航空生物燃料特性與規格概述

齊泮侖，何 皓，胡徐騰，付興國，孫洪磊，李頂杰

（中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院，北京 100195）

航空燃料是航空業最大的排放源，占航空業CO2總排放量的90%。雖然航空業溫室氣體排放量僅占人類所有排放量的2%～3%，但航空煤油燃燒后產生溫室效應的能力及危害遠遠大于其它行業，航空業面臨嚴峻的CO2減排挑戰。

由于航空運輸的國際性很強，航空業減排已成為全球應對氣候變化的焦點之一，也成為部分發達國家強行要求發展中國家承擔減排任務的突破口。歐盟計劃 2012年將民航業納入歐盟排放交易體系（EU ETS），對所有抵制歐盟的商業航班實施排放權配額制度，這將對發展中國家航空業的發展帶來很大的壓力。據測算，我國僅 2012年就需要支付近8億元人民幣，2020年則超過30億元人民幣，9年累計支出約176億元人民幣，我國航空業將面臨嚴峻的減排與成本挑戰[1]。

與地面交通不同，飛機在新燃料的選擇方面十分有限。目前看來，太陽能、燃料電池等已經用于汽車的能源短時間內很難適用于飛機。利用動植物油脂或農林廢棄物等生物質制備航空生物燃料的第二代生物燃料技術，具有原料來源廣泛、環境友好及可再生的特點，并且化學結構和物化性質與化石航煤接近，可以直接替代傳統的航空煤油，不需要制造商重新設計引擎或飛機，同時航空公司和機場也無需開發新的燃料運輸系統，因此，航空生物燃料是最具有潛力的化石航空燃料替代品。

航空生物燃料又稱為生物基合成石蠟煤油（bio-synthetic paraffinic kerosene,Bio-SPK），主要是作為調合組分以低于50%的體積比例與傳統化石航空噴氣燃料調合后使用，調合后的成品一般被稱為航空渦輪生物燃料（aviation turbine biofuel）或含合成烴類渦輪噴氣燃料。由于航空生物燃料采用可再生生物質原料，全生命周期的溫室氣體排放量明顯低于化石航空噴氣燃料，溫室氣體可減排50%以上[2]。

為了實現航空業溫室氣體減排目標，保障現代航空燃料可持續發展，近年來，開發應用碳排放量低、原料可再生的航空生物燃料已經得到世界許多國家航空運營商、航空燃料生產商的普遍重視。自2008年以來，包括中國石油天然氣集團公司在內的全球多家能源公司、生產技術提供商、航空公司合作進行了多次試飛與商業飛行活動，已經驗證了航空生物燃料與現有機型的兼容性非常好，與傳統燃料混合，能夠在不改變飛機發動機結構的情況下提高飛機效率，且符合技術與安全使用標準[3]。

1 航空噴氣燃料應具有的性能

航空噴氣燃料的主要功能是推進飛機前進，所以能量含量和燃燒性質是最核心的燃料性能。其它相關性能指標還有穩定性、潤滑性、流動性、汽化特性、抗腐蝕性、潔凈性、材料相容性及安全特性等，飛機的安全和經濟運行要求燃料在使用前足夠清潔、無水和不含任何污染物。除了提供能量，燃料還作為發動機控制系統的壓力液和特定燃料系統部件的冷卻劑。

航空噴氣燃料性能能否達到使用要求，通過質量指標來控制與體現。表1列出了航空噴氣燃料性能及與之相關的分析測試項目[4]。

（1）熱安定（穩定）性 在飛機飛行中，航空噴氣燃料還作為發動機和機體的熱交換介質。工作環境溫度較地面環境溫度高，因此油品的熱安定性是噴氣燃料最重要的性質之一。在機體內，噴氣燃料用來給發動機油、壓力液和空調設備換熱，燃料吸收的熱量加速了生成膠質和顆粒物的化學反應。商用噴氣燃料應在燃料溫度高達163 ℃時保持熱穩定，認為這樣的燃料具備良好的儲存安定性。

表1 航空噴氣燃料性能及與之相關的分析測試項目

（2）燃燒性 通過把液體燃料注入快速流動的熱空氣流中，燃料在燃燒室中連續燃燒。在初始區域中，燃料在接近理想配比條件下汽化并燃燒，所產生的熱氣持續被過剩空氣稀釋，以便把溫度降低到適合發動機安全運行的溫度。通過目前規格中的試驗方法測試與生煙相關的燃料的燃燒性質。

通常，烷烴提供了最為理想的噴氣燃料燃燒潔凈性，環烷烴是次理想烴類，芳烴是飛機渦輪燃料燃燒性的最不理想烴類。在飛機渦輪中芳烴易于呈有煙的火焰燃燒，且比其它烴類釋放出更大比例的不理想熱輻射的化學能。萘或雙環芳烴比單環芳烴產生更多的煙灰、煙塵和熱輻射，是飛機噴氣燃料使用的最不理想烴類。煙點提供了一個噴氣燃料相對生煙性的指示，且與該燃料的烴類組成有關，無煙火焰的高度值大，表明芳烴含量低，燃燒的清潔性好。

（3）燃料的計量和飛機航程 當密度與諸如苯胺點或蒸餾等其它參數結合使用時，密度低預示單位體積熱值低，預示給定體積燃料的航程降低。

飛機和發動機的設計是建立在把熱能轉化為機械能的基礎上。燃燒凈熱值提供了從給定燃料中獲得的進行有效工作的能量數量，熱值減少到該最小限值以下將伴隨著燃料消耗增加和相應的航程減少。

（4）燃料的霧化 通過蒸餾測定在不同溫度下燃料的揮發性和是否易于蒸發，規定10%蒸餾溫度是為了確保易于啟動，規定終餾點是為了排除難以蒸發的重餾分。燃料的黏度與其在整個溫度范圍的泵送能力和噴嘴霧化狀態的一致性密切相關，燃料對泵的潤滑能力與黏度也有關系。

（5）低溫流動性 冰點是燃料非常重要的性能，而且應足夠低，以排除在高海拔處的普遍溫度下燃料通過濾網向發動機流動時受到的干擾。飛機油箱中燃料的溫度隨著外界溫度的降低而降低。飛行過程中燃料所經歷的最低溫度主要取決于外界空氣溫度、飛行時間和飛機速度。例如，長時間飛行要求燃料的冰點比短時間飛行的低。

（6）與燃料系統和渦輪中的橡膠和金屬的相容性 已知硫醇硫可以與某些橡膠反應，規定硫醇含量限值以避免這類反應并減少令人不快的硫醇氣味。對于噴氣燃料控制硫含量很重要，因為在燃燒過程形成的硫氧化物會腐蝕渦輪的金屬部件。噴氣燃料銅片腐蝕試驗合格的要求，確保了燃料中不含任何會腐蝕燃料系統各部分的銅或銅合金的物質。某些石油產品使用了礦物酸或苛性堿或兩者進行處理，不希望有任何殘留的礦物酸或苛性堿，也不希望含有雜質。當檢驗新生產的或未使用過的燃料時，測定酸值可以對此進行確認。

（7）燃料的儲存安定性 實際膠質是燃料蒸發后所留下來的非揮發性殘余物。如果存在大量的膠質，則表明燃料受到高沸點油品或顆粒物質的污染。

（8）燃料的潤滑性 飛機/發動機燃料系統的組件和燃料控制部件依靠燃料潤滑其滑動的部分。噴氣燃料在此類設備中作為潤滑劑的作用稱為燃料的潤滑性。噴氣燃料潤滑性不好，可導致泵的流量下降或出現機械故障，嚴重時導致發動機空中停車。

2 航空生物燃料的特性與調合要求

從中長期全球航空工業技術經濟角度分析，傳統化石航空噴氣燃料仍將占據航空燃料主導地位，這就要求替代燃料的性質必須與現有的傳統燃料性質相近，可與其完全互溶、可以任何比例進行混合和共同運輸。煤液化噴氣燃料（CTL）、天然氣合成噴氣燃料（GTL）和航空生物燃料（Bio-SPK）這三種產品在能量密度、流動性等方面的性質與現有傳統燃料基本相近，所以目前國際上航空替代燃料主要是這三種。

與化石航空噴氣燃料相比，航空生物燃料具有優異的熱安定性、燃燒性和良好的材料相容性，除產品密度偏低外，其它性能指標均與化石航空噴氣燃料要求一致。表2列出了航空生物燃料與化石航空噴氣燃料性能指標的對比情況。

由于航空生物燃料不含芳烴，實測的航空生物燃料凈熱值為44.14 MJ/kg，煙點大于40 mm；而化石航空噴氣燃料的實測凈熱值為43.44 MJ/kg，煙點實測為23 mm（萘系烴含量為0.4%）。所以，航空生物燃料具有優異的燃燒性能和較高的熱穩定性。

但是，為確保避免長時間使用后飛機燃料系統橡膠密封圈收縮和相應的燃料泄漏，調合后的航空渦輪生物燃料規定了芳烴含量（體積）的下限不小于 8%，上限不大于 25%，而化石航空噴氣燃料只規定了芳烴含量上限，因此其最低芳烴含量根據已有的經驗來確定，實際指標目前仍在進一步研究之中。

在燃料霧化（揮發性）方面，為保證渦輪燃料霧化性能和燃燒穩定性，航空渦輪生物燃料增加了蒸餾斜率T50-T10不小于15 ℃和T90-T10不小于40 ℃的要求。為滿足航空渦輪生物燃料的蒸餾斜率要求，作為調合組分的航空生物燃料T90-T10要求不小于 22 ℃。蒸餾斜率限制是根據目前對認可的合成燃料的經驗確定的，目前正在進行蒸餾斜率實際需求的研究。

另外，目前作為調合組分的航空生物燃料密度相對較低，15 ℃密度為730～770 kg/m3，調合航空渦輪生物燃料選擇時，需注意化石航空噴氣燃料的實際密度值。

表2 航空生物燃料與化石航空噴氣燃料性能指標情況

化石航空噴氣燃料的芳烴含量一般在 10%～20%，密度（15 ℃）一般為780～820 kg/m3。為了同時滿足航空噴氣燃料規格對芳烴最低含量 8%和密度不低于775 kg/m3（15 ℃）的要求，應選擇芳烴含量大于16%、密度不低于805 kg/m3（15 ℃）的化石航空噴氣燃料調合航空渦輪生物燃料，航空生物燃料的含量不超過50%。

3 航空生物燃料標準

3.1 ASTM航空生物燃料標準制定與修訂歷程

隨著化石石油資源的日益匱乏和二氧化碳減排的要求，國際上正積極開展替代能源的研究，并取得很大進展。航空噴氣燃料產品從開發到應用均需要按照一個嚴格的程序進行研究和試驗，經過這一復雜的程序后，方可批準投入使用[4]。2009年，按照ASTM D4054噴氣燃料新產品及添加劑規定的程序，經過規格試驗、使用性能研究、部分單管試驗、臺架測試和試飛全系列過程后，ASTM把合成烴類替代燃料單獨起草為一個標準 ASTM D7566-09，即含合成烴類的航空渦輪燃料的規格標準，隨后該標準又陸續修訂為 ASTM D7566-10、10a[6-7]，并得到了國際飛機和渦輪發動機廠家的普遍認可和使用。ASTM D7566標準被航空油料界認為是劃時代的標準，極大地推動了航空替代燃料的發展。

ASTM D7566-10a標準中把煤間接液化（CTL）、天然氣合成（GTL）和生物質氣化-費托合成-加氫處理分離出的合成石蠟煤油（Fischer-Tropsch hydroprocessed synthesized paraff?nic kerosene, FT-SPK）均可作為噴氣燃料調合組分，并在附錄A1中規定了規格要求。在ASTM D7566-10a的基礎上，ASTM D7566-11將動植物油酯和脂肪酸加氫處理的石蠟煤油（hydroprocessed esters and fatty acids synthesized paraff?nic kerosene,HEFA–SPK）列入了含合成烴類航空渦輪燃料標準的附錄A2中，ASTM D7566-11于2011年7月1日進行確認，2011年7月出版。隨后修訂的ASTM D7566-11a于2011年7月15日發布確認，2011年8月出版。ASTM D7566規定航空生物燃料最大摻調比例不超過50%（體積分數），與傳統航空噴氣燃料調合后可出廠使用。

2011年2月18日發布（2011年5月18日正式生效）的英國國防部的航空渦輪燃料標準 DEF STAN 91-91/7（修訂1）已把合成噴氣燃料列入可調合的組分。在其附錄D“適用于含合成組分的燃料的附加要求”中，規定允許使用合成噴氣燃料的原則是必須符合ASTM D7566附錄A1和A2規格要求，最大摻調比例不超過50%（體積分數）[8]。

3.2 航空生物燃料質量指標要求

列入ASTM D7566標準中的航空生物燃料，包括生物質氣化-費托合成-加氫處理改質的石蠟煤油（FT-SPK）和動植物油脂經加氫處理改質的石蠟煤油（HEFA-SPK）兩種。ASTM D7566-11a標準中不僅規定了含合成烴類的航空渦輪燃料的具體指標要求，還規定了費-托加氫合成石蠟煤油和源自加氫的酯（酸）加氫合成石蠟煤油的質量要求。表3和表4列出了這兩種SPK的主要指標要求[9]。

這兩種航空生物燃料指標中的主要區別是油脂加氫的 SPK增加了脂肪酸甲酯含量和實際膠質的要求，目的是防止油脂加氫工藝或輸送出現問題時將原料帶入產品。

表3 航空生物燃料（Bio-SPK）的理化指標要求

表4 航空生物燃料（Bio-SPK）的組成要求

3.3 調合后含合成烴類航空渦輪燃料指標要求

以上標準只是航空生物燃料作為調合組分的質量規格，還需與石油基航空噴氣燃料按一定比例調合后才能在飛機上使用，調合后質量也必須與現行的航空噴氣燃料標準規格完全一致，如 ASTM D1655、DEF Stan 91-91及GB 6537等。從燃料系統密封性和燃料揮發性考慮，針對航空生物燃料的特性，ASTM D7566規格中增加了補充要求。表5列出了ASTM D7566針對航空生物燃料的特性所增加的補充要求。

其中，最低芳烴含量和蒸餾斜率限制根據目前對認可的合成燃料的經驗典型值確定，正在進行芳烴實際需求的研究。飛機和發動機對于芳烴和蒸餾斜率最低需求研究試驗正在積極進行。

我國目前尚無同類標準，中國石油為中國首次航空生物燃料試飛生產提供的用油是參照 ASTMD7566標準附錄A2中相關要求生產的航空生物燃料，并與中國石油生產的石油基3號噴氣燃料進行摻調，調合出完全符合GB 6537—2006標準及適航審定要求的中國首次航空生物燃料試飛用油。試飛結果表明，中國石油生產的航空生物燃料完全滿足飛行高度、加速性能和發動機重新啟動等各項要求。

表5 含合成烴類的航空渦輪燃料補充要求

4 結 語

航空燃料具有強制性、廣泛的國際通用性和高度的安全性的特點，有別于其它所有運輸燃料。我國航空生物燃料產業剛剛起步，但發展勢頭迅猛，可尚無相關國家標準予以支持。我國的航空噴氣燃料綜合鑒定法與美國的相關標準基本一致，均經過規格試驗、使用性能研究、部分單管試驗、臺架測試和試飛全系列過程。這一過程涉及多個部門，如航空發動機廠家、飛機制造企業、石油石化企業、航空公司等多個部門。

目前，我國的航空生物燃料國家標準制定工作得到了國家標準化委員會的大力支持，國家能源局牽頭起草制定的“航空渦輪生物燃料”國家強制性標準立項已經公示[10]。國家能源局將組織包括中國石油天然氣集團公司等國內相關部門、研究機構、企業等多家單位進行優勢互補，資源整合，對航空生物燃料標準開展深入系統的基礎和應用研究工作，制定我國的航空生物燃料國家標準，將極大地支持和推動我國航空生物燃料產業化發展。

[1]馮志.解讀歐盟航空碳排放交易體系及其影響[J].民航管理，2009（8）：91-94.

[2]David R Shonnard, Larry Williams, Tom N Kalnes.Camelina-derived jet fuel and diesel：Sustainable advanced biofuels[J].A Environmental Progress & Sustainable Energy, 2010, 29（3）：382-392.

[3]高峰.航空燃料的新成員[J].中國民用航空, 2012（1）：44-45.

[4]ASTM D7566-09 Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved Sept.1,2009.Published September 2009.DOI：10.1520/D7566-09.

[5]ASTM D4054–09 Standard Practice for Qualification and Approval of New Aviation Turbine Fuels and Fuel Additives[S].Current edition approved Dec.1, 2009.Published April 2010.DOI：10.1520/D4054–09.

[6]ASTM D7566-10 Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved May 1,2010.Published August 2010.DOI：10.1520/D7566-10.

[7]ASTM D7566-10a Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved July 1, 2011.Published July 2011.DOI：10.1520/D7566-11.

[8]UK Ariation Fuels Committee.Def Stan 91-91/7, Turbine Fuel,Aviation Kerosine Type,Jet A-1[S].Glasgow：Ministry of Defence Directorate of Standardization, 2011.

[9]ASTM D7566-11a Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved July 15,2011.Published August 2011.DOI：10.1520/D7566-11A.

[10]關于對《專用校車系列型譜》等4項擬立項國家標準項目征求意見的通知, 國家標準委員會綜合業務管理部, 2012-04-18.