煤直接液化生产的喷气燃料净热值测定方法研究

邓 川，肖 勇，仇义霞，柳 华

(中国民用航空总局第二研究所，成都 610041)

飞机发动机将燃料中的能量转化为动能和热能，从而推动飞机前进。净热值是燃料能量含量的指标，直接影响了飞机发动机燃油消耗的计算，决定了飞行的航程[1]。

煤直接液化是将固体原煤在高温高压下进行加氢反应，从而使煤直接转化为液体油品的工艺[2]。我国自20世纪70年代开展煤直接液化研究以来[1]，于2008年底成功建成世界首座年处理能力百万吨级煤直接液化示范项目[3]。煤直接液化生产的喷气燃料(简称煤直接液化喷气燃料)具有高密度、高闪点、低冰点和富含环烷烃等特点[2]，是我国重要的航空替代燃料[4]。由于原料和工艺的差异，煤直接液化喷气燃料虽然能满足3号喷气燃料国家标准GB 6537的各项指标要求[5]，但其构成主体却是环烷烃，这与石油基的3号喷气燃料组成差异较大[6-7]。煤直接液化喷气燃料净热值测定方法缺少研究，现行测试均按照3号喷气燃料的方法进行[6，8]，计算法GBT 2429和氧弹法GBT 384均在使用。在国外，新型喷气燃料的评估标准ASTM D4054规定[9]，净热值的测定应根据仲裁方法ASTM D4809进行，即使用氧弹法进行直接测定；在明确新燃料符合某种计算法后，方可使用计算法进行。

本研究对煤直接液化喷气燃料的净热值测定方法进行初步研究，探讨国内外喷气燃料净热值测定方法对煤直接液化喷气燃料的适用性。

1 实 验

1.1 仪 器

自动氧弹量热仪(型号C2000，IKA公司生产)，石油产品烃类组成测定仪(型号14060-0，SETA公司生产)，能量色散X射线荧光光谱仪(型号X-Supreme8000，Oxford公司生产)，苯胺点测定仪(型号K10290，Koehler公司生产)，高效液相色谱仪(型号Flexar，PE公司生产)。

1.2 样 品

试验所用样品如表1所示，1号和2号样品出厂指标均满足GB 6537的各项要求，煤直接液化喷气燃料来源于中国神华煤制油化工有限公司，分为两个批次(3号和4号样品)，5号样品为1号和3号样品按质量比1∶1混合的喷气燃料，6号样品为2号和4号样品按质量比1∶1混合的喷气燃料。

表1 样品信息

1.3 试验方法

本研究对上述样品进行了包括计算法和氧弹法两种类型5个标准测试方法的净热值测定，分别为GBT 2429,ASTM D3338,ASTM D4529,GBT 384,ASTM D4809。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

样品芳烃含量、密度、馏程、硫含量、苯胺点等指标和采用不同标准方法得到的净热值分别见表2和表3。

表2 部分指标实验结果

表3 不同标准方法得到的净热值 MJkg

表3 不同标准方法得到的净热值 MJkg

样品编号GB∕T2429ASTMD4529ASTMD3338ASTMD4809GB∕T384143.34543.36343.39243.38743.222243.41543.42543.45343.46643.296342.99142.95543.16543.23243.044442.99242.95943.18343.27043.081543.14743.14543.25243.31143.140643.16643.16243.28643.36543.164

2.2 讨 论

2.2.1 测试方法本研究使用的5种净热值测试方法的对比情况如表4所示[10-14]，这5种方法是GB 6537、ASTM D1655和Def Stan 91-091等国内外民用喷气燃料主要产品标准使用的净热值测试方法。

采用计算法进行估算的3个标准方法均建立在经验数据的基础上，要求样品与石油基燃料差异不能太大，差异越大，误差越大。GBT 2429和ASTM D4529方法均为苯胺点计算法，需要的数据一致，但数据的单位和计算公式不同。GBT 2429使用的是苯胺点(℉)、API重度(60 ℉，约15.6 ℃)和硫含量，根据样品类型不同，分为4个不同公式，分别适用于航空汽油、3号喷气燃料、4号喷气燃料和5号喷气燃料；ASTM D4529则直接使用国际单位制的苯胺点、密度和硫含量即可，计算式为单一公式。ASTM D3338方法需要样品挥发性数据(馏程)、芳烃含量、密度和硫含量，计算式为单一公式。

表4 净热值测试方法对比

目前，由于市场上只有符合ASTM D4809方法的自动化实验仪器，大多数按照GBT 384方法测定净热值数据时所使用的仪器实际为符合ASTM D4809的仪器，酸生成热值和水汽化热值测定则按照GBT 384的方法进行。本研究按GBT 384方法测定净热值数据时也是如此。

2.2.2 测试结果目前，国际上航空燃料净热值测试的仲裁标准是ASTM D4809，这也是国际上新型喷气燃料评估试验时中规定的净热值测试方法。根据表3，以ASTM D4809的数据为基准，计算了其他标准方法数据与之的差值，如表5所示。

表5 不同标准方法净热值数据与ASTM D4809方法数据的差值 MJkg

表5 不同标准方法净热值数据与ASTM D4809方法数据的差值 MJkg

样品编号123456GB∕T 2429-0.042-0.051-0.241-0.278-0.164-0.199ASTM D4529-0.024-0.041-0.277-0.311-0.166-0.203ASTM D33380.005-0.013-0.067-0.087-0.059-0.079GB∕T 384-0.165-0.170-0.188-0.189-0.171-0.201

由表5可知，无论是纯的煤直接液化喷气燃料还是混合燃料，净热值结果差值明显。其中，苯胺点计算法差值最大，ASTM D3338方法差值最小。就样品来看，对于纯的煤直接液化喷气燃料，苯胺点计算法与ASTM D4809差值达0.3 MJkg左右，ASTM D3338差值约0.1 MJkg，GBT 384差值约0.2 MJkg。对于混合样品，苯胺点计算法与ASTM D4809差值约0.2 MJkg，ASTM D3338差值约0.1 MJkg，GBT 384差值仍为0.2 MJkg左右。对于纯的3号喷气燃料，3种计算法的数据相互差异不大，与ASTM D4809差异也不明显，最大差值约0.05 MJkg；GBT 384与ASTM D4809仍差异较大，相差约0.2 MJkg。就测试方法来看，对于苯胺点计算法，纯的煤直接液化喷气燃料结果明显偏低，差值达0.3 MJkg，混合燃料差值有所减小，3号喷气燃料差值最小。对于ASTM D3338方法，纯的煤直接液化喷气燃料和混合燃料结果均偏低0.1 MJkg左右，混合燃料差值略小，3号喷气燃料则差值不明显。对于GBT 384方法，所有样品均明显偏低，且差值相互差异不大，均为0.2 MJkg左右。

Qn=Qg-0.212 2H

(1)

Qn=Qg-0.226 1H

(2)

式中：Qn为净热值，MJkg；Qg为总热值，MJkg；H为样品氢质量分数，%。

系数的差异将不可避免地引入一个差值，对于3号喷气燃料(氢质量分数为14%左右)，这个差值约为0.2 MJkg。GBT 384在引入该系数时，取氧弹中水蒸气每1%(0.01 g)在凝结时释放的潜热为25.12 J，这个数值实际是一个近似值。从该系数的定义来看，其未考虑恒容热值转换为恒压热值的换算系数。ASTM D4809引入的系数则综合考虑了25 ℃下水蒸气凝结时释放的潜热和恒容热值换算成恒压热值的系数。

3 结 论

煤直接液化喷气燃料的组成与3号喷气燃料差异较大，在净热值测试时，与ASTM D4809相比，GBT 2429、ASTM D3338及ASTM D4529等计算类标准方法的结果不同程度偏低，特别是苯胺点计算法，与其他方法相比偏低明显；GBT 384 则存在明显偏低的系统误差。国内煤直接液化喷气燃料在研制和生产时，通常以符合GB 6537标准的3号喷气燃料的指标为目标，目前常用的净热值测试方法(GBT 2429，GBT 384)容易导致结果明显偏小。因此，对于煤直接液化喷气燃料，若其净热值数据准确度要求较高，建议使用ASTM D4809方法进行精确测试；若没有特别要求，考虑到方法的简易程度，建议使用ASTM D3338方法进行计算即可。