液體燃料

液態燃料是燃料的一大類。能產生熱能或動力的液態可燃物質。 主要含有碳氫化合物或其混合物。 天然的有天然石油或 原油。 加工而成的有由石油加工而得的汽油、煤油、柴油、燃料油等，同油頁岩乾餾而得的頁岩油，以及由一氧化碳和氫合成的人造石油等。

液體燃料是用來產生熱量或動力的液態可燃燒的物質。主要為碳氫化合物或其混合物，天然的有石油及其某些加工產品如汽油、煤油、柴油、燃料油等；也有通過煤的液化或煤、油頁岩經乾餾以及一氧化碳和氫氣用費一託合成法等製得的人造汽油。 ^[2] 

在石油產品中主要化學組成是碳氫化合物，主要有四類：

1、烷烴

分子通式為C_nH_2n+2，C₅~C₁₅為液體燃油的主要組成。烷類亦稱石蠟族碳氫化合物，從C₅開始有正烷烴(直鏈結構)和異烷烴(側鏈結構)之分。一般説，烷烴具有較高的氫/碳比，密度較低(輕)，重量發熱值高，熱安定性好。烷烴的燃燒通常沒有排氣冒煙及積炭。

2、烯烴

分子通式為C_nH_2n。烯烴是不飽和烴，它們的分子結構中含的氫比最大可能的少，所以化學上是活潑的，很容易和很多化合物起反應，其化學穩定性和熱安定性比烷烴差。在高温和催化作用下，容易轉化成芳香族碳氫化合物。一般原油中含烯烴並不多，烯烴通常是由裂解過程產生的。直接分餾法得出的石油產品中含烯烴不多，在裂解法得出的油中，烯烴可以多到25%。

3、環烷烴

是環狀結構，含有一個或更多的6個碳原子的環狀結構。雖然在結構上似乎與環烷烴有點類似，它們含的氫少，因而它們單位重量的熱值低很多。其他主要的缺點是冒煙積碳的傾向很高，吸濕性高，所以當燃油處於低温時容易導致冰結晶的沉積。

芳香烴對橡膠製品有很強的溶解能力。單環芳香烴的一般式為C_nH2_n+5，更復雜的芳香烴可以是上述分子結構中一個氫原子由其他基所替代。

燃料中元素硫、硫醇、硫化氫，由於有高的腐蝕性並降低油料安定性，因此在煤油規格中都加以限制。在煉油過程中用清洗或其他辦法除硫。氮和氧的化合物是不希望有的成分，它會降低油料熱安定性、潔淨性等。航空煤油中微量金屬元素也是不希望的，除了原油中本身含有外，往往還有在貯運和泵送過程中的污染物。 ^[3] 

煤油中碳和氫的含量佔99.9%，下表列出我國典型的幾種航空煤油的碳、氫含量和碳、氫比。

密度即單位體積內所含物質的質量，用符號ρ表示。國際單位為kg/m³。我國標準規定，石油或石油產品的密度，以20℃時的密度ρ₂₀為標準密度。同體積的油和水的質量比為相對密度，故相對密度為無因次數。

我國常用的油料為20℃的油與4℃時同體積的純水( 密度為1g/ cm³ ) 的質量之比， 以符號

表示。可見油的密度與相對密度含義不同，但數值是一樣的。

若測定相對密度時的油温不是20℃， 則可用下式進行換算。

式中：

—— 油温為t℃時油的相對密度測定值；

—— 換算成20℃時油的相對密度值；

t —— 測定相對密度時的油温℃( 0—50℃)；

α—— 温度校正係數， 單位為1/ ℃。

石油產品的相對密度隨餾分不同而不同。如汽油的相對密度不大於0.76； 溶劑油相對密度不大於0.795； 煤油的相對密度不大於0.83； 輕質潤滑油相對密度在0.86—0.90之間； 重質潤滑油的相對密度可達0.93； 渣油的相對密度在1.00 左右。燃料油因其組分不同， 相對密度在0.8—0.98 之間。

測定油料的方法可根據所要求測定相對密度的準確度而採用不同的方法， 有相對密度計法； 韋氏天平法和相對密度瓶法三種方法。應用相對密度計法較為簡便， 可自插入試油的恆重相對密度計上直接讀出相對密度的數值， 然後再根據測試的油温按上式換算成20℃下的通用比重。在重油供應系統的設計中， 重油相對密度是常用數據， 又是表示油中水分和機械雜質沉澱難易程度的指標。相對密度越小， 油中的水分和機械雜質越易沉澱， 相對密度越大， 越難沉澱。 ^[4] 

石油產品是各種烴的混合物，其相對分子質量是一種平均相對分子質量。一般隨餾程增高而增大，可以由一些經驗式估算。

燃料的粘度對燃料輸送、油泵壽命、噴嘴霧化、低温點火啓動等有很大關係。粘度越大，噴霧質量越差。粘度主要取決於燃料中所含碳氫化合物的組成(粘度依如下次序降低：多環環烷烴、環烷烴、芳香烴、烷烴)，同時隨温度而極為顯著地變化(尤其低温)。

粘度是評價粘性油品流動性的指標。它對作為燃料油的重油卸車、脱水、管線壓力降以及在爐膛中霧化質量有重要影響。和其它燃料油一樣， 重油的粘度隨温度而變化。油温高粘度小， 降低温度粘度增大。根據重油這一物理性質， 採用加熱方法降低其粘度以滿足重油儲運和霧化的要求。

液體的粘度實為液體分子之間的一種物性， 一般的液體當受到外力作用， 如果液體沿管道內流動時， 管道截面上的各層液體的流速並不相同， 管道中心的液體流速最大， 而管壁上的液體流速為零。這是因為液體流動時， 液體內部各流動層之間產生了摩擦力， 它阻止靠近管壁的液體流動。液體流動時產生阻力的這種物性稱為液體的粘度。液體種類不同， 其分子結構型各異， 因而即使在相同温度下， 不同液體的粘度各不相同。在工程計算中， 對同一種液體， 有動力粘度、運動粘度及恩氏粘度等不同名稱。這只是用不同的單位表示相同的粘度， 它們之間的數值可以換算。

1、動力粘度( μ) 動力粘度的國際單位為帕·秒( Pa·s ) ， 或牛·秒/ 米2 (N·s/ m² ) 。温度為t℃的某種液體的動力粘度用符號μ_t表示。在有關的熱工手冊中可查到不同温度下各種油品的μ_t值。

2、運動粘度(

) 某一種液體在同一温度下， 其動力粘度與密度之比值稱為該液體的運動粘度， 即

_t——液體在t℃時的運動粘度，m²/s；

μ_t—— 液體在t℃時的動力粘度，N·s/ m2；

ρ_t—— 液體在t℃時的密度，kg/m³。

根據μ_t及ρ_t的單位，可導出

_t的單位為m²/s。 ^[5] 

表面張力是液體表面單位長度上用來抵銷使液體表面面積增大的外拉力而由液體表面所呈現的內聚力，單位是N/m。通常可以用雙毛細管法來測定。

餾程是指餾分的温度範圍，餾程中的餾分組成則表達了不同温度下餾出物量的關係。燃油的餾程是極為重要的，它很大程度上決定了燃料的物理性質和燃燒性質，決定了每噸原油可產該種燃油的產出率。希望增大產出率則要加寬餾程，即多“切”一些(wide cut）。這時可以降低初餾點，或提高終餾點。這樣在增大產量的同時，一定會影響到燃料的性質(例如閃點、冰點等)。

燃油是混合物，所以沒有單一的沸點，常用50%餾點温度來表徵燃油的沸點，然後其他各物性(如粘度、比熱等)又與平均沸點或中餾點來建立關係。常壓下中餾點又稱正常沸點。

當燃料表面保持氣液平衡時，飽和蒸氣產生的分壓力稱為飽和蒸氣壓。在任何壓力下均能將氣體液化的最低温度稱為臨界温度。換句話説，在臨界温度之上無論加多大壓力都不可能使氣體液化，在臨界温度時與液相處於平衡的氣相壓力為臨界壓力。在臨界狀態時，純物質的氣態和液態性質已經沒有區別(密度一樣，蒸發潛熱為零)。臨界參數在計算(例如密度、導熱性等)時要用到。

在傳熱計算及蒸發計算中用到燃油比熱。在很高飛行速度下的飛行器中，燃油可以用來吸收熱量，這時比熱是燃油的重要性質。烷烴是最佳的，比環烷烴或芳香烴的比熱都高。

導熱係數在做傳熱計算時用到，它隨温度升高而降低，其單位為J/（m·s·℃)。 ^[6] 

燃料的燃燒性質影響到火焰温度，影響到可燃邊界、着火性、化學反應速率以及生成煙粒子的傾向。

熱值是燃料最重要的性質。單位質量或體積的燃料完全燃燒所放出的熱量稱為重量熱值或體積熱值。單位重量燃料（温度25℃）和空氣(温度25℃)燃燒產物冷卻下來最終温度回到25℃（在常壓下）所放出的燃燒熱（這時燃燒產物中水蒸氣冷凝成水）稱為高熱值。在高熱值中扣去由於水蒸氣冷凝所放出的熱稱為低熱值。在低熱值中假設燃燒產物全部都是氣態。

自燃着火是在沒有外界點火源時完全由加熱使燃油温度升高而使燃油自動着火的。自燃着火温度可測定如下：

將少量油徉置於已加熱處於高温的坩堝內，測量其達到着火的時問延遲。隨後降低温度，重複試驗，這時着火時間延遲增大，直到某個最小着火温度，比這温度再低，無論延遲時間多長，都不着火了。着火温度是隨壓力降低而增大的。

閃點或稱閃火點, 是指油料的蒸氣與空氣的混合物在臨近火焰時發生短暫( 時間不超過5 秒) 燃燒的温度。從火焰的物理化學本質來看, 即是可燃氣體與空氣混合物極小的爆炸。如同所有的混合氣體爆炸一樣, 閃火只能在一定混合物組成的情況下產生, 當可燃氣體過多或過少, 爆炸都不能發生。因此, 它和可燃液體的蒸發性以及在空氣混合物中的最低含量有關。

在常温下, 大多數液體燃料的蒸氣是不能同空氣中的氧氣發生閃火的。為了測定油料的閃點, 就需要將油料加熱, 並在加熱過程中每隔一定時間試驗閃點能否發生。測定是在嚴格的規定條件下進行的。它與使用的儀器及實驗方法的每一個細節都有密切關係。所以閃點也是一個條件常數。

閃點越低，火災的危險性越大。

可燃物(如燃油蒸氣)與空氣混合，只能在一定濃度範圍內才能進行燃燒。超過這個濃度(太稀或太濃)就燃不起來了。在這個濃度範圍內，火焰一旦引發，就可以從點火源擴展出去，只要濃度合適，可以無限地傳播下去。通常定義一個富燃極限一個貧燃極限(亦叫富油、貧油極限)。

確切地表示，這兩個極限應該叫不可燃邊界而不是可燃邊界。因為超過這兩個邊界，一定不可燃，但在這範圍內不一定可燃。貧燃極限與閃點是相關聯的。煤油類燃料在常温下其不可燃邊界大致為油氣比（質量）0.035和0.28。

燃料的生碳性代表在燃燒室中燃燒時生成煙粒子的傾向。生碳性與燃料的性質有密切關係，如比重、餾程、粘度、芳香烴含量、碳氫比(氫含量)等。

燃料的生碳性是燃料性質與組成影響燃燒性能和燃燒室壽命的最明顯的例子。生碳性高使排氣冒煙多，燃燒區煙粒子濃度高，引起火焰輻射黑度高，輻射傳熱高，室壁温度高，引起火焰筒變形和裂紋，減少火焰筒壽命；生碳性高容易引起室壁積碳和噴嘴積碳，後者會影響到燃油的霧化質量，造成燃燒效率很低，出口温度分佈質量降低，甚至然燒不穩定。

一種液態燃料要能實際使用，必須在使用性上滿足要求。顯然所謂使用性和用途以及使用的環境有密切關係，不存在籠統的使用性要求。

1、低温性能和流動性

燃料的冰點是一個很重要的指標。它直接影響每一噸原油生產航空煤油的產率。

2、燃料熱安定性

熱安定性分靜態熱安定性和動態熱安定性。在金屬容器中靜態條件下燃料的熱氧化安定性為靜態熱安定性，油樣受熱後產生的沉積越少，表示其熱安定性越好。動態熱安定性是指流動條件下噴氣燃料的熱安定性，它模擬燃料在發動機滑油換熱器表面(或加力燃燒室燃油總管中)的受熱條件下，考察生成管壁沉澱物的顏色和通過一個過濾元件的壓力降來評定。

3、對金屬的腐蝕性

引起對金屬腐蝕的原因是燃料中有硫和硫化物。由於銅、銀對活性物質的腐蝕比較敏感，所以規格中規定了銅片試驗和銀片試驗。

4、與橡膠的相容性

噴氣燃料對橡膠、塗料的浸蝕作用會引起燃油系統的損壞。

5、燃油的潔淨性

燃料系統中有許多精密零件，對航空煤油中雜質十分敏感。因此燃料在貯運和使用各環節對潔淨要求很嚴，要無色水白，沒有機械雜質沉澱，沒有遊離水，沒有懸浮物等等。還有燃油存放期間會受到細菌微生物的污染，微生物都集中在罐底的油水界面處，因此定期及時清除油罐中的積水和沉積，是控制燃料受到微生物污染的重要措施。 ^[6] 

燃油可以概括地分為餾分油和含灰分油。餾分油基本上是不含灰的，只要在貯運過程中處置得當，沒有什麼雜質。從煉油廠出來馬上可以用，不需要再做什麼處理。而含灰分油則有相當量的灰分，這種油在燃氣輪機中使用前必須作相應處理，但在工業窯爐中使用一般可不預處理。

1、汽油

是質量非常好的油，燃燒性能很好，其粘度很低，潤滑性不好，同時閃點低，揮發性好，在安全上需要注意，航空汽油的典型餾程為40~180℃。汽油中的辛烷值是汽油中抗爆震的指標。

2、煤油

與汽油相比，餾程温度範圍高些，比重大些，潤滑性好。蒸氣壓力低，在高空時由蒸發引起的損失減少。正是這一點決定航空燃氣輪機使用煤油而不是汽油。

3、柴油

柴油比煤油、輕揮發油重些，適合於柴油機的特定要求(主要是十六烷值)。最常用的是二號柴油。

4、重餾分油

常常是煉油廠的副產品，基本上不含灰分。但粘度高，難以霧化，在輸送過程中要求加熱。

5、重油(含灰分油)

這種油含相當數量的灰分（但與煤的灰分比較又是少的），較重，便宜，粘度非常高。 ^[7] 

液體燃料比固體燃料有下列優點：

（1）比具有同量熱能的煤約輕30%，所佔空間約少50%；

（2）可貯存在離爐子較遠的地方，貯油櫃可不拘形式，貯存便利還勝過氣體燃料；

（3）可用較細管道輸送，所費人工也少；

（4）燃燒容易控制；

（5）基本上無灰分；

（6）廢物含量少、燃燒熱效應高，可獲得近似於氣體燃料的燃燒火焰。

煤變成油通常有直接液化和間接液化兩種方法。直接液化又稱“加氫液化”，主要是指在高温高壓和催化劑作用下，對煤直接催化加氫裂化，使其降解和加氫轉化為液體油品的工藝過程；煤的間接液化是先將煤氣化，生產出原料氣，經淨化後再進行合成反應，生成油的過程。煤直接液化就是用化學方法，把氫加到煤分子中，提高它的氫碳原子比。在煤直接液化過程中，催化劑是降低生產成本和降低反應條件苛刻度的關鍵。

華爾街日報援引美國能源情報署(EIA)的數據稱，美國2014年年底已超越沙特阿拉伯，自2002年8月以來首次躍升為全球最大的液體燃料生產國。液體燃料包括原油、成品油及生物燃料等。 ^[8] 

EIA數據顯示，2014年11月，美國液體燃料日產量達到1165.4萬桶，同期沙特的液體燃料日產量為1125.2萬桶。12月，美國相對於沙特的產量優勢進一步擴大，當月的液體燃料日產量為1163萬桶，同比增長7.7%，同期沙特的產量有所縮減，日產量為1099萬桶。

2014年6月，為填補歐盟對伊朗實施石油禁運所產生的供應缺口，沙特將原油日產量提高到1000萬桶。但數據顯示，2014年12月沙特的原油日產量下降至902.5萬桶。沙特官員曾表示，減產是為了應對石油需求特別是來自亞洲需求的放緩。

就2012年全年而言，沙特仍是全球最大的液體燃料供應國。EIA數據顯示，2012年全年沙特的液體燃料日產量為1157萬桶，同比增長3.7%，美國全年的日產量為1107萬桶，同比增長9.3%，為1985年以來的最高水平。美國原油產量增長主要得益於充裕的頁岩油產出。一直以來，美國都是全球最大的石油消費國。 ^[8]