楊 飛, 陳 偉, 張 晨, 羅 剛*, 徐俊明, 李芳琳

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院;航空發(fā)動機熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點實驗室,江蘇 南京 210016; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所, 江蘇 南京 210042)

生物質(zhì)是唯一可以直接轉(zhuǎn)化得到液體燃料油的可再生資源[1]。生物航煤源于可再生的生物質(zhì)資源，同傳統(tǒng)燃料相比，生物航煤具有分子結(jié)構(gòu)與石化航煤相似、硫含量低、閃點高、燃燒產(chǎn)物排放量低等特點，具有不需要更換發(fā)動機和燃油系統(tǒng)便可使用的巨大優(yōu)勢[2]。此外，生物航煤還具有原料易得、可再生、污染少等優(yōu)點，與其他替代能源相比更加受到青睞[3]。在生物航煤的研制和應(yīng)用研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者針對生物航煤的制備、物理性質(zhì)、燃燒性能等方面開展了大量研究[4-10]。由于航空發(fā)動機造價昂貴且實驗條件苛刻，因此對生物航煤的實驗研究多在小型渦輪機或者替代的燃燒試驗器上進行。Hui等[11]通過使用逆流燃燒器測試研究了航空燃料(Jet-A)和各種替代噴氣燃料的基本燃燒特性，發(fā)現(xiàn)替代燃料的理化性質(zhì)對燃料的燃燒特性影響較大；Rehman等[12]使用麻風(fēng)樹生物柴油與傳統(tǒng)石油基燃油進行摻混，在IS/60 Rovers燃氣輪機中利用混合燃料進行了工作可行性試驗；Corporan等[13]使用T63渦輪軸發(fā)動機和大氣旋流穩(wěn)定燃燒室研究合成噴氣燃料的排放特征，分析了非揮發(fā)性顆粒物質(zhì)(PM)和氣體排放，以評估無芳烴和無硫噴氣燃料對燃燒器的影響規(guī)律。以上研究表明生物燃料的理化性能對其霧化性能起著決定性的作用，進而影響生物燃料的燃燒性質(zhì)。本研究以大豆油為原料制備了某型生物航煤，并將生物航煤應(yīng)用在某型活塞式重油航空發(fā)動機上，進行了發(fā)動機臺架試驗，通過生物航煤與RP-3燃料的成分分析、臺架試驗數(shù)據(jù)對比，以期制備適用性優(yōu)良的生物航煤。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

大豆油由江蘇強林生物質(zhì)能源材料有限公司提供；RP-3燃料、RP-5燃料由南京航空航天大學(xué)無人機研究院提供；碳酸鈉(AR)，西隴化工股份有限公司；鈀碳催化劑(10% Pd/C)，阿拉丁公司；HZSM-5催化劑(硅鋁比值為25)，天津南化催化劑有限公司；高純氫氣，南京麥克斯南分特種氣體有限公司。

活塞式重油航空發(fā)動機臺架，南京航空航天大學(xué)自研產(chǎn)品；SYD-265C-1石油產(chǎn)品運動黏度器由中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所提供；附溫比重瓶，上海崇明建設(shè)玻璃儀器廠；6300型氧彈量熱儀，美國Parr公司；890A/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)儀，美國Agilent公司。

1.2 生物航煤的制備

1.2.1大豆油的催化裂解 本研究所用生物航煤是通過熱化學(xué)催化的方法控制大豆油油脂結(jié)構(gòu)進行多級演化，催化裂解得到的裂解油。具體技術(shù)路線如下圖所示。

具體操作：使用質(zhì)量分數(shù)5%的Na2CO3為催化劑與1 500 g大豆油在反應(yīng)釜溫度<450 ℃、精餾柱溫度300 ℃的條件下進行催化裂解反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的氣態(tài)油中輕質(zhì)油組分通過精餾柱后，經(jīng)冷凝管液化導(dǎo)出，即得到輕質(zhì)油。重質(zhì)油組分沸點較高，通過精餾柱時被攔截，回流到反應(yīng)釜中發(fā)生進一步裂解后流出。

1.2.2 精餾提取輕質(zhì)油 將催化裂解得到的的裂解油稱量后，進行精餾，收集<280 ℃的餾分，獲得直鏈烴類(輕質(zhì)油)。

1.2.3 調(diào)整輕質(zhì)油分子結(jié)構(gòu)制取生物航煤 對輕質(zhì)油進行GC-MS分析，輕質(zhì)油的分子鏈長度主要分布在C8～C15，處于噴氣燃料的組成范圍內(nèi)。由于噴氣燃料主要是烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴三者的混合物，而輕質(zhì)油中多數(shù)為直鏈烷烴和烯烴，環(huán)烷烴和芳香烴含量不足。因此，需要對輕質(zhì)油的分子結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。首先，使用質(zhì)量分數(shù)5%的HZSM-5分子篩催化劑對輕質(zhì)油進行芳構(gòu)化處理，使部分烷烴、烯烴轉(zhuǎn)化為芳香烴。取出部分芳烴化的輕質(zhì)油高壓加氫，通過加氫反應(yīng)(質(zhì)量分數(shù)3% Pd/C為催化劑)將部分芳香烴加氫為環(huán)烷烴。經(jīng)過調(diào)配，最終得到的碳鏈長度分布在C8～C15，主要成分為鏈烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴的生物航煤。

1.3 分析及性能測定

1.3.1GC-MS分析 采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對生物航煤的組分進行定性分析。采用HP-5色譜柱(30 m×0.05 μm×0.32 nm)，檢測器為FID檢測器。測試條件為50 ℃ 保持2 min，以5 ℃/min升溫至220 ℃保持2 min，氣化室溫度280 ℃，載氣為氮氣，進樣量0.5 μL，分流比為50∶1。質(zhì)譜檢測條件為電離方式EI源，轟擊能量70 eV，離子源溫度230 ℃，通過全掃描采集數(shù)據(jù)。

1.3.2性能測定 在20 ℃下，采用附溫比重瓶測定燃料的密度；采用全自動氧彈量熱儀檢測油品熱值；依據(jù)GB/T 2430—2008和GB/T 5530—2005分別測定油品的冰點、酸值；依據(jù)GB/T 265—1988，在20 ℃下，采用毛細管黏度計在SYD-265C-1石油產(chǎn)品運動黏度器中測定裂解燃料油的運動黏度。

1.4 發(fā)動機熱啟動性能對比試驗

利用發(fā)動機試驗平臺(圖1)，在相同工況下對生物航煤和RP-3燃料進行發(fā)動機熱啟動性能對比試驗。試驗發(fā)動機為自主研發(fā)的活塞式重油航空發(fā)動機(結(jié)構(gòu)見圖2)，兩缸水平對置，排量56 cm3，設(shè)計使用燃油為RP-3燃料，冷卻方式為風(fēng)冷，主要用于無人機。發(fā)動機兩側(cè)為燃燒室，布置有環(huán)形肋片和豎直肋片，用于增加散熱面積。上端安裝螺旋槳葉片，腹部兩側(cè)是排氣口，腹部中間是用于加裝加熱設(shè)備的槽。經(jīng)過多架次超過200 h的長時間測試標定和試驗，該型號發(fā)動機運行穩(wěn)定可靠，具體性能參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速1 500～7 000 r/min，功率3.2 kW，缸徑36.068 mm，行程27.94 mm，排量56 cm3，適配螺旋槳20X12、21X12和22X10，綜合油耗600 g/h，整機質(zhì)量3.0 kg。

圖1 發(fā)動機臺架系統(tǒng)圖

圖2 發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖

將地面加熱監(jiān)控模塊加熱開關(guān)調(diào)至自動模式，連接兩路PT100缸溫傳感器，打開逆變器開關(guān)和控制開關(guān)；在自動模式下通過逆變器面板觀察實時加熱功率和電池組實時電壓。將缸體預(yù)熱到一定溫度，給發(fā)動機控制單元集成(ECU)、油泵、缸內(nèi)直噴(GDI)點火器供電，將節(jié)氣門調(diào)節(jié)到啟動所需開度，啟動發(fā)動機。轉(zhuǎn)速控制在1 800～2 000 r/min，分析生物航煤和RP-3燃料對發(fā)動機啟動溫度的影響。

1.5 活塞發(fā)動機臺架試驗

活塞發(fā)動機轉(zhuǎn)速、缸體溫度、舵機開度、燃油消耗等數(shù)據(jù)通過控制箱匯總到控制室的PC端。ECU模塊控制噴油量、噴油提前角、舵機開度等，單獨的點火模塊控制發(fā)動機火花塞。燃油消耗量使用電子秤實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)通過計算機自動采集分析。

使用同一臺發(fā)動機，首先進行RP-3燃料測試，測試完畢后，拆解發(fā)動機檢查；隨后進行生物航煤測試。更換生物航煤后開機10 min，確保發(fā)動機油路中全部殘余的RP-3燃料消耗完畢后再進行數(shù)據(jù)采集，避免燃油混燒造成影響。

發(fā)動機啟動方式與1.4節(jié)啟動試驗步驟一致，通過調(diào)節(jié)舵機開度，改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機缸體溫度通過連接在缸體上的PT100缸溫傳感器測得，經(jīng)ECU傳輸給PC端。過量空氣系數(shù)(λ，衡量燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性)不能直接測量，通過安裝在發(fā)動機排氣管處的氧傳感器實時監(jiān)測尾氣中的氧氣體積分數(shù)(φO2)，根據(jù)λ=21%/(21%-φO2)得到過量空氣系數(shù)，其中21%為空氣中氧氣的體積分數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物航煤的成分分析

經(jīng)GC-MS分析發(fā)現(xiàn)，生物航煤的基本組成如下：直鏈烷烴74.54%、環(huán)烷烴13.04%、芳香烴10.31%、醚類1.07%和非α-鏈烯烴1.04%?？梢钥闯?，烷烴占大多數(shù)，能提供理想的燃燒潔凈度。其中主要成分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 生物航煤的基本成分結(jié)構(gòu)

生物航煤中的烷烴和烯烴占比接近90%，輕質(zhì)烴類具有易蒸發(fā)、閃點低的特點，在噴嘴噴出時會率先揮發(fā)形成燃料蒸氣，可以提供良好的燃燒潔凈度和啟動性能。芳香烴可以防止飛機燃料系統(tǒng)橡膠密封圈收縮，避免燃料泄漏，生物航煤芳香烴質(zhì)量分數(shù)為10.31%，符合航空噴氣燃料芳香烴不高于20%的標準要求。醚類含氧量高，極易燃燒，可以改善發(fā)動機貧氧狀態(tài)下的燃燒，但醚類經(jīng)光照易與空氣反應(yīng)產(chǎn)生過氧化物，運輸儲存過程中需要注意。

2.2 燃油性能分析

輕質(zhì)油、生物航煤、RP-3和RP-5的部分性能參數(shù)如表1所示。

表1 輕質(zhì)油、生物航煤、RP-3和RP-5的性能參數(shù)1)

1)RP-3和RP-5的參數(shù)來自GB/T 6537—2006和GB/T 1884—2000 the parameters of RP-3 and RP-5 refers to GB/T 6537—2006 and GB/T 1884—2000, respectively

由表1可以看出，生物航煤的黏度高于RP-3燃料，密度與RP-3燃料接近。生物航煤的熱值為44.4 MJ/kg，相比原材料大豆油的熱值(38.95 MJ/kg)有較大幅度提升，能量密度高，符合航空噴氣燃料的基本熱值要求;冰點為-48 ℃，滿足高空低溫環(huán)境下的航空使用條件;酸值為零，存儲、運輸和使用過程中對管路、容器等不會產(chǎn)生腐蝕作用。對比發(fā)現(xiàn)，生物航煤與RP-3燃料性能較為接近，滿足航空噴氣燃料熱值不低于42.8 MJ/kg、冰點不高于-47 ℃、密度為775～830 kg/m3、酸值(以KOH計)不大于0.015 mg/g的基本理化性質(zhì)要求。

2.3 發(fā)動機臺架試驗結(jié)果分析

2.3.1熱啟動性能 關(guān)機冷卻后，在發(fā)動機缸體溫度預(yù)熱到60 ℃下重復(fù)生物航煤的發(fā)動機熱啟動試驗，發(fā)動機正常啟動。再次關(guān)機冷卻后，重復(fù)以上步驟，RP-3燃料在相同工況下啟動溫度為65 ℃，60 ℃ 無法成功啟動。熱啟動對比試驗表明生物航煤在航空重油活塞發(fā)動機上的啟動性能相較于RP-3燃料更為出色(室溫30.4 ℃)。

2.3.3油耗分析 圖4(b)為生物航煤與RP-3燃料在活塞發(fā)動機臺架實驗中的油耗數(shù)據(jù)。由圖可知，生物航煤和RP-3燃料在油耗數(shù)據(jù)上非常接近(相差小于0.02 g/s)，同等工況條件下生物航煤的油耗略高。主要原因是生物航煤的黏度偏高，削弱了燃油的霧化效果，進而影響了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得在一個工作循環(huán)內(nèi)燃油無法充分燃燒而被排出，造成油耗升高。

圖4 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對溫度(a)和油耗(b)的影響

2.3.4過量空氣系數(shù) 為表征生物航煤在活塞發(fā)動機中的燃燒狀態(tài)，采用過量空氣系數(shù)來衡量燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性。燃用生物航煤試驗測量的過量空氣系數(shù)(λ)值與燃用RP-3燃料時相比差異較大。燃用生物航煤時過量空氣系數(shù)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過4 200 r/min時開始無法穩(wěn)定在某一數(shù)值上，5 500r/min后趨于正常，表明此時燃燒狀態(tài)仍不穩(wěn)定。將發(fā)動機兩缸的過量空氣系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系進行處理，結(jié)果如圖5所示。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 500～4 200 r/min時，生物航煤與RP-3燃料產(chǎn)生的混合氣體濃度都比較接近，基本在1左右浮動，燃燒狀態(tài)理想。發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過4 200 r/min時，生物航煤的燃燒狀態(tài)較不穩(wěn)定，此時一缸過量空氣系數(shù)在0.8～1.2之間跳動，不能穩(wěn)定在固定值，說明發(fā)動機內(nèi)混合氣濃度發(fā)生劇烈變化，濃度忽高忽低，表明燃燒狀態(tài)惡化。二缸過量空氣系數(shù)也出現(xiàn)類似較大幅度的波動。

圖5 發(fā)動機的過量空氣系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化

發(fā)動機在相對高轉(zhuǎn)速的工況下，噴油頻率變高，生物航煤由于黏度較高的問題導(dǎo)致霧化不充分，存在大粒徑油滴掛壁的現(xiàn)象，隨時可能出現(xiàn)油滴落，致使可燃混合氣濃度瞬間提高，造成過量空氣系數(shù)持續(xù)不穩(wěn)定。在發(fā)動機燃用生物航煤過程中振動幅值超出正常范圍，發(fā)生爆震。生物航煤黏度較高可能是由于生物航煤制備過程中芳構(gòu)化加氫不徹底而形成的膠質(zhì)所導(dǎo)致，膠質(zhì)容易在發(fā)動機燃燒過程中產(chǎn)生積炭，積炭溫度較高，使得可燃混合氣在積炭處被點燃，形成多火核，加快混合氣燃燒速度，造成爆震，擾亂正常火花塞點火的火焰?zhèn)鞑シ较蚝腿紵俣取?/p>

2.3.5結(jié)焦情況分析 生物航煤和RP-3燃料各在發(fā)動機上進行臺架試驗測試34 min，燃用生物航煤進行發(fā)動機臺架試驗后，對發(fā)動機進行了拆解檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機燃燒室壁出現(xiàn)了一定的結(jié)焦積炭情況，發(fā)動機產(chǎn)生不可逆損傷，如圖6(a)所示。刮取部分結(jié)焦物質(zhì)進行檢測分析，結(jié)果表明結(jié)焦物質(zhì)主要成分為炭，以及部分未完全燃燒的生物航煤。而燃用RP-3燃料后拆解發(fā)動機未發(fā)現(xiàn)積炭現(xiàn)象，如圖6(b)所示，且可繼續(xù)正常運行超過200 h。

從生物航煤和RP-3燃料的理化性質(zhì)對比分析可以發(fā)現(xiàn)，由于生物航煤的黏度較高，可能導(dǎo)致生物航煤的噴射與霧化效果較RP-3燃料差，生物航煤燃燒不充分而發(fā)生結(jié)焦積炭現(xiàn)象，造成發(fā)動機爆震。因此，為使生物航煤能夠更好地配合航空活塞發(fā)動機的燃油霧化及燃燒工作，后續(xù)的制備工藝將試圖去除目前工藝過程中產(chǎn)生的膠質(zhì)等過程產(chǎn)物，進一步降低生物航煤的黏度等理化指標參數(shù)，使其流動性增強，以期能更好地被燃油噴嘴霧化。

圖6 燃用生物航煤(a)和RP-3燃料(b)的燃燒室

3 結(jié) 論

3.1大豆油經(jīng)催化裂解反應(yīng)，并通過芳構(gòu)化、加氫進行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)整，制備得生物航煤，其成分及理化性能分析表明：生物航煤的主要成分為烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴，其熱值較高(44.4 MJ/kg)，冰點低(-48 ℃)，但黏度較高(2.11 mm2/s)，理化性能與RP-3燃料接近，能量密度高，具有較好的應(yīng)用前景。

3.2采用活塞式重油航空發(fā)動機進行發(fā)動機臺架試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與RP-3燃料相比，生物航煤具有更低的啟動溫度(60 ℃)，熱啟動性能優(yōu)于RP-3燃料(65 ℃)；油耗與溫升速度和RP-3燃料極為接近；發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過4 200 r/min時生物航煤的過量空氣系數(shù)波動較大(0.8～1.2)，燃燒狀態(tài)惡化；臺架試驗后，燃用生物航煤的發(fā)動機出現(xiàn)結(jié)焦積炭現(xiàn)象。

3.3生物航煤制備過程中產(chǎn)生的膠質(zhì)等過程產(chǎn)物，會導(dǎo)致其黏度增加，從而影響霧化效率、燃燒充分程度等發(fā)動機工作性能。因此，需要在后續(xù)研究中進一步降低生物航煤的黏度等理化參數(shù)，以提高生物航煤的發(fā)動機燃用適用性。