白云冈,王智荣,邓斗亮,刘召召,任帅

(神木富油能源科技有限公司,陕西 神木 719319)

进入21世纪以来,我国国防军事、航空航天行业迎来了快速发展时期,各种空天特种燃料的需求量也在持续增加,喷气燃料的消费量增长率就达到了每年13%左右。随着新时期空天战略向更远、更快、可携带能力更高倾斜,对燃料的性能也提出了更高的要求,传统的石油基燃料经过几十年的高速发展已逐渐进入稳定成熟阶段,在满足当下需求的同时实现体高积能量密度、优异高温安定性已逐渐有所受限,难以很好地满足超高音速飞行器飞行需要[1]。结合我国“缺油、少气、相对富煤”的资源结构特点,我国油气供求矛盾将长期存在,2022年我国石油对外依存度已达到70%以上,严重威胁到我国能源安全[2]。煤炭是多种有机物和无机物的混合物,主要组成元素是碳、氢、氧、硫、氮,含有较多的大分子芳烃组分,利用其组分特点,可将大量芳烃组分转化为环烷烃,是高性能航空航天燃料的理想组成部分[3],以煤为原料出发开发具有高热值、高热安定性、高热沉等性能特种燃料的重要性逐步显现出来[]。煤基特种燃料的开发,一方面可以对我国现有特种燃料供应体系起到有效的补充,为现有燃料体系带来新的技术支点,推动航空航天业发展;另一方面也可对我国煤化工产业向高端化、多元化、低碳化发展提供必要的技术途径,保障我国能源安全起到一定的战略意义。

近几十年内,我国在煤化工领域做了一系列顶层战略规划,逐渐形成了煤制油、气、烯烃、芳烃、材料等煤化工发展格局,其中以煤炭为原料生产轻质燃料的技术路径主要有煤直接液化、煤间接液化、煤热解与煤焦油加氢等,这些技术在特种燃料的研制上都取得了一定的成果[5]。

1 煤基特种燃料研究现状

美国Schobert教授率先提出并研制成功在高温环境下(900 ℉)长期稳定存在的煤基特种燃料JP-900[6]。南非萨索公司通过费托合成技术成功制备了煤基全合成喷气燃料[7],其理化性能、热稳定性、材料相容性、燃烧性能与JetA-1相似,已实现商业化运营。我国在直接液化、间接液化、焦油加氢等技术领域也做了大量的技术研究和攻关,部分产品也达到了商业化运行水平。

1.1 煤直接液化法

煤炭直接液化是将煤粉、供氢溶剂与催化剂按比例混配成油煤浆,在高温、高压条件下,油煤浆经过加氢裂解和精制,将固体煤加氢解聚转化成液体燃料,所得液体产品含有大量环烷烃及芳香烃,油品宏观性能呈现出密度大、体积热值高等特点。2008年,全球首套百万吨级煤直接液化项目打通全流程并产出合格产品,主要生产煤基柴油、石脑油、沥青、粗酚等产品[5]。

国家能源集团依托煤直接液化工业化装置,开展了航空航天、军用燃料等领域的研究,将煤直接液化油品进一步加氢提质,生产高环烷烃含量的轻质燃料,其具有能量密度高、热安定性高、体积热容高、凝点低、硫氮含量低等特点[9]。

表1 煤直接液化大比重喷气燃料性能指标

1.2 煤间接液化(F-T法)

煤间接液化(F-T法)是以煤为原料,气化产生的合成气在一定条件下,催化合成为烃类燃料及化工原料的工艺,其核心技术费托合成。煤间接液化先后经历了“固-气-液”三相的转换,传统油品中大量存在的O、S、N、金属等杂质可以比较容易地在转换过程中进行脱除,F-T反应生成的主要是以链烷烃为主,因此其产品具有低硫、低芳烃、高十六烷值、高质量热值等诸多优点,但同时也存在润滑性差、低温性能不佳等显著缺点。煤间接液化产品还需经加氢裂化、加氢异构等途径才能补齐短板,实现航空领域的应用。

20世纪90年代,萨索公司以煤间接液化产品与石油基喷气燃料混合制备出半合成煤基喷气燃料,并获得了英国、美国相关标准的认可,实现了商业化应用[10]。2008年,萨索公司根据煤间接液化油的组分特点,进一步成功制备了煤基全合成喷气燃料,可满足国际上对于喷气燃料的储存、操作和飞行安全等要求,并且获得了国际商用航空认证,其相关性能见表2[11]。

表2 煤基全合成喷气燃料性能指标

国内费托合成油加工工艺主要有铁基浆态床低温费托合成油加工工艺、铁基固定流化床高温费托合成油加工工艺、低温浆态床费托合成油加工工艺。采用中科合成油技术的伊泰、潞安、神华,采用兖矿技术的未来能源均已有工业化示范装置建成[12]。国内基于煤间接液化生产航空煤油技术发展相对较慢,天津大学、石科院、中国民用航空局、潞安、伊泰和神华等单位均已开展了相关基础研究工作,目前还均处于研究阶段[13]。潞安通过对费托合成产品进一步加氢异构,生产的3号喷气燃料性质见表3[14]。在标准制定方面,中国民用航空局2013年批准的《含合成烃的民用航空喷气燃料》(CTSO—2C701)、2018年发布的《3号喷气燃料》(GB 6537—2018)均增加了半合成航空煤油内容。

表3 费托合成/加氢异构制备喷气燃料性能指标

1.3 煤焦油深度转化法

煤焦油是煤热解生产半焦同时得到的液相产物,常温下为黑色粘稠液体,作为焦化产业的副产物,在我国具备十分广泛的来源,目前我国煤焦油产能已达到3 600万t以上。我国从20世纪60年代由抚顺石油化工研究院负责进行煤焦油加氢方面的研究,先后出现了延迟焦化-加氢组合技术、全馏分固定床加氢技术、悬浮床加氢技术及沸腾床加氢技术等,目前该领域产能已达到900万t以上,相比于其他工艺,煤焦油全馏分固定床加氢技术具有投资少、操作简单、液相收率高等优点。煤焦油加氢产品与煤直接液化生成油性质相似,经加氢深度转化可实现高性能的液体燃料和化工原料的制备,是促进煤炭清洁高效转化利用的有效途径之一,也对制备高品质航空航天和军用燃料具有很高的研究价值和实际意义。

国内利用煤焦油全馏分加氢制环烷基油技术对中低温煤焦油进行深度转化,在航天煤油、喷气燃料、军用柴油等多方面均取得了一定的进展。通过多段加氢反应实现了煤焦油中不饱和组分的超深度加氢,几乎全部脱除了油品中的有害杂质及不安定组分,最终可以将产品油中的硫、氮、金属离子、芳烃等含量降至10-6甚至10-9水平,大量环烷烃的存在使其具有良好的体积热值、物理热沉及热安定性,具有作为航空航天及军事领域特种油品的潜质。其中在航天煤油、喷气燃料、超低凝柴油等方面的试验数据显示,利用煤焦油深度转化制得的煤基特种燃料已基本具备商业化运行能力。

2 展望

燃料是产生飞行器推动力的动力来源,伴随国际军事竞争愈演愈烈,新型高性能战机、高马赫飞行器等新一代设备的问世,燃料需能够提供更大的热容,用来吸收发动机运转过程中产生热量,避免高温对飞行器在大气层中高马赫飞行时的结构完整性和可靠性造成影响,新型煤基特种燃料因其优异的高热容、高热值、高热安定性、低凝点等独特品质,有望在新时代空天战略中争得一席之地。

近年来,煤炭清洁利用领域有了长足的发展,无论从煤液相转化还是从煤基液相产物加氢制高品质燃料都有了突破性进展,已经具备了相应的技术深度来发展军用、航空航天等特种燃料。对于煤基燃料来说,充分发挥其独特品质,开展煤基军用、航空航天领域特种燃料的研究与应用,有利于减轻我国对石油资源的依赖,保障战略能源安全,具有较高的应用前景。