航空燃料论文：小议航空燃料特点与规格

本文作者：齐泮仑何皓胡徐腾付兴国孙洪磊李顶杰工作单位：中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院

航空喷气燃料应具有的性能

航空喷气燃料的主要功能是推进飞机前进，所以能量含量和燃烧性质是最核心的燃料性能。其它相关性能指标还有稳定性、润滑性、流动性、汽化特性、抗腐蚀性、洁净性、材料相容性及安全特性等，飞机的安全和经济运行要求燃料在使用前足够清洁、无水和不含任何污染物。除了提供能量，燃料还作为发动机控制系统的压力液和特定燃料系统部件的冷却剂。航空喷气燃料性能能否达到使用要求，通过质量指标来控制与体现。表1列出了航空喷气燃料性能及与之相关的分析测试项目[4]。（1）热安定（稳定）性在飞机飞行中，航空喷气燃料还作为发动机和机体的热交换介质。工作环境温度较地面环境温度高，因此油品的热安定性是喷气燃料最重要的性质之一。在机体内，喷气燃料用来给发动机油、压力液和空调设备换热，燃料吸收的热量加速了生成胶质和颗粒物的化学反应。商用喷气燃料应在燃料温度高达163℃时保持热稳定，认为这样的燃料具备良好的储存安定性。（2）燃烧性通过把液体燃料注入快速流动的热空气流中，燃料在燃烧室中连续燃烧。在初始区域中，燃料在接近理想配比条件下汽化并燃烧，所产生的热气持续被过剩空气稀释，以便把温度降低到适合发动机安全运行的温度。通过目前规格中的试验方法测试与生烟相关的燃料的燃烧性质。通常，烷烃提供了最为理想的喷气燃料燃烧洁净性，环烷烃是次理想烃类，芳烃是飞机涡轮燃料燃烧性的最不理想烃类。在飞机涡轮中芳烃易于呈有烟的火焰燃烧，且比其它烃类释放出更大比例的不理想热辐射的化学能。萘或双环芳烃比单环芳烃产生更多的烟灰、烟尘和热辐射，是飞机喷气燃料使用的最不理想烃类。烟点提供了一个喷气燃料相对生烟性的指示，且与该燃料的烃类组成有关，无烟火焰的高度值大，表明芳烃含量低，燃烧的清洁性好。（3）燃料的计量和飞机航程当密度与诸如苯胺点或蒸馏等其它参数结合使用时，密度低预示单位体积热值低，预示给定体积燃料的航程降低。飞机和发动机的设计是建立在把热能转化为机械能的基础上。燃烧净热值提供了从给定燃料中获得的进行有效工作的能量数量，热值减少到该最小限值以下将伴随着燃料消耗增加和相应的航程减少。（4）燃料的雾化通过蒸馏测定在不同温度下燃料的挥发性和是否易于蒸发，规定10%蒸馏温度是为了确保易于启动，规定终馏点是为了排除难以蒸发的重馏分。燃料的黏度与其在整个温度范围的泵送能力和喷嘴雾化状态的一致性密切相关，燃料对泵的润滑能力与黏度也有关系。（5）低温流动性冰点是燃料非常重要的性能，而且应足够低，以排除在高海拔处的普遍温度下燃料通过滤网向发动机流动时受到的干扰。飞机油箱中燃料的温度随着外界温度的降低而降低。飞行过程中燃料所经历的最低温度主要取决于外界空气温度、飞行时间和飞机速度。例如，长时间飞行要求燃料的冰点比短时间飞行的低。（6）与燃料系统和涡轮中的橡胶和金属的相容性已知硫醇硫可以与某些橡胶反应，规定硫醇含量限值以避免这类反应并减少令人不快的硫醇气味。对于喷气燃料控制硫含量很重要，因为在燃烧过程形成的硫氧化物会腐蚀涡轮的金属部件。喷气燃料铜片腐蚀试验合格的要求，确保了燃料中不含任何会腐蚀燃料系统各部分的铜或铜合金的物质。某些石油产品使用了矿物酸或苛性碱或两者进行处理，不希望有任何残留的矿物酸或苛性碱，也不希望含有杂质。当检验新生产的或未使用过的燃料时，测定酸值可以对此进行确认。（7）燃料的储存安定性实际胶质是燃料蒸发后所留下来的非挥发性残余物。如果存在大量的胶质，则表明燃料受到高沸点油品或颗粒物质的污染。（8）燃料的润滑性飞机/发动机燃料系统的组件和燃料控制部件依靠燃料润滑其滑动的部分。喷气燃料在此类设备中作为润滑剂的作用称为燃料的润滑性。喷气燃料润滑性不好，可导致泵的流量下降或出现机械故障，严重时导致发动机空中停车。

航空生物燃料的特性与调合要求

从中长期全球航空工业技术经济角度分析，传统化石航空喷气燃料仍将占据航空燃料主导地位，这就要求替代燃料的性质必须与现有的传统燃料性质相近，可与其完全互溶、可以任何比例进行混合和共同运输。煤液化喷气燃料（CTL）、天然气合成喷气燃料（GTL）和航空生物燃料（Bio-SPK）这三种产品在能量密度、流动性等方面的性质与现有传统燃料基本相近，所以目前国际上航空替代燃料主要是这三种。与化石航空喷气燃料相比，航空生物燃料具有优异的热安定性、燃烧性和良好的材料相容性，除产品密度偏低外，其它性能指标均与化石航空喷气燃料要求一致。表2列出了航空生物燃料与化石航空喷气燃料性能指标的对比情况。由于航空生物燃料不含芳烃，实测的航空生物燃料净热值为44.14MJ/kg，烟点大于40mm；而化石航空喷气燃料的实测净热值为43.44MJ/kg，烟点实测为23mm（萘系烃含量为0.4%）。所以，航空生物燃料具有优异的燃烧性能和较高的热稳定性。但是，为确保避免长时间使用后飞机燃料系统橡胶密封圈收缩和相应的燃料泄漏，调合后的航空涡轮生物燃料规定了芳烃含量（体积）的下限不小于8%，上限不大于25%，而化石航空喷气燃料只规定了芳烃含量上限，因此其最低芳烃含量根据已有的经验来确定，实际指标目前仍在进一步研究之中。在燃料雾化（挥发性）方面，为保证涡轮燃料雾化性能和燃烧稳定性，航空涡轮生物燃料增加了蒸馏斜率T50-T10不小于15℃和T90-T10不小于40℃的要求。为满足航空涡轮生物燃料的蒸馏斜率要求，作为调合组分的航空生物燃料T90-T10要求不小于22℃。蒸馏斜率限制是根据目前对认可的合成燃料的经验确定的，目前正在进行蒸馏斜率实际需求的研究。另外，目前作为调合组分的航空生物燃料密度相对较低，15℃密度为730～770kg/m3，调合航空涡轮生物燃料选择时，需注意化石航空喷气燃料的实际密度值。化石航空喷气燃料的芳烃含量一般在10%～20%，密度（15℃）一般为780～820kg/m3。为了同时满足航空喷气燃料规格对芳烃最低含量8%和密度不低于775kg/m3（15℃）的要求，应选择芳烃含量大于16%、密度不低于805kg/m3（15℃）的化石航空喷气燃料调合航空涡轮生物燃料，航空生物燃料的含量不超过50%。

航空生物燃料标准

ASTM航空生物燃料标准制定与修订历程随着化石石油资源的日益匮乏和二氧化碳减排的要求，国际上正积极开展替代能源的研究，并取得很大进展。航空喷气燃料产品从开发到应用均需要按照一个严格的程序进行研究和试验，经过这一复杂的程序后，方可批准投入使用[4]。2009年，按照ASTMD4054喷气燃料新产品及添加剂规定的程序，经过规格试验、使用性能研究、部分单管试验、台架测试和试飞全系列过程后，ASTM把合成烃类替代燃料单独起草为一个标准ASTMD7566-09，即含合成烃类的航空涡轮燃料的规格标准，随后该标准又陆续修订为ASTMD7566-10、10a[6-7]，并得到了国际飞机和涡轮发动机厂家的普遍认可和使用。ASTMD7566标准被航空油料界认为是划时代的标准，极大地推动了航空替代燃料的发展。ASTMD7566-10a标准中把煤间接液化（CTL）、天然气合成（GTL）和生物质气化-费托合成-加氢处理分离出的合成石蜡煤油（Fischer-Tropschhydroprocessedsynthesizedparaffınickerosene,FT-SPK）均可作为喷气燃料调合组分，并在附录A1中规定了规格要求。在ASTMD7566-10a的基础上，ASTMD7566-11将动植物油酯和脂肪酸加氢处理的石蜡煤油（hydroprocessedestersandfattyacidssynthesizedparaffınickerosene,HEFA–SPK）列入了含合成烃类航空涡轮燃料标准的附录A2中，ASTMD7566-11于2011年7月1日进行确认，2011年7月出版。随后修订的ASTMD7566-11a于2011年7月15日确认，2011年8月出版。ASTMD7566规定航空生物燃料最大掺调比例不超过50%（体积分数），与传统航空喷气燃料调合后可出厂使用。2011年2月18日（2011年5月18日正式生效）的英国国防部的航空涡轮燃料标准DEFSTAN91-91/7（修订1）已把合成喷气燃料列入可调合的组分。在其附录D“适用于含合成组分的燃料的附加要求”中，规定允许使用合成喷气燃料的原则是必须符合ASTMD7566附录A1和A2规格要求，最大掺调比例不超过50%（体积分数）[8]。航空生物燃料质量指标要求列入ASTMD7566标准中的航空生物燃料，包括生物质气化-费托合成-加氢处理改质的石蜡煤油（FT-SPK）和动植物油脂经加氢处理改质的石蜡煤油（HEFA-SPK）两种。ASTMD7566-11a标准中不仅规定了含合成烃类的航空涡轮燃料的具体指标要求，还规定了费-托加氢合成石蜡煤油和源自加氢的酯（酸）加氢合成石蜡煤油的质量要求。表3和表4列出了这两种SPK的主要指标要求[9]。这两种航空生物燃料指标中的主要区别是油脂加氢的SPK增加了脂肪酸甲酯含量和实际胶质的要求，目的是防止油脂加氢工艺或输送出现问题时将原料带入产品。调合后含合成烃类航空涡轮燃料指标要求以上标准只是航空生物燃料作为调合组分的质量规格，还需与石油基航空喷气燃料按一定比例调合后才能在飞机上使用，调合后质量也必须与现行的航空喷气燃料标准规格完全一致，如ASTMD1655、DEFStan91-91及GB6537等。从燃料系统密封性和燃料挥发性考虑，针对航空生物燃料的特性，ASTMD7566规格中增加了补充要求。表5列出了ASTMD7566针对航空生物燃料的特性所增加的补充要求。其中，最低芳烃含量和蒸馏斜率限制根据目前对认可的合成燃料的经验典型值确定，正在进行芳烃实际需求的研究。飞机和发动机对于芳烃和蒸馏斜率最低需求研究试验正在积极进行。我国目前尚无同类标准，中国石油为中国首次航空生物燃料试飞生产提供的用油是参照ASTMD7566标准附录A2中相关要求生产的航空生物燃料，并与中国石油生产的石油基3号喷气燃料进行掺调，调合出完全符合GB6537—2006标准及适航审定要求的中国首次航空生物燃料试飞用油。试飞结果表明，中国石油生产的航空生物燃料完全满足飞行高度、加速性能和发动机重新启动等各项要求。

航空燃料具有强制性、广泛的国际通用性和高度的安全性的特点，有别于其它所有运输燃料。我国航空生物燃料产业刚刚起步，但发展势头迅猛，可尚无相关国家标准予以支持。我国的航空喷气燃料综合鉴定法与美国的相关标准基本一致，均经过规格试验、使用性能研究、部分单管试验、台架测试和试飞全系列过程。这一过程涉及多个部门，如航空发动机厂家、飞机制造企业、石油石化企业、航空公司等多个部门。目前，我国的航空生物燃料国家标准制定工作得到了国家标准化委员会的大力支持，国家能源局牵头起草制定的“航空涡轮生物燃料”国家强制性标准立项已经公示[10]。国家能源局将组织包括中国石油天然气集团公司等国内相关部门、研究机构、企业等多家单位进行优势互补，资源整合，对航空生物燃料标准开展深入系统的基础和应用研究工作，制定我国的航空生物燃料国家标准，将极大地支持和推动我国航空生物燃料产业化发展。