航空燃料烴類組分對煙點的影響研究

仇義霞，向 海，黃 俊，柳 華，肖 勇，鄧 川

（中國民用航空總局第二研究所，四川成都 610207）

煙點是指在規(guī)定條件下，油品在標準燈筒中燃燒時，無煙火焰的最大高度，以毫米為單位[1]。煙點是評價航空燃料燃燒性能的主要指標之一，煙點值越高，則燃燒生成積碳傾向性小，燃燒潔凈性好[2-4]。所以為了較少航空燃料燃燒生成積碳，國內(nèi)外航空燃料產(chǎn)品標準均嚴格限制了煙點值，限制要求（見表1）。

表1 國內(nèi)外航空燃料產(chǎn)品標準對煙點指標要求[5-8]Tab.1 Smoke point requirement of aviation turbine fuel standards

煙點值取決于航空燃料碳氫結(jié)構(gòu)情況，有研究表明煙點與芳烴含量有一定的關(guān)系[9]。但是，很少有文獻對航空燃料煙點影響情況進行深入全面研究，本實驗選擇傳統(tǒng)石油基3 號噴氣燃料、以動物油/植物為原料經(jīng)HEFA-SPK 煉制工藝的生物航煤，以及以煤炭為原料直接液化煉制的煤直接液化航空噴氣燃料為油樣，探討影響航空燃料煙點值的烴類組成情況，為國內(nèi)外新型航空燃料的原油/原料選擇、生產(chǎn)煉制工藝、添加劑選擇等提供參考。

1 實驗方法

1.1 樣品

本實驗選用樣品均為符合中國GB 6537 標準的航空燃料，實驗前對其進行了重新評定，結(jié)果（見表2），結(jié)果均符合MH/T 6020 要求[10]。其中3#（低芳烴）樣品是經(jīng)加氫裂化工藝，芳烴體積分數(shù)為2.6%的3 號噴氣燃料；3#（高芳烴）樣品是經(jīng)加氫精制，芳烴體積分數(shù)為16.0%的3 號噴氣燃料；純生物航煤是以植物為原料經(jīng)HEFA-SPK 煉制工藝，芳烴體積分數(shù)為0.3%的航空燃料；煤直接液化航空噴氣燃料是以煤炭為原料直接液化煉制工藝，芳烴體積分數(shù)為0.9%的航空燃料。

表2 樣品重新評定結(jié)果Tab.2 Results of the samples'recertification test

1.2 主要實驗儀器

石油產(chǎn)品芳烴含量測定儀（熒光指示劑吸附法）（符合ASTM D1319 標準），儀器型號SETA 14060。采用純氮氣作為載氣，使用符合標準要求的層析硅膠和染色硅膠，其中實驗使用的層析硅膠經(jīng)活化，染色硅膠批次號為3000000885。

全自動煙點測定儀（符合ASTM D1322 標準[11]），儀器型號為SP10，檢出限0～50 mm。按照標準要求建立儀器標準線，結(jié)果（見表3）。儀器建立的標準線符合ASTM D1322 標準和儀器說明書要求，可保證實驗結(jié)果的有效準確性。

表3 標準燃料混合物Tab.3 Reference fuel blends

碳氫組成（GC-MS）分析儀（符合ASTM D2425 標準[12]），儀器型號為Agilent 7890/5975C。氣相色譜儀配備FID 檢測器，質(zhì)譜為四級桿質(zhì)譜儀。進樣系統(tǒng)為自動進樣器，色譜柱為0.25 mm×30 m，膜厚0.25 μm 的石英毛細管色譜柱。氣相色譜分析條件：載氣為高純氦氣，流量1.5 mL/min，分流比為20：1；進樣口溫度300 ℃；柱溫50 ℃，保持2 min；以40 ℃/min 升溫至300 ℃，保持5 min。質(zhì)譜測試條件：離子源為電子轟擊離子源（EI），離子源溫度220 ℃，四級桿溫度150 ℃。

1.3 分析方法

采用熒光指示劑吸附法、自動煙點儀及GC-MS 對試樣進行烴類組分及煙點分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3 號噴氣燃料主要性能分析

將高芳烴和低芳烴3 號噴氣燃料進行混合（見表4），并對樣品進行烴類組分含量及煙點測試，測試結(jié)果（見表5）。

表4 3 號噴氣燃料混合比例Tab.4 The mix ratio of No.3

表5 3 號噴氣燃料烴類組分及煙點分析Tab.5 Smoke point and aromatics of No.3

從表5 分析可知，3 號噴氣燃料烯烴含量1%左右，因目前國內(nèi)3 號噴氣燃料煉制過程中加氫很徹底，基本不含有烯烴，烯烴可以忽略不計；環(huán)烷烴和鏈烷烴含量均在40%～50%，變化不是很明顯，對煙點影響不明顯；隨著芳烴含量的增加，煙點值變小，對應(yīng)變化（見圖1）。這是因為芳烴的H/C 原子個數(shù)比相對較低，燃燒不完全度較高，生成積碳的傾向性較大，從而降低煙點值。所以，對3 號噴氣燃料來說，在生產(chǎn)煉制過程中可以通過加氫降低芳烴含量，從而提高煙點值，減少燃料燃燒生成積碳的傾向性。

圖1 芳烴組分含量與煙點的關(guān)系Fig.1 Relation diagram of aromatic content and smoke point

2.2 含生物航煤的航空燃料主要性能分析

選用的生物航煤以植物為原料，經(jīng)HEFA-SPK 煉制而成。樣品摻混用的3 號噴氣燃料芳烴體積分數(shù)為16%。配備樣品（見表6）并對其進行烴類組成和煙點分析，分析結(jié)果（見表7）。

表6 樣品摻混比例Tab.6 The mix ratio of samples

表7 含生物航煤的航空燃料烴類組分及煙點分析Tab.7 Smoke point and aromatic of bio-fuel

從表7 數(shù)據(jù)可見，含生物航煤的航空燃料中烯烴含量低于1%，可以忽略不計；當生物航煤摻混量高于70%時，芳烴含量低于4.0%，因芳烴和環(huán)烷烴含量均很低，本自動儀器無法檢出無煙情況下的煙點值；飽和烴主要是鏈烷烴組分，環(huán)烷烴含量很低。隨著芳烴增加，煙點值降低，隨著飽和烴的增加，煙點增加。這是因為芳烴H/C 原子個數(shù)比相對較低，燃燒不完全度較高，生產(chǎn)積碳傾向性較大，所以煙點與芳烴的關(guān)系與傳統(tǒng)石油基3 號噴氣燃料變化關(guān)系一致。

2.3 含煤直接液化航空噴氣燃料的航空燃料主要性能分析

選用的煤直接液化航空噴氣燃料是以煤炭為原料，直接液化煉制而成，采取的原料和生產(chǎn)工藝路線均有別于上述兩種燃料，其組分結(jié)構(gòu)與上述兩種燃料有差異，燃燒性能也有所差異。摻混使用的3 號噴氣燃料芳烴體積分數(shù)為16%。配制樣品（見表8）并對樣品進行芳烴組分和煙點測試，測試結(jié)果（見表9）。

表8 樣品摻混比例Tab.8 The mix ratio of samples

從表9 結(jié)果可見，含煤直接液化航空噴氣燃料的航空燃料中烯烴含量低于1%，可以忽略不計；含煤直接液化航空噴氣燃料的芳烴含量很低，環(huán)烷烴含量很高，當摻混比大于50%時，芳烴含量低于5%，而環(huán)烷烴高于69%，環(huán)烷烴對煙點起主要作用，隨著環(huán)烷烴增加，煙點降低。當摻混比小于50%時，芳烴含量高于7%，環(huán)烷烴含量在50%左右，對煙點起主要作用的是芳烴，隨著芳烴含量的增加，煙點值降低。煤直接液化航空噴氣燃料變化關(guān)系與傳統(tǒng)的3 號噴氣燃料有所不同，這是因為該燃料中含大量的環(huán)烷烴，環(huán)烷烴雖然是飽和烴，但是其H/C 原子個數(shù)比相對于鏈烷烴較小，相對芳烴較大，燃燒時對煙點影響較大。所以對煙點的影響大小順序為：芳烴＞環(huán)烷烴＞鏈烷烴，對于環(huán)烷烴含量很高的燃料，在生產(chǎn)煉制過程中除了加氫降低芳烴含量的同時，還需要考慮降低環(huán)狀烷烴含量，從而提高煙點值，減少燃料燃燒生成積碳的傾向性。

表9 含煤直接液化航空噴氣燃料的芳烴組分與煙點分析Tab.9 Smoke point and aromatic of coal-fuel

3 結(jié)論

（1）對于傳統(tǒng)石油基3 號噴氣燃料來說，隨著芳烴含量的增加，煙點會降低。

（2）對于摻混生物航煤的航空燃料，當摻混70%以上生物航煤時，芳烴含量低于4%，無法檢出煙點值。

（3）各烴類對煙點值的影響大小為：芳烴＞環(huán)烷烴＞鏈烷烴，當燃料中環(huán)烷烴含量大于69%時，環(huán)烷烴會對煙點有明顯影響，含量越高，煙點越低。為了降低航空燃料燃燒積碳的傾向性，可以在煉制過程中控制航空燃料中芳烴、環(huán)烷烴和飽和烴等烴類組分比例。但是，因為組分除了會影響煙點值還會影響?zhàn)s程、密度等其他性能指標，所以烴類組分含量不能超出產(chǎn)品標準要求范圍[13-15]。