100LL低鉛航空活塞式發(fā)動機燃料國產(chǎn)化研究與應(yīng)用

宋 丹，崔文峰

(中國石油蘭州石化公司，蘭州 730060)

100LL低鉛航空活塞式發(fā)動機燃料國產(chǎn)化研究與應(yīng)用

宋 丹，崔文峰

(中國石油蘭州石化公司，蘭州 730060)

為滿足環(huán)保要求和新型通用飛機對燃油標準和性能提出的更高要求，系統(tǒng)考察了航空汽油基礎(chǔ)油品組分的性能，開發(fā)出了符合ASTM D910—2013標準中100LL規(guī)格的低鉛航空活塞式發(fā)動機燃料(簡稱低鉛航空汽油)，并實現(xiàn)了工業(yè)化試生產(chǎn)。飛行試驗結(jié)果表明，新開發(fā)的低鉛航空汽油性能與美國同類產(chǎn)品相當，具有蒸發(fā)性能好、易燃、性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)晶點低和不腐蝕發(fā)動機零部件的特點，應(yīng)用前景廣闊。

低鉛活塞式發(fā)動機燃料 辛烷值 蒸氣壓

改革開放以來，我國航空運輸業(yè)發(fā)展迅速。通用航空的發(fā)展即將進入一個快速增長期，形成具有規(guī)模經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)，通用航空產(chǎn)業(yè)鏈上的各個環(huán)節(jié)都將迎來歷史性的發(fā)展機遇[1-2]。而長期以來，由于航空活塞式發(fā)動機燃料(航空汽油)配方技術(shù)難度高、工藝流程復(fù)雜、生產(chǎn)控制難度大，需要獨立的生產(chǎn)和儲運系統(tǒng)，生產(chǎn)成本高，造成航空汽油供應(yīng)困難，已經(jīng)成為中國通用航空發(fā)展的主要制約因素之一[3]。

中國石油蘭州石化公司(簡稱蘭州石化)可生產(chǎn)75號、95號和100號全系列的航空汽油。而目前國產(chǎn)95號和100號航空汽油含鉛量較高，明顯高于國外發(fā)動機廠家推薦的燃油等級，導(dǎo)致使用過程中存在安全及環(huán)境隱患。隨著環(huán)境保護要求和新型通用飛機對燃油標準和性能要求的提高，開發(fā)低鉛航空汽油也成為必然選擇。通過系統(tǒng)研究開發(fā)，100LL低鉛航空汽油已在蘭州石化實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并完成試飛試驗，投入商業(yè)運行，為我國通用航空的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。本文主要介紹低鉛100LL航空活塞式發(fā)動機燃料的研制和應(yīng)用情況。

1 100LL低鉛航空汽油的研制與生產(chǎn)

1.1 航空汽油標準簡介

通用航空活塞式發(fā)動機主要是歐美國家的產(chǎn)品，其發(fā)動機數(shù)據(jù)只允許使用符合ASTM D910、D7547等產(chǎn)品標準的100號、100LL、100VLL、UL91、91/96等牌號的航空汽油。

目前我國航空汽油生產(chǎn)執(zhí)行GB 1787—2008標準，由中國石化石油化工科學(xué)研究院和中國石油蘭州石化公司共同起草，其技術(shù)指標水平與國外含鉛型航空汽油標準一致。GB 1787《航空活塞式發(fā)動機燃料》標準于1979年發(fā)布，2008年首次修訂，但指標中抗爆添加劑四乙基鉛的含量仍然較高。一些關(guān)鍵性能指標與國外先進標準也存在一定差異。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)國產(chǎn)汽油組分性質(zhì)和儲運系統(tǒng)較國外差的實際情況，增加了酸度、碘值、水溶性酸堿、實際膠質(zhì)、機械雜質(zhì)和水分、芳烴含量等指標，確保國產(chǎn)航空汽油使用性能能夠達到國外同類產(chǎn)品水平，并通過航空油料鑒定委員會鑒定。

目前，100號航空汽油中含有四乙基鉛以及二溴磷，會對環(huán)境造成破壞。美國通航每年的鉛排放量約為700 t，占鉛污染總量的40%左右，是金屬行業(yè)的近1倍，制造行業(yè)的近3倍，嚴重的鉛污染越來越引起各類環(huán)保組織以及人們的不滿[4-5]。因此，美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)要求，到2018年大部分通用機隊要使用無鉛燃油，替代現(xiàn)有的100號航空汽油。然而，無鉛航空汽油也必將對煉油廠提出更高、更苛刻的生產(chǎn)和運輸要求，也成為航空汽油生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)進步和產(chǎn)品質(zhì)量升級的發(fā)展方向。

1.2 100LL低鉛航空汽油標準

根據(jù)GB 1787—2008《航空活塞式發(fā)動機燃料》標準中100號航空汽油技術(shù)要求和ASTM D910—2013《美國民用航空汽油規(guī)格》中100LL級要求，蘭州石化新產(chǎn)品100LL低鉛航空汽油標準見表1，其指標要求與美國標準完全一致，研究試驗均按照滿足該標準要求進行。

表1 低鉛100LL航空汽油標準

1)單位為gkg。

1.3 配方篩選的原則和思路

由于鉛含量大幅下降，辛烷值損失明顯，需要通過提高組分的辛烷值來補充，由于汽油組分有限，采用現(xiàn)有的配方組分無法研制出滿足要求的產(chǎn)品配方。因此，根據(jù)產(chǎn)品標準要求，通過對現(xiàn)有組分性質(zhì)的考察，以及引入新組分，篩選高辛烷值組分，作為配方研究的基礎(chǔ)。由于鉛含量已經(jīng)固定，配方研究主要考察調(diào)合組分的性質(zhì)，同時將降低鉛含量、提高組分辛烷值、平衡餾程和蒸氣壓及降低芳烴含量4個方面作為配方研究的基本原則。

1.4 配方的研究

1.4.1 組分性質(zhì)考察 航空汽油由基礎(chǔ)油組分、蒸氣壓和餾程調(diào)節(jié)組分以及辛烷值改進劑(抗爆劑)等組成。由于四乙基鉛的加入量已經(jīng)降低，彌補辛烷值損失的途徑為：①篩選高辛烷值組分；②尋找新的辛烷值改進劑。同時，配方研究還必須協(xié)調(diào)蒸氣壓和餾程的關(guān)系，滿足組分匹配和其它指標的要求。經(jīng)過文獻查閱和性能篩選[6-7]，研究試驗共使用10種組分和添加劑對辛烷值等關(guān)鍵指標進行考察，各組分的主要性質(zhì)見表2。

表2 航空汽油各組分的主要性質(zhì)

1.4.2 基礎(chǔ)油組分性質(zhì)考察 基礎(chǔ)油組分的性質(zhì)相對穩(wěn)定對配方調(diào)合具有關(guān)鍵性的作用，好的基礎(chǔ)油組分具有較高的辛烷值、較低的芳烴含量，對其它組分的相容性好，具有比較穩(wěn)定的蒸氣壓，餾程分布均勻，特別是蒸氣壓變化對辛烷值的影響較小，具有良好的儲存穩(wěn)定性。對蘭州石化生產(chǎn)的基礎(chǔ)油組分進行了全面考察，通過組分調(diào)合配制了系列基礎(chǔ)油組分配方，對其餾程、蒸氣壓和辛烷值的關(guān)系進行考察，結(jié)果見圖1～圖3。

從圖1～圖3可以看出，調(diào)合篩選的9個基礎(chǔ)油配方的辛烷值比較穩(wěn)定，可作為配方基礎(chǔ)組分進行調(diào)合試驗，并具有以下特征：①初餾點和10%餾出溫度越低，蒸氣壓越高，且關(guān)聯(lián)性較好；②由于輕組分揮發(fā)快，初餾點不穩(wěn)定，10%餾出溫度對蒸氣壓的影響比初餾點大；③組分辛烷值隨蒸氣壓的變化較小，有利于配方篩選。

圖1 基礎(chǔ)油組分配方餾出溫度與蒸氣壓的關(guān)系■—初餾點； ■—10%餾出溫度； ■—10%餾出溫度與初餾點的溫度差； ■—蒸氣壓

圖2 基礎(chǔ)油組分配方餾出溫度與辛烷值的關(guān)系■—MON； ■—10%餾出溫度與初餾點的溫度差； ■—10%餾出溫度； ■—初餾點

圖3 基礎(chǔ)油組分配方蒸氣壓與辛烷值的關(guān)系■—蒸氣壓； ■—MON

1.4.3 辛烷值改進劑的感受性考察 從上述試驗結(jié)果可以看出，調(diào)合基礎(chǔ)油的辛烷值與指標要求差距較大，必須引入添加劑和高辛烷值組分以滿足指標要求，而四乙基鉛含量不能超過限制值，需要篩選其它辛烷值改進劑。

圖4為辛烷值改進劑T1的感受性，其中基礎(chǔ)油1為加氫汽油、基礎(chǔ)油2為重整汽油，基礎(chǔ)油3為1和2的混合組分。從圖4可以看出，辛烷值改進劑T1對基礎(chǔ)油組分辛烷值提高的作用十分明顯。同時對T1的腐蝕性和硫含量進行考察，結(jié)果見表3。從表3可以看出，博士試驗不通過，說明T1具有一定的腐蝕性，但能夠滿足其它指標要求，具有潛在的應(yīng)用價值[7]，但不作為本配方的改進劑。

分別將辛烷值改進劑T2和T3按一定比例加入航空汽油，對其性能進行考察，并對四乙基鉛含量進行微量調(diào)整，形成3個小試樣品，試驗結(jié)果見表4。從表4可以看出，3種配方下油品的各項指標全面改善，只有T2配方1的品度達不到要求，適當增加四乙基鉛含量，其它配方的性能均滿足要求。

圖4 辛烷值改進劑T1對油品辛烷值的影響◆—基礎(chǔ)汽油1； ■—基礎(chǔ)汽油2； ▲—基礎(chǔ)汽油3

項 目內(nèi)控指標辛烷值改進劑T1加劑量(w),%01234博士試驗通過不通過不通過不通過不通過不通過硫醇硫含量(w),%0.00090.00040.00070.00100.00130.0013銅片腐蝕∕級111111

表4 辛烷值改進劑T2和T3對航空汽油性質(zhì)的影響

1.4.4 蒸氣壓調(diào)節(jié)組分考察 將蒸氣壓調(diào)節(jié)組分C1和C2按一定比例加入航空汽油配方形成3個樣品，考察產(chǎn)品的性能，結(jié)果見表5。從表5可以看出，3種配方下油品的50%餾出溫度均不合格，且分別有兩個配方品度和蒸氣壓超過指標要求，說明蒸氣壓調(diào)節(jié)組分對油品的穩(wěn)定影響較大，由于其具有較高的蒸氣壓，導(dǎo)致產(chǎn)品的蒸氣壓達不到要求，同時由于該組分辛烷值較低，不能調(diào)合出滿足標準的產(chǎn)品。

1.5 產(chǎn)品配方優(yōu)化和工業(yè)試生產(chǎn)

在上述實驗研究的基礎(chǔ)上，進一步引入高辛烷值組分G1和G2，并按一定比例加入辛烷值改進劑T2和T3，分別采用不同基礎(chǔ)油組分進行小試配方調(diào)合試驗，結(jié)果見表6。從表6可以看出，小試產(chǎn)品質(zhì)量完全滿足質(zhì)量標準要求。按照優(yōu)化配方進行工業(yè)試生產(chǎn)，嚴格按照產(chǎn)品標準進行檢驗，結(jié)果見表6。工業(yè)產(chǎn)品性能穩(wěn)定，與100號產(chǎn)品相比，100LL工業(yè)產(chǎn)品具有辛烷值高、熱值高、蒸氣壓穩(wěn)定、芳烴含量低的特點，產(chǎn)品的清潔性明顯提高，各項質(zhì)量指標完全滿足標準要求。該工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)中國民航飛行學(xué)院飛行試驗證明各項性能與美國同類產(chǎn)品性能相當，具有蒸發(fā)性能好、易燃、性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)晶點低和不腐蝕發(fā)動機零部件的特點，標志著100LL航空汽油研制成功。

表5 蒸氣壓調(diào)節(jié)組分對航空汽油性質(zhì)的影響

表6 航空汽油小試樣品和工業(yè)試生產(chǎn)產(chǎn)品性能評價結(jié)果

2 結(jié) 論

通過對蘭州石化航空汽油組分進行考察和配方優(yōu)化，研制出滿足100LL標準要求的低鉛航空汽油，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)出的低鉛航空汽油具有蒸發(fā)性能好、易燃、性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)晶點低和不腐蝕發(fā)動機零部件的特點。與100號產(chǎn)品相比，具有辛烷值高、熱值高、蒸氣壓穩(wěn)定、芳烴含量低的特點，產(chǎn)品的清潔性明顯提高，各項質(zhì)量指標完全滿足標準要求。

[1] http：//www.chinairn.com/news/20140919/10085328.shtml[EB/OL].2014-09-19

[2] http：//www.chinairn.com/news/20140919/100006282.shtml[EB/OL].2014-09-19

[3] http：//www.chinairn.com/news/20140918/114332664.shtml[EB/OL].2014-09-18

[4] http：//www.aircraftnurse.com/?m=news&s=newsd&id=4069#rd&sukey=4093a841665b25f292490326e28576e46 ba853848c7d630b87fc286a6f23f2e4d0cd8c8432f8d29f8085abb b9076ff35[EB/OL].2014-07-04

[5] 王九，方建華，董玲.石油添加劑基礎(chǔ)知識[M].北京：中國石化出版社，2009：12-13

[6] 趙忠水.燕山石化75號航空活塞式發(fā)動機燃料的研發(fā)與生產(chǎn)[D].北京：中國石油大學(xué)，2011

[7] 王宏.汽油辛烷值促進劑T1109性能評價[J].中外能源，2010，15(2)：89-91

STUDY ON FORMULATION OF LOW LEAD PISTON ENGINE FUEL (100LL) AND APPLICATION

Song Dan， Cui Wenfeng

(PetroChinaLanzhouPetrochemicalCompany，Lanzhou730060)

To meet the requirements of environmental protection and standards and performance of a new kind of general aircraft fuel， the performance of compositions of aviation fuel were investigated， resulting in low lead aviation gasoline， which meets the standard of 100LL of ASTM D910—2013 and realizes the industrial trial production. Flight tests indicate that the performance of the new developed fuel is similar to the product of the United States. The developed aviation fuel has the characteristics of good evaporation， ignitability， stable properties and low crystallization point. No corrosion to engine parts is observed. The technology fills a domestic gap in this field with broad prospect.

low lead piston engine fuel； octane number； vapor pressure

2014-12-22； 修改稿收到日期： 2015-03-11。

宋丹，碩士，高級工程師，從事質(zhì)量技術(shù)和標準化工作，公開發(fā)表論文10余篇。

宋丹，E-mail：songdan@petrochina.com.cn。