鄧 川，肖 勇，仇義霞，柳 華

(中國(guó)民用航空總局第二研究所，成都 610041)

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料中的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和熱能，從而推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。凈熱值是燃料能量含量的指標(biāo)，直接影響了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的計(jì)算，決定了飛行的航程[1]。

煤直接液化是將固體原煤在高溫高壓下進(jìn)行加氫反應(yīng)，從而使煤直接轉(zhuǎn)化為液體油品的工藝[2]。我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)展煤直接液化研究以來(lái)[1]，于2008年底成功建成世界首座年處理能力百萬(wàn)噸級(jí)煤直接液化示范項(xiàng)目[3]。煤直接液化生產(chǎn)的噴氣燃料(簡(jiǎn)稱煤直接液化噴氣燃料)具有高密度、高閃點(diǎn)、低冰點(diǎn)和富含環(huán)烷烴等特點(diǎn)[2]，是我國(guó)重要的航空替代燃料[4]。由于原料和工藝的差異，煤直接液化噴氣燃料雖然能滿足3號(hào)噴氣燃料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6537的各項(xiàng)指標(biāo)要求[5]，但其構(gòu)成主體卻是環(huán)烷烴，這與石油基的3號(hào)噴氣燃料組成差異較大[6-7]。煤直接液化噴氣燃料凈熱值測(cè)定方法缺少研究，現(xiàn)行測(cè)試均按照3號(hào)噴氣燃料的方法進(jìn)行[6，8]，計(jì)算法GBT 2429和氧彈法GBT 384均在使用。在國(guó)外，新型噴氣燃料的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4054規(guī)定[9]，凈熱值的測(cè)定應(yīng)根據(jù)仲裁方法ASTM D4809進(jìn)行，即使用氧彈法進(jìn)行直接測(cè)定；在明確新燃料符合某種計(jì)算法后，方可使用計(jì)算法進(jìn)行。

本研究對(duì)煤直接液化噴氣燃料的凈熱值測(cè)定方法進(jìn)行初步研究，探討國(guó)內(nèi)外噴氣燃料凈熱值測(cè)定方法對(duì)煤直接液化噴氣燃料的適用性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀 器

自動(dòng)氧彈量熱儀(型號(hào)C2000，IKA公司生產(chǎn))，石油產(chǎn)品烴類組成測(cè)定儀(型號(hào)14060-0，SETA公司生產(chǎn))，能量色散X射線熒光光譜儀(型號(hào)X-Supreme8000，Oxford公司生產(chǎn))，苯胺點(diǎn)測(cè)定儀(型號(hào)K10290，Koehler公司生產(chǎn))，高效液相色譜儀(型號(hào)Flexar，PE公司生產(chǎn))。

1.2 樣 品

試驗(yàn)所用樣品如表1所示，1號(hào)和2號(hào)樣品出廠指標(biāo)均滿足GB 6537的各項(xiàng)要求，煤直接液化噴氣燃料來(lái)源于中國(guó)神華煤制油化工有限公司，分為兩個(gè)批次(3號(hào)和4號(hào)樣品)，5號(hào)樣品為1號(hào)和3號(hào)樣品按質(zhì)量比1∶1混合的噴氣燃料，6號(hào)樣品為2號(hào)和4號(hào)樣品按質(zhì)量比1∶1混合的噴氣燃料。

表1 樣品信息

1.3 試驗(yàn)方法

本研究對(duì)上述樣品進(jìn)行了包括計(jì)算法和氧彈法兩種類型5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法的凈熱值測(cè)定，分別為GBT 2429,ASTM D3338,ASTM D4529,GBT 384,ASTM D4809。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

樣品芳烴含量、密度、餾程、硫含量、苯胺點(diǎn)等指標(biāo)和采用不同標(biāo)準(zhǔn)方法得到的凈熱值分別見(jiàn)表2和表3。

表2 部分指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)方法得到的凈熱值 MJkg

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)方法得到的凈熱值 MJkg

樣品編號(hào)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 討 論

2.2.1 測(cè)試方法本研究使用的5種凈熱值測(cè)試方法的對(duì)比情況如表4所示[10-14]，這5種方法是GB 6537、ASTM D1655和Def Stan 91-091等國(guó)內(nèi)外民用噴氣燃料主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)使用的凈熱值測(cè)試方法。

采用計(jì)算法進(jìn)行估算的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法均建立在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，要求樣品與石油基燃料差異不能太大，差異越大，誤差越大。GBT 2429和ASTM D4529方法均為苯胺點(diǎn)計(jì)算法，需要的數(shù)據(jù)一致，但數(shù)據(jù)的單位和計(jì)算公式不同。GBT 2429使用的是苯胺點(diǎn)(℉)、API重度(60 ℉，約15.6 ℃)和硫含量，根據(jù)樣品類型不同，分為4個(gè)不同公式，分別適用于航空汽油、3號(hào)噴氣燃料、4號(hào)噴氣燃料和5號(hào)噴氣燃料；ASTM D4529則直接使用國(guó)際單位制的苯胺點(diǎn)、密度和硫含量即可，計(jì)算式為單一公式。ASTM D3338方法需要樣品揮發(fā)性數(shù)據(jù)(餾程)、芳烴含量、密度和硫含量，計(jì)算式為單一公式。

表4 凈熱值測(cè)試方法對(duì)比

目前，由于市場(chǎng)上只有符合ASTM D4809方法的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)儀器，大多數(shù)按照GBT 384方法測(cè)定凈熱值數(shù)據(jù)時(shí)所使用的儀器實(shí)際為符合ASTM D4809的儀器，酸生成熱值和水汽化熱值測(cè)定則按照GBT 384的方法進(jìn)行。本研究按GBT 384方法測(cè)定凈熱值數(shù)據(jù)時(shí)也是如此。

2.2.2 測(cè)試結(jié)果目前，國(guó)際上航空燃料凈熱值測(cè)試的仲裁標(biāo)準(zhǔn)是ASTM D4809，這也是國(guó)際上新型噴氣燃料評(píng)估試驗(yàn)時(shí)中規(guī)定的凈熱值測(cè)試方法。根據(jù)表3，以ASTM D4809的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算了其他標(biāo)準(zhǔn)方法數(shù)據(jù)與之的差值，如表5所示。

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)方法凈熱值數(shù)據(jù)與ASTM D4809方法數(shù)據(jù)的差值 MJkg

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)方法凈熱值數(shù)據(jù)與ASTM D4809方法數(shù)據(jù)的差值 MJkg

樣品編號(hào)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，無(wú)論是純的煤直接液化噴氣燃料還是混合燃料，凈熱值結(jié)果差值明顯。其中，苯胺點(diǎn)計(jì)算法差值最大，ASTM D3338方法差值最小。就樣品來(lái)看，對(duì)于純的煤直接液化噴氣燃料，苯胺點(diǎn)計(jì)算法與ASTM D4809差值達(dá)0.3 MJkg左右，ASTM D3338差值約0.1 MJkg，GBT 384差值約0.2 MJkg。對(duì)于混合樣品，苯胺點(diǎn)計(jì)算法與ASTM D4809差值約0.2 MJkg，ASTM D3338差值約0.1 MJkg，GBT 384差值仍為0.2 MJkg左右。對(duì)于純的3號(hào)噴氣燃料，3種計(jì)算法的數(shù)據(jù)相互差異不大，與ASTM D4809差異也不明顯，最大差值約0.05 MJkg；GBT 384與ASTM D4809仍差異較大，相差約0.2 MJkg。就測(cè)試方法來(lái)看，對(duì)于苯胺點(diǎn)計(jì)算法，純的煤直接液化噴氣燃料結(jié)果明顯偏低，差值達(dá)0.3 MJkg，混合燃料差值有所減小，3號(hào)噴氣燃料差值最小。對(duì)于ASTM D3338方法，純的煤直接液化噴氣燃料和混合燃料結(jié)果均偏低0.1 MJkg左右，混合燃料差值略小，3號(hào)噴氣燃料則差值不明顯。對(duì)于GBT 384方法，所有樣品均明顯偏低，且差值相互差異不大，均為0.2 MJkg左右。

Qn=Qg-0.212 2H

(1)

Qn=Qg-0.226 1H

(2)

式中：Qn為凈熱值，MJkg；Qg為總熱值，MJkg；H為樣品氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

系數(shù)的差異將不可避免地引入一個(gè)差值，對(duì)于3號(hào)噴氣燃料(氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%左右)，這個(gè)差值約為0.2 MJkg。GBT 384在引入該系數(shù)時(shí)，取氧彈中水蒸氣每1%(0.01 g)在凝結(jié)時(shí)釋放的潛熱為25.12 J，這個(gè)數(shù)值實(shí)際是一個(gè)近似值。從該系數(shù)的定義來(lái)看，其未考慮恒容熱值轉(zhuǎn)換為恒壓熱值的換算系數(shù)。ASTM D4809引入的系數(shù)則綜合考慮了25 ℃下水蒸氣凝結(jié)時(shí)釋放的潛熱和恒容熱值換算成恒壓熱值的系數(shù)。

3 結(jié) 論

煤直接液化噴氣燃料的組成與3號(hào)噴氣燃料差異較大，在凈熱值測(cè)試時(shí)，與ASTM D4809相比，GBT 2429、ASTM D3338及ASTM D4529等計(jì)算類標(biāo)準(zhǔn)方法的結(jié)果不同程度偏低，特別是苯胺點(diǎn)計(jì)算法，與其他方法相比偏低明顯；GBT 384 則存在明顯偏低的系統(tǒng)誤差。國(guó)內(nèi)煤直接液化噴氣燃料在研制和生產(chǎn)時(shí)，通常以符合GB 6537標(biāo)準(zhǔn)的3號(hào)噴氣燃料的指標(biāo)為目標(biāo)，目前常用的凈熱值測(cè)試方法(GBT 2429，GBT 384)容易導(dǎo)致結(jié)果明顯偏小。因此，對(duì)于煤直接液化噴氣燃料，若其凈熱值數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求較高，建議使用ASTM D4809方法進(jìn)行精確測(cè)試；若沒(méi)有特別要求，考慮到方法的簡(jiǎn)易程度，建議使用ASTM D3338方法進(jìn)行計(jì)算即可。