民用航空替代燃料的应用验证进展

昵称38350246 2017-02-18

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全球消耗量最大的航空燃料以“煤油型”的喷气燃料为主，主要以石油为原料制备。欧美等国家的民用航空燃料多为Jet A或Jet A-1。我国航空燃料主要是参照国外标准，以RP-3煤油型喷气燃料为主，广泛应用于军用和民用飞行器。

近年来，世界航空事业不断发展，对航空燃料的需求不断增长，目前全世界每年消耗约两亿吨航空煤油，而且正以每年5%左右的速率增长。中国已经成为全球第二大民用航空运输大国，航空燃料的消费以每年13%左右的速率快速增长，远高于国际水平。

随着全球石油储量减少，石油价格整体趋势还是在不断上涨，航空能源的安全和经济性等问题愈加突出。为了应对局部环境问题和全球气候变化，现代民用航空发动机的发展需求是安全性和环保性，尤其是要满足日益严格的航空发动机污染排放标准。国际航空运输协会（IATA）向国际民航组织（ICAO）承诺：从2009年到2020年平均每年燃油效率提高1.5%，2050年碳排放量比2005年减少50%。尽管飞机、发动机及空管技术的不断提高可以降低污染排放和燃油消耗，但仍然无法满足能源和环保的要求，具有碳吸收功能的航空替代燃料成为航空能源发展的关键技术。另外，为了持续降低航空发动机的NOx排放，发展低污染燃烧室概念，由此引发的小尺寸均匀油气混合技术要求未来航空燃料具有更好的抗结焦能力，这给非传统的航空替代燃料也提出了强烈需求。可见，要达到苛刻的航空减排目标，航空替代燃料技术是未来非常重要的一个环节。

面对世界能源短缺和环境污染的双重挑战，国内外积极开发多种清洁、安全、可靠、可持续的航空替代燃料，以实现航空燃料的来源多元化，降低对他国石油资源的依赖度。航空替代燃料的发展和应用受到重视，它不仅关系到全球经济与气候变化，还涉及能源和国防安全。但这需要航空公司、飞机制造商和发动机生产商与能源和学术界通力合作，积极开展航空替代燃料的开发、认证及推广。

航空替代燃料的分类

为了解决未来民用航空能源问题，同时应对经济和环保要求，对航空替代燃料提出了越来越强烈的需求。但是，这需要对其理化性质、与现有系统和材料的兼容性、制备技术成熟度、制备成本、温室气体排放等进行全面的评估，才能最终被允许应用于航空飞行器。目前国外发展的航空替代燃料首要追求的是具有“Drop-in”的兼容特性，即要求简单易用，对机场设施、飞机和发动机硬件无需改动，可以直接替代传统航空燃料。

航空替代燃料按照来源可分为以下几大类：

（1）煤基燃料（CTL），包括费托合成、直接液化、煤焦油等不同的航空燃料制备工艺，是最早研究的航空替代燃料之一。其中，以费托合成（Fischer-Tropsch）技术最为成熟，发展潜力最大。

（2）天然气合成燃料（GTL），主要是以天然气为原料，通过费托合成，其成分与煤基费托合成相同，生产过程污染排放较煤基合成少。

（3）生物燃料（BTL），包括生物油脂和纤维等不同的生物质来源，经过化学或者生物途径获得与传统航空燃料组成类似的替代燃料。

（4）液氢燃料（LH2），具有优异的燃烧性能和零碳排放，其储存过程需要低温环境，属于所谓的低温燃料（Cryogenicfuels）。

在以上四类航空替代燃料中，由于液氢存在体积热值小、发动机和飞机结构改动大等诸多缺陷，无法满足“Drop-in”的兼容特性，中短期内无法作为航空替代燃料广泛使用。同时，在高空水蒸汽的大气污染机理及程度尚不清楚的情况下，液氢作为航空燃料的可行性需进一步考证。为此，液氢只能作为远期的航空替代燃料使用。液甲烷（LCH4）或液化天然气（LNG）也面临同样的问题。

航空替代燃料的认证流程

为了解决未来航空能源问题，同时应对经济和环保要求，对航空替代燃料提出了越来越强烈的需求。但是，这需要对其与现有系统的兼容性、制备技术成熟度、制备成本、温室气体排放等进行全面的评估，才能最终应用于航空飞行器。

国外对于航空替代燃料的验证提出了标准流程，按照流程依次研究其理化性质、燃烧基础特性及其对燃烧室部件、发动机以及飞机飞行的影响，从而验证这种替代燃料能否用实际应用。认证流程如下图所示：

图1 认证流程

航空替代燃料与传统航空燃料之间的组分差异，是导致理化性质和燃烧性质差异的根本原因。为了保证航空替代燃料在航空发动机液雾燃烧中的适用性，对其基础燃烧性质进行测试是非常必要的。

燃烧室部件测试

在国外，针对航空发动机的燃烧室部件验证和整机验证都面临同样的一个问题，就是燃烧室部件实验平台和发动机整机平台的选择。从燃烧角度来看，航空替代燃料的燃烧性能评估包括基础特性试验、单管试验、矩形或扇形测试、全环试验和整机试验。

为了验证航空替代燃料对航空发动机燃烧室部件的适用性，需要进行以下测试和评估：喷嘴雾化、贫油点火、高空点火、贫油熄火、燃烧室出口温度、气体污染排放及燃烧效率、颗粒物排放、火焰筒壁温等，同时还要对试验前后的燃油喷嘴、旋流器和火焰筒等关键部件进行观察和图像记录，评估替代燃料的结焦、积碳趋势。

国外在通用、普惠、罗-罗等发动机制造商的多台发动机燃烧室部件上对南非Sasol公司的煤基全合成燃料FSJF进行了较全面的验证，包括单头部模型、扇形模型和全环燃烧室，测试内容涵盖雾化、点火和熄火特性、燃烧效率、污染排放、出口温度分布和火焰筒温度等。最终的结果表明：燃用合成燃料的燃烧室性能和污染排放与传统航空燃料没有差别；合成燃料的喷嘴雾化性能良好，无结焦，对燃油的调节控制没有影响；而高空贫油熄火的差异是由于合成燃油特殊的蒸发特性造成的，与化学性质无关。在国内，采用煤基FT合成轻柴油为原料，制备了合成喷气燃料，利用航空发动机单头部矩形模型燃烧室，对纯FT合成燃料与国产航空煤油RP-3进行了雾化、点火、熄火及污染排放等测试。

从化学成分上来分析，航空替代燃料主要是由链烷烃组成的，芳香烃含量极少，不容易发生结焦和积碳的现象，但是较低的芳香烃含量会对燃油系统的橡胶密封性能产生影响，所以在发动机上需要与传统航空燃料混合使用，保证燃料中芳香烃体积含量介于8%-25%之间。

总的来说，忽略燃烧室结构和工况的影响，与传统航空燃料相比，燃用航空替代燃料的燃烧室点火特性、熄火特性和污染排放等的影响都较小，并不影响燃烧室的工作。但是由于替代燃料的氢碳比大和芳香烃含量少，所以燃烧颗粒物和积碳都会减少。

发动机和飞机验证

从2008年至今，国外已经对众多型号的发动机和飞机进行了验证工作。在飞行验证之前，需要针对航空替代燃料开展地面整机验证和辅助启动装置（APU）、涡轴等小发动机验证，确保航空替代燃料应用的安全性和可靠性。

UOP公司提供了一种生物合成燃料（Bio-SPK），将其与Jet A混合在CFM56-7B发动机上进行了地面整机实验。针对传统航空燃料Jet A-1，脂肪酸甲酯FAME以及费托FT合成燃料按照不同比例的混合燃料，在涡扇发动机CFM56-7B上对颗粒物PM排放进行了测试。针对煤基和天然气基FT合成燃料以及氢化酯和脂肪酸燃料（HEFA）7种航空替代燃料，将其与传统航空燃料JP-8按50:50混合，在T63涡轴发动机和CFM56等多台涡扇发动机上进行了整机验证。

与传统航空燃料相比，多种合成燃料和生物燃料作为航空替代燃料使用，对发动机的操作性和性能不会产生负面影响，对其起动和稳定性有一定改善，气态污染物排放无明显影响，但能显著减少颗粒物排放。

从2008年到2015年，航空生物燃料已经在民用飞行器上进行过多次试飞甚至载客飞行，而且飞行验证频次远超过合成燃料，均表明可持续生物燃料对飞机性能、操作性及安全性没有任何负面影响。特别是2013年后，在试飞验证基础上，多家航空公司陆续开通了航空生物燃料的商业运营航线。

2010年开始，中国在航空生物燃料制备技术和飞行验证方面，加大了与技术发达国家的合作，于2011年实施了中国首次航空可持续生物燃料验证飞行，2013年由中国石化自主研发的1号生物喷气燃料通过首次试飞，表明中国拥有了生物喷气燃料自主研发生产技术。2015年3月中国使用一架波音737-800客机以餐饮废油为生产原料的生物航煤进行飞行验证，这是我国首次使用生物航油进行载客商业飞行。

在飞行验证中，对飞机和发动机的爬升、高空巡航、空中熄火及再点火、加减速等性能进行了测试，还进行了耐寒试验和毒性测试，替代燃料与传统航空燃料相比没有差异，均实现了安全运行。