張會成，付 偉，郭亞平，凌鳳香，高 波，程仲芊

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001； 2.中國石油化工股份有限公司科技部)

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風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定柴油十六烷值的方法研究

張會成1，付 偉2，郭亞平1，凌鳳香1，高 波1，程仲芊1

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001； 2.中國石油化工股份有限公司科技部)

簡述了風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定十六烷值的方法原理，利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機進行風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定柴油十六烷值的方法研究，研究了風(fēng)量與十六烷值的關(guān)系，采用8個不同十六烷值的柴油樣品對該方法的重復(fù)性進行考察，并與壓縮比法測定結(jié)果進行對比。結(jié)果表明：風(fēng)量與十六烷值呈非線性關(guān)系，通過參比燃料、利用內(nèi)插方法可以精確計算十六烷值；該方法在十六烷值為25～75范圍內(nèi)的測量重復(fù)性小于1.0個單位，與壓縮比法測定結(jié)果具有很好的一致性；風(fēng)量調(diào)節(jié)法具有油品適用范圍廣、十六烷值測定范圍寬、穩(wěn)定性好、節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)燃料和試樣、操作簡單的優(yōu)點，可以作為柴油十六烷值的測定方法。

十六烷值 風(fēng)量調(diào)節(jié) 壓縮比 柴油

柴油的發(fā)火性表示柴油的自燃能力，即柴油經(jīng)高壓壓縮后著火的難易程度，是柴油的重要使用性能之一，一般采用十六烷指數(shù)、衍生十六烷值或十六烷值來表征。目前，十六烷指數(shù)一般采用GBT 11139 或 SHT 0694 方法關(guān)聯(lián)計算[1-2]，衍生十六烷值采用 ASTM D6890[3]方法測定，十六烷值采用 GBT 386[4]方法測定。十六烷指數(shù)計算法是利用不同的物性關(guān)聯(lián)[5-6]，但由于關(guān)聯(lián)的物性存在分析誤差，以及組成結(jié)構(gòu)信息不全，導(dǎo)致計算結(jié)果偏差較大，特別是對含添加劑的柴油不適用。ASTM D6890 等容燃燒法測定衍生十六烷值采用模擬發(fā)動機，以正庚烷作為校正樣品，對溫度、壓力等參數(shù)的測量精確度要求高，需要多次進行預(yù)試驗滿足要求后，再進行多次統(tǒng)計試驗，條件要求苛刻。GBT 386 十六烷值測定法是一種壓縮比調(diào)節(jié)方法，該方法使用專用測試儀器，費用昂貴，操作難度大，而且耗時長，樣品用量大，維修、維護困難。因此，中國石化撫順石油化工研究院開發(fā)了一種新的柴油十六烷值測定方法，即風(fēng)量調(diào)節(jié)法[7]，對燃燒氣缸內(nèi)的溫度流場、壓力流場及空氣速度分布進行大量模擬研究，在理論上證實了該方法的科學(xué)性[8]。本課題利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機進行風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定十六烷值的方法研究，采用實際柴油樣品測定十六烷值，研究十六烷值與風(fēng)量的關(guān)系，考察測定結(jié)果的重復(fù)性，并與壓縮比法測定結(jié)果進行對比。

1 實 驗

1.1 試驗設(shè)備

FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機：單缸四沖程，缸徑×行程為 90 mm×90 mm，轉(zhuǎn)速(1 000±10) r/min，壓縮比 21，進油量 10 mL/(90 s±1.5 s)，噴油提前角 20°，發(fā)火延遲角 20°，噴油壓力(12.75±0.5) MPa，等容可變壓縮力調(diào)節(jié)范圍 0～20 kPa，風(fēng)量表讀數(shù)范圍 0～1 000。

ASTM CFR 十六烷值測定機：適用于GB/T 386標(biāo)準(zhǔn)(壓縮比法)，缸徑×行程為 82.5 mm×114.3 mm，轉(zhuǎn)速(900±9)r/min，進油量(13.0±0.2) mL/min，噴油提前角 13°，發(fā)火延遲角 13°，噴油壓力(10.30±0.34) MPa。

1.2 試驗原料

柴油樣品：由燃料調(diào)合得到 8 個不同十六烷值的柴油樣品(A～H)，其十六烷值分別為30，38，42，48，55，63，68，72。

檢驗燃料：2 個檢驗燃料樣品(J1和J2)，其十六烷值分別為42和53，美國菲利普斯石油公司生產(chǎn)。

2 風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定十六烷值的原理

2.1 十六烷值與自燃點的關(guān)系

烴類的十六烷值與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同結(jié)構(gòu)烴類的十六烷值見表1。對于純化合物而言，碳數(shù)多的直鏈烷烴，其十六烷值大于碳數(shù)少的直鏈烷烴；含支鏈烷烴的十六烷值較低，支鏈越多，十六烷值越低；芳烴的十六烷值最低，并且芳環(huán)數(shù)越多，十六烷值越低，芳環(huán)上含有烷烴取代基時可提高其十六烷值，取代基碳鏈越長十六烷值越高?；衔镒匀键c與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系[9]見表2。碳數(shù)多的直鏈烷烴，其自燃點低于碳數(shù)少的直鏈烷烴；含支鏈的烷烴自燃點較高，支鏈越多，自燃點越高；芳烴的自燃點最高，并且芳環(huán)越多，自燃點越高，芳環(huán)上含有烷烴取代基時可降低自燃點，取代基碳鏈越長，自燃點越低。

表1 不同結(jié)構(gòu)烴類的十六烷值

表2 自燃點與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

上述結(jié)果說明十六烷值與自燃點有一定的關(guān)聯(lián)性，如圖1所示。十六烷值越高，自燃點越低。在風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定柴油十六烷值的研究中發(fā)現(xiàn)，燃料的起始燃燒溫度可以通過風(fēng)量調(diào)節(jié)來控制。在氣缸壓縮比固定的條件下，加大進入氣缸的空氣量(即增加風(fēng)量)，到達壓縮終了時的壓縮溫度升高，可以使高自燃點(低十六烷值)的燃料燃燒；而減少進入氣缸的空氣量(即減小風(fēng)量)，到達壓縮終了時的壓縮溫度降低，可以使低自燃點(高十六烷值)的燃料燃燒。

圖1 十六烷值與自燃點的關(guān)系

2.2 方法原理

風(fēng)量調(diào)節(jié)法采用固定“著火滯后期”(燃料噴射開始和燃燒開始之間的時間間隔)法測定柴油十六烷值。氣缸容積為固定值，燃燒室體積和工作體積都為恒定值，壓縮比固定在21，通過控制進入氣缸的空氣量，即風(fēng)量(以風(fēng)量表讀數(shù)表示)，來調(diào)節(jié)壓縮沖程終了時燃燒室內(nèi)的壓力和溫度。將試樣的著火性質(zhì)與已知十六烷值的參比燃料的著火性質(zhì)相比較，選擇十六烷值差值不大于5個單位的兩種參比燃料，以相同方法獲得精確的著火滯后期，當(dāng)試樣的風(fēng)量處于兩種參比燃料風(fēng)量之間時，用內(nèi)插法 [式(1)] 計算出試樣的十六烷值。風(fēng)量越大，壓縮沖程終了時燃燒室內(nèi)的壓力和溫度越高，所測定柴油的十六烷值越低；反之，風(fēng)量越小，壓縮沖程終了時燃燒室內(nèi)的壓力和溫度越低，所測定柴油樣品的十六烷值越高。

CN =L+(H-L)(ai-aL)(aH-aL)

(1)

式中：CN 為試樣的十六烷值；H為高參比燃料的十六烷值；L為低參比燃料的十六烷值；aH為高參比燃料的風(fēng)量表讀數(shù)；aL為低參比燃料的風(fēng)量表讀數(shù)；ai為試樣的風(fēng)量表讀數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 風(fēng)量與十六烷值的關(guān)系

利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機，采用風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定不同調(diào)合樣品的十六烷值，風(fēng)量與十六烷值的關(guān)系見圖2。由圖2可以看出，隨著樣品十六烷值的增加，風(fēng)量表讀數(shù)降低，即進入發(fā)動機氣缸的空氣量減少。由圖2中曲線形狀可知，風(fēng)量與十六烷值呈非線性關(guān)系。因此，本方法中選擇兩個十六烷值差值不超過5個單位的樣品作為參比燃料，試驗樣品的十六烷值在兩者之間，它們的風(fēng)量表讀數(shù)也有同樣的關(guān)系，在有限范圍內(nèi)把曲線近似成直線來進行內(nèi)插計算，既簡化了計算過程，又具有一定的合理性。

圖2 風(fēng)量與十六烷值的關(guān)系

3.2 風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定十六烷值的試驗驗證

3.2.1 檢驗燃料的驗證 采用風(fēng)量調(diào)節(jié)法對十六烷值分別為42和53的兩種進口檢驗燃料(J1、J2)分別測定9次，結(jié)果見表3。由表3可以看出，風(fēng)量調(diào)節(jié)法測得兩種檢驗燃料的十六烷值平均值分別為41.9和53.2，與實際值的絕對偏差分別只有0.1和-0.2個單位，說明該方法測定十六烷值具有很好的準(zhǔn)確性。

表3 檢驗燃料驗證結(jié)果

3.2.2 重復(fù)性試驗 采用8個不同十六烷值的柴油樣品(A～H)，考察風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定十六烷值的重復(fù)性。每個樣品分別進行9次測量，試驗結(jié)果見表4。由表4可以看出，風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定8個樣品十六烷值的極差為0.6～1.5，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值只有1.69%，說明該方法的重復(fù)性良好。

表4 重復(fù)性考察試驗結(jié)果

3.2.3 風(fēng)量調(diào)節(jié)法與壓縮比法的測量結(jié)果比較8個不同柴油樣品的風(fēng)量調(diào)節(jié)法與壓縮比法十六烷值測定結(jié)果對比見表5。從表5可以看出，對相同柴油樣品，采用風(fēng)量調(diào)節(jié)法與壓縮比法測定十六烷值的結(jié)果基本吻合，最大偏差小于2.0個單位。根據(jù)GBT 386精密度要求，在十六烷值為40～56范圍內(nèi)，用內(nèi)插法計算再現(xiàn)性誤差指標(biāo)，分別得到C，D，E樣品的再現(xiàn)性誤差指標(biāo)為2.8，3.8，4.8。因此風(fēng)量調(diào)節(jié)法與壓縮比法測定結(jié)果的偏差小于再現(xiàn)性誤差指標(biāo)，說明兩種方法的測量結(jié)果具有很好的一致性。

表5 風(fēng)量調(diào)節(jié)法與壓縮比法十六烷值測定結(jié)果對比

4 結(jié) 論

(1)通過風(fēng)量調(diào)節(jié)法可以測定十六烷值。隨燃料十六烷值增大，風(fēng)量降低。風(fēng)量與十六烷值呈非線性關(guān)系，采用兩個十六烷值差值不超過5個單位的參比燃料，利用內(nèi)插方法可簡便、準(zhǔn)確地計算十六烷值。

(2)風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定燃料十六烷值具有很高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，與傳統(tǒng)壓縮比法有很好的一致性。風(fēng)量調(diào)節(jié)法具有油品適用范圍廣、十六烷值測定范圍寬、穩(wěn)定性好、節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)燃料和試樣，操作簡單的優(yōu)點，可以作為燃料十六烷值測定的標(biāo)準(zhǔn)方法。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GBT 11139 餾分燃料十六烷指數(shù)計算法[M]石油和石油產(chǎn)品試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)匯編(中).北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016：573-576

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.SHT 0694 中間餾分油燃料十六烷指數(shù)計算法 四變量公式法[M]石油和石油產(chǎn)品試驗方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編(第三分冊).北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：30-34

[3] ASTM D6890，Standard Test Method for Determination of Ignition Delay and Derived Cetane Number(DCN)of Diesel Fuel Oils by Combustion in a Constant Volume[S]

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GBT 386柴油十六烷值測定法 [M]石油和石油產(chǎn)品試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)匯編(上).北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016：121-155

[5] 任連嶺，張越鵬，張慶東，等.柴油發(fā)火性評價方法及其相關(guān)性研究[J].石油商技，2010，28(3)：78-81

[6] 李虎.十六烷值關(guān)聯(lián)方法綜述[J].煉油與化工，2012，23(6)：4-7

[7] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GBT 33298—2016 柴油十六烷值的測定 風(fēng)量調(diào)節(jié)法[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016

[8] 張會成，付偉，郭亞平，等.風(fēng)量調(diào)節(jié)法測定柴油十六烷值的燃燒模擬研究[J].石油煉制與化工，2017，48(7)：17-21

[9] 陳波水，嚴正澤，朱鐘敏，等.柴油自燃點與十六烷值對應(yīng)關(guān)系[J].石油煉制，1990，21(5)：50-53

DETERMINATION OF DIESEL CETANE NUMBER BY AIR FLOW CONTROL

Zhang Huicheng1， Fu Wei2， Guo Yaping1， Ling Fengxiang1， Gao Bo1， Cheng Zhongqian1

(1.SINOPECFushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，F(xiàn)ushun，Liaoning113001； 2.SINOPECDepartmentofScienceandTechnology)

Method for cetane number determination was studied by air flow control with FCD-Ⅱ cetane number tester.The principle for air flow control was introduced.The relations between air flow and cetane number were tested，the repeatability of the method was investigated for 8 samples having different cetane number were conducted，and the results were compared with that by compression ratio.The results show that the air flow has a nonlinear relationship with the cetane value.The cetane number can be calculated by interpolation method.Repeatability bias of cetane numbers measured is less than 1.0 in the range of 25 to 75，which is in good agreement with the compression ratio method.

cetane number； air flow control； compression ratio； diesel

2017-01-10； 修改稿收到日期： 2017-04-15。

張會成，博士，教授級高級工程師，研究方向為石油產(chǎn)品檢測技術(shù)及分子結(jié)構(gòu)表征，公開發(fā)表論文50余篇，申請專利20余項，獲得中國石化科技進步二等獎1次、三等獎1次。

張會成，E-mail：zhanghuicheng.fshy@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(713027)。