說明再提高溫度，對芳烴飽和所起作用有限。原因是加氫是放熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度不利于加氫反應(yīng)的化學(xué)平衡，研究［7］表明，由于受熱力學(xué)平衡控制，多環(huán)芳烴第1個芳環(huán)的加氫反應(yīng)受動力學(xué)控制，當(dāng)溫度很高時，受熱力學(xué)平衡影響，繼續(xù)升高溫度不會提高芳烴脫除率。因此，溫度控制在360 ℃比較適宜。

（3）體積空速。空速反映的是進(jìn)料速度和物料的平均停留時間，空速的大小對于流體分布、催化劑表面的潤濕程度及流體滯留量和反應(yīng)時間均有影響。選用原料A，在氫分壓15 MPa，反應(yīng)溫度360 ℃，氫油體積比1 000的條件下，考察空速對芳烴飽和的影響，實驗結(jié)果見表5。

表5 體積空速對芳烴飽和的影響

體積空速對芳烴飽和影響較大，隨著空速增加，多環(huán)芳烴飽和程度明顯降低。

（4）氫油比。選用原料A，在氫分壓15 MPa，反應(yīng)溫度360 ℃，空速1.0 h-1的條件下，考察氫油比對芳烴飽和的影響，實驗結(jié)果見表6。

表6 氫油比對芳烴飽和的影響

氫油比在1 000 時，芳烴飽和率較高，原因是氫油比增加對傳質(zhì)傳熱起到強(qiáng)化作用，增加了反應(yīng)深度；氫油比增加到一定程度后，易使原料在反應(yīng)器上停留時間縮短，未反應(yīng)的氫氣會帶走部分反應(yīng)熱，使溫升下降，從而使加氫反應(yīng)活性下降。

3 高熱安定性燃料的生產(chǎn)

選擇2 種中間基原油按一定的比例混合得到的減壓蠟油供加氫裂化裝置加工，得到了高熱安定性航煤產(chǎn)品［8］，主要理化指標(biāo)見表7。對航煤樣品采用綜合鑒定法進(jìn)行了評定，結(jié)果見表8。

表7 高熱安定性航煤性質(zhì)

表8 綜合鑒定法評定結(jié)果

表8中數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)的高熱安定性燃料滿足綜合鑒定法中要求的熱安定性要求。

4 結(jié)束語

烴類組成對高溫下燃料熱安定性有較大的影響，當(dāng)燃料受熱時，按各種烴類產(chǎn)生沉淀物的傾向，排序為：烷烴、環(huán)烷烴＜單環(huán)芳烴＜雙環(huán)芳烴＜烯烴＜烯基單環(huán)芳烴＜烯基雙環(huán)芳烴。通過優(yōu)化原料組成，采用加氫裂化工藝可生產(chǎn)出滿足技術(shù)要求的高熱安定性燃料并通過了專業(yè)部門鑒定。