煤基特種燃料技術研究進展

白云岡,王智榮,鄧斗亮,劉召召,任帥

(神木富油能源科技有限公司,陜西 神木 719319)

進入21世紀以來,我國國防軍事、航空航天行業迎來了快速發展時期,各種空天特種燃料的需求量也在持續增加,噴氣燃料的消費量增長率就達到了每年13%左右。隨著新時期空天戰略向更遠、更快、可攜帶能力更高傾斜,對燃料的性能也提出了更高的要求,傳統的石油基燃料經過幾十年的高速發展已逐漸進入穩定成熟階段,在滿足當下需求的同時實現體高積能量密度、優異高溫安定性已逐漸有所受限,難以很好地滿足超高音速飛行器飛行需要[1]。結合我國“缺油、少氣、相對富煤”的資源結構特點,我國油氣供求矛盾將長期存在,2022年我國石油對外依存度已達到70%以上,嚴重威脅到我國能源安全[2]。煤炭是多種有機物和無機物的混合物,主要組成元素是碳、氫、氧、硫、氮,含有較多的大分子芳烴組分,利用其組分特點,可將大量芳烴組分轉化為環烷烴,是高性能航空航天燃料的理想組成部分[3],以煤為原料出發開發具有高熱值、高熱安定性、高熱沉等性能特種燃料的重要性逐步顯現出來[]。煤基特種燃料的開發,一方面可以對我國現有特種燃料供應體系起到有效的補充,為現有燃料體系帶來新的技術支點,推動航空航天業發展;另一方面也可對我國煤化工產業向高端化、多元化、低碳化發展提供必要的技術途徑,保障我國能源安全起到一定的戰略意義。

近幾十年內,我國在煤化工領域做了一系列頂層戰略規劃,逐漸形成了煤制油、氣、烯烴、芳烴、材料等煤化工發展格局,其中以煤炭為原料生產輕質燃料的技術路徑主要有煤直接液化、煤間接液化、煤熱解與煤焦油加氫等,這些技術在特種燃料的研制上都取得了一定的成果[5]。

1 煤基特種燃料研究現狀

美國Schobert教授率先提出并研制成功在高溫環境下(900 ℉)長期穩定存在的煤基特種燃料JP-900[6]。南非薩索公司通過費托合成技術成功制備了煤基全合成噴氣燃料[7],其理化性能、熱穩定性、材料相容性、燃燒性能與JetA-1相似,已實現商業化運營。我國在直接液化、間接液化、焦油加氫等技術領域也做了大量的技術研究和攻關,部分產品也達到了商業化運行水平。

1.1 煤直接液化法

煤炭直接液化是將煤粉、供氫溶劑與催化劑按比例混配成油煤漿,在高溫、高壓條件下,油煤漿經過加氫裂解和精制,將固體煤加氫解聚轉化成液體燃料,所得液體產品含有大量環烷烴及芳香烴,油品宏觀性能呈現出密度大、體積熱值高等特點。2008年,全球首套百萬噸級煤直接液化項目打通全流程并產出合格產品,主要生產煤基柴油、石腦油、瀝青、粗酚等產品[5]。

國家能源集團依托煤直接液化工業化裝置,開展了航空航天、軍用燃料等領域的研究,將煤直接液化油品進一步加氫提質,生產高環烷烴含量的輕質燃料,其具有能量密度高、熱安定性高、體積熱容高、凝點低、硫氮含量低等特點[9]。

表1 煤直接液化大比重噴氣燃料性能指標

1.2 煤間接液化(F-T法)

煤間接液化(F-T法)是以煤為原料,氣化產生的合成氣在一定條件下,催化合成為烴類燃料及化工原料的工藝,其核心技術費托合成。煤間接液化先后經歷了“固-氣-液”三相的轉換,傳統油品中大量存在的O、S、N、金屬等雜質可以比較容易地在轉換過程中進行脫除,F-T反應生成的主要是以鏈烷烴為主,因此其產品具有低硫、低芳烴、高十六烷值、高質量熱值等諸多優點,但同時也存在潤滑性差、低溫性能不佳等顯著缺點。煤間接液化產品還需經加氫裂化、加氫異構等途徑才能補齊短板,實現航空領域的應用。

20世紀90年代,薩索公司以煤間接液化產品與石油基噴氣燃料混合制備出半合成煤基噴氣燃料,并獲得了英國、美國相關標準的認可,實現了商業化應用[10]。2008年,薩索公司根據煤間接液化油的組分特點,進一步成功制備了煤基全合成噴氣燃料,可滿足國際上對于噴氣燃料的儲存、操作和飛行安全等要求,并且獲得了國際商用航空認證,其相關性能見表2[11]。

表2 煤基全合成噴氣燃料性能指標

國內費托合成油加工工藝主要有鐵基漿態床低溫費托合成油加工工藝、鐵基固定流化床高溫費托合成油加工工藝、低溫漿態床費托合成油加工工藝。采用中科合成油技術的伊泰、潞安、神華,采用兗礦技術的未來能源均已有工業化示范裝置建成[12]。國內基于煤間接液化生產航空煤油技術發展相對較慢,天津大學、石科院、中國民用航空局、潞安、伊泰和神華等單位均已開展了相關基礎研究工作,目前還均處于研究階段[13]。潞安通過對費托合成產品進一步加氫異構,生產的3號噴氣燃料性質見表3[14]。在標準制定方面,中國民用航空局2013年批準的《含合成烴的民用航空噴氣燃料》(CTSO—2C701)、2018年發布的《3號噴氣燃料》(GB 6537—2018)均增加了半合成航空煤油內容。

表3 費托合成/加氫異構制備噴氣燃料性能指標

1.3 煤焦油深度轉化法

煤焦油是煤熱解生產半焦同時得到的液相產物,常溫下為黑色粘稠液體,作為焦化產業的副產物,在我國具備十分廣泛的來源,目前我國煤焦油產能已達到3 600萬t以上。我國從20世紀60年代由撫順石油化工研究院負責進行煤焦油加氫方面的研究,先后出現了延遲焦化-加氫組合技術、全餾分固定床加氫技術、懸浮床加氫技術及沸騰床加氫技術等,目前該領域產能已達到900萬t以上,相比于其他工藝,煤焦油全餾分固定床加氫技術具有投資少、操作簡單、液相收率高等優點。煤焦油加氫產品與煤直接液化生成油性質相似,經加氫深度轉化可實現高性能的液體燃料和化工原料的制備,是促進煤炭清潔高效轉化利用的有效途徑之一,也對制備高品質航空航天和軍用燃料具有很高的研究價值和實際意義。

國內利用煤焦油全餾分加氫制環烷基油技術對中低溫煤焦油進行深度轉化,在航天煤油、噴氣燃料、軍用柴油等多方面均取得了一定的進展。通過多段加氫反應實現了煤焦油中不飽和組分的超深度加氫,幾乎全部脫除了油品中的有害雜質及不安定組分,最終可以將產品油中的硫、氮、金屬離子、芳烴等含量降至10-6甚至10-9水平,大量環烷烴的存在使其具有良好的體積熱值、物理熱沉及熱安定性,具有作為航空航天及軍事領域特種油品的潛質。其中在航天煤油、噴氣燃料、超低凝柴油等方面的試驗數據顯示,利用煤焦油深度轉化制得的煤基特種燃料已基本具備商業化運行能力。

2 展望

燃料是產生飛行器推動力的動力來源,伴隨國際軍事競爭愈演愈烈,新型高性能戰機、高馬赫飛行器等新一代設備的問世,燃料需能夠提供更大的熱容,用來吸收發動機運轉過程中產生熱量,避免高溫對飛行器在大氣層中高馬赫飛行時的結構完整性和可靠性造成影響,新型煤基特種燃料因其優異的高熱容、高熱值、高熱安定性、低凝點等獨特品質,有望在新時代空天戰略中爭得一席之地。

近年來,煤炭清潔利用領域有了長足的發展,無論從煤液相轉化還是從煤基液相產物加氫制高品質燃料都有了突破性進展,已經具備了相應的技術深度來發展軍用、航空航天等特種燃料。對于煤基燃料來說,充分發揮其獨特品質,開展煤基軍用、航空航天領域特種燃料的研究與應用,有利于減輕我國對石油資源的依賴,保障戰略能源安全,具有較高的應用前景。