航空生物燃料與石油基航空燃料混合比例確定方法

樊婕，曹桂松，何敏，高金偉

(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

1 概述

國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)承諾，實(shí)現(xiàn)航空業(yè)2020 年的碳排放量達(dá)到峰值不再增長(zhǎng)，然而隨著航空業(yè)的蓬勃發(fā)展，航空油料的消耗量持續(xù)上漲，碳排放量并沒(méi)有停止增長(zhǎng)的勢(shì)頭。在聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)的報(bào)告中指出，到2050 年，航空業(yè)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(yùn)輸業(yè)的溫室氣體排放，保障航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展，使用航空生物燃料成為最現(xiàn)實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)航空業(yè)碳減排的重要途徑之一[1]。

航空生物燃料[2]是利用生物質(zhì)生產(chǎn)的液體燃料，在生產(chǎn)中吸收的二氧化碳與燃燒時(shí)排放的二氧化碳基本抵消，在全生命周期內(nèi)達(dá)到二氧化碳相對(duì)零排放。截至2021 年初，共有8 種航空生物燃料生產(chǎn)工藝獲得美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)認(rèn)證，但使用時(shí)與傳統(tǒng)航空燃料的最大混合體積比不超過(guò)50%[3]。國(guó)內(nèi)常用的3 號(hào)噴氣燃料在最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6537—2018《3 號(hào)噴氣燃料》中4.3 要求與傳統(tǒng)燃料混合時(shí)費(fèi)托合成油改質(zhì)工藝生產(chǎn)的及脂類或脂肪酸類加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的燃料組成的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)不高于50 %[4]。

為盡可能發(fā)揮航空生物燃料的減排潛力，理想狀態(tài)下航空生物燃料應(yīng)無(wú)須與任何傳統(tǒng)燃料混合使用，但由于現(xiàn)在大多生產(chǎn)技術(shù)只是復(fù)刻了傳統(tǒng)燃料中以正構(gòu)烷烴和異構(gòu)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(yàn)證，對(duì)生物燃料的特性掌握還不夠全面，還無(wú)法確定生物燃料的穩(wěn)定性，目前多數(shù)是以一定比例的生物燃料加入傳統(tǒng)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(guó)內(nèi)暫無(wú)相關(guān)成熟的調(diào)和裝置[6]，混合時(shí)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(guò)分析航空生物燃料與國(guó)產(chǎn)石油基航空燃料的性能指標(biāo)差異性，通過(guò)建立混合比例模型，擬合出不同比例下性能指標(biāo)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(dǎo)航空混合燃料的實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用。

2 材料和方法

2.1 材料

試驗(yàn)材料如下：

(1)航空生物燃料：某型號(hào)國(guó)產(chǎn)生物燃料；

(2)石油基航空燃料：3 號(hào)噴氣燃料；

(3)石油醚：90～120 ℃，分析純；

(4)無(wú)水乙醇：分析純；

(5)樣品瓶：100 mL 透明塑料瓶；

(6)注射器：5 mL 無(wú)膠塞一次性塑料注射器。

2.2 分析測(cè)試儀器

試驗(yàn)分析測(cè)試儀器如下：

(1)數(shù)字密度計(jì)，DMA 4100M 型，奧地利安東帕有限公司；

(2)石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度試驗(yàn)器(低溫)，F(xiàn)DT-0406 型，長(zhǎng)沙富蘭德實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；

(3)毛細(xì)管黏度計(jì)：平氏，φ0.6 mm；

(4)水銀溫度計(jì)：溫度范圍18～22 ℃，分度值0.1 ℃，最大允許誤差±0.2 ℃；

(5)秒表：測(cè)量精度0.1 s。

2.3 性能參數(shù)的選擇

不同油品具有特定的物理化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)兩種燃料的性能參數(shù)有明顯差異時(shí)，混合后該性能參數(shù)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(biāo)的對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shù)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(xiàng)目的檢測(cè)手段較繁瑣，考慮到混合后檢測(cè)方法的易用性，選擇15 ℃密度和20 ℃運(yùn)動(dòng)黏度作為反映混合比例變化的性能指標(biāo)。

表1 航空生物燃料和石油基航空燃料性能指標(biāo)情況

2.4 航空生物燃料與石油基航空燃料混合試驗(yàn)

調(diào)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ASTM D4052 和GB/T 265 測(cè)定混合燃料的密度和運(yùn)動(dòng)黏度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 混合試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)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?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)，混合燃料15 ℃密度為縱坐標(biāo)建立關(guān)系曲線，采用ORIGIN 數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)其進(jìn)行擬合，得到圖1 的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖1 不同混合比例下混合燃料15 ℃密度變化

從圖1 可以看到航空生物燃料占比與15 ℃密度呈線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)R2=0.999 94，接近1，說(shuō)明擬合情況很好。滿足的關(guān)系式如下：

式中：ρ為混合燃料15 ℃下密度(kg/m3)；φb為航空生物燃料占混合燃料總體積的體積分?jǐn)?shù)，即混合比例(%)。

3.1.2 混合比例與運(yùn)動(dòng)黏度曲線法

以航空生物燃料占總體積的體積分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)，混合燃料20 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為縱坐標(biāo)建立關(guān)系曲線，采用ORIGIN 數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)其進(jìn)行擬合，得到圖2的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖2 不同混合比例下混合燃料20 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化

從圖2 可以看到航空生物燃料占比與20 ℃運(yùn)動(dòng)黏度均呈多項(xiàng)式關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)R2= 0.999 80，接近1，說(shuō)明擬合情況很好。滿足的關(guān)系式如下：

式中：ν為混合燃料20 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度(m2/s)；φb為航空生物燃料占混合燃料總體積的體積分?jǐn)?shù)，即混合比例(%)。

3.2 工作曲線可用性的驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(cè)定其密度值和運(yùn)動(dòng)黏度值，得到的驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表3 和表4 所示。

表3 密度工作曲線驗(yàn)證數(shù)據(jù)

表4 運(yùn)動(dòng)黏度工作曲線驗(yàn)證數(shù)據(jù)

綜上實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了密度工作曲線和運(yùn)動(dòng)黏度工作曲線的可用性，即測(cè)定混合燃料的密度和運(yùn)動(dòng)黏度值后，可通過(guò)工作曲線反推計(jì)算得到航空生物燃料所占的體積分?jǐn)?shù)，混合燃料中航空生物燃料混合比例與15 ℃密度的關(guān)系見(jiàn)式(1)，利用此公式計(jì)算的比例差值可控制在±0.6%以內(nèi)。混合燃料中航空生物燃料混合比例與20 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的關(guān)系式見(jiàn)式(2)，利用此公式計(jì)算的差值可控制在±0.8%以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)航空生物燃料與石油基航空燃料混合試驗(yàn)表明，選擇15 ℃密度和20 ℃運(yùn)動(dòng)黏度作為性能指標(biāo)，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(guān)系，相關(guān)性良好；

(3)混合燃料20 ℃運(yùn)動(dòng)黏度與生物燃料的混合比例符合多項(xiàng)式關(guān)系，相關(guān)性良好；

(4)對(duì)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(yùn)動(dòng)黏度與混合比例的混合模型，推算出確定生物燃料的實(shí)際比例，用于指導(dǎo)航空混合燃料的生產(chǎn)與應(yīng)用。