煤基直接液化低凝点柴油试验研究

熊春华, 安高军, 鲁长波, 贾振斌, 陈茂山, 张继明

(1.中国人民解放军总后勤部油料研究所,北京 102300;2.中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古鄂尔多斯 017209)

煤基直接液化低凝点柴油试验研究

熊春华1, 安高军1, 鲁长波1, 贾振斌2, 陈茂山2, 张继明2

(1.中国人民解放军总后勤部油料研究所,北京 102300;2.中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古鄂尔多斯 017209)

通过化学组成分析、理化性能分析和发动机台架试验研究典型煤基直接液化柴油与石油基柴油的差异性及其产生原因,提出油品质量改进措施,分析煤基直接液化低凝点柴油使用的可行性。结果表明:煤基直接液化柴油主要由环烷烃组成(质量分数达90%),碳数分布集中,具有凝点(低于-60 ℃)低、密度大、体积热值高和十六烷值略低等特点以及良好的发动机适应性;现有的煤基直接液化柴油经过适当的提质处理后可以直接作为低凝点柴油使用。

煤基柴油; 直接液化; 低凝点柴油; 台架试验; 可行性

中国石油对外依赖程度超过60%[1],煤基合成燃料由于具有组成与石油基燃料接近、高清洁、高品质等优点被认为是首选的替代能源[2-3]。开发煤基合成燃料意义重大[4]。神华集团于2008年投入运行的世界第一条百万吨级煤炭直接液化生产线使中国的煤基直接液化合成燃料技术处于世界领先地位[5-7]。笔者通过化学组成分析、理化性能分析和发动机台架试验,研究煤基直接液化柴油与石油基柴油的差异性,提出油品质量改进措施,分析煤基直接液化柴油作为低凝点柴油使用的可行性。

1 试 验

1.1 试验油样

采集国内现有生产的典型煤基直接液化柴油馏分油和成品油各两个样品(神华集团生产),分别命名为神华1～4号,其中神华2和4号样品是分别在神华1号和3号馏分油的基础上加有十六烷值改进剂和润滑性改进剂调合而成的成品油。采集-35号、-50号军用柴油各1个样品(编号依次为军柴3号、军柴5号)和1个-35号轻柴油样品(编号轻柴3号)作为实物对比油样。

1.2 试验方法

按照《中间馏分烃类组成测定法(质谱法)》(SH/T 0606-94),测定油样烃类族组成;采用飞行时间质谱,按照石油化工科学研究院方法《GC/TOF法分析柴油碳数分布》测定油样碳数分布;按照《石油产品及润滑剂中碳、氢、氮测定法(元素分析仪法)》(SH/T 0656-1998,2004)测定油样碳氢元素组成,分析煤基直接液化柴油与石油基柴油在化学组成方面的差异性。

按照军用柴油(GJB3075-97)、轻柴油(GB 252-2011)和车用柴油(GB19147-2013)现行标准的技术指标要求,对煤基直接液化柴油进行理化性能分析,考察煤基直接液化柴油与石油基柴油在理化性能方面的差异性。

选用某型装甲装备发动机,按照《装甲车辆柴油机台架试验》(GJB5464-2005)中规定的试验方法,进行燃用煤基直接液化柴油的发动机外特性和负荷特性试验,考察煤基直接液化柴油在装备发动机上的适应性。

2 结果分析

2.1 化学组成、理化性能

2.1.1 化学组成

(1)烃类族组成。表1为煤基直接液化柴油和石油基柴油的烃类族组成分析结果。可以看出,煤基直接液化柴油与石油基柴油均由链烷烃、环烷烃和芳烃三大类化合物组成,但两种柴油中这三大类化合物的组成含量相差甚远。其中,煤基直接液化柴油中绝大部分化合物是环烷烃,其质量分数达90%,其中以一环烷烃和二环烷烃为主,二者含量达80%,但链烷烃(不超过10%)和芳烃(不超过2%)质量分数较小。相比之下,石油基柴油的组成非常复杂,不仅含有大量的链烷烃(35.3%～46.5%)和环烷烃(37.7%～46.0%),还含有数量众多的单环、双环和三环芳烃(芳烃总含量为15.8%～20.6%)。造成煤基直接液化柴油与石油基柴油在烃类族组成方面显著差异的原因在于二者所用生产原料和生产工艺的不同。煤基直接液化柴油是以煤炭为原料,经过热解加氢、液化油加氢稳定和裂化加氢等3次高温、高压加氢反应生产得到。煤炭主要由一些具有芳香性的环状大分子组成,在经过高温、高压加氢反应后,这些结合在一起的芳香性环状大分子结构被打破,变为小分子的环状物质,同时芳香环被加氢饱和,因此煤基直接液化柴油主要由环烷烃,特别是一环烷烃和二环烷烃组成[8-9]。相比之下,石油基柴油是以原油为生产原料,经过常减压蒸馏、催化裂化、加氢精制、加氢裂化等工艺生产得到。由于原油组成非常复杂,在经过一系列的加工处理后,得到的柴油中往往同时含有大量的链烷烃、环烷烃和芳烃[10]。

表1 油样烃族组成分析结果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链烷烃决定,链烷烃含量越高则十六烷值越高,密度越小,反之亦然;低温流动性能主要由一环烷烃决定,一环烷烃含量越高则凝点越低,反之亦然。煤基直接液化柴油中大量环烷烃的存在会使其具有低温性能好、密度大和十六烷值低等特点。

(2)碳数分布。图1给出煤基直接液化柴油(神华1、3号)和石油基柴油的碳数分布测定结果。可以看出,煤基直接液化柴油的碳数分布为C8～C16,主要集中在C10～C14;石油基柴油的碳数分布为C9～C20,主要集中在C11～C17。这一结果表明,与石油基柴油相比,现有煤基直接液化柴油的碳数分布非常集中,但低碳数轻组分较多,这会导致其馏程、闪点和运动黏度等指标降低。

图1 煤基直接液化柴油与石油基柴油碳数分布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数分布主要集中在C10～C14的原因在于其主要是由一环烷烃、二环烷烃和三环烷烃组成。以二环烷烃为例,若其不含侧链,则为C10;若含有侧链,则超过C10,但限于生产工艺,这种环上的侧链不会过多过长,因此碳数大多集中在C14以内。相比之下,石油基柴油中则同时含有大量的链烷烃、环烷烃和芳烃,导致其碳数分布非常宽泛。

(3)碳氢元素组成。表2为不同油样中碳氢元素组成分析的结果。从表2看出,与石油基柴油相似,煤基直接液化柴油也主要由碳氢元素组成,但由于其主要由环烷烃组成,导致H/C原子比低于含有大量链烷烃的石油基柴油,这使其质量热值低于石油基柴油。由于密度大,煤基直接液化柴油反而具有更大的体积热值。在发动机燃油箱容积受限的情况下,更大的体积热值意味着能有效增加所携带的能量,从而增加装备行驶距离,或在保持性能不变的情况下,可减小燃油箱容积,提高装备的机动性。由此可知,煤基直接液化柴油具有很高的应用价值。

表2 油样碳氢元素组成分析结果Table 2 Analysis results of diesel carbon and hydrogen components

2.1.2 理化性能

表3和表4分别为煤基直接液化柴油和石油基柴油按照现行柴油标准测定的理化性能分析结果。

表3 煤基直接液化柴油理化性能分析结果

可以看出,煤基直接液化柴油馏分油(神华1、3号)具有如下特点:①外观清澈透明(几乎无色),低温性能优异(凝点、冷滤点极低);②安定性能良好,表现在氧化安定性总不溶物含量低、10%蒸余物残炭含量低、实际胶质含量极低;③抗腐蚀性能良好,表现在硫含量(小于1 mg/kg)极低、铜片腐蚀达到最高等级(1a)、酸度值为0,且不含有水溶性酸或碱;④洁净性能良好,表现在不含有水分和机械杂质、固体颗粒污染物含量低、灰分含量小;⑤密度大,运动黏度偏低;⑥安全性能较好,闪点较高,可以满足-35号和-50号柴油标准要求,低于-35号和-50号军柴油样闪点;⑦着火性能较好,十六烷值可以满足-35号和-50号军用柴油标准要求的最低值,明显低于对比油样的十六烷值;⑧馏分偏轻,馏程指标中的10%回收温度偏低;⑨润滑性能稍差,磨痕直径不能满足标准要求,稍大于对比油样测定结果。

表4 石油基柴油理化性能分析结果

2.1.3 应用分析

根据油样化学组成与理化性能的分析结果,从煤基直接液化柴油自身组成结构和理化性质的角度,分析其作为军用柴油、轻柴油和车用柴油使用的可行性。

化学组成分析结果表明,煤基直接液化柴油与石油基柴油组成相似,均属于碳氢烃类物质,都主要由链烷烃、环烷烃和芳烃组成,因此从组成结构角度来说煤基直接液化柴油作为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环烷烃含量很高(可达90%),这使其性质与石油基柴油有所差别,主要体现在凝点极低、密度大和十六烷值偏低等方面。

由表3理化性能分析数据可知,煤基直接液化柴油的低温性能优异,具备作为-35号或-50号低凝点军用柴油、轻柴油和车用柴油使用的潜力。对比分析表3、表4看出,煤基直接液化柴油馏分油(神华1、3号)除5项指标不太理想(十六烷值、闪点、运动黏度、10%回收温度、润滑性),其余指标均可满足现行军用柴油标准(GJB 3075-97)要求,且大部分指标远优于标准要求以及实物油样。其中,十六烷值偏低是由于煤基直接液化柴油馏分油主要由环烷烃组成,链烷烃太少所致;闪点、运动黏度、10%回收温度偏低是由于现有煤基直接液化柴油中含有较多的低碳数轻组分造成;润滑性差则主要是由于在煤直接液化过程中的深度加氢处理工艺将油品中绝大部分具有润滑功能的极性物质脱除掉所致。

煤基直接液化柴油馏分油除了十六烷值和润滑性指标不太理想外,其余指标远优于轻柴油标准要求(GB 252-2011)以及实物油样测定结果。通过与现行车用柴油标准(GB19147-2013)比较分析可知,在作为车用柴油可行性方面,煤基直接液化柴油馏分油除十六烷值和润滑性指标不能满足标准要求外,其余指标均远远优于标准要求。

综合上述分析可以看出,现有的煤基直接液化柴油馏分油虽然不能直接作为军用柴油、轻柴油和车用柴油使用,但其优异的品质显示出完全具备作为军用柴油、轻柴油和车用柴油的潜力,特别是其具有凝点低、密度大、体积热值高和安定性好等特点,将是一种非常理想的生产低凝点军用柴油、轻柴油和车用柴油的组分。这种煤直接液化馏分油经过适当的提质处理,如通过馏分切割去除低碳数组分或有针对性地使用功能提质添加剂(见神华2、4号成品油分析结果,在加入十六烷值和润滑性改进剂后,煤直接液化柴油的十六烷值、润滑性等指标明显改善),完全可以直接作为低凝点的军用柴油、轻柴油和车用柴油使用。

2.2 发动机台架试验

某型装甲装备发动机燃用煤基直接液化柴油后,起动正常,工作平稳柔和,完成动力性和燃油经济性试验。

2.2.1 动力性

从图2看出,4种油样(神华3、4号和-35号、-50号军柴)的功率、扭矩变化趋势一致,其中功率随转速的增加而升高,扭矩随转速的增加先升高后降低,最大扭矩点均在1 400 r/min。与-35号和-50号军柴相比,神华3号、神华4号在外特性各点功率、扭矩均有所提高,特别是神华4号成品油在中速条件下(1 600～1 800 r/min)提高的幅度更大。与-35号军柴相比,神华4号功率最大提高幅度为1.86%(1 600 r/min),扭矩最大提高幅度为1.86%(1 600 r/min);与-50号军柴相比,神华4号的功率最大提高幅度为3.27%(1 800 r/min),扭矩最大提高幅度为3.28%(1 800 r/min)。总之,煤基直接液化柴油能够提高装甲装备柴油机的动力性,特别是加有十六烷值改进剂的成品油提高幅度更大。

装备燃用煤基直接液化柴油后动力性提高的原因在于煤基柴油具有更大的密度和体积热值(表2)。由于该型装备发动机的高压喷油泵为柱塞式体积泵,每次供油的体积是确定的,煤基直接液化柴油具有更大的密度和体积热值,每次喷入发动机燃烧室的柴油质量更大,燃烧产生的热量就更多,则对外做功更多,从而使得发动机获得更高的输出功率和扭矩,表现为装备动力性提高[12]。

图2 不同转速时的功率和扭矩变化曲线Fig.2 Power and torque curves of different speeds

2.2.2 燃油经济性

图3为额定转速(2 000 r/min)、常用转速(1 750 r/min)和最大扭矩点转速(1 400 r/min)下燃用神华3号、神华4号和-35号、-50号军柴时发动机的燃油质量消耗率变化曲线。可以看出,4种油品的燃油质量消耗率普遍随着负荷的增加而逐渐降低。对比分析可以看出,在3种速度条件下,除个别试验点外,神华4号成品油的燃油质量消耗率均略高于其他3种油品,神华3号馏分油的燃油质量消耗率与-35号军柴较为接近,-50号军柴的燃油消耗率则最低。造成这一现象的原因在于,一方面煤基柴油具有更大的密度和体积热值(表2),发动机在燃用煤基柴油时的供油量更大,过量空气系数有所减小,多喷入燃烧室的煤基柴油没有得到完全燃烧,热量没有完全释放,导致发动机的功率虽然有所提高,但其提高的幅度没有供油量增加的幅度大,从而使得发动机燃油质量消耗率略有增加;另一方面煤基柴油的质量热值略低于石油基柴油,单位质量煤基柴油燃烧所释放出的热量略低于石油基柴油,从而使得发动机燃用煤基柴油时的燃油质量消耗率略有增加[12]。

图3 不同负荷时的燃油质量消耗率曲线Fig.3 Specific fuel consumption curves of different loads

综合发动机台架试验看出,装甲装备柴油机燃用煤基直接液化柴油后虽然燃油质量消耗率略有增加,但起动正常,工作平稳柔和,动力性有所提高。总体而言,煤基直接液化柴油在装甲装备发动机上具有良好的适应性。

3 结 论

(1)煤基直接液化柴油与石油基柴油组成相似,均属于碳氢烃类物质,都主要由链烷烃、环烷烃和芳烃组成。但煤基直接液化柴油中环烷烃含量很高(可达90%),这使其具有凝点极低、密度大、体积热值高、硫含量超低、安定性好、十六烷值略低和碳数分布集中等特点。

(2)装甲装备柴油机燃用煤基直接液化柴油后起动正常,工作平稳柔和,动力性有所提高,燃油质量消耗率略有增加,在装甲装备发动机上具有良好的适应性。

(3)现有的煤基直接液化柴油馏分油虽然不能直接作为军用柴油、轻柴油和车用柴油使用,但其优异的品质显示出完全具备作为军用柴油、轻柴油和车用柴油使用的潜力,其经过适当提质处理后,具备直接作为低凝点柴油使用的可行性。

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(编辑 刘为清)

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

全军后勤重点项目(BX210J004)

熊春华(1966-),男,高级工程师,博士,研究方向为军事能源。E-mail:xch@263.net.cn。

安高军(1980-),男,高级工程师,博士,研究方向为军事能源。E-mail:angaojun2013@163.com。

1673-5005(2017)05-0181-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.023

TQ 529.1

A

熊春华,安高军,鲁长波,等.煤基直接液化低凝点柴油试验研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),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.