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樊婕，曹桂松，何敏，高金偉
(中國航發(fā)商用航空發(fā)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(shù)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(diào)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(shù)的工作曲線，并擬合了關系式；然后結(jié)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(jié)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(nèi)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(chǎn)與應用。
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標準GB/T6537—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數(shù)應不高于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)技術只是復刻了傳統(tǒng)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(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(chǎn)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(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：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(shù)字密度計，DMA4100M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(shù)的選擇
不同油品具有特定的物理化學性質(zhì)，當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。
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ASTMD4052和GB/T265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。
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數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)，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(nèi)。混合燃料中航空生物燃料混合比例與20℃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(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，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(chǎn)與應用。
參考文獻：
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[3]王翔宇.可持續(xù)航空燃料發(fā)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.
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