维普资讯 http://www.cqvip.com 石油炼制与化工 ２００８年８月 ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＡＮＤ ＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＳ 第３９卷第８期 喷气燃料热氧化安定性对发动机燃油系统 沉积物生成影响研究 张怀安，张冬梅，张庆森，曹文杰 （空军油料研究所，北京１０００７６） 摘要 利用ＪＦＴＯＴ试验机和ＨｉＲｅＴＳ试验机模拟发动机燃油系统对喷气燃料的热氧化安定 性进行考察，并对沉积物形成进行研究。试验结果表明，随着喷气燃料热氧化安定性的提高，试验 过程中生成的沉积物量减少；在产生的沉积物量相同的情况下，热氧化安定性高的喷气燃料试验时 间更长，说明通过提高喷气燃料的热氧化安定性可以显著减少发动机燃油系统产生的沉积物，延长 发动机使用寿命。 关键词：喷气燃料热氧化安定性沉积 １ 前 言 ２．２主要实验原料 随着飞机和发动机技术的不断发展，喷气燃料 为了考察喷气燃料热氧化安定性对生成沉积 经受的工作温度越来越高，因而对燃料的热氧化安 物的影响，试验采用不同炼油厂、不同工艺生产的 定性要求也越来越高。目前所用的喷气燃料在较 喷气燃料：２００５年１月生产的直馏３号喷气燃料 高的工作温度下会发生化学变化（包括氧化、热分 （Ａ）；２００３年１Ｏ月生产的直馏３号喷气燃料（Ｂ）； 解、聚合等）生成固态不溶解沉淀物，这些不溶解沉 ２００４年１２月生产的加氢精制３号喷气燃料（Ｃ）； 淀物会影响热交换器效能、堵塞飞机燃料系统的喷 ２００２年４月生产的加氢裂化３号喷气燃料（Ｄ）； 嘴、管路、过滤器、注射泵等部件，给飞行安全带来 １９８７年７月生产的加氢裂化３号喷气燃料（Ｅ）。 极大的隐患。喷气燃料热氧化安定性的提高能够 采用ＪＦＴＯＴ试验法和ＨｉＲｅＴＳ试验法考察 显著减缓在发动机燃料系统热表面上燃料的降解 不同喷气燃料的热氧化安定性，同时向喷气燃料 和形成沉积物、漆膜（１ａｑｕｅｒｓ）以及结焦的趋势，通 Ｃ、Ｅ中加入某高热安定性添加剂，考察喷气燃料 过保持燃料喷嘴的清洁和避免结焦，更有效地提升 热氧化安定性的提高对其生成沉积物的影响。 燃烧效率，从而减少燃烧室和加力燃烧室内的结焦 ２．３ 实验方法 沉积和承受的热应力。本课题利用ＪＦＴＯＴ试验 ２．３．１ ＪＦＴＯＴ试验法ＪＦＴＯＴ试验法又称喷气 机和ＨｉＲｅＴＳ试验机模拟发动机燃油系统，从喷气 燃料热氧化安定性试验方法，该方法模拟航空涡轮 燃料热氧化安定性对燃油系统沉积物生成影响这 发动机燃料系统发动机润滑油换热器表面受热条 一角度来考察燃料热氧化安定性对燃油系统使用 件，以加热器试验管外壁生成的沉积物的颜色和过 寿命的影响。 滤器元件前后的压力降来考察喷气燃料的热氧化 ２实 验 安定性的好坏。ＪＦＴＯＴ试验法模拟燃料在发动机 ２．１主要实验仪器 燃油系统中处于层流状态下的热动力学状态。该 ＪＦＴＯＴⅡ试验机，德国环球公司生产，ＪＦＴＯＴ 法符合ＡＳＴＭ Ｄ３２４１标准，目前作为验收喷气燃 试验条件（ＡＳＴＭ Ｄ３２４１）：试验管温度２６０，２８０， 料热氧化安定性是否符合要求的判断依据。 ３３０℃，试验时间１５Ｏ ｍｉｎ。 ＡＳＴＭ Ｄ３２４１标准要求合格的喷气燃料热氧化安 ６０００—０型ＨｉＲｅＴＳ试验机，英国ＳｅＴａ公司 生产，ＨｉＲｅＴＳ试验条件（ＡＳＴＭ Ｄ６８１ １）：毛细 收稿日期：２００８一Ｏ１ １０；修改稿收到日期：２００８—０３—３１。 管出口温度２９０。Ｃ，试验时间１ ２５ ｍｉｎ，流速为 作者简介：张怀安（１ ９７２一），硕士，工程师，主要研究方向为喷 ３５ ｍＬ／ｍｉｎ。 气燃料热氧化安定性添加剂的研制。 维普资讯 http://www.cqvip.com ６０ 石油炼制与化工 ２００８年第３９卷 定性为：ＪＦＴＯＴ试验在２６０℃条件下，管评级３级 以内、压差小于３．３３ ｋＰａ。 ２．３．２ ＨｉＲｅＴＳ试验法 ＨｉＲｅＴＳ试验法即高雷 诺数热氧化安定性试验方法，该方法模拟燃料在发 动机燃油系统中处于湍流状态下的热动力学状态。 ＨｉＲｅＴＳ试验法是一种新的研究喷气燃料高温热 氧化安定性的方法（２００１年通过ＡＳＴＭ标准），该 试验机模拟发动机燃油系统结构，试验过程接近 燃油系统真实工作状态，使喷气燃料以湍流状态 流过加热的毛细管。当毛细管内喷气燃料在较 高温度下产生沉积物时，沉积物产生隔热作用， 则被加热的毛细管壁的热量不能被管内喷气燃 料及时带走，毛细管壁局部温度升高。在毛细管 出口喷气燃料温度不变（２９０℃）的条件下，使用 红外探头检测毛细管外壁涂层的温度变化。通 过试验过程中的温差变化计算高雷诺数试验值， 用来表征喷气燃料产生沉积物的情况。试验值越 高，表明毛细管内产生的沉积物越多。ＨｉＲｅＴＳ标 准试验法符合ＡＳＴＭ Ｄ６８１１－０２标准，正式发布于 ２００２年７月。 ３结果与讨论 ３．１ ＪＦＴＯＴ试验结果 不同的喷气燃料由于其化学性质的差异，开始 产生沉积物的温度有所不同。ＪＦＴＯＴ试验机可以 在常温至３８０。Ｃ范围内进行试验，通过测定各种喷 气燃料的ＪＦＴＯＴ破点温度（即管评级大于３级或 压差大于３．３３ ｋＰａ时的温度）考察其热氧化安定 性的好坏。表１给出了不同喷气燃料ＪＦＴＯＴ管 评级的情况。 表１不同喷气燃料ＪＦＴＯＴ管评级的比较 从表１中试验数据可以看出，几种喷气燃料的 热氧化安定性由高到低的顺序依次为：ｃ加剂＞Ｅ 加剂＞Ｄ＞Ｃ＞Ｂ＞Ａ＞Ｅ。 一般情况下，加氢工艺的喷气燃料开始出现沉 积物的温度比直馏燃料高，即其热氧化安定性总体 好于直馏喷气燃料。但此结论并不是绝对的。喷 气燃料热氧化安定性受一系列外部和内部条件的 影响，表现为一个相当复杂的物理和化学变化。外 部因素主要为工作环境、温度等，内部因素主要有 喷气燃料的组成、非烃类化合物、氧化产物以及微 量的溶解金属等。喷气燃料在受热过程中，其各种 组分发生不同程度的氧化反应，非烃类（含硫、氮、 氧的化合物）最先氧化，并对不安定的烃类氧化起 引发剂的作用，促进了燃料的氧化和燃料内固相沉 淀物的产生，由此引起ＪＦＴＯＴ试验器燃料系统堵 塞。加氢工艺能使不饱和烃饱和，除去喷气燃料中 的大部分非烃化合物，而且还能使部分芳香烃转化 为环烷烃，所以其热氧化安定性一般好于直馏喷气 燃料。但也有直馏喷气燃料热氧化安定性好于加 氢工艺喷气燃料的情况，这可能是因为加氢工艺会 把原来燃料中的有益成分除去导致热氧化安定性 变差。因此一般都在加氢喷气燃料中加入抗氧化 剂，以提高其热氧化安定性。油样Ｅ出现异常是 因为该油储存期已超过１５年，其热氧化安定性已 大大下降，所以其破点温度很低。 根据美军资料＿１］可知，喷气燃料的ＪＦＴＯＴ破 点温度越高，飞机燃料系统部件的寿命（仅限于由 沉积物引起的）越长。图１给出了美军使用的各种 燃料的ＪＦＴＯＴ破点温度与燃料喷嘴寿命的相关 性（其中ＪＰ一７代表广义的热安定性燃料）。由图１ 可见，随着破点温度的升高，燃料喷油嘴的寿命 升高。 罨 磐 督 图１ 各种燃料的ｊＦ ｒ（） Ｉ、破点温度与燃料喷嘴 寿命的相关性 图２是油样Ｅ加剂前后ＪＦＴＯＴ试验管上沉 积物生成情况。图２中上管为未加剂试验情况，下 管为加剂后试验情况。由图２可见，油样Ｅ加剂 后热氧化安定性得到很大提高，产生的沉积物明显 减少。 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯 http://www.cqvip.com ６２ 石油炼制与化工 ２００８年第３９卷 ＥＦＦＥＣＴ ｏＦ ＴＨＥ ＴＨＥＲＭＡＬ ｏＸＩＤＡＴＩｏＮ ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ ｏＦ ＪＥＴ ＦＵＥＬ ＯＮ ＴＨＥ ＤＥＰＯＳＩＴ ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＩＮ ＴＨＥ ＥＮＧＩＮＥ ＦＵＥＬ ＳＹＳＴＥＭ Ｚｈａｎｇ Ｈｕａｉ’ａｎ，Ｚｈａｎｇ Ｄｏｎｇｍｅｉ，Ｚｈａｎｇ Ｑｉｎｇｓｅｎ，Ｃａｏ Ｗｅｎｊｉｅ （Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｏｉｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｊｅｔ ｆｕｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｆｕｅｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＪＦＴＯＴ ａｎｄ ＨｉＲｅＴＳ ｔｅｓｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｊｅｔ ｆｕｅｌ，ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｓ ｆｏｒｍｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｊｅｔ ｆｕｅｌ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｆｕｅｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｕｓ ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｊｅｔ ｆｕｅｌ；ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｄｅｐｏｓｉｔ 度降低了循环机的电耗。此外，该反应器还兼具内件可单 独更换、外壳使用寿命延长、列管排列布置紧凑、设备投资 省等优点。目前已有多家用户采用了林达公司提供的 ３。Ｏ～１ ８００ ｋｔ／ａ卧式水冷合成技术方案。 林达公司大型甲醇合成塔技术应用 再上规模 宁夏宝塔联合化工有限公司与杭州林达化工技术工程 有限公司（简称林达公司）签约，其６００ ｋｔ／ａ甲醇合成工艺 包设计及合成塔项目将采用林达公司自主开发的“卧式水 ［中国石化有机原料科技情报中心站供稿］ 中国大型煤制油装置即将投运 中国神华集团在内蒙古鄂尔多斯的大型煤制油（ＣＴＩ ） 冷反应器”专利技术。据称这是迄今为止国内专利商承接 的有完全自主知识产权、单台日处理能力最大规模的甲醇 装置将利用当地的煤炭储量资源，应对上涨的油价。该装 置将于２００８年下半年投运，预计可转化３．５ Ｍｔ／ａ煤炭，生 产１ Ｍｔ／ａ石油产品，如车用柴油。该产量相当于约２×１０ 合成塔项目。目前林达公司正在积极准备参加中国神华煤 制油有限公司位于呼伦贝尔的１ Ｍｔ／ａ甲醇项目的招标，方 案已经制定完毕。 ｂｂｌ／ｄ（１ ｂｂｌ≈１５９ Ｉ ），是转化内蒙古煤炭产量（１．３５×１０ ｔ） 一半的雄伟计划的第一阶段，２０１０年将生产液体燃料或化 林达公司是我国拥有甲醇反应器专利最多的专利商。 为适应我国甲醇装置大型化的需求，林达公司自主开发了 横向管式换热大型甲醇合成技术，简称“卧式水冷反应器”。 这项专利开创性地设计出以换热水管横向排列、内外件分 离为主要特征的卧式水冷反应器内部结构，有效地降低了 学品。 中国旨在到２０２０年拥有ＣＴＩ 能力５０ Ｍｔ，相当于约 ２．８６×１０ ｂｂｌ／ｄ，或按现在消费量计占中国能源需求量约４ 。 中国神华集团的该套装置将是除南非以外的最大 ＣＴＬ联合装置。 甲醇合成循环比。该技术使同等生产能力甲醇合成装置通 过的气量随循环比成倍降低，出塔气甲醇含量大幅提高，因 而配套设备和管道规模、投资均大幅下降。与此同时，由于 美国、澳大利亚和印度是富煤国家，也着眼于开发 ＣＴＬ技术，但该技术受到环境问题的制约，过程中要向大 气排放大量含碳气体，并消耗大量能量和水。 该结构为卧式结构，气体流通床层薄，流通截面大，故合成 塔阻力为原轴向塔的１Ｏ ～２Ｏ ，低阻力和低循环比大幅 ［章文摘译自Ｕｐｓｔｒｅａｍ，２００８—０６一Ｏ４］
