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樊婕，曹桂松，何敏，高金偉
(中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海200241)
摘要：利用航空生物燃料與石油基航空燃料性能參數差異性，選取密度、運動黏度，建立了由航空生物燃料與石油基航空燃料組成的混合模型，通過逐漸增加航空生物燃料調配比例，開展混合燃料15℃密度、20℃運動黏度檢測實驗，繪制了混合比例與性能參數的工作曲線，并擬合了關系式；然后結合已知生物燃料比例的混合燃料，開展密度、運動黏度檢測，得到計算比例，與其已知比例進行對比分析。結果表明：采用混合比例為橫坐標，密度和黏度為縱坐標建立的混合模型，擬合效果良好；在選用該模型模擬混合燃料15℃密度、20℃運動黏度隨其中生物燃料比例變化而變化時，在0%～100%范圍內計算比例和實際混合比例接近，吻合很好。通過該模型建立確定混合燃料中航空生物燃料混合比例的方法，可用于指導航空混合燃料的實際生產與應用。
1概述
國際航空運輸協會承諾，實現航空業2020年的碳排放量達到峰值不再增長，然而隨著航空業的蓬勃發展，航空油料的消耗量持續上漲，碳排放量并沒有停止增長的勢頭。在聯合國政府間氣候變化專門委員會的報告中指出，到2050年，航空業的溫室氣體排放將從全球總排放的2%增加到3%。為了遏制航空運輸業的溫室氣體排放，保障航空業可持續發展，使用航空生物燃料成為最現實可行的實現航空業碳減排的重要途徑之一[1]。
航空生物燃料[2]是利用生物質生產的液體燃料，在生產中吸收的二氧化碳與燃燒時排放的二氧化碳基本抵消，在全生命周期內達到二氧化碳相對零排放。截至2021年初，共有8種航空生物燃料生產工藝獲得美國材料與試驗協會認證，但使用時與傳統航空燃料的最大混合體積比不超過50%[3]。國內常用的3號噴氣燃料在最新的技術標準GB/T6537—2018《3號噴氣燃料》中4.3要求與傳統燃料混合時費托合成油改質工藝生產的及脂類或脂肪酸類加氫改質工藝生產的燃料組成的體積分數應不高于50%[4]。
為盡可能發揮航空生物燃料的減排潛力，理想狀態下航空生物燃料應無須與任何傳統燃料混合使用，但由于現在大多生產技術只是復刻了傳統燃料中以正構烷烴和異構烷烴為代表的石蠟類組分，航空生物燃料的性能特性在多大程度上還原航空煤油還有待驗證，對生物燃料的特性掌握還不夠全面，還無法確定生物燃料的穩定性，目前多數是以一定比例的生物燃料加入傳統航空油料中混合使用[5]。航空生物燃料與石油基航空燃料密度差異較大，國內暫無相關成熟的調和裝置[6]，混合時難以保證完全均勻。為了確定混合后不同位置的混合比例，本文通過分析航空生物燃料與國產石油基航空燃料的性能指標差異性，通過建立混合比例模型，擬合出不同比例下性能指標變化曲線，建立了確定混合燃料中航空生物燃料比例的方法，用于指導航空混合燃料的實際生產與應用。
2材料和方法
2.1材料
試驗材料如下：
(1)航空生物燃料：某型號國產生物燃料；
(2)石油基航空燃料：3號噴氣燃料；
(3)石油醚：90～120℃，分析純；
(4)無水乙醇：分析純；
(5)樣品瓶：100mL透明塑料瓶；
(6)注射器：5mL無膠塞一次性塑料注射器。
2.2分析測試儀器
試驗分析測試儀器如下：
(1)數字密度計，DMA4100M型，奧地利安東帕有限公司；
(2)石油產品運動黏度試驗器(低溫)，FDT-0406型，長沙富蘭德實驗分析儀器有限公司；
(3)毛細管黏度計：平氏，φ0.6mm；
(4)水銀溫度計：溫度范圍18～22℃，分度值0.1℃，最大允許誤差±0.2℃；
(5)秒表：測量精度0.1s。
2.3性能參數的選擇
不同油品具有特定的物理化學性質，當兩種燃料的性能參數有明顯差異時，混合后該性能參數的變化能較顯著地反映混合比例的變化。表1列出了航空生物燃料與石油基航空燃料性能指標的對比情況[7]。由表1可知，除了在芳烴含量、烯烴含量、總硫含量、密度、運動黏度上有差異外，航空生物燃料與石油基航空燃料性能參數要求基本一致。由于芳烴含量、烯烴含量、總硫含量等組分分析項目的檢測手段較繁瑣，考慮到混合后檢測方法的易用性，選擇15℃密度和20℃運動黏度作為反映混合比例變化的性能指標。
2.4航空生物燃料與石油基航空燃料混合試驗
調配不同混合比例的航空生物燃料和噴氣燃料，分別配制航空生物燃料占總體積比例為0%(即為石油基航空燃料)～100%(即為航空生物燃料)的混合燃料，每10%遞增，按照ASTMD4052和GB/T265測定混合燃料的密度和運動黏度，試驗數據如表2所示。
3結果與討論
3.1工作曲線的建立
3.1.1混合比例與密度曲線法
以航空生物燃料占總體積的體積分數為橫坐標，混合燃料15℃密度為縱坐標建立關系曲線，采用ORIGIN數據處理軟件，對其進行擬合，得到圖1的標準曲線。
從圖1可以看到航空生物燃料占比與15℃密度呈線性關系，且相關系數R2=0.99994，接近1，說明擬合情況很好。滿足的關系式如下：
3.1.2混合比例與運動黏度曲線法
以航空生物燃料占總體積的體積分數為橫坐標，混合燃料20℃運動黏度為縱坐標建立關系曲線，采用ORIGIN數據處理軟件，對其進行擬合，得到圖2的標準曲線。
從圖2可以看到航空生物燃料占比與20℃運動黏度均呈多項式關系，且相關系數R2=0.99980，接近1，說明擬合情況很好。滿足的關系式如下：
3.2工作曲線可用性的驗證
為了驗證以上擬合曲線的可用性，配制曲線所用混合比例以外不同含量的混合燃料作為未知樣，測定其密度值和運動黏度值，得到的驗證數據如表3和表4所示。
綜上實驗，驗證了密度工作曲線和運動黏度工作曲線的可用性，即測定混合燃料的密度和運動黏度值后，可通過工作曲線反推計算得到航空生物燃料所占的體積分數，混合燃料中航空生物燃料混合比例與15℃密度的關系見式(1)，利用此公式計算的比例差值可控制在±0.6%以內?；旌先剂现泻娇丈锶剂匣旌媳壤c20℃運動黏度的關系式見式(2)，利用此公式計算的差值可控制在±0.8%以內。
4結語
(1)航空生物燃料與石油基航空燃料混合試驗表明，選擇15℃密度和20℃運動黏度作為性能指標，能夠反映混合燃料中生物燃料的混合比例變化；
(2)混合燃料15℃密度與生物燃料的混合比例符合線性關系，相關性良好；
(3)混合燃料20℃運動黏度與生物燃料的混合比例符合多項式關系，相關性良好；
(4)對未知生物燃料與石油基航空燃料混合比例的燃料，可以采用15℃密度、20℃運動黏度與混合比例的混合模型，推算出確定生物燃料的實際比例，用于指導航空混合燃料的生產與應用。
參考文獻：
[1]何皓,邢子恒,李頂杰,等.可持續航空生物燃料的推廣應用及行業影響與應對措施[J].化工進展,2019,38(8):3497-3507.
[2]詹婷雯,鄧志彬.可持續航空燃料發展評價與對策研究[J].科技創新與應用,2019(2):151-152.
[3]王翔宇.可持續航空燃料發展展望[J].航空動力,2022(2):24-28.
[4]李曉彤,王樹雷,汪瀟雨.生物噴氣燃料應用進展[J].廣東化工,2021,48(3):63-65.
[5]王碩.航空生物燃料發展困境及展望[J].化工管理,2020(2):7-8.
[6]賈云剛,張鐵珍,趙仲陽,等.一種移動式航空生物燃料調和裝置:CN210473645U[P].2020-05-08.
[7]齊泮侖,何皓,胡徐騰,等.航空生物燃料特性與規格概述[J].化工進展,2013,32(1):91-96. |
