航空生物燃料与石油基航空燃料混合比例确定方法

樊婕，曹桂松，何敏，高金伟

(中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241)

1 概述

国际航空运输协会承诺，实现航空业2020 年的碳排放量达到峰值不再增长，然而随着航空业的蓬勃发展，航空油料的消耗量持续上涨，碳排放量并没有停止增长的势头。在联合国政府间气候变化专门委员会的报告中指出，到2050 年，航空业的温室气体排放将从全球总排放的2% 增加到3%。为了遏制航空运输业的温室气体排放，保障航空业可持续发展，使用航空生物燃料成为最现实可行的实现航空业碳减排的重要途径之一[1]。

航空生物燃料[2]是利用生物质生产的液体燃料，在生产中吸收的二氧化碳与燃烧时排放的二氧化碳基本抵消，在全生命周期内达到二氧化碳相对零排放。截至2021 年初，共有8 种航空生物燃料生产工艺获得美国材料与试验协会认证，但使用时与传统航空燃料的最大混合体积比不超过50%[3]。国内常用的3 号喷气燃料在最新的技术标准GB/T 6537—2018《3 号喷气燃料》中4.3 要求与传统燃料混合时费托合成油改质工艺生产的及脂类或脂肪酸类加氢改质工艺生产的燃料组成的体积分数应不高于50 %[4]。

为尽可能发挥航空生物燃料的减排潜力，理想状态下航空生物燃料应无须与任何传统燃料混合使用，但由于现在大多生产技术只是复刻了传统燃料中以正构烷烃和异构烷烃为代表的石蜡类组分，航空生物燃料的性能特性在多大程度上还原航空煤油还有待验证，对生物燃料的特性掌握还不够全面，还无法确定生物燃料的稳定性，目前多数是以一定比例的生物燃料加入传统航空油料中混合使用[5]。航空生物燃料与石油基航空燃料密度差异较大，国内暂无相关成熟的调和装置[6]，混合时难以保证完全均匀。为了确定混合后不同位置的混合比例，本文通过分析航空生物燃料与国产石油基航空燃料的性能指标差异性，通过建立混合比例模型，拟合出不同比例下性能指标变化曲线，建立了确定混合燃料中航空生物燃料比例的方法，用于指导航空混合燃料的实际生产与应用。

2 材料和方法

2.1 材料

试验材料如下：

(1)航空生物燃料：某型号国产生物燃料；

(2)石油基航空燃料：3 号喷气燃料；

(3)石油醚：90～120 ℃，分析纯；

(4)无水乙醇：分析纯；

(5)样品瓶：100 mL 透明塑料瓶；

(6)注射器：5 mL 无胶塞一次性塑料注射器。

2.2 分析测试仪器

试验分析测试仪器如下：

(1)数字密度计，DMA 4100M 型，奥地利安东帕有限公司；

(2)石油产品运动黏度试验器(低温)，FDT-0406 型，长沙富兰德实验分析仪器有限公司；

(3)毛细管黏度计：平氏，φ0.6 mm；

(4)水银温度计：温度范围18～22 ℃，分度值0.1 ℃，最大允许误差±0.2 ℃；

(5)秒表：测量精度0.1 s。

2.3 性能参数的选择

不同油品具有特定的物理化学性质，当两种燃料的性能参数有明显差异时，混合后该性能参数的变化能较显著地反映混合比例的变化。表1 列出了航空生物燃料与石油基航空燃料性能指标的对比情况[7]。由表1 可知，除了在芳烃含量、烯烃含量、总硫含量、密度、运动黏度上有差异外，航空生物燃料与石油基航空燃料性能参数要求基本一致。由于芳烃含量、烯烃含量、总硫含量等组分分析项目的检测手段较繁琐，考虑到混合后检测方法的易用性，选择15 ℃密度和20 ℃运动黏度作为反映混合比例变化的性能指标。

表1 航空生物燃料和石油基航空燃料性能指标情况

2.4 航空生物燃料与石油基航空燃料混合试验

调配不同混合比例的航空生物燃料和喷气燃料，分别配制航空生物燃料占总体积比例为0 %(即为石油基航空燃料)～100 %(即为航空生物燃料)的混合燃料，每10 % 递增，按照ASTM D4052 和GB/T 265 测定混合燃料的密度和运动黏度，试验数据如表2 所示。

表2 混合试验数据

3 结果与讨论

3.1 工作曲线的建立

3.1.1 混合比例与密度曲线法

以航空生物燃料占总体积的体积分数为横坐标，混合燃料15 ℃密度为纵坐标建立关系曲线，采用ORIGIN 数据处理软件，对其进行拟合，得到图1 的标准曲线。

图1 不同混合比例下混合燃料15 ℃密度变化

从图1 可以看到航空生物燃料占比与15 ℃密度呈线性关系，且相关系数R²=0.999 94，接近1，说明拟合情况很好。满足的关系式如下：

式中：ρ为混合燃料15 ℃下密度(kg/m3)；φb为航空生物燃料占混合燃料总体积的体积分数，即混合比例(%)。

3.1.2 混合比例与运动黏度曲线法

以航空生物燃料占总体积的体积分数为横坐标，混合燃料20 ℃运动黏度为纵坐标建立关系曲线，采用ORIGIN 数据处理软件，对其进行拟合，得到图2的标准曲线。

图2 不同混合比例下混合燃料20 ℃运动黏度变化

从图2 可以看到航空生物燃料占比与20 ℃运动黏度均呈多项式关系，且相关系数R²= 0.999 80，接近1，说明拟合情况很好。满足的关系式如下：

式中：ν为混合燃料20 ℃下运动黏度(m2/s)；φb为航空生物燃料占混合燃料总体积的体积分数，即混合比例(%)。

3.2 工作曲线可用性的验证

为了验证以上拟合曲线的可用性，配制曲线所用混合比例以外不同含量的混合燃料作为未知样，测定其密度值和运动黏度值，得到的验证数据如表3 和表4 所示。

表3 密度工作曲线验证数据

表4 运动黏度工作曲线验证数据

综上实验，验证了密度工作曲线和运动黏度工作曲线的可用性，即测定混合燃料的密度和运动黏度值后，可通过工作曲线反推计算得到航空生物燃料所占的体积分数，混合燃料中航空生物燃料混合比例与15 ℃密度的关系见式(1)，利用此公式计算的比例差值可控制在±0.6%以内。混合燃料中航空生物燃料混合比例与20 ℃运动黏度的关系式见式(2)，利用此公式计算的差值可控制在±0.8%以内。

4 结语

(1)航空生物燃料与石油基航空燃料混合试验表明，选择15 ℃密度和20 ℃运动黏度作为性能指标，能够反映混合燃料中生物燃料的混合比例变化；

(2)混合燃料15 ℃密度与生物燃料的混合比例符合线性关系，相关性良好；

(3)混合燃料20 ℃运动黏度与生物燃料的混合比例符合多项式关系，相关性良好；

(4)对未知生物燃料与石油基航空燃料混合比例的燃料，可以采用15 ℃密度、20 ℃运动黏度与混合比例的混合模型，推算出确定生物燃料的实际比例，用于指导航空混合燃料的生产与应用。