9月,由中国煤炭科工集团煤科院煤化工分院承担的国家重点研发课题《煤液化重组分制特种燃料及化学品技术》通过了科技部组织的课题综合绩效评价验收。这标志着煤科院在煤基特种燃料及化学品领域的关键技术取得重大突破,有望为我国高性能航天飞行器、超音速飞机提供优质燃料。
促进燃料原料多元化
目前,我国喷气燃料主要为石油基原料。据了解,2020年,我国石油对外依存度达73%,海运占比 60%以上。发展以煤为原料,促进燃料原料多元化,是应对我国富煤缺油少气能源格局的现实选择,可为国家能源安全提供战略技术储备和应急保障。
作为我国最早开展煤直接液化技术的研究机构,中国煤炭科工集团煤科院在已有技术基础上,探索煤基合成技术,加强煤制油下游产品的开发利用,致力为高性能航天飞行器、超音速飞机提供煤基喷气燃料。
以煤为原料,通过“加氢+合成”技术可生产出密度在每立方米0.88千克、体积热值在每升38兆焦耳以上的高能量大密度燃料,高于高性能航空器对燃料的一般要求(即密度大于每立方米0.8千克、体积热值大于每升38兆焦耳)。
创新工艺,产品指标全面升级
目前,在煤基喷气燃料开发方面,我国主要面临以下难题:一是在万米高空飞行时,空气稀薄,燃料还需要充当发动机的冷却剂。这就要求燃料既具有高吸热能力,又具有高热安定性,在450摄氏度的高温条件下不发生变质、分解和结焦等。二是当被用作推力燃料时,如何在固定体积的油箱里装载更多油料,这就要求燃料有较大的比重和体积热值。而且也要考虑恶劣工作环境下,如何使燃料仍具备流动性、不凝固、低凝点特性。三是油料要具有低硫、低氮、低芳烃特性,以便降低污染物排放量和满足发动机材质防腐要求。
为解决难题,煤科院从“加氢+合成 ”方向开展研究。研发初期,煤科院基于煤直接液化技术基础,通过传统加氢工艺,研制出煤基大比重喷气燃料。不过,该燃料密度为每立方米0.83千克,能量密度最高为每升35兆焦耳,还不能较好地满足高性能航空飞行器对燃料的要求。
煤科院通过研究发现煤直接转化获取的煤基油,充分保留着煤中特有的环状分子(环烷烃和氢化芳烃)化学结构。煤科院研究了大量实例,发现煤基油具有良好的热安定性和较高的能量密度,是高性能飞行器的优选燃料。
与各方专家交流后,煤科院决定研发煤基航空航天喷气燃料制备技术。该技术通过“加氢+合成”工艺,以煤直接液化工艺生产的煤液化石脑油馏分为起始原料,通过富集轻质芳烃、化学合成、催化加氢稳定和产物分离提纯等方法,制备出煤基高能量密度燃料。
此外,煤科院还研制了专用催化剂,通过相关工艺方法,脱除杂原子(硫、氮)含量,同时降低芳烃含量;根据产品分子调控和工艺过程调控手段,提高产品中的环烷烃含量,并取得了一些研究成果。目前,团队发表论文30余篇,申请发明专利16项,其中5项已获授权。
相关人员表示,《煤液化重组分制特种燃料及化学品技术》课题重点围绕煤温和液化重质油的高值利用,建立了煤液化重质油的分离预处理与表征新方法,开发了重质油加氢改质催化剂及其级配技术,形成了重质油轻质化制备高芳潜石脑油及高性能煤基航空航天喷气燃料工艺。
高性能煤基航空航天喷气燃料是由多个封闭环平面组成且具有空间立体构型的二环或三环烃类物质,分子内存在较大的张力能,结构紧凑,拥有更高的密度(每立方米0.9348千克)和体积热值(每升40.85兆焦耳)。
与美国军用标准、俄罗斯军用标准和国内石油基喷气燃料对比,中国煤炭科工集团煤科院自主研发的产品具有密度大、高体积热值、高体积比热容,高热安定性、低硫、低氮、低凝点、低芳烃和耐腐蚀等特点。
该项目负责人表示,如将该产品用于高性能航空飞行器,可将有效航程延长约40%,运载能力提高15%;产品的高体积热值可以为飞行器提供更大的瞬时推动力,满足如超音速飞机、超音速导弹对推动力的要求。