齊泮侖，何 皓，胡徐騰，付興國，孫洪磊，李頂杰

（中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院，北京 100195）

航空燃料是航空業(yè)最大的排放源，占航空業(yè)CO2總排放量的90%。雖然航空業(yè)溫室氣體排放量僅占人類所有排放量的2%～3%，但航空煤油燃燒后產(chǎn)生溫室效應(yīng)的能力及危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它行業(yè)，航空業(yè)面臨嚴(yán)峻的CO2減排挑戰(zhàn)。

由于航空運(yùn)輸?shù)膰H性很強(qiáng)，航空業(yè)減排已成為全球應(yīng)對氣候變化的焦點(diǎn)之一，也成為部分發(fā)達(dá)國家強(qiáng)行要求發(fā)展中國家承擔(dān)減排任務(wù)的突破口。歐盟計(jì)劃 2012年將民航業(yè)納入歐盟排放交易體系（EU ETS），對所有抵制歐盟的商業(yè)航班實(shí)施排放權(quán)配額制度，這將對發(fā)展中國家航空業(yè)的發(fā)展帶來很大的壓力。據(jù)測算，我國僅 2012年就需要支付近8億元人民幣，2020年則超過30億元人民幣，9年累計(jì)支出約176億元人民幣，我國航空業(yè)將面臨嚴(yán)峻的減排與成本挑戰(zhàn)[1]。

與地面交通不同，飛機(jī)在新燃料的選擇方面十分有限。目前看來，太陽能、燃料電池等已經(jīng)用于汽車的能源短時(shí)間內(nèi)很難適用于飛機(jī)。利用動(dòng)植物油脂或農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)制備航空生物燃料的第二代生物燃料技術(shù)，具有原料來源廣泛、環(huán)境友好及可再生的特點(diǎn)，并且化學(xué)結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)與化石航煤接近，可以直接替代傳統(tǒng)的航空煤油，不需要制造商重新設(shè)計(jì)引擎或飛機(jī)，同時(shí)航空公司和機(jī)場也無需開發(fā)新的燃料運(yùn)輸系統(tǒng)，因此，航空生物燃料是最具有潛力的化石航空燃料替代品。

航空生物燃料又稱為生物基合成石蠟煤油（bio-synthetic paraffinic kerosene,Bio-SPK），主要是作為調(diào)合組分以低于50%的體積比例與傳統(tǒng)化石航空噴氣燃料調(diào)合后使用，調(diào)合后的成品一般被稱為航空渦輪生物燃料（aviation turbine biofuel）或含合成烴類渦輪噴氣燃料。由于航空生物燃料采用可再生生物質(zhì)原料，全生命周期的溫室氣體排放量明顯低于化石航空噴氣燃料，溫室氣體可減排50%以上[2]。

為了實(shí)現(xiàn)航空業(yè)溫室氣體減排目標(biāo)，保障現(xiàn)代航空燃料可持續(xù)發(fā)展，近年來，開發(fā)應(yīng)用碳排放量低、原料可再生的航空生物燃料已經(jīng)得到世界許多國家航空運(yùn)營商、航空燃料生產(chǎn)商的普遍重視。自2008年以來，包括中國石油天然氣集團(tuán)公司在內(nèi)的全球多家能源公司、生產(chǎn)技術(shù)提供商、航空公司合作進(jìn)行了多次試飛與商業(yè)飛行活動(dòng)，已經(jīng)驗(yàn)證了航空生物燃料與現(xiàn)有機(jī)型的兼容性非常好，與傳統(tǒng)燃料混合，能夠在不改變飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下提高飛機(jī)效率，且符合技術(shù)與安全使用標(biāo)準(zhǔn)[3]。

1 航空噴氣燃料應(yīng)具有的性能

航空噴氣燃料的主要功能是推進(jìn)飛機(jī)前進(jìn)，所以能量含量和燃燒性質(zhì)是最核心的燃料性能。其它相關(guān)性能指標(biāo)還有穩(wěn)定性、潤滑性、流動(dòng)性、汽化特性、抗腐蝕性、潔凈性、材料相容性及安全特性等，飛機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求燃料在使用前足夠清潔、無水和不含任何污染物。除了提供能量，燃料還作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的壓力液和特定燃料系統(tǒng)部件的冷卻劑。

航空噴氣燃料性能能否達(dá)到使用要求，通過質(zhì)量指標(biāo)來控制與體現(xiàn)。表1列出了航空噴氣燃料性能及與之相關(guān)的分析測試項(xiàng)目[4]。

（1）熱安定（穩(wěn)定）性 在飛機(jī)飛行中，航空噴氣燃料還作為發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體的熱交換介質(zhì)。工作環(huán)境溫度較地面環(huán)境溫度高，因此油品的熱安定性是噴氣燃料最重要的性質(zhì)之一。在機(jī)體內(nèi)，噴氣燃料用來給發(fā)動(dòng)機(jī)油、壓力液和空調(diào)設(shè)備換熱，燃料吸收的熱量加速了生成膠質(zhì)和顆粒物的化學(xué)反應(yīng)。商用噴氣燃料應(yīng)在燃料溫度高達(dá)163 ℃時(shí)保持熱穩(wěn)定，認(rèn)為這樣的燃料具備良好的儲(chǔ)存安定性。

表1 航空噴氣燃料性能及與之相關(guān)的分析測試項(xiàng)目

（2）燃燒性 通過把液體燃料注入快速流動(dòng)的熱空氣流中，燃料在燃燒室中連續(xù)燃燒。在初始區(qū)域中，燃料在接近理想配比條件下汽化并燃燒，所產(chǎn)生的熱氣持續(xù)被過剩空氣稀釋，以便把溫度降低到適合發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的溫度。通過目前規(guī)格中的試驗(yàn)方法測試與生煙相關(guān)的燃料的燃燒性質(zhì)。

通常，烷烴提供了最為理想的噴氣燃料燃燒潔凈性，環(huán)烷烴是次理想烴類，芳烴是飛機(jī)渦輪燃料燃燒性的最不理想烴類。在飛機(jī)渦輪中芳烴易于呈有煙的火焰燃燒，且比其它烴類釋放出更大比例的不理想熱輻射的化學(xué)能。萘或雙環(huán)芳烴比單環(huán)芳烴產(chǎn)生更多的煙灰、煙塵和熱輻射，是飛機(jī)噴氣燃料使用的最不理想烴類。煙點(diǎn)提供了一個(gè)噴氣燃料相對生煙性的指示，且與該燃料的烴類組成有關(guān)，無煙火焰的高度值大，表明芳烴含量低，燃燒的清潔性好。

（3）燃料的計(jì)量和飛機(jī)航程 當(dāng)密度與諸如苯胺點(diǎn)或蒸餾等其它參數(shù)結(jié)合使用時(shí)，密度低預(yù)示單位體積熱值低，預(yù)示給定體積燃料的航程降低。

飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是建立在把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的基礎(chǔ)上。燃燒凈熱值提供了從給定燃料中獲得的進(jìn)行有效工作的能量數(shù)量，熱值減少到該最小限值以下將伴隨著燃料消耗增加和相應(yīng)的航程減少。

（4）燃料的霧化 通過蒸餾測定在不同溫度下燃料的揮發(fā)性和是否易于蒸發(fā)，規(guī)定10%蒸餾溫度是為了確保易于啟動(dòng)，規(guī)定終餾點(diǎn)是為了排除難以蒸發(fā)的重餾分。燃料的黏度與其在整個(gè)溫度范圍的泵送能力和噴嘴霧化狀態(tài)的一致性密切相關(guān)，燃料對泵的潤滑能力與黏度也有關(guān)系。

（5）低溫流動(dòng)性 冰點(diǎn)是燃料非常重要的性能，而且應(yīng)足夠低，以排除在高海拔處的普遍溫度下燃料通過濾網(wǎng)向發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)時(shí)受到的干擾。飛機(jī)油箱中燃料的溫度隨著外界溫度的降低而降低。飛行過程中燃料所經(jīng)歷的最低溫度主要取決于外界空氣溫度、飛行時(shí)間和飛機(jī)速度。例如，長時(shí)間飛行要求燃料的冰點(diǎn)比短時(shí)間飛行的低。

（6）與燃料系統(tǒng)和渦輪中的橡膠和金屬的相容性 已知硫醇硫可以與某些橡膠反應(yīng)，規(guī)定硫醇含量限值以避免這類反應(yīng)并減少令人不快的硫醇?xì)馕?。對于噴氣燃料控制硫含量很重要，因?yàn)樵谌紵^程形成的硫氧化物會(huì)腐蝕渦輪的金屬部件。噴氣燃料銅片腐蝕試驗(yàn)合格的要求，確保了燃料中不含任何會(huì)腐蝕燃料系統(tǒng)各部分的銅或銅合金的物質(zhì)。某些石油產(chǎn)品使用了礦物酸或苛性堿或兩者進(jìn)行處理，不希望有任何殘留的礦物酸或苛性堿，也不希望含有雜質(zhì)。當(dāng)檢驗(yàn)新生產(chǎn)的或未使用過的燃料時(shí)，測定酸值可以對此進(jìn)行確認(rèn)。

（7）燃料的儲(chǔ)存安定性 實(shí)際膠質(zhì)是燃料蒸發(fā)后所留下來的非揮發(fā)性殘余物。如果存在大量的膠質(zhì)，則表明燃料受到高沸點(diǎn)油品或顆粒物質(zhì)的污染。

（8）燃料的潤滑性 飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)的組件和燃料控制部件依靠燃料潤滑其滑動(dòng)的部分。噴氣燃料在此類設(shè)備中作為潤滑劑的作用稱為燃料的潤滑性。噴氣燃料潤滑性不好，可導(dǎo)致泵的流量下降或出現(xiàn)機(jī)械故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。

2 航空生物燃料的特性與調(diào)合要求

從中長期全球航空工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析，傳統(tǒng)化石航空噴氣燃料仍將占據(jù)航空燃料主導(dǎo)地位，這就要求替代燃料的性質(zhì)必須與現(xiàn)有的傳統(tǒng)燃料性質(zhì)相近，可與其完全互溶、可以任何比例進(jìn)行混合和共同運(yùn)輸。煤液化噴氣燃料（CTL）、天然氣合成噴氣燃料（GTL）和航空生物燃料（Bio-SPK）這三種產(chǎn)品在能量密度、流動(dòng)性等方面的性質(zhì)與現(xiàn)有傳統(tǒng)燃料基本相近，所以目前國際上航空替代燃料主要是這三種。

與化石航空噴氣燃料相比，航空生物燃料具有優(yōu)異的熱安定性、燃燒性和良好的材料相容性，除產(chǎn)品密度偏低外，其它性能指標(biāo)均與化石航空噴氣燃料要求一致。表2列出了航空生物燃料與化石航空噴氣燃料性能指標(biāo)的對比情況。

由于航空生物燃料不含芳烴，實(shí)測的航空生物燃料凈熱值為44.14 MJ/kg，煙點(diǎn)大于40 mm；而化石航空噴氣燃料的實(shí)測凈熱值為43.44 MJ/kg，煙點(diǎn)實(shí)測為23 mm（萘系烴含量為0.4%）。所以，航空生物燃料具有優(yōu)異的燃燒性能和較高的熱穩(wěn)定性。

但是，為確保避免長時(shí)間使用后飛機(jī)燃料系統(tǒng)橡膠密封圈收縮和相應(yīng)的燃料泄漏，調(diào)合后的航空渦輪生物燃料規(guī)定了芳烴含量（體積）的下限不小于 8%，上限不大于 25%，而化石航空噴氣燃料只規(guī)定了芳烴含量上限，因此其最低芳烴含量根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)來確定，實(shí)際指標(biāo)目前仍在進(jìn)一步研究之中。

在燃料霧化（揮發(fā)性）方面，為保證渦輪燃料霧化性能和燃燒穩(wěn)定性，航空渦輪生物燃料增加了蒸餾斜率T50-T10不小于15 ℃和T90-T10不小于40 ℃的要求。為滿足航空渦輪生物燃料的蒸餾斜率要求，作為調(diào)合組分的航空生物燃料T90-T10要求不小于 22 ℃。蒸餾斜率限制是根據(jù)目前對認(rèn)可的合成燃料的經(jīng)驗(yàn)確定的，目前正在進(jìn)行蒸餾斜率實(shí)際需求的研究。

另外，目前作為調(diào)合組分的航空生物燃料密度相對較低，15 ℃密度為730～770 kg/m3，調(diào)合航空渦輪生物燃料選擇時(shí)，需注意化石航空噴氣燃料的實(shí)際密度值。

表2 航空生物燃料與化石航空噴氣燃料性能指標(biāo)情況

化石航空噴氣燃料的芳烴含量一般在 10%～20%，密度（15 ℃）一般為780～820 kg/m3。為了同時(shí)滿足航空噴氣燃料規(guī)格對芳烴最低含量 8%和密度不低于775 kg/m3（15 ℃）的要求，應(yīng)選擇芳烴含量大于16%、密度不低于805 kg/m3（15 ℃）的化石航空噴氣燃料調(diào)合航空渦輪生物燃料，航空生物燃料的含量不超過50%。

3 航空生物燃料標(biāo)準(zhǔn)

3.1 ASTM航空生物燃料標(biāo)準(zhǔn)制定與修訂歷程

隨著化石石油資源的日益匱乏和二氧化碳減排的要求，國際上正積極開展替代能源的研究，并取得很大進(jìn)展。航空噴氣燃料產(chǎn)品從開發(fā)到應(yīng)用均需要按照一個(gè)嚴(yán)格的程序進(jìn)行研究和試驗(yàn)，經(jīng)過這一復(fù)雜的程序后，方可批準(zhǔn)投入使用[4]。2009年，按照ASTM D4054噴氣燃料新產(chǎn)品及添加劑規(guī)定的程序，經(jīng)過規(guī)格試驗(yàn)、使用性能研究、部分單管試驗(yàn)、臺架測試和試飛全系列過程后，ASTM把合成烴類替代燃料單獨(dú)起草為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) ASTM D7566-09，即含合成烴類的航空渦輪燃料的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，隨后該標(biāo)準(zhǔn)又陸續(xù)修訂為 ASTM D7566-10、10a[6-7]，并得到了國際飛機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的普遍認(rèn)可和使用。ASTM D7566標(biāo)準(zhǔn)被航空油料界認(rèn)為是劃時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了航空替代燃料的發(fā)展。

ASTM D7566-10a標(biāo)準(zhǔn)中把煤間接液化（CTL）、天然氣合成（GTL）和生物質(zhì)氣化-費(fèi)托合成-加氫處理分離出的合成石蠟煤油（Fischer-Tropsch hydroprocessed synthesized paraff?nic kerosene, FT-SPK）均可作為噴氣燃料調(diào)合組分，并在附錄A1中規(guī)定了規(guī)格要求。在ASTM D7566-10a的基礎(chǔ)上，ASTM D7566-11將動(dòng)植物油酯和脂肪酸加氫處理的石蠟煤油（hydroprocessed esters and fatty acids synthesized paraff?nic kerosene,HEFA–SPK）列入了含合成烴類航空渦輪燃料標(biāo)準(zhǔn)的附錄A2中，ASTM D7566-11于2011年7月1日進(jìn)行確認(rèn)，2011年7月出版。隨后修訂的ASTM D7566-11a于2011年7月15日發(fā)布確認(rèn)，2011年8月出版。ASTM D7566規(guī)定航空生物燃料最大摻調(diào)比例不超過50%（體積分?jǐn)?shù)），與傳統(tǒng)航空噴氣燃料調(diào)合后可出廠使用。

2011年2月18日發(fā)布（2011年5月18日正式生效）的英國國防部的航空渦輪燃料標(biāo)準(zhǔn) DEF STAN 91-91/7（修訂1）已把合成噴氣燃料列入可調(diào)合的組分。在其附錄D“適用于含合成組分的燃料的附加要求”中，規(guī)定允許使用合成噴氣燃料的原則是必須符合ASTM D7566附錄A1和A2規(guī)格要求，最大摻調(diào)比例不超過50%（體積分?jǐn)?shù)）[8]。

3.2 航空生物燃料質(zhì)量指標(biāo)要求

列入ASTM D7566標(biāo)準(zhǔn)中的航空生物燃料，包括生物質(zhì)氣化-費(fèi)托合成-加氫處理改質(zhì)的石蠟煤油（FT-SPK）和動(dòng)植物油脂經(jīng)加氫處理改質(zhì)的石蠟煤油（HEFA-SPK）兩種。ASTM D7566-11a標(biāo)準(zhǔn)中不僅規(guī)定了含合成烴類的航空渦輪燃料的具體指標(biāo)要求，還規(guī)定了費(fèi)-托加氫合成石蠟煤油和源自加氫的酯（酸）加氫合成石蠟煤油的質(zhì)量要求。表3和表4列出了這兩種SPK的主要指標(biāo)要求[9]。

這兩種航空生物燃料指標(biāo)中的主要區(qū)別是油脂加氫的 SPK增加了脂肪酸甲酯含量和實(shí)際膠質(zhì)的要求，目的是防止油脂加氫工藝或輸送出現(xiàn)問題時(shí)將原料帶入產(chǎn)品。

表3 航空生物燃料（Bio-SPK）的理化指標(biāo)要求

表4 航空生物燃料（Bio-SPK）的組成要求

3.3 調(diào)合后含合成烴類航空渦輪燃料指標(biāo)要求

以上標(biāo)準(zhǔn)只是航空生物燃料作為調(diào)合組分的質(zhì)量規(guī)格，還需與石油基航空噴氣燃料按一定比例調(diào)合后才能在飛機(jī)上使用，調(diào)合后質(zhì)量也必須與現(xiàn)行的航空噴氣燃料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格完全一致，如 ASTM D1655、DEF Stan 91-91及GB 6537等。從燃料系統(tǒng)密封性和燃料揮發(fā)性考慮，針對航空生物燃料的特性，ASTM D7566規(guī)格中增加了補(bǔ)充要求。表5列出了ASTM D7566針對航空生物燃料的特性所增加的補(bǔ)充要求。

其中，最低芳烴含量和蒸餾斜率限制根據(jù)目前對認(rèn)可的合成燃料的經(jīng)驗(yàn)典型值確定，正在進(jìn)行芳烴實(shí)際需求的研究。飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)對于芳烴和蒸餾斜率最低需求研究試驗(yàn)正在積極進(jìn)行。

我國目前尚無同類標(biāo)準(zhǔn)，中國石油為中國首次航空生物燃料試飛生產(chǎn)提供的用油是參照 ASTMD7566標(biāo)準(zhǔn)附錄A2中相關(guān)要求生產(chǎn)的航空生物燃料，并與中國石油生產(chǎn)的石油基3號噴氣燃料進(jìn)行摻調(diào)，調(diào)合出完全符合GB 6537—2006標(biāo)準(zhǔn)及適航審定要求的中國首次航空生物燃料試飛用油。試飛結(jié)果表明，中國石油生產(chǎn)的航空生物燃料完全滿足飛行高度、加速性能和發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)等各項(xiàng)要求。

表5 含合成烴類的航空渦輪燃料補(bǔ)充要求

4 結(jié) 語

航空燃料具有強(qiáng)制性、廣泛的國際通用性和高度的安全性的特點(diǎn)，有別于其它所有運(yùn)輸燃料。我國航空生物燃料產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但發(fā)展勢頭迅猛，可尚無相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)予以支持。我國的航空噴氣燃料綜合鑒定法與美國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，均經(jīng)過規(guī)格試驗(yàn)、使用性能研究、部分單管試驗(yàn)、臺架測試和試飛全系列過程。這一過程涉及多個(gè)部門，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠家、飛機(jī)制造企業(yè)、石油石化企業(yè)、航空公司等多個(gè)部門。

目前，我國的航空生物燃料國家標(biāo)準(zhǔn)制定工作得到了國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的大力支持，國家能源局牽頭起草制定的“航空渦輪生物燃料”國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)已經(jīng)公示[10]。國家能源局將組織包括中國石油天然氣集團(tuán)公司等國內(nèi)相關(guān)部門、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等多家單位進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，資源整合，對航空生物燃料標(biāo)準(zhǔn)開展深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作，制定我國的航空生物燃料國家標(biāo)準(zhǔn)，將極大地支持和推動(dòng)我國航空生物燃料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

[1]馮志.解讀歐盟航空碳排放交易體系及其影響[J].民航管理，2009（8）：91-94.

[2]David R Shonnard, Larry Williams, Tom N Kalnes.Camelina-derived jet fuel and diesel：Sustainable advanced biofuels[J].A Environmental Progress & Sustainable Energy, 2010, 29（3）：382-392.

[3]高峰.航空燃料的新成員[J].中國民用航空, 2012（1）：44-45.

[4]ASTM D7566-09 Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved Sept.1,2009.Published September 2009.DOI：10.1520/D7566-09.

[5]ASTM D4054–09 Standard Practice for Qualification and Approval of New Aviation Turbine Fuels and Fuel Additives[S].Current edition approved Dec.1, 2009.Published April 2010.DOI：10.1520/D4054–09.

[6]ASTM D7566-10 Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved May 1,2010.Published August 2010.DOI：10.1520/D7566-10.

[7]ASTM D7566-10a Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved July 1, 2011.Published July 2011.DOI：10.1520/D7566-11.

[8]UK Ariation Fuels Committee.Def Stan 91-91/7, Turbine Fuel,Aviation Kerosine Type,Jet A-1[S].Glasgow：Ministry of Defence Directorate of Standardization, 2011.

[9]ASTM D7566-11a Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons[S].Current edition approved July 15,2011.Published August 2011.DOI：10.1520/D7566-11A.

[10]關(guān)于對《專用校車系列型譜》等4項(xiàng)擬立項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目征求意見的通知, 國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)綜合業(yè)務(wù)管理部, 2012-04-18.