（动力机械及工程专业论文）燃用天然气合成油发动机燃烧特性与可靠性研究.pdf

摘要 燃用天然气合成油发动机燃烧特性与可靠性研究 摘要 面对石油资源短缺和环境污染的两大挑战，发动机燃用清洁的代用燃 料是解决此挑战的有效途径。作为一种新型的代用燃料，天然气合成油 ( g t l ) 具有高十六烷值、无硫及低芳烃含量等独特性质，具有降低排放的潜 力。然而，要将g t l 用于现有的发动机上，并使g t l 发动机性能和排放 优于柴油机，以及与橡胶相容性和燃料润滑性等方面需要进行大量深入的 研究。本文针对g t l 燃料特点，系统开展了g t l 发动机燃烧排放以及可 靠性的研究工作。 掺混了多种g t l 体积分数的g t l 柴油混合燃料，研究了混合燃料理 化参数特性，并给出了这些参数与g t l 体积分数的函数关系。混合燃料绝 大多数理化参数与g t l 的比例呈线性关系。 采用高速摄影的方法研究了g t l 喷雾特性，并与常规柴油进行了比较。 g t l 与柴油喷雾锥角相差不大，g t l 喷雾锥角随喷射压力增大而增大；在 相同的喷雾时间历程，g t l 的贯穿距离小于柴油；g t l 离开喷嘴时刻较柴 油略有延迟。在油泵实验台上，测试了多个工况下g t l 燃料的喷油速率和 油管压力等参数，计算了音速，并与柴油进行了对比，首次在油泵实验台 上对g t l 的喷射过程进行了研究。结果显示，当转速不变，随负荷增大， 喷油速率、泵端和嘴端压力都逐渐增大，峰值出现的相位后移；循环喷油 量明显增加，喷油持续期延长。当负荷不变，随转速升高，喷油速率逐渐 增大，最大喷油速率出现的相位滞后，循环喷油量增大，喷油持续期延长； 泵端和嘴端压力上升点位置前移，压力峰值逐渐增大，但出现的相位几乎 相同。g t l 与柴油对比研究发现，g t l 的喷油速率i 泵端和嘴端压力峰值，。 均较小；g t l 的循环喷油量较少；g t l 的喷油始点均比柴油略有延迟，喷 油持续期较短；g t l 的音速小于柴油。 在燃烧器中燃烧g t l 和柴油，用高像素数码相机进行拍摄，比较了 g t l 与柴油的火焰烟度和高度，并采用三基色法研究了g t l 与柴油火焰温 度特点。g t l 的火焰烟度小于柴油，火焰高度比柴油短5 3 ，平均温度与 柴油相当。 分别在非增压c a 4 9 8 柴油机和增压d 6 1 1 4 柴油机上燃用g t l 以及 g t l 柴油混合燃料，在不同工况和供油提前角下，测试了油耗、缸压和 排放等数据，试验研究了转速、负荷、供油提前角、e c er 4 91 3 工况和美 摘要 国1 3 工况对发动机的动力性、经济性、燃烧和排放影响。结果显示g t l 的油耗、热效率和排放都优于柴油，燃烧噪声较小，特别是能同时降低c o 、 h c 、n o x 、碳烟和c 0 2 排放。 结合醇类燃料高含氧、易挥发和g t l 低排放的优点，在一台压燃式发 动机进气道上加装了喷嘴预喷甲醇、乙醇和异丙醇，同时缸内直喷g t l ， 研究了g t l 发动机复合燃烧模式下的燃烧和排放特性。相对于纯g t l 发 动机，g t l 复合燃烧虽然导致c o 和h c 排放大幅度升高，但是，预喷醇 燃料后能同时降低n o x 和碳烟排放，特别是预混合率较大的情况降低幅度 更大。 测试了发动机上常用的丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶和氯化聚乙 烯四种橡胶材料试样在g t l 燃料中浸泡5 0 4 小时前后的质量、体积、硬度、 拉伸强度、撼断伸长率和撕裂强度等参数。比较了这些参数的变佬率，研 究了这些橡胶材料与g t l 的相容性。三元乙丙橡胶完全不适合在g t l 发 动机上使用，西丁腈橡胶、氟橡胶和氯化聚乙烯橡胶可以选用，其中氟橡 胶的性能最优。 采用四球机和专门搭建的油泵试验台，测试了金属小球和柱塞偶件的 反映磨损情况的参数，研究了添加了润滑改进剂的g t l 润滑性能。结果显 示添加了润滑剂的g t l 磨损值在标准限值范围内，能够满足润滑要求。 本文研究表明，在增压柴油机上不需进行大的改动就可以奁接燃用纯 g t l 以及混合燃料，功率与原机相当，油耗和排放都降低，如果延迟喷油 时刻，可以大幅度降低n o x 排放，丽不会恶化碳烟排放。采用进气道预喷 醇类燃料，直喷g t l 的复合燃烧模式，可以同时降低n o x 和碳烟排放， 预混合率愈大，降低排放幅度愈大。氟橡胶与g t l 相容性很好，可以用于 g t l 发动机油路系统，添加润滑剂的g t l 能够克服供油系统磨损问题，完 全达到润滑标准。 关键词：发动机，天然气合成油( 【- 】已) ，燃烧，摊放，复合燃烧，可靠性 a b s t r a c t s t u d yo nco m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i csa n d r e l i a b i l i t yo f g a s - t o - l i q u i d e n g i n e a b s t r a c t u s i n ga l t e r n a t i v ec l e a nf u e l si sa l le f f e c t i v ew a y t os o l v ep r o b l e m so fp e t r o l e u mc r i s i s a n de n v i r o n m e n tp o h u f i o n a san e wa l t e r n a t i v e ，g a s - t o - l i q u i df u e l ( g t l ) 妇s p e c i a l p r o p e r t i e s 惭m1 1 i g hc e t a n en u m b e r , n e a r l yz e r os u l f u ra n dl o wa r o m a t i c sc o n t e n t s , w h i c h i n d i c a t e sl o w e rm i s s i o n sf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e st h a nc o n v e n t i o n a ld i e s e lf u e l h o w e v e r ，w h e ng t li su s e di nc u r r e n td i e s e le n g i n e sd i r e c t l y , i ti sv e r yn e c e s s a r yt od o m a n yr e s e a r c h e s0 1 1c o m b u s t i o na n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo f 愆乳e n g i n e ，a sw e ua s e l a s t o m e re o m p a t i b i l i t yw i t hg t la n dg t l l u b r i c a t i n ga b i l i 啦 f i r s t , g t l - d i e s e lb l e n df u e l sw i t hd i f f e r e n tg t lv o l u m ef r a c t i o n s 萌黼p r e p a r e d f u e l p r o p e r t i e so ft h e s eb l e n d sw e r es t u d i e d t h e n , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef u e lp r o p e r t i e s a n dg t lf r a c t i o nw a sf o r m u l a t e d 。m o s to ft h ep r o p e r t i e so fb l e n d sh a v eg o o dl i n e a r r e l a t i o n s h i p 埘t l lg t l f r a c t i o ni nt h eb l e n d s s p r a yc h a r a c t c 嫩s t i c so fg t l w a se x a m i n e dv i ah i 醢s p e e dd i g i 蛆c a m e r a g t le x h i b i t s l i t t l ed i f f e r e n c ew i t ht h a to ft h ed i e s e lf u e l ，b u ts h o r t e rs p r a yp e n e t r a t i o na n dl a t e r 嘲e c f i o n , c o m p a r e dt od i e s e l t h ei n j e c t i o np r o c e s so fg a s - t o - l i q u i d ( g t l ) f u e lw a si n v e s t i g a t e do n a f u e lp u m pt e s tr i g 。f u e li n j e c t i o nr a t ea n df u e ll i n ep r e s s u r eo fg t la n dc o n v e n t i o n a ld i e s e l f u e l sw e r em e a s u r e do naf u e lp u m pt e s tb e n c ha n ds o u n ds p e e dw a sc a l c u l a t e da tv a r i o u s o p e r a t i n gc o n d i t i o n s 。t h er e s u l t so fg t li n j e c t i o np r o c e s ss h o wt h a tt h ep u m ps p e e da n d l o a dh a v es i g n i f i c a n te f f e c t s0 1 1f u e li n j e c t i o nr a t ea n dl i n ep r e s s u r eo fp u m pa n dn o z z l ee n d s w h e nc o m p a r e dt od i e s e la tt h es a m et e s tp o i n g t ls h o w sf u e li n j e c t i o nr a t ea n dt h ep e a k v a l u e so fl i n ep r e s s u r ea tp u m pa n dn o z z l ee n d sa r el o w e r , a n dq u a n t i t yo ff u e li n j e c t i o np e r c y c l ew i t hg t li sl e s s i ti sw o r t hn o t i n gt h a tt h ef u e li n j e c t i o nt i m i n go f g t lr e t a r d ss l i g h t l y , m o r e o v e r ，f u e li n j e c t i o nd u r a t i o ni ss h o r t e r , t h ec a l c u l a t e ds o u n ds p e e do fg t li ss m a l l e r t h a nt h a to fd i e s e lf u e l 。 。 s t u d yo fc o m b u s t i o nf l a m ec h a r a c t e r i s t i c so fg t lw a sc o n d u c t e di nab u r n e ru s i n gh i g h p i x e ld i g i u ac a m e r aa n dt h r e e - b a s e - c o l o rm e t h o d c o m p a r e dt od i e s e l , s m o k eo fg t l c o m b u s t i o nf l a m ei sl o w e r , t h el e n g t ho fg t lf l a m ei ss h o r t e rb y5 3 a n dt h ea v e r a g e t e m p e r a t u r ei se q u i v a l e n tt od i e s e l ， a b s t r a c t p o w e ra n de c o n o m yp e r f o r m a n c e , c o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a l a s p i r a t e de n g i n ec a 4 9 8a n dt u r b o c h a r g e de n g i n ef u e l e dw i t hg t la n db l e n d sw e r es t u d i e d u n d e rd i f f e r e n te n g i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa c c o r d i n gt oe c er 4 91 3 - m o d ea n du s13 - m o d e c y c l e s t h er e s u l t ss h o wt h a tf u e lc o n s u m p t i o n , t h e r m a le f f i c i e n c ya n de n g i n e - o u te m i s s i o n s i n c l u d i n gc o ，h c ，n o x , s o o ta n dc c ho f g t la r e 秘麓b e t t e rt h a nt h o s eo f d i e s e l c o m b i n i n ga d v a n t a g e so fo x y g e n a t e df u e l si n c l u d i n gm e t h a n o l , e t h a n o la n di s o p r o p a n o l , a n dl o w - e m i s s i o ng t lf u e l ，c o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp o r tf u e lm j e c t i o no f o x y g e n a t e df u e l sc o m b i n e dw i t hd i r e c t l yi n j e c t i o no fg t lw e r ec o n d u c t e d c o m p a r e dt o s i n g l eg t ld i r e c ti n j e c t i o n , a l t h o u g hg t lc o m p o u n dc o m b u s t i o np r o d u c e sh i g hc oa n dh c e m i s s i o n s ，p o r tf u e li n j e c t i o no fm e t h a n o l , e t h a n o la n di s o p r o p a n o lc a nr e d u c en o xa n ds o o t e m i s s i o ns i m u l t a n e o u s l y e s p e c i a l l y , l a r g e rp r e m i x e dr a t i oo fo x y g e n a t e df u e l sc a nr e d u c e n o xa n ds o o ts i g n i f i c a n t l y t h ec o m p a t i b i l i t yo ff o u rk i n d so fe l a s t o m e r sp o p u l a ru s e di na u t o m o b i l e sw i t hg t l w a si n v e s t i g a t e d t h ep a r a m e t e r so fm a s s ，v o l u m e , 砌l e s s ，t e n s i l es t r e n g t h , u l t i m a t e e l o n g a t i o na n dt e a rs t r e n g t ho fn i t r i l e - b u t a d i e n er u b b e r 懋b r ) ，e t h y l e n e - p r o p y l e n e - n o n c o n j u g a t e dd i e n er u b b e r ( e p d m ) ，f l u o m e l a s t o m e r ( f 均a n dc h l o r i n a t e dp o l y e t h y l e n e ( c p dw e r em e a s u r e db e f o r ea n da f t e r5 0 4 - h o u ri m m e r s i o ni ng t la n dv a r i a t i o n 豫t eo ft h e p a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ep a r a m e t e r so ft h ee p d mv a r y s i g n i f i c a n t l ya n dt h o s eo ft h en b k f k ma n dc p e c h a n g es l i g h t l y e s p e c i a l l y , f k mr e v e a l s t h eb e s tc o m p a t i b i l i t yw i t hg t l 一 、t h el u b r i c a t i n ga b i l i t yo fg t lw a ss t u d i e db yf o u r - b a l la p p a r a t u sa n df u e lp u m pt e s t b e n c hw h i c hi ss p e c i a l l yb u i l t 弹f o rl o n g - t e r mr u n n i n g s o m ep a r a m e t e r sc o n c e m e da b o u t w e a l o fm e t a lb a l l sa n dp l u n g e rc o u p l e sw e r em e a s u r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew e a ri s s m a l l e rt h a nl i m i t a t i o na n ds a t i s f i e st h el u b r i c a t i n gr e q u i r e m e n t sf o rg t la d d e dw i t h l u b r i c a t i o n k e yw o r d s ：i n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e , g a s - t o l i q u i d ( g t l ) ，c o m b u s t i o n , e m i s s i o n , c o m p o u n dc o m b u s t i o n ，r e l i a b i l i t y 符号与缩写 符号缩写英文全称 b ! p b s f c b t d c b t e c a c n c n g c o c c h c p e e p d m f k m n b r 兀 g t l g o g l o g 2 0 g 3 0 g 5 0 g 7 0 g 1 0 0 h c h r r l p g n o x p m p r r t o t 5 0 t 9 0 t 1 0 0 符号与缩写 b r a k em e a ne f f e c t i v ep r e s s u r e b r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m e b e f o r ct h et o pd e a dc e n t e r b r a k et h e r m a le f f i c i e n c y c r a n ka n g l e c e t a n en u m b e r c o m p r e s s e dn a t u a lg a s c a r b o nm o n o x i d e c a r b o nd i o x i d e c 1 1 1 0 r i n a t e dp o l y e t h y l e n e e t h y l e n e p r o p y l e n e n o nc o n j u g a t e dd i e n e f l u o r o e l a s t o m e f n i t r i l e - b u t a d i e n er u b b e r f i s c h e r - t r o p s c h g a s - t o 1 i q u i d n e a td i e s e l l o g t la n d9 0 d i e s e l 2 0 ( 汀la n d9 0 d i e s e l 3 0 g t la n d9 0 d i e s e l 5 0 g t la n d9 0 d i e s e l 7 0 g r la n d9 0 d i e s e l n e a t g t l h y d r o c a r b o n h e a tr e l e a s em t e l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s n i t r o g e no x i d e s p a r t i c u l a t em a t t e r p r e s s u r er i s i n gr a t e i n i t i a ld i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r e 5 0 d i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r e 9 0 d i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r e t e r m i n a ld i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r e v 中文含义 平均有效压力 有效燃油消耗率 上止点前 有效热效率 曲轴转角 十六烷值 压缩天然气 一氧化碳 二氧化碳 氯化聚乙烯橡胶 三元异丙橡胶 氟橡胶 丁腈橡胶 费托合成 天然气合成油 纯柴油 1 0 g t l 9 0 柴油混合燃料 2 0 g t l 8 0 柴油混合燃料 3 0 g ，7 0 柴油混合燃料 5 0 g t 【广5 0 柴油混合燃料 7 0 g t l 3 0 柴油混合燃料 纯g t l 碳氢 放热率 液化石油气 氮氧化物 颗粒 压力升高率 初馏点温度 5 0 蒸馏点温度 9 0 蒸馏点温度 终馏点温度 符号与缩写 字母符号含义 弹性模量 低热值 转速 缸压 有效功率 启喷压力 预混合率 拉杆行程 时间 温度 转矩 当量比 曲轴转角 供油提前角 缸内直喷喷油提前角 喷油延迟 进气道预喷喷油提前角 密度 。 v i 单位 h滥等?=k罴罴吼吼 e胁万p心只，t kei口只岛良易夕 上海交通大学上海父嬗大零 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： e l 期：谚年钥矽日 苠秀 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同急 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彰 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论享作者签名：吲陌 日期：昭年争月佣 指剥币躲多茨 日期：d 驴年牛月为日 上海交逶失学祷圭学链论文 1 1 引言 第一章绪论 能源是国民经济发展的基础，从能源消费总量来看，我国已是仅次于美国的世界第 二能源生产与消费国，世界第一煤炭生产与消费冒，世赛第二虿油消费匡。从1 9 9 3 年 起，我国已从石油出口国变为净进口国，且这种石油短缺状况逐年加剧，2 0 0 7 年我国 石油消耗3 。4 6 亿多吨，其中进口原油1 6 3 亿吨，对钋依存度4 6 。2 0 0 6 年中国能源 发展报告预计中凰在2 0 1 0 年的石油进口依存度将达到5 0 ，到2 0 2 0 年，依存度至少 将达到5 5 以上。由此可见，我国石油的需求将严重不足。中国能源安全问题邑成为 国家十分棘手和亟待解决的闯题。 同时。，由能源剽用过程中产生的环境污染问题日趋严重。1 2 0 0 0 年中国环境状况公 报指出。：在受到监测的3 3 8 个城市中，大气环境质量符合国家一级标准的城市不到 3 ，空气污染指数高于三级的城市占到了6 3 5 ，其中有1 1 2 个城市的平均污染指数 达到了四级，属重度污染。我国的汽车排放己成为城市大气环境的一个主要污染源。据 统计，近年来上海城区内机动车排放的c o 、h c 和n o x 已分别占总排污负荷的8 6 、 9 0 和5 6 ，北京在非采暖期，城区内机动车排放的c o 、h c 和n o x 已分别占总排污 负荷的6 0 、8 6 8 和5 4 7 。城市中车辆尾气的污染日益严重。 作为世界上人口最多的发展中国家，我国能源的开发利用面临着经济增长和环境保 护的巨大压力，能源已成为我国可持续发展的关键，可能成为今后限制我国经济发展的 瓶颈，因此如何在后石油时代，针对我国自然条件和“富煤、少油、有气”的能源资源特 色，如何合理利用我国的能源资源，寻找新型的清洁能源载体，特别是清洁汽车能源已 经迫在眉睫。+ 。 随着汽车排放占城市大气污染源比重的增加和汽车排放标准的日益严格，从机内到 机外，从代用燃料到混合动力，研究人员采用各种方法来降低排放。燃料本身特性对燃 烧和排放的影响已经有所共识，如柴油的十六烷值、芳烃含量、硫含量、密度、粘度、 馏程、沸点、c h 沈和低热值等_ 些理化特性对柴油喷雾雾化【h 、油耗弘, 3 1 、燃烧和排放 都有影响1 4 q 。 作者在t h o m a s 等人【豫嚆i 结归纳基础上，更新了国内外关于燃料特性对p m 和n o x 捧 放影响的结果，并分别汇总于表1 1 和l - 2 。表中，l 表示排放随某参数值的增大丽升高， l 表示排放随菜参数值增大丽降低，一表示参数对排放影响不大或者无影响，空白表示 研究者没有进行测试。 第一章绪论 表i - i 燃料特性对p m 排放的影响汇总 t a b l ei - is u m m a r i e so f e f f e c t so f f u e lp a r a m e t e r so np me m i s s i o n 作者芳烃 c n 硫馏程密度 l i n d a t l 3 j l l i t l 川 t n a n d i 【1 5 】 s h i g e y u k i 1 6 】 d a n i e l s t l 7 】 l a n g e 1 s 】 s c h a b e r g 【1 9 】 t e r r y 2 0 】 r o b e r t t 。j j t t h o m a s t 2 卅 t m i t s u o t 2 副 t r o b t z 4 j t w e i d m a n n t 2 刈 t d e s a i t l o j tt l a n g e 7 1t t a m a n o u c h i t z t w e i d m a n n t l j t u l l m a n t u 1 j tt ltt m c c a r t h y t 2 1ti t m i y a m o t o i j jtl n i k a n j a m t 3 qj b e t t s 3 5 j ltt t c o w l e y 3 6 ltt b u r l e y p ，jttt t o 舔k a l ” t a s u m i l 引 tt b e r t o l i l 4 0 1 tttt r y a n l jttt 表1 2 燃料特性对n o x 排放的影响汇总 t a b l ei - 2s u m m a r i e so f e f f e c t so f f u e lp a r a m e t e r so nn o xe m i s s i o n 作者 芳烃c n硫馏程密度 r o b e r t t 2 1 1 t t h o m a s t 口j t m i t s u o t z 川 t w c i d m a n n t z 叫 t d e s a i t 2 6 j t t 2 上海交逶犬学薄圭学彼论文 t a m a n o u c h i t 2 8 】 w e i d m a n n l 2 9 b u r l e y t 3 7 t o a s k a t q u u m a n i 【。，3 1 j t| ，ll m c c a r t h y t 3 2 l ll l a s u m i t 甜j t b e t t s t j n i k a n j a m l m l ll m i y a m o t o l jt l c o w l e 3 q b e r t o l i t 钾j l r y a n 【4 jt t 氏攫尹目l 我国匿l 标准规定轻柴油硫含量鱼0 0 0 p p m ，c n 一 _ _ 4 5 4 3 1 ；冒l l 标准规定车用柴油硫 0 0 p p m ，c n 4 9 或c n 指数4 6 l 。国m 柴浦要求柴油的含硫量不超过3 5 0 p p m ，十 六烷值至少达到5 0 。2 0 0 8 年l 胃l 蠢起北京机动车燃油正式执行量标准，黧柴油 进一步控制燃油中的硫含量到5 0 p p m 以下，十六烷值提高到5 2 或十六烷指数提高n 4 6 。 一些发达圃家对来来燃料中成分和性质制订了严格的规定，美星、欧洲和日本汽车工鼗 协会提出了世界燃油规范柴油i 类标准1 4 娜，对柴油的十六烷值、芳烃和硫含量 进行了限定，见表量3 。 表l - 3 世界燃料栽藏对柴油部分特性的要求湖 t a b l e1 - 3w o r l d - w i d ef u e lc h a r a c t e r i s t i c sf o rd i e s e l i 4 5 】 比较可以发现，我国对车用柴油品质的要求逐步提高，但与发达国家的要求还存在 差距，主要表现为；十六烷值低、硫含量指标偏高、对柴油中芳烃含量不控制。控制柴 油的硫和芳烃含量，提高十六烷值，不断提高柴油品质，从而减少排放污染，是柴油发 展的必然趋势。 3 第一章绪论 1 2g t l 的生产和理化特性 产生于2 0 世纪初的费一托( f i s c h e r o t r o p s c h ，聊合成法可以分别将天然气、煤和生 物质分别转化成发动机的燃料，为天然气合成油g t l ( g a s - t o - l i q u i d o 、煤合成油 c t l ( c o a l t o l i q u i d s ) 和生物质合成油b t l ( b i o m a s s - t o l i q u i d s ) ，统称为f t 燃料。生产 过程可分为三个部分：，合成气生产、费一托法合成、产品精制1 4 0 ，4 l , 4 6 - 4 9 1 。壳牌( s h e l l ) 石油公司生产g t l 的流程【5 0 】示意图见图1 1 ： h 至茎f 笔堕 _ 母罂嚣 图1 - 1s h e l l 公司g t l 生产过程示意图 f i g 1 - 1p r o c e s so f p r o d u c i n g g t lo f s h e u 1 2 1 合成气生产 合成气( s y n t h e s i sg a s ，s y n g a s ) 是h 2 和c o 的混合气将天然气转化为合成气生 产技术主要有蒸汽转化、部分氧化、自热转化三种 蒸汽转化( s t e a mr e f o r m i n g ) 是蒸汽和天然气在高温( s 0 0 - 一9 0 0 c ) 和中压( 2 m p a ) 及镍催化剂存在下反应。反应式为： c h 4 + h 2 0 _ c o + h 蒸汽转化技术的特点是无需氧气，温度较低，生成合成气的h j c o 比率较高，使用范围 广，但能耗高。 部分氧化( p a r t i a lo x i d a t i o n ) 技术是天然气在较高温度( 1 2 0 0 一- 1 5 0 0 x 2 ) 和较高压力 ( 1 4 m p a 以上) 下燃烧反应式为： c h 4 州现- c o + l 2 部分氧化技术的特点是不需要水蒸气和催化剂，也不需要脱硫，未反应的c h 4 少，设备 简单，可生成近乎理想的h 2 c o 比侈! ，但能耗高，大规模生产时用氧气代替空气，反应 温度高 自热转化( a u t o t h e r m a lr e f o r m i n g ) 是将部分氧化与蒸汽转化结合的_ 种方法，能 量利用比单独应用两种方法都好，反应温度低，h 2 c o 比例可以调整，但需要氧，装置 结构复杂 1 2 2 费托法合成 2 0 世纪2 0 年代由德国科学家f r a n sf i s c h e r 和h a n st r o p s c h 发明了将合成气经过铁基 4 上海交透大学薅学位论文 或钴基催化剂作用，在一定的温度下和反应床上转化为合成油的方法，简称费托f i t ) 合成法。将合成气转化为合成原油的主要反应为： n c o + 2 n h 2 - - m ( - c h 2 - ) + i i h 2 0 反应产物与催化剂、反应器和工作环境有关，主要是直链石蜡烃类。最初的装置 是以煤基合成气为原料的合成油装置，2 0 世纪9 0 年代开始了以天然气为原料制油。国外 众多石油公司对费托合成技术进行了研究，并开发出具有自主知识产权的专利技术【5 。 1 2 。3 产品精制 费托法合成的产物是由碳链长度不同的烃类组成的混合物。采用缓和加氢裂化工 艺将长链烃切断成低温性能良好的短链正构和异构烷烃，就可以得到高质量的燃料。这 秘方法得到燃料一般十六烷值高，不含硫、氮、铁和镍等，芳香烃含量也很低。 1 2 。4g t l 生产与应用 目静全世界范匿内生产g t l 最主要的公司有s h e l l ( 壳牌) 、s a s o l m o s s g a s 、e x x o n m o b i l e 、s y n t r o l e u m 、b p 、c o n o e o 、r e n t e c h 和i n t e v e p 等公司，其中前两者的技术最成 熟并且已经工业化生产。各公司生产g t l 流程大致相同，但工艺、技术、产量和市场 运用各不相同 5 2 - 5 5 。 s a s o l m o s s g a s 公司拥有5 0 多年的f t 合成技术经验，最初是基于煤炭汽化将合成 气转化成石油产品。在其长期运行的煤炼油工艺的基础上，将原料从煤改为天然气，并 采用自主开发的s s p d ( s a s o ls l u r r yp h a s ed i s t i l l a t ep r o c e s s ) i 艺建成了一套小型g t l 装 置。其合成气采用林德公司联合转化工艺，费托合成则使用自己开发的钻催化剂及浆态 床反应器，生成的石蜡采用c h e v r o n 公司的加氢处理技术将原油改质为石脑油和柴油。 s s p di 艺得到的产品7 0 - 8 0 为天然气合成柴油，2 0 - 3 0 为石蜡。该公司工艺具有 造价低、热效率较高、产能扩大、操作费用节省、易于大型化、温度控制等优点，但需 要特殊的催化剂生产和分离技术。 该公司在尼日利亚计划建设3 4 0 0 0 桶天规模的g t l 工厂，每天可将3 0 0 百万标准 立方英尺天然气转化成2 2 3 0 0 桶天合成柴油。s a s o l 和卡塔尔石油公司计划在卡塔尔建 造一座g t l 工厂，设计能力为每天将3 3 0 百万标准立方英尺天然气转化成2 4 0 0 0 桶天 燃料。该公司也是g t l 裔业化运作效果良好的公司之一。 s h e l l 公司天然气制油采用s m d s ( 中间馏分油合成) 工艺，共分三步( 见图1 1 ) ：第 一步将天然气部分氧化为合成气；第二步采用浆液工艺进行费托合成，所用的催化剂为 自主开发的钴基催化剂，采用多管固定床反应器，产品主要为重质石蜡：第三步使用具 有专利权的催化剂将石蜡加氢裂化得妥中阕馏分。产最包括石脑油、煤油、柴油、润滑 5 第章绪论 油基础油等s l x e l l 于1 9 9 3 年在马来西亚b n t u l u 建造了世界上第一个低温f t 合成g t l 工厂，2 0 0 0 年全面运行投产，每天可将1 0 0 百万标准立方英尺的天然气转化为1 2 5 0 0 桶厌的中问馏分。2 0 0 4 年s h e l l 开始在卡塔尔建设g t l 工厂，一期工程预计2 0 0 9 年投 产，g t l 产量可达7 万桶厌。s h e l l 计划2 0 1 0 年底建成四座大型g t l 工厂，r 总产量可 达到3 0 0 0 0 0 桶，天下一代设备将达到每天可将6 0 0 百万标准立方英尺天然气转化为 7 5 0 0 0 桶，天产品的规模水平。 s h e l l 公司的在世界各大城市进行g t l 燃料车辆试验见图1 - 2 i 嗣s h c n 是g t l 商 业化较好的公司之一，目前，g t l 与常规柴油的混合燃料在德国，荷兰、泰国和希腊 韵加油站有零售，在德国与荷兰的产品称为s h e l l v - p o w e r ，在泰国称为s h e u p u r l d i e s e l ， 在希腊称为s h e l l d i e s c l 2 0 0 4 。 ( 摹) 2 0 0 3 年大众公可和蛳在柏韩台柞试验彻 g t l 堪料 ( c ) ”年嚣器黧霪嚣郢佗薮蛋 曲年鲫与车目在伦薮龋 交公司进行公交聿试车即m h 平蚴习半幽位氍覆_ 平 f 1 黛蠲圈黼溺瀚 蓬邋霹鲨鋈鋈 2 年删与上海浦东巴士合作在上t 倬 董i - 2 s 蝴石袖替司在世界各地g t l 燃# 试车嗍 啦1 2 舢衄时幽懈t 丘蒯础g _ i l h 轴皤州棚晡d c 【埘 包括以上提到的各大石抽公司在内的众多公司已经或计捌在荑墨、南非、马来西亚、 卡塔尔、尼日利亚、新蘑兰、埃及、玻利维亚，阿根廷、溴大利贬、伊朗、印尼，印度、 6 一甥辫 蘩躇 t盏_样羹瓣 上海交透大学博圭学链论文 日本、秘鲁、委内瑞拉等1 9 个国家和地区建立g t l 工厂，预计到2 0 1 5 年g t l 产量可 达到l 2 百万桶天洋】。 目前世界天然气探明储量达1 3 8 4 7 x 1 0 1 2m 3 ，还有潜在储量2 5 2 x 1 0 豫m 3 。若以年消 耗天然气2 x l o 疆岔计，目前的探明储量够用7 0 年，潜在储量够用1 2 6 年，二者合计够 用1 9 6 年。此外，世界上还有大量的煤层气可供利用。按照目前掌握的探明储量加潜在 储量可以生产上千亿吨的合成石油，而且合成石油的质量远高于天然石油，为生产清洁 汽油、柴油提供了合适的原料。翳前由于工序长，装置多，转化率低，物耗能耗高，致 使g t l 成本高于原油价格。但随着g t l 的显著优势被广泛接受，扩大生产规模、改进 合