煤基特種燃料技術(shù)研究進(jìn)展

白云岡,王智榮,鄧斗亮,劉召召,任帥

(神木富油能源科技有限公司,陜西 神木 719319)

進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國國防軍事、航空航天行業(yè)迎來了快速發(fā)展時(shí)期,各種空天特種燃料的需求量也在持續(xù)增加,噴氣燃料的消費(fèi)量增長率就達(dá)到了每年13%左右。隨著新時(shí)期空天戰(zhàn)略向更遠(yuǎn)、更快、可攜帶能力更高傾斜,對(duì)燃料的性能也提出了更高的要求,傳統(tǒng)的石油基燃料經(jīng)過幾十年的高速發(fā)展已逐漸進(jìn)入穩(wěn)定成熟階段,在滿足當(dāng)下需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)體高積能量密度、優(yōu)異高溫安定性已逐漸有所受限,難以很好地滿足超高音速飛行器飛行需要[1]。結(jié)合我國“缺油、少氣、相對(duì)富煤”的資源結(jié)構(gòu)特點(diǎn),我國油氣供求矛盾將長期存在,2022年我國石油對(duì)外依存度已達(dá)到70%以上,嚴(yán)重威脅到我國能源安全[2]。煤炭是多種有機(jī)物和無機(jī)物的混合物,主要組成元素是碳、氫、氧、硫、氮,含有較多的大分子芳烴組分,利用其組分特點(diǎn),可將大量芳烴組分轉(zhuǎn)化為環(huán)烷烴,是高性能航空航天燃料的理想組成部分[3],以煤為原料出發(fā)開發(fā)具有高熱值、高熱安定性、高熱沉等性能特種燃料的重要性逐步顯現(xiàn)出來[]。煤基特種燃料的開發(fā),一方面可以對(duì)我國現(xiàn)有特種燃料供應(yīng)體系起到有效的補(bǔ)充,為現(xiàn)有燃料體系帶來新的技術(shù)支點(diǎn),推動(dòng)航空航天業(yè)發(fā)展;另一方面也可對(duì)我國煤化工產(chǎn)業(yè)向高端化、多元化、低碳化發(fā)展提供必要的技術(shù)途徑,保障我國能源安全起到一定的戰(zhàn)略意義。

近幾十年內(nèi),我國在煤化工領(lǐng)域做了一系列頂層戰(zhàn)略規(guī)劃,逐漸形成了煤制油、氣、烯烴、芳烴、材料等煤化工發(fā)展格局,其中以煤炭為原料生產(chǎn)輕質(zhì)燃料的技術(shù)路徑主要有煤直接液化、煤間接液化、煤熱解與煤焦油加氫等,這些技術(shù)在特種燃料的研制上都取得了一定的成果[5]。

1 煤基特種燃料研究現(xiàn)狀

美國Schobert教授率先提出并研制成功在高溫環(huán)境下(900 ℉)長期穩(wěn)定存在的煤基特種燃料JP-900[6]。南非薩索公司通過費(fèi)托合成技術(shù)成功制備了煤基全合成噴氣燃料[7],其理化性能、熱穩(wěn)定性、材料相容性、燃燒性能與JetA-1相似,已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。我國在直接液化、間接液化、焦油加氫等技術(shù)領(lǐng)域也做了大量的技術(shù)研究和攻關(guān),部分產(chǎn)品也達(dá)到了商業(yè)化運(yùn)行水平。

1.1 煤直接液化法

煤炭直接液化是將煤粉、供氫溶劑與催化劑按比例混配成油煤漿,在高溫、高壓條件下,油煤漿經(jīng)過加氫裂解和精制,將固體煤加氫解聚轉(zhuǎn)化成液體燃料,所得液體產(chǎn)品含有大量環(huán)烷烴及芳香烴,油品宏觀性能呈現(xiàn)出密度大、體積熱值高等特點(diǎn)。2008年,全球首套百萬噸級(jí)煤直接液化項(xiàng)目打通全流程并產(chǎn)出合格產(chǎn)品,主要生產(chǎn)煤基柴油、石腦油、瀝青、粗酚等產(chǎn)品[5]。

國家能源集團(tuán)依托煤直接液化工業(yè)化裝置,開展了航空航天、軍用燃料等領(lǐng)域的研究,將煤直接液化油品進(jìn)一步加氫提質(zhì),生產(chǎn)高環(huán)烷烴含量的輕質(zhì)燃料,其具有能量密度高、熱安定性高、體積熱容高、凝點(diǎn)低、硫氮含量低等特點(diǎn)[9]。

表1 煤直接液化大比重噴氣燃料性能指標(biāo)

1.2 煤間接液化(F-T法)

煤間接液化(F-T法)是以煤為原料,氣化產(chǎn)生的合成氣在一定條件下,催化合成為烴類燃料及化工原料的工藝,其核心技術(shù)費(fèi)托合成。煤間接液化先后經(jīng)歷了“固-氣-液”三相的轉(zhuǎn)換,傳統(tǒng)油品中大量存在的O、S、N、金屬等雜質(zhì)可以比較容易地在轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行脫除,F-T反應(yīng)生成的主要是以鏈烷烴為主,因此其產(chǎn)品具有低硫、低芳烴、高十六烷值、高質(zhì)量熱值等諸多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在潤滑性差、低溫性能不佳等顯著缺點(diǎn)。煤間接液化產(chǎn)品還需經(jīng)加氫裂化、加氫異構(gòu)等途徑才能補(bǔ)齊短板,實(shí)現(xiàn)航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代,薩索公司以煤間接液化產(chǎn)品與石油基噴氣燃料混合制備出半合成煤基噴氣燃料,并獲得了英國、美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可,實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[10]。2008年,薩索公司根據(jù)煤間接液化油的組分特點(diǎn),進(jìn)一步成功制備了煤基全合成噴氣燃料,可滿足國際上對(duì)于噴氣燃料的儲(chǔ)存、操作和飛行安全等要求,并且獲得了國際商用航空認(rèn)證,其相關(guān)性能見表2[11]。

表2 煤基全合成噴氣燃料性能指標(biāo)

國內(nèi)費(fèi)托合成油加工工藝主要有鐵基漿態(tài)床低溫費(fèi)托合成油加工工藝、鐵基固定流化床高溫費(fèi)托合成油加工工藝、低溫漿態(tài)床費(fèi)托合成油加工工藝。采用中科合成油技術(shù)的伊泰、潞安、神華,采用兗礦技術(shù)的未來能源均已有工業(yè)化示范裝置建成[12]。國內(nèi)基于煤間接液化生產(chǎn)航空煤油技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢,天津大學(xué)、石科院、中國民用航空局、潞安、伊泰和神華等單位均已開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究工作,目前還均處于研究階段[13]。潞安通過對(duì)費(fèi)托合成產(chǎn)品進(jìn)一步加氫異構(gòu),生產(chǎn)的3號(hào)噴氣燃料性質(zhì)見表3[14]。在標(biāo)準(zhǔn)制定方面,中國民用航空局2013年批準(zhǔn)的《含合成烴的民用航空噴氣燃料》(CTSO—2C701)、2018年發(fā)布的《3號(hào)噴氣燃料》(GB 6537—2018)均增加了半合成航空煤油內(nèi)容。

表3 費(fèi)托合成/加氫異構(gòu)制備噴氣燃料性能指標(biāo)

1.3 煤焦油深度轉(zhuǎn)化法

煤焦油是煤熱解生產(chǎn)半焦同時(shí)得到的液相產(chǎn)物,常溫下為黑色粘稠液體,作為焦化產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物,在我國具備十分廣泛的來源,目前我國煤焦油產(chǎn)能已達(dá)到3 600萬t以上。我國從20世紀(jì)60年代由撫順石油化工研究院負(fù)責(zé)進(jìn)行煤焦油加氫方面的研究,先后出現(xiàn)了延遲焦化-加氫組合技術(shù)、全餾分固定床加氫技術(shù)、懸浮床加氫技術(shù)及沸騰床加氫技術(shù)等,目前該領(lǐng)域產(chǎn)能已達(dá)到900萬t以上,相比于其他工藝,煤焦油全餾分固定床加氫技術(shù)具有投資少、操作簡單、液相收率高等優(yōu)點(diǎn)。煤焦油加氫產(chǎn)品與煤直接液化生成油性質(zhì)相似,經(jīng)加氫深度轉(zhuǎn)化可實(shí)現(xiàn)高性能的液體燃料和化工原料的制備,是促進(jìn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用的有效途徑之一,也對(duì)制備高品質(zhì)航空航天和軍用燃料具有很高的研究價(jià)值和實(shí)際意義。

國內(nèi)利用煤焦油全餾分加氫制環(huán)烷基油技術(shù)對(duì)中低溫煤焦油進(jìn)行深度轉(zhuǎn)化,在航天煤油、噴氣燃料、軍用柴油等多方面均取得了一定的進(jìn)展。通過多段加氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了煤焦油中不飽和組分的超深度加氫,幾乎全部脫除了油品中的有害雜質(zhì)及不安定組分,最終可以將產(chǎn)品油中的硫、氮、金屬離子、芳烴等含量降至10-6甚至10-9水平,大量環(huán)烷烴的存在使其具有良好的體積熱值、物理熱沉及熱安定性,具有作為航空航天及軍事領(lǐng)域特種油品的潛質(zhì)。其中在航天煤油、噴氣燃料、超低凝柴油等方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,利用煤焦油深度轉(zhuǎn)化制得的煤基特種燃料已基本具備商業(yè)化運(yùn)行能力。

2 展望

燃料是產(chǎn)生飛行器推動(dòng)力的動(dòng)力來源,伴隨國際軍事競爭愈演愈烈,新型高性能戰(zhàn)機(jī)、高馬赫飛行器等新一代設(shè)備的問世,燃料需能夠提供更大的熱容,用來吸收發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生熱量,避免高溫對(duì)飛行器在大氣層中高馬赫飛行時(shí)的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性造成影響,新型煤基特種燃料因其優(yōu)異的高熱容、高熱值、高熱安定性、低凝點(diǎn)等獨(dú)特品質(zhì),有望在新時(shí)代空天戰(zhàn)略中爭得一席之地。

近年來,煤炭清潔利用領(lǐng)域有了長足的發(fā)展,無論從煤液相轉(zhuǎn)化還是從煤基液相產(chǎn)物加氫制高品質(zhì)燃料都有了突破性進(jìn)展,已經(jīng)具備了相應(yīng)的技術(shù)深度來發(fā)展軍用、航空航天等特種燃料。對(duì)于煤基燃料來說,充分發(fā)揮其獨(dú)特品質(zhì),開展煤基軍用、航空航天領(lǐng)域特種燃料的研究與應(yīng)用,有利于減輕我國對(duì)石油資源的依賴,保障戰(zhàn)略能源安全,具有較高的應(yīng)用前景。