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

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

1 概述

國際航空運輸協(xié)會承諾，實現(xiàn)航空業(yè)2020 年的碳排放量達(dá)到峰值不再增長，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，碳排放量并沒有停止增長的勢頭。在聯(lián)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(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)實可行的實現(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)工藝獲得美國材料與試驗協(xié)會認(rèn)證，但使用時與傳統(tǒng)航空燃料的最大混合體積比不超過50%[3]。國內(nèi)常用的3 號噴氣燃料在最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6537—2018《3 號噴氣燃料》中4.3 要求與傳統(tǒng)燃料混合時費托合成油改質(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(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，國內(nèi)暫無相關(guān)成熟的調(diào)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(chǎn)石油基航空燃料的性能指標(biāo)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(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)航空混合燃料的實際生產(chǎn)與應(yīng)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(chǎn)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：100 mL 透明塑料瓶；

(6)注射器：5 mL 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(shù)字密度計，DMA 4100M 型，奧地利安東帕有限公司；

(2)石油產(chǎn)品運動黏度試驗器(低溫)，F(xiàn)DT-0406 型，長沙富蘭德實驗分析儀器有限公司；

(3)毛細(xì)管黏度計：平氏，φ0.6 mm；

(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0.1 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，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(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(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

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 測定混合燃料的密度和運動黏度，試驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 混合試驗數(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 混合比例與運動黏度曲線法

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 ℃運動黏度為縱坐標(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 ℃運動黏度變化

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(guān)系，且相關(guān)系數(shù)R2= 0.999 80，接近1，說明擬合情況很好。滿足的關(guān)系式如下：

式中：ν為混合燃料20 ℃下運動黏度(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(shù)據(jù)如表3 和表4 所示。

表3 密度工作曲線驗證數(shù)據(jù)

表4 運動黏度工作曲線驗證數(shù)據(jù)

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?jǐn)?shù)，混合燃料中航空生物燃料混合比例與15 ℃密度的關(guān)系見式(1)，利用此公式計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 ℃運動黏度的關(guān)系式見式(2)，利用此公式計算的差值可控制在±0.8%以內(nèi)。

4 結(jié)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(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 ℃運動黏度與生物燃料的混合比例符合多項式關(guān)系，相關(guān)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(dǎo)航空混合燃料的生產(chǎn)與應(yīng)用。