高热安定性喷气燃料的研究

兰 迪

（中国石油天然气销售西部事业部，新疆 乌鲁木齐 830019）

喷气燃料是国民经济的重要能源，它作为飞机的血液在飞机的发展过程中起着重要作用，尤其是喷气燃料的质量问题关系到飞机的性能与安全。航空技术发展对喷气燃料质量的要求越来越高，随着飞行器速度的提升，未来航空燃料不仅起推进剂作用，还要用作冷却剂为飞行器的过热部件降温，更要求燃料具有优良的热安定性［1］。

1 影响发动机燃料热安定性的因素

燃料的高温热氧化安定性是指燃料在高温和氧气存在条件下抵抗氧化变质的能力，特别是燃料在高速飞行过程中抵抗氧化，减少氧化产物危害的性能。

燃料主要是由各类烃类物质组成，燃料氧化的实质是烃类的氧化，烃类氧化是按照自由基链反应进行的，表现为相当复杂的物理化学过程。

在相同的外部条件下，对燃料热氧化安定性起决定作用的因素是燃料的组成，即在沉淀物生成过程中，起主要作用的是燃料的烃类组成、非烃化合物和氧化产物。

烃类组成对高温下沉淀物的生成有很大的影响。燃料受热时，按各种烃类产生沉淀物的倾向，有如下排序：

烷烃、环烷烃＜单环芳烃＜双环芳烃＜烯烃＜烯基单环芳烃＜烯基双环芳烃［2］。

导致燃料热安定性降低的原因有3个。

（1）燃料本身含有不安定性的化学组分，如烯类芳烃、硫醇等；

（2）一些不安定性组分在受到外界因素影响后发生化学变化，生成胶质、沉淀等物质使燃料品质变坏；

（3）在特殊的环境下，燃料中的安定组分受热发生裂解缩合反应，生成沉淀［3］。

2 高热安定性燃料的研制方案

根据前人理论研究的成果，燃料的化学组成是燃料性质的决定性因素。

研究表明：随着异构烷烃和正构烷烃含量的减少，环烷烃和单环芳烃含量的增加，燃料的热安定性升高［4］。

为了得到某种产品，在原料的选择上应采用接近目的产品要求的组成的原料为佳。产品的组成与选择的原料、工艺过程等密切相关。

2.1 原料的选择

某公司加工的主要原油性质见表1。

表1 原油主要性质

某公司加工的原油性质稳定，分为3种。

（1）原油1 为低硫中间基原油，原油密度较高，凝点较低，轻质油收率低；

（2）原油2 为环烷中间基原油，原油密度大，酸值低，轻质油收率低；

（3）原油3 为低硫中间基原油，密度适中，酸值低，凝点低，轻质油收率较高。

2.2 工艺的选择

生产航煤的工艺路线主要有加氢精制和加氢裂化 2种［5］。

加氢裂化航煤是指减压馏分油在高温、高压、临氢及催化剂存在下，进行加氢、脱硫、脱氮、分子骨架结构重排和裂解等反应的1种催化转化过程。加氢裂化工艺具有优异的芳烃饱和、选择性断环以及烃类异构化的性能，工艺决定产品的热安定性较加氢航煤有较大提高。因此，对加氢裂化原料蜡油开展评价，结果见表2。

表2 蜡油馏分段性质

从表2数据可知，3种原油蜡油金属含量较低，总芳烃含量在25.2%~49.6%。

2.3 工艺条件的确定

（1）反应压力。反应压力是加氢裂化过程的重要参数，反应压力越高对加氢裂化反应过程越有利。对受平衡限制的芳烃加氢反应，压力的影响尤为明显，加氢裂化过程中，精制段的目的主要是降低原料中硫、氮含量，防止裂化催化剂中毒，同时饱和部分芳烃，有利于提高裂化催化剂的活性。氢分压对芳烃饱和反应有较大影响，蜡油原料A不同压力下精制油中芳烃含量的变化见表3。

表3 氢分压对芳烃饱和的影响

结果表明，氢分压对芳烃饱和影响明显，随着反应氢分压从15 MPa 降低到8 MPa，精制油中单环、双环和三环及三环以上芳烃含量分别从4.2%，1.2%，0.7%升高到15.4%，3.7%，4.2%。

法国 IFP 研究院研究表明［6］，将 VGO 原料在14 MPa 压力下加氢精制，得到只含有烷烃和环烷烃的生成油。因此为使产品中含有更多环烷烃并尽可能提高芳烃转化率，将多环芳烃饱和成单环芳烃，必须选择较高的反应压力。当加工环烷基原油和中间基原油生产的减压蜡油时，蜡油含有较多多环芳烃，建议反应压力控制在15 MPa。

（2）反应温度。反应温度既影响精制段反应器原料油的加氢脱硫、脱氮深度，也影响裂化段反应器的单程转化率、产品分布及产品性质。选用原料A，在氢分压15 MPa、体积空速1.0 h-1、氢油体积比1 000 的条件下，考察温度对芳烃饱和的影响，实验结果见表4。

表4 温度对芳烃饱和的影响

随着温度升高，三环及以上芳烃含量降低不再明显，说明再提高温度，对芳烃饱和所起作用有限。原因是加氢是放热反应，提高反应温度不利于加氢反应的化学平衡，研究［7］表明，由于受热力学平衡控制，多环芳烃第1个芳环的加氢反应受动力学控制，当温度很高时，受热力学平衡影响，继续升高温度不会提高芳烃脱除率。因此，温度控制在360 ℃比较适宜。

（3）体积空速。空速反映的是进料速度和物料的平均停留时间，空速的大小对于流体分布、催化剂表面的润湿程度及流体滞留量和反应时间均有影响。选用原料A，在氢分压15 MPa，反应温度360 ℃，氢油体积比1 000的条件下，考察空速对芳烃饱和的影响，实验结果见表5。

表5 体积空速对芳烃饱和的影响

体积空速对芳烃饱和影响较大，随着空速增加，多环芳烃饱和程度明显降低。

（4）氢油比。选用原料A，在氢分压15 MPa，反应温度360 ℃，空速1.0 h-1的条件下，考察氢油比对芳烃饱和的影响，实验结果见表6。

表6 氢油比对芳烃饱和的影响

氢油比在1 000 时，芳烃饱和率较高，原因是氢油比增加对传质传热起到强化作用，增加了反应深度；氢油比增加到一定程度后，易使原料在反应器上停留时间缩短，未反应的氢气会带走部分反应热，使温升下降，从而使加氢反应活性下降。

3 高热安定性燃料的生产

选择2 种中间基原油按一定的比例混合得到的减压蜡油供加氢裂化装置加工，得到了高热安定性航煤产品［8］，主要理化指标见表7。对航煤样品采用综合鉴定法进行了评定，结果见表8。

表7 高热安定性航煤性质

表8 综合鉴定法评定结果

表8中数据表明，生产的高热安定性燃料满足综合鉴定法中要求的热安定性要求。

4 结束语

烃类组成对高温下燃料热安定性有较大的影响，当燃料受热时，按各种烃类产生沉淀物的倾向，排序为：烷烃、环烷烃＜单环芳烃＜双环芳烃＜烯烃＜烯基单环芳烃＜烯基双环芳烃。通过优化原料组成，采用加氢裂化工艺可生产出满足技术要求的高热安定性燃料并通过了专业部门鉴定。