煤直接液化喷气燃料性质及适航认证流程研究

2022-09-03林建飞

煤化工 2022年4期

林建飞，陈竹

（1.中蓝晨光化工研究设计院有限公司，四川成都 610000；2.成都市青白江区农业农村局，四川成都 610000）

随着我国航空工业的快速发展，对航空燃料的需求不断增加，年均增速达到8%，预计到2025年需求量将达到5 708万t[1]。同时，随着高性能航空发动机的发展，对喷气燃料的性能有了更高要求，急需开发新型高能量密度、高稳定性的航空喷气燃料。我国能源结构具有“富煤、缺油、少气”的特点，石油对外依存度过高，产品单一，同质化严重，能源利用率相对较低，煤炭资源优势没有得到充分利用[2]。因此，发展煤基航空喷气燃料不仅有利于缓解我国航空燃料需求压力，对煤化工产业的可持续发展也具有重要的意义。

根据美国材料与试验协会（ASTM）发布的ASTM D1655—20d等标准规范，目前虽然开发了非石油基航空喷气燃料，但主要集中于生物质航空喷气燃料和煤基费托合成喷气燃料，且多数需要与石油基航空喷气燃料调和使用。由于煤直接液化装置较少，仅中国建有百万吨级煤直接液化工业示范装置，国内外缺少煤直接液化喷气燃料的规范标准以及适航认证流程。因此，本文结合近年来国内外关于煤基喷气燃料的研究成果，对煤直接液化喷气燃料组成及性质进行分析，并以现有国内外标准为依据，探讨了煤直接液化喷气燃料的标准符合性，同时对其适航认证流程进行探讨，为煤直接液化喷气燃料的实际应用提供参考。

1 煤直接液化喷气燃料的组成及特性

煤直接液化工艺是将煤在高温（450℃左右）、高压（20 MPa～30 MPa）及催化剂作用下与氢气反应，使煤中大分子结构发生加氢断链，形成富含芳香烃成分的液化油，通过进一步加氢提质及分离可得到合格的汽油、煤油、柴油、石脑油等化工产品。其中以煤直接液化油为原料切割的航空煤油馏分（150℃～260℃）富含环烷烃、氢化芳烃，具有高密度、高热稳定性、高闪点、低冰点等特点，具有发展优质航空喷气燃料的潜力[3]。但由于其氮、硫及酸值含量偏高，需要经碱洗脱酚、加氢脱硫及加氢饱和等工艺改善煤油品质，以满足航空喷气燃料的要求[4]。

1.1燃料组成分析

神华煤直接液化喷气燃料原料油元素组成如表1所示。由表1计算可知，其氢碳原子比为1.44，具有较高不饱和度，同时硫含量和氧含量较高[4]。

表1 煤直接液化喷气燃料原料油元素组成%

李军芳等[3]研究了神华煤直接液化喷气燃料原料油烃族组成和硫、氮及氧化物组成分布，结果表明原料油中组分以芳烃和环烷烃为主，其中芳烃质量分数最高达到80%左右，链烷烃质量分数低于10%，烯烃含量很少；硫化物以硫醇、硫醚和噻吩为主，其中硫醇含量最高；氮化物以苯胺类和吲哚类化合物为主，是造成油品颜色变深和油品变质的重要影响因素；氧化物则主要以酚类化合物存在，且主要以低级酚形式存在，是造成原料油酸值偏高的主要原因。

通过碱洗提酚及加氢精制后得到的神华煤直接液化喷气燃料链烷烃含量基本不变，质量分数5%～15%；环烷烃明显增加，质量分数85%～95%；芳烃明显减少，质量分数1%～5%；不含烯烃，总饱和烃质量分数达到90%～99%，硫、氮质量分数小于1×10-6。可以看出原料油通过精制后，芳烃加氢饱和转化为环烷烃，并能有效脱除氧、硫、氮等杂质。由于煤直接液化喷气燃料富含环烷烃，其具有凝点低，热稳定性、橡胶相容性好等特点，同时具有低硫、低氮、低芳烃的特点。

1.2煤直接液化喷气燃料的物化特性

喷气燃料不仅是飞行器的推进剂，还要作为冷却剂为过热部件降温，同时作为润滑剂降低运动部件的磨损，其物化性能直接关系到航空器运行的安全性、经济性和可操作性，根据ASTMD1655—20d标准规范，喷气燃料主要的性能和对应物化指标见表2。

表2 航空喷气燃料性能及对应的物化指标

作为具有高性能喷气燃料发展潜力的煤直接液化油，在实现大规模商业应用前，必须对其物化性能进行重点研究。

在热氧化安定性方面，杨文等[5]研究了煤直接液化喷气燃料与石油基3号喷气燃料的差异，结果表明，煤直接液化喷气燃料在颜色、酸值和固体沉积物量等方面均好于石油基3号喷气燃料。李辉等[6]研究了煤直接液化喷气燃料中环烷烃的构成，结果表明单环烷烃占环烷烃总量的36.4%，双环烷烃占48.1%，三环烷烃占15.5%，其中双环烷烃中有22%的十氢萘和四氢萘，十氢萘和四氢萘均为良好的供氢剂，在受热过程中可以有效防止烷烃的氧化。C.S.SONG等[7]研究发现，400℃～500℃条件下环烷烃能保持较好的热氧化安定性，因此富含环烷烃的煤直接液化喷气燃料表现出良好的热氧化安定性。

在燃烧性能方面，链烷烃燃烧性能最佳，环烷烃次之，芳烃最差。若燃料芳烃含量高，燃烧火焰中炭微粒数量多，火焰辐射强度大，燃料的能量转化率低。由于煤直接液化喷气燃料链烷烃和环烷烃含量高，占比达到95%以上，同时芳烃含量少，因此其烟点高度满足GB6537—2018《3号喷气燃料》要求，燃烧性能较好。

燃油和飞行半径性能主要由燃料密度和燃烧净热值决定。燃料密度较低可能意味着单位体积热值低，在飞行器油箱容积一定的情况下，较低单位体积热值的燃料将缩短飞行半径；飞行器通过将热能转化为机械能来提供飞行动力，净热值是燃料提供热能的重要表征指标，航空燃料规范限定了燃料净热值的最小值，以保证燃料具有足够的热能以提供飞行器的动力，保证飞行器的航程。与3号喷气燃料相比，煤直接液化喷气燃料含有更高的环烷烃，虽然净热值略低，但密度为828.7 kg/m3，具有更高的体积热值[6]。

雾化性能关系到燃料在燃烧室内的燃烧效果，与燃料的贫油点火和贫油熄火性能密切相关。根据相关研究，具有较低的馏程，较小的密度、黏度及表面张力的喷气燃料其雾化性能更好[8]。由于煤直接液化喷气燃料密度较高，黏度和表面张力较大，与3号喷气燃料相比，其雾化性能较差，但随着燃油压力升高，这种差距逐步变小[9]。

喷气燃料必须具有较好的低温流动性，以保证高空低温飞行过程中燃料通过燃油过滤系统到达发动机燃烧室。因此，航空喷气燃料规范规定了燃料的冰点上限。煤直接液化喷气燃料冰点达到-70℃，具有良好的低温流动性。

材料相容性对喷气燃油系统及发动机有重要影响。相容性与燃料的硫醇硫、总硫含量、酸值有密切关系。硫醇硫能与飞行器的橡胶材料反应，影响系统密封性和输油效果，同时燃料中的硫燃烧产生的硫氧化物会对发动机产生腐蚀。为了保证飞行器材料的正常使用，GB6537—2018规范对其可能造成腐蚀的燃料酸值及铜片腐蚀指标作了严格限定。煤直接液化喷气燃料由于生产工艺及组成特点，具有硫含量低、酸值小的特点。曹文杰等[10]研究了煤直接液化喷气燃料的材料相容性，结果见表3，表明煤直接液化喷气燃料对铜片、钢片、丁腈橡胶、聚硫密封胶均具有良好的适应性。

表3 煤直接液化喷气燃料的材料相容性[10]

正常存储情况下，喷气燃料质量应保持稳定，防止氧化变质。其中，燃料中的胶质容易吸附于燃料供应系统和存储容器，在使用过程中沉积于换热器表面，导致冷却效率降低，同时造成发动机过滤器和喷嘴堵塞，引起燃烧不完全等问题。因此，需对喷气燃料胶质含量进行控制。煤直接液化喷气燃料胶质含量较少，具有良好的存储安定性能[11]。

喷气燃料装卸过程中，必须保证操作安全，同时防止燃料污染，因此要求喷气燃料具有较高的闪点（闭口闪点不低于38℃），以防止操作温度下发生火灾危险，同时要求燃料具有一定的导电率，防止静电聚集发生火灾。此外，为了保证燃料的清洁性，ASTM D1655—20d规范对喷气燃料的水分离特性、悬浮颗粒物含量都做了要求。煤直接液化喷气燃料闪点较高，水反应不明显，悬浮固体颗粒含量较低，基本符合喷气燃料标准要求[11]。

喷气燃料除了提供动力、作为冷却介质外，还作为润滑剂为发动机燃油系统部件和燃油控制单元的动组件提供润滑作用。因此需对润滑性较低的喷气燃料添加抗磨剂，以提高润滑性能。曹文杰等[10]对煤直接液化喷气燃料的润滑性能进行了研究，其磨痕直径为0.62 mm，具有较好的润滑性能。

1.3煤直接液化喷气燃料标准符合性分析

目前，国内外喷气燃料的标准主要包括美国ASTM标准ASTMD1655和ASTMD7566、英国国防部标准DEFSTAN91—91、国际上八家石油公司认可的联营系统燃油质量标准AFQRJOS、我国的GB 6537—2018。此外，我国还制定了GJB 1603—93《大比重喷气燃料规范》。以上标准中涉及煤基喷气燃料的标准主要包括

ASTMD7566、DEF STAN91—91、AFQRJOS、GB 6537—2018，但主要是针对煤基费托合成喷气燃料，且大多规定需要与石油基喷气燃料混合使用，其体积分数不超过50%。以上标准均未对煤直接液化喷气燃料的规格要求作相关规定，这主要是因为煤直接液化工业化示范装置运行时间短，装置数量少，煤直接液化喷气燃料数量有限，且还未获得完整的研究数据。本文以我国现有有关煤基喷气燃料标准GB 6537—2018和GJB 1603—93为依据，对煤直接液化喷气燃料进行标准符合性分析，研究各项理化性能，为进一步的材料相容性等特定性能分析、台架燃烧性能测试及发动机试车提供参考。

煤直接液化油具有生产大比重喷气燃料的主要特征，通过加氢精制、超精过滤等措施后，获得的煤直接液化喷气燃料与GJB 1603—93中大比重喷气燃料主要理化性能对比分析见表4[11]。

表4 煤直接液化喷气燃料主要理化性能与GJB 1603—93规范值对比分析

由表4可知，除净热值略低以外，煤直接液化喷气燃料其他理化性能指标均符合标准要求。净热值偏低主要是由油品碳氢比较高造成，生产过程中可以通过提高加氢反应深度，增加链烷烃含量或降低不饱和度等措施降低碳氢比，增加燃料净热值。

通过对煤直接液化喷气燃料原料油进行脱酚及深度加氢精制处理，油品密度降低，净热值增加，得到相应规格的喷气燃料，与GB 6537—2018主要理化性能指标进行对照，结果如表5所示[12]。由表5可以看出，煤直接液化喷气燃料主要物化性能均能满足标准要求，其冰点、热安定性指标远高于标准要求，具有较好的低温性能和抗氧化性能。

表5 煤直接液化喷气燃料主要理化性能与GB 6537—2018标准值对比分析

目前的研究结果表明，煤直接液化喷气燃料物化性能能够满足相关标准要求，具有成为大比重喷气燃料和3号喷气燃料的潜质。但是，由于其烃类组成与传统石油基喷气燃料有明显的不同，且黏度、表面张力和密度均大于石油基喷气燃料，因此，后续还要通过特定性能试验、台架试验及发动机试车试验，深入研究燃料雾化及点火性能、燃烧室内燃烧及排放性能、低温状态黏度及流动性能等，以进一步验证煤直接液化喷气燃料的安全性、可靠性和操作性。

2 煤直接液化喷气燃料适航认证流程

2.1国外新型喷气燃料适航认证流程

喷气燃料作为航空器上使用的产品，其性能和质量直接影响发动机操作性能和运行安全，一种新型燃料投入使用前，必须确保其满足航空器使用限制、性能及安全要求，与航空器材料有良好相容性，各项指标符合标准要求并通过适航认证，获得民航管理部门批准许可。

目前，国际上两个重要的民航管理局美国联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）均借助ASTM等行业协会技术标准的管理方式对新型喷气燃料进行验证及管理。根据ASTMD4054规定，新型喷气燃料批准流程分为三部分，分别为测试程序、发动机原始设备制造商（OEM）内部评审、标准变化的确定。测试程序的目的是保证新型燃料对发动机的安全性、耐用性和性能没有负面影响，主要进行规格性能、特定性能、部件台架试验、发动机试验测试，根据新型燃料的化学成分、与已批准过的燃料和添加剂的相似性以及发动机制造商的经验来确定可接受性，最终形成产品测试研究报告，提交OEM内部审查。OEM与航空局（如FAA、EASA）按工作职责审核产品测试研究报告，探讨燃烧、涡轮机、燃料系统硬件、系统性能分析、系统整体和适航性，根据评审结果形成OEM报告，表明拒绝或批准这种新型燃料。批准使用的新型燃料由OEM发布服务公告和发动机手册，同时由ASTM审查、投票对ASTM D1655进行调整或制定新的标准。通常情况下，OEM需等待ASTM的投票成功后，才更改相应的服务公告、发动机手册，以适应新型燃料。

2.2国内新型喷气燃料适航认证流程

与国外采用行业协会对新型喷气燃料进行技术标准管理不同，我国把喷气燃料视为航空器的重要“零部件”，参考零部件的审定方式，由中国民用航空局（简称民航局）直接采用技术标准规定批准书（CTSOA）的方式进行认证管理。首先，由国家相关部门组织标准编写单位制定新型喷气燃料的技术标准规定（CTSO）并由民航局颁布，CTSO规定了燃料的生产工艺、最低性能标准等要求，是喷气燃料适航认证的基础。然后民航局适航审定部门根据CCAR-55《民用航空油料适航管理规定》及相关CTSO对喷气燃料进行适航审定，包括设计审定、生产质量控制体系评审及证后监管内容。设计审定包括喷气燃料的理化性能试验、特定性能试验、燃烧室部件对比试验、发动机试验、试飞试验以及生产工艺审查；生产质量控制体系评审主要包括质量控制资料评审及现场符合性审查；在通过以上审定后，喷气燃料供应企业获得民航局颁布的CTSOA并接受证后监管。

2.3煤直接液化喷气燃料适航认证流程探讨

在我国，煤直接液化喷气燃料实现商业应用必须通过民航局适航认证并取得CTSOA，但由于作为一种新的喷气燃料，目前国内外还没有关于煤直接液化喷气燃料的标准规范及适航认证案例，本章节以我国现有喷气燃料适航认证流程为基础，结合国外新型喷气燃料认证流程，探讨我国煤直接液化喷气燃料的适航认证流程。

技术标准是喷气燃料适航认证的基础，我国需要建立煤直接液化喷气燃料技术标准。民航局或国家标准管理部门可以组织相关企业、科研院所开展煤直接液化喷气燃料各项测试工作，以保证其对发动机安全性、耐用性和性能没有负面影响，测试内容可以参照ASTMD4054中表2所讨论项目并结合发动机原始设备制造商的建议选择进行，其性能应符合ASTMD4054中相关强制指标要求。在通过测试后，由民航局和国家标准管理部门对现有喷气燃料技术标准进行修订，补充煤直接液化喷气燃料技术标准规格，或制定新的标准（如CTSO）。之后，民航局适航审定部门以民航局颁布的相应CTSO为基础，按照CCAR-55的要求对煤直接液化喷气燃料供应企业进行适航审定，对符合要求的企业颁发CSTOA，证明加注到飞机上的煤直接液化喷气燃料符合标准要求。准书（CTSOA）的方式对喷气燃料进行认证管理。

3.4我国可以参考ASTMD4054开展煤直接液化喷气燃料测试程序，将煤直接液化喷气燃料规格要求写入现有标准或发布新标准，并以此为基础开展煤直接液化喷气燃料适航认证。