CN112812860B - 提高热氧化安定性的航空替代燃料调和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高热氧化安定性的航空替代燃料调和方法，该方法包括将航空替代燃料与添加剂进行混合，其中所述添加剂包括以下组分：a)甲基环戊烷、二甲基环戊烷和三甲基环戊烷一种或几种；b)甲基环己烷、二甲基环己烷、乙基环己烷和三甲基环己烷中的一种或几种；c)四氢萘和/或十氢萘。通过本发明的方法可以实现喷气燃料在满足热氧化安定性要求的同时不降低流动性、燃烧性、兼容性、润滑性等性能。

Description

提高热氧化安定性的航空替代燃料调和方法

技术领域

本发明涉及替代能源、航空技术交叉领域，具体涉及基于高热氧化安定性的航空替代燃料调和方法。

背景技术

航空燃料热氧化安定性和热沉是高速航空领域关键技术，高速飞行导致喷气燃料从油箱到发动机喷嘴进入燃烧室之前油温升高，其经历蒸发、氧化、热分解、聚合等系列复杂物理化学变化，从而导致生成不溶性沉积物，其已成为高超音速飞行系统，并是影响亚音速、超音速飞行安全的关键指标。燃料物质组成及其分子结构是燃料热氧化安定性的重要影响因素，随着更快、更安全，更环保航空运输需求，航空替代燃料得到了快速发展。但非石油基航空替代燃料组分与石油基航空燃料在燃料组分与分子结构上有显著差异，因此调和具有特定安定性和热沉要求的航空替代燃料是适用高速航空与绿色航空的关键。

燃料的组成及其分子结构是其安定性的重要影响因素，美国为满足飞机对燃料安定性的要求，不断对燃料进行深度精制，但特殊的精制工艺使燃料需要较高的经济和人力的成本，从而转入开发复合添加剂。通过对喷气燃料沉积物形成机理进行了深入研究，提出了降低沉积物的系统性方案，研制出了降低沉积物的新型喷气燃料添加剂，并投入了实际应用，但至今未公开其添加剂成分。俄罗斯对于提高热安定性的添加剂种类和高吸热碳氢燃料也进行了大量的研究。目前国际总体趋势是发展多功能添加剂，通过其联合协同作用，提高燃料的安定性和热沉。

由于喷气燃料在满足安定性要求的同时还需要具有流动性、燃烧性、兼容性、润滑性等众多性能，这些性能的限制在一定程度上限制了添加剂的组分范围和性质发挥。

由于高速航空与绿色航空的发展，航空替代燃料逐步开始承担替代石油基航油的角色。对于高热氧化安定性能的喷气燃料，由于石油基喷气燃料组成受限于其原油组成与炼制工艺，而航空替代燃料由于原料与工艺的多样性，航空燃料馏份具有显著的多样性和独特性质，这为调和高热安定性航空燃料奠定了基础。

但是，发展高热氧化安定性航空替代燃料掺混技术存在如下难点。一、航空替代燃料主要工艺(费托，油脂加氢，水热催化加氢，纤维素水热聚合加氢)主要含有直链烷烃与支链烷烃，比石油基航空燃料性质易引起沉积，因缺乏供氢能力和吸纳自由基的环烃结构组分；二、航空燃料需要同时具有热氧化安定性和热裂解安定性，而航空燃料中在这两种性能的表现却具有相互矛盾，这就要求在使用中扬长避短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种基于高热氧化安定性的航空替代燃料的调和方法，从而实现喷气燃料在满足热氧化安定性要求的同时不降低流动性、燃烧性、兼容性、润滑性等性能。

首先，本方明提供一种提高热氧化安定性的航空替代燃料调和方法，其包括将航空替代燃料与添加剂进行混合，其中所述添加剂包括以下组分：

a)甲基环戊烷、二甲基环戊烷和三甲基环戊烷一种或几种；

b)甲基环己烷、二甲基环己烷、乙基环己烷和三甲基环己烷中的一种或几种；

c)四氢萘和/或十氢萘。

根据本发明的一些实施方式，基于航空替代燃料与添加剂的总重量，组分a)选自甲基环戊烷0.5-2％、二甲基环戊烷0.5-2％，三甲基环戊烷0.5-2％中的一种或几种。

根据本发明的一些实施方式，基于航空替代燃料与添加剂的总重量，组分b)选自甲基环己烷1-3％、二甲基环己烷1-10％、乙基环己烷1-10％、三甲基环己烷25-55％中的一种或几种。

根据本发明的一些实施方式，基于航空替代燃料与添加剂的总重量，组分c)选自四氢萘0.5-3％和/或十氢萘0.5-5％。

根据本发明的一些实施方式，所述添加剂还包括清净分散剂和/或结焦抑制剂。优选地，所述清净分散剂选自聚异丁烯苯酚和或烷基酚树脂中的一种或几种。根据本发明的一些实施方式，所述清净分散剂的添加量为0.01-0.05％。根据本发明的一些实施方式，所述结焦抑制剂选自二甲基二硫和/或磷酸三辛酯。根据本发明的一些实施方式，所述结焦抑制剂的添加量为0.002％-0.02％。

本申请中，所述航空替代燃料选自费托工艺喷气燃料、加氢工艺喷气工艺燃料、水热油脂加氢工艺喷气燃料或纤维素水热-缩合-加氢燃料。

根据本发明的一些实施方式，费托(FT)工艺喷气燃料原料来源具有多元性，例如煤或天然气或生物质。根据本发明的一些优选实施方式，费托工艺喷气燃料包括99％以上链烷烃。根据一些实施例，费托航空燃料主要组分为链烷烃≥99.5％，其碳数分布成正态。

根据本发明的一些实施方式，加氢工艺喷气燃料原料来源可以是微藻(例如微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)或废弃油脂。水热油脂加氢工艺喷气燃料的原料可以为微藻(微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)。油脂类航油主要组分为链烷烃，含少量环烷烃。餐饮废油、棕榈油、大豆油、菜籽油其碳数分布集中于C15-C18，椰子油碳数分布集中于C11～C14；微藻类，其中微拟球藻碳数分布集中于C12～C16，珊藻碳数分布集中于C15-C18，小球藻碳数分布集中于C14-C18。

根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为油脂，且包括95％-97％链烷烃和1％-3％环烷烃。根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为微藻，且包括68％-82％链烷烃、3％-12％环烷烃和7％-18％芳香烃。

纤维素水热-缩合-加氢燃料的原料可以为秸秆类。纤维素航空燃料组分含有链烷烃和环烷烃。根据一些实施例，纤维素水热-缩合-加氢燃料包括52％-60％链烷烃、26％-33％环烷烃以及3.0％-6.5％萘系。

本发明还提供了一种用于航空燃料的添加剂，其包括以下组分：

a)甲基环戊烷、二甲基环戊烷和三甲基环戊烷一种或几种；

b)甲基环己烷、二甲基环己烷、乙基环己烷和三甲基环己烷一种或几种；

c)四氢萘和/或十氢萘；

根据本发明的一些优选实施方式，所述添加剂还包括清净分散剂和/或结焦抑制剂。

优选地，所述清净分散剂选自聚异丁烯苯酚和或烷基酚树脂中的一种或几种，所述结焦抑制剂选自二甲基二硫和/或磷酸三辛酯。

进一步地，本发明提供了一种航空燃料组合物，包括航空替代燃料和本发明所述的用于航空燃料的添加剂。

本发明的实施方式中，所述航空替代燃料选自费托工艺喷气燃料、加氢工艺喷气工艺燃料、水热油脂加氢工艺喷气燃料或纤维素水热-缩合-加氢燃料。

本发明的实施方式中，费托(FT)工艺喷气燃料原料来源具有多元性，例如煤或天然气或生物质。根据本发明的一些优选实施方式，费托工艺喷气燃料包括99％以上链烷烃。根据一些实施例，费托航空燃料主要组分为链烷烃≥99.5％，其碳数分布成正态。

本发明的实施方式中，加氢工艺喷气燃料原料来源可以是微藻(例如微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)或废弃油脂。水热油脂加氢工艺喷气燃料的原料可以为微藻(微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)。油脂类航油主要组分为链烷烃，含少量环烷烃。餐饮废油、棕榈油、大豆油、菜籽油其碳数分布集中于C15-C18，椰子油碳数分布集中于C11～C14；微藻类，其中微拟球藻碳数分布集中于C12～C16，珊藻碳数分布集中于C15-C18，小球藻碳数分布集中于C14-C18。

本发明的实施方式中，加氢工艺喷气工艺燃料来源为油脂，且包括95％-97％链烷烃和1％-3％环烷烃。根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为微藻，且包括68％-82％链烷烃、3％-12％环烷烃和7％-18％芳香烃。

本发明的实施方式中，纤维素水热-缩合-加氢燃料的原料可以为秸秆类。纤维素航空燃料组分含有链烷烃和环烷烃。根据一些实施例，纤维素水热-缩合-加氢燃料包括52％-60％链烷烃、26％-33％环烷烃以及4.5％-6.5％萘系。

更进一步地，本发明提供了上述添加剂或航空燃料组合物在航空发动机中的应用。

本发明的技术效果：

1、通过航空替代燃料与添加剂组合，航空燃料使用温度可提高30-100℃，氧化沉积量下降30％～90％。

2、喷气燃料安定性是燃料性能的重要指标之一，但其在掺混使用时，还必须兼顾密度、热值、粘度、冰点、燃烧极限、闪点、烟点等诸多指标保证必须在一定要求的范围。本研究提出基于安定性航空替代燃料的调和方法，充分协调了添加剂对航空燃料总体性能的综合影响。

3、明显减少燃料在发动机燃料控制装置、主燃烧室、加力燃烧室、喷雾系统的积碳，减少了维护成本。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合本发明作进一步地详细说明。需要说明的是，本发明目的通过替代航空燃料获得高热氧化安定性要求的适用高速飞行的航空燃料。

实施例1费托工艺喷气燃料

费托航空燃料原料来源为煤，天然气或生物质，其主要组分链烷烃≥99.5％，碳数分布成正态。向煤基费托航空燃料中添加抗氧剂组合剂，其中甲基环戊烷0.5％，二甲基环戊烷1％，三甲基环戊烷2％，甲基环己烷1.5％，三甲基环己烷45％，四氢萘1％，十氢萘3％；清净分散剂聚异丁烯苯酚0.025-0.05％，结焦抑制剂磷酸三辛酯0.002-0.006％。由此得到的改进燃料使用温度提高60-100℃，氧化沉积量下降50-90％。

实施例2费托工艺喷气燃料

向天然气费托航空燃料中添加抗氧剂组合剂，其中二甲基环戊烷2％，甲基环己烷1.5％，三甲基环己烷55％，四氢萘0.5％，十氢萘0.5％，清净分散剂聚异丁烯苯酚0.02-0.05％，结焦抑制剂磷酸三辛酯0.002-0.006％。由此得到的改进燃料使用温度可提高50-100℃，氧化沉积量下降30％～60％。

实施例3费托工艺喷气燃料

向生物质费托航空燃料中添加抗氧剂组合剂，其中甲基环戊烷0.5％，二甲基环己烷2.5％，三甲基环己烷50％，四氢萘0.5％，十氢萘1.5％，清净分散剂聚异丁烯苯酚0.025-0.05％，结焦抑制剂磷酸三辛酯0.002-0.006％。由此得到的改进燃料使用温度可提高70-100℃，氧化沉积量下降60％～90％。

实施例4油脂加氢工艺喷气燃料

微拟球藻油脂类航油主要组分为链烷烃(70％-95％)，含少量环烷烃(1-12％)。向微拟球藻油脂类航油中添加抗氧剂组合剂，其中甲基环戊烷0.5％，二甲基环戊烷1％，三甲基环戊烷2％，甲基环己烷1.5％，二甲基环己烷8％，乙基环己烷8％，三甲基环己烷30％，十氢萘3％；清净分散剂聚异丁烯苯酚0.025-0.05％，结焦抑制剂磷酸三辛酯0.01％-0.02％。由此得到的改进燃料使用温度提高30-60℃，氧化沉积量下降30-60％。

实施例5水热油脂加氢工艺喷气燃料

微拟球藻水热加氢燃料含有链烷烃(60-78％)，环烷烃(5-12％)，芳香烃(5-18％)。向微拟球藻水热加氢燃料中添加抗氧剂组合剂，其中甲基环戊烷0.5％，二甲基环戊烷1％，三甲基环戊烷2％，甲基环己烷1.5％，二甲基环己烷5％，乙基环己烷5％，三甲基环己烷35％，十氢萘3％；清净分散剂聚异丁烯苯酚，或烷基酚树脂中的一种或几种0.01-0.05％，结焦抑制剂二甲基二硫，或磷酸三辛酯0.005％-0.01％。由此得到的改进燃料使用温度提高30-70℃，氧化沉积量下降30-80％。

实施例6纤维素水热-缩合-加氢航油工艺喷气燃料

纤维素航空燃料原料为秸秆类，其中玉米秸秆水热-聚合-加氢含有链烷烃(50-65％)，环烷烃(25-35％)，萘系(4.5-6.5％)。向纤维素航空燃料中添加抗氧剂组合剂，其中抗氧剂添加量为三甲基环戊烷2％，甲基环己烷1.5％，二甲基环己烷5％，乙基环己烷5％，三甲基环己烷35％；清净分散剂聚异丁烯苯酚，或烷基酚树脂中的一种或几种0.01-0.05％，结焦抑制剂二甲基二硫，或磷酸三辛酯中的一种或几种0.002％-0.02％。由此得到的改进燃料使用温度提高30-50℃，氧化沉积量下降30-60％。

Claims (11)

1.一种提高热氧化安定性的航空替代燃料调和方法，包括将航空替代燃料与添加剂进行混合，其中所述添加剂包括以下组分：

a)甲基环戊烷、二甲基环戊烷和三甲基环戊烷一种或几种；

b)甲基环己烷、二甲基环己烷、乙基环己烷和三甲基环己烷中的一种或几种；

c)四氢萘和/或十氢萘，

其中，基于航空替代燃料与添加剂的总重量，组分a)选自甲基环戊烷0.5-2％、二甲基环戊烷0.5-2％，三甲基环戊烷0.5-2％中的一种或几种；组分b)选自甲基环己烷1-3％、二甲基环己烷1-10％、乙基环己烷1-10％、三甲基环己烷25-55％中的一种或几种；组分c)选自四氢萘0.5-3％和/或十氢萘0.5-5％。

2.根据权利要求1所述的航空替代燃料调和方法，其特征在于，所述添加剂还包括清净分散剂和/或结焦抑制剂。

3.根据权利要求2所述的航空替代燃料调和方法，其特征在于，所述清净分散剂选自聚异丁烯苯酚和/ 或烷基酚树脂中的一种或几种；所述结焦抑制剂选自二甲基二硫和/或磷酸三辛酯。

4.根据权利要求2所述的航空替代燃料调和方法，其特征在于，所述清净分散剂的添加量为0.01-0.05％；所述结焦抑制剂的添加量为0.002％-0.02％。

5.根据权利要求1所述的航空替代燃料调和方法，其特征在于，所述航空替代燃料选自费托工艺喷气燃料、加氢工艺喷气燃料或纤维素水热-缩合-加氢燃料。

6.根据权利要求5所述的航空替代燃料调和方法，其特征在于，所述加氢工艺喷气燃料选自水热油脂加氢工艺喷气燃料。

7.根据权利要求5所述的航空替代燃料调和方法，其特征在于，费托工艺喷气燃料包括99％以上链烷烃；

加氢工艺喷气燃料来源为油脂，且包括95％-97％链烷烃和/或含1％-3％环烷烃；

加氢工艺喷气燃料来源为微藻油脂或水热油，且包括60％-85％链烷烃、3％-15％环烷烃和/或芳香烃5％-20％；

纤维素水热-缩合-加氢燃料包括50％-65％链烷烃、10％-35％环烷烃和/或含3％-6.5％萘系。

8.一种航空燃料组合物，包括航空替代燃料和用于航空燃料的添加剂，所述添加剂包括以下组分：

a)甲基环戊烷、二甲基环戊烷和三甲基环戊烷一种或几种；

b)甲基环己烷、二甲基环己烷、乙基环己烷和三甲基环己烷一种或几种；

c)四氢萘和/或十氢萘，

其中，基于航空替代燃料与添加剂的总重量，组分a)选自甲基环戊烷0.5-2％、二甲基环戊烷0.5-2％，三甲基环戊烷0.5-2％中的一种或几种；组分b)选自甲基环己烷1-3％、二甲基环己烷1-10％、乙基环己烷1-10％、三甲基环己烷25-55％中的一种或几种；组分c)选自四氢萘0.5-3％和/或十氢萘0.5-5％。

9.根据权利要求8所述的航空燃料组合物，其特征在于，所述添加剂还包括清净分散剂和/或结焦抑制剂。

10.根据权利要求9所述的航空燃料组合物，其特征在于，所述清净分散剂选自聚异丁烯苯酚和/ 或烷基酚树脂中的一种或几种，所述结焦抑制剂选自二甲基二硫和/或磷酸三辛酯。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的航空燃料组合物在航空发动机中的应用。