绿色新能源生物燃油在航空业中的应用与发展

2020-06-29 23:57:09 《科技创新与应用》 2020年20期

阎超

摘  要:当前航空业所使用的航空煤油面临着能源危机和其所排放的CO2所造成的温室问题,从而研究出生物燃油,在航空业中生物燃油的应用和发展是航空业最为关心的问题,为此提出生物燃油在航空业中的应用与发展。通过分析生物燃油在航空业中应用过程,计算生物燃油在航空业中的应用成本,研究生物燃油在航空业中市场发展前景,发现生物燃油在航空业中前景可观,可以取代石油成为航空燃料。

关键词:生物燃油;航空业;能源;飞机

中图分类号:F561 文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2020)20-0021-02

Abstract: At present, the aviation kerosene used in the aviation industry is faced with the greenhouse problems caused by the energy crisis and CO2 emissions, so as to study the biofuel, the application and development of biofuel in the aviation industry is the most concerned issue in the aviation industry. Therefore, the application and development of biofuel in the aviation industry is put forward. By analyzing the application process of biofuel in the aviation industry, calculating the application cost of biofuel in the aviation industry, and studying the market development prospect of biofuel in the aviation industry, it is found that biofuel has a considerable prospect in the aviation industry and can replace oil as aviation fuel.

Keywords: biofuel; aviation industry; energy; aircraft

引言

随着世界经济的发展,作为人类社会进步最为重要的基础、社会经济发展的基本动力之一的能源,其求大于供成了世界首要问题,尤其是人类社会经济、交通等方面迅速发展,更是产生了能源危机和环境问题,为此各个国家都在大力发展新能源。目前人类极其依赖化石能源,但是化石能源在使用过程中,不但会污染环境,在过量的开采下,也逐渐走向匮乏,能源问题已经成为社会的潜在危机,极有可能造成未来能源不足,传统能源无以为继的局面。因此,科学家们积极研究、开发新能源,目前,研究的能源有水能、风能、地热能、太阳能、氢能等,但是这些能源并不能成为当今社会的主流能源。然而作为当今社会重要交通行业之一的航空业,以其快捷、方便、稳定成为世界运输业的主要交通工具,是名副其实的能源需求大户。但是航空业传统能源使用的是化石燃料,也叫航空煤油,航空业每一次航行所使用航空煤油,都会排放大量的CO2,其产生温室效应的能力十分巨大,面临着CO2能源危机和减少CO2排放量双重挑战。为此科学家寻找到生物质能,生物质能相对其他能源是比较清洁的可再生能源,航空业也积极参与其中,开发生物质能,研究出可以用作航空燃料的生物燃油。当前研究出的生物燃油在分子结构上和石油基喷气燃料相似,但是其硫含量低、闪点高、燃烧后排放量低等特点,而且航空业在使用生物燃油时,不用面临传统航空煤油需要航空业定期更换发动机和燃油系统,从而备受航空业青睐。

1 分析生物燃油在航空业中应用过程

生物燃油一经出现,给航空业带来巨大发展潜力,多家航空公司争先尝试使用航空生物燃料进行试飞,第一架试飞飞机是G-VWOW号波音747-400型客机,这架客机拥有4个主燃料箱,为了保证试飞员的安全,这4个主燃料箱中只有一个燃料箱里装有生物燃油,给飞机提供部分动力,其他3个燃料箱里装的都是传统石油,给飞机的另一部分提供动力,以此保证飞机在飞行过程中燃料足够飞机运行。当时G-VWOW号波音747-400型客机上并没有安排乘客,在空中大概飞行了1小时50分钟后,安全降落。虽然这一次G-VWOW号波音747-400型客机试飞只使用了20%的生物燃油,却也为航空业环保科技带来重大突破。G-VWOW号波音747-400型客机的成功,给航空业带来了希望,再次安排了第二架飞机使用生物燃试飞。第二架试飞飞机是F-18超级大黄蜂飞机,当时的生物燃油是航空业将亚麻荞航空生物燃料和JP-8传统航空燃料按照50:50的体积比例混合,装进F-18超级大黄蜂飞机燃料箱中,成功完成试飞,再次证明生物燃油用作航空燃料的可行性。经过这两架飞机的成功,各国的航空业人员纷纷开展生物燃油试验,目前全球已经进行了27次航空生物燃油试验,并用上述混合航空燃料试飞成功。为了研究证明生物燃油适用于各种机型的飞机,航空业人员将传统航空喷气燃料与航空生物燃料按照50:50的体积比例混合,形成生物燃油装进波音747-400型客机,这架客机在空中持续飞行了58分钟,从而证明生物燃油完全可以满足大型客机各种性能需求。在这27次的试飞过程中,所采用的生物燃油原料均是动植物油或藻类油采用加氢工艺生产而成。

经过多种机型的27次试验结果,无不表明生物燃油可以应用在航空业,作为飞机的航空燃料。为此各国开始尝试将生物燃油作为航空燃料,投入定期航班开始试运营。第一架试运营飞机为空中客车A321飞机,该架飞机配備了IAE发动机,每天飞行四次,每次飞行3小时38分钟。这架飞机所使用的生物燃油均是经过加氢处理的植物油和非食用动物脂肪,与传统航空燃料以各占50%的比例混合而成。使用这种混合的生物燃油总共有1187架次航班,在这1187架次航班飞行结束后,对空气中的CO2排放量进行统计,发现比原本的石油燃料排放的CO2减少了1471吨。为保证这种生物燃油不会损伤飞机的燃烧室、涡轮机和引擎燃料系统,针对这些系统进行检查,未发现对飞机燃烧室产生影响,生物燃油质量也未发生变化,并且对比传统的航空煤油还减少了1%燃料消耗。经过大量的试飞结果和对CO2排放量的检测,都表明生物燃油可以取代传统航空煤油,作为飞机的燃料,减少飞机CO2排放量,降低飞机产生的温室效应。

2 生物燃油在航空业中市场发展前景

目前,全球的石油产量都在不断减少,石油的缺口一年比一年地大,现在已经超过1.4亿吨。而生物燃油所需的原料生物质,光农民每年就会产生7亿吨,而这7亿吨的生物质中,约有4亿吨生物质被闲置、丢弃。由此可见生物燃油可以实现农村、林区经济的可持续发展和资源的有效利用。如果将生物质转化成生物燃油转化成功率算作60%,则有:

通过(1)式,可以非常明显对比出生物燃油的好处,而且这2.4亿吨的生物燃油还是按照60%的转化率计算得出,实际转化率只会比这高,而不会低。完全可以弥补石油产量减少造成的缺口。

为验证生物燃油市场效益,根据生物燃油成本和石油成本进行预算。根据文献[4]可知,我国生物燃油生产线的生产成本在1800~2000元/吨之间,根据等热值大致计算生物燃油和石油之间的折合值,大致得出2吨(生物燃油)≈1吨(石油),而生产石油的成本需要3600~4000/吨,而当前柴油、汽油的市场价格一般为7000元/吨。根据上述生物燃油的成本,完全可以将生物燃油的价格定在2200元/吨左右,既不会存在亏本问题,还存在十分巨大的竞争力。更重要的是,经过飞机试飞后所检测的CO2排放量,表明生物燃油可以大大減少有害气体的排放。根据本文对生物燃油的定价,和2中已知每次生产2000吨生物燃油,可以估算生物燃油的产值为440万元,大致获利50~100万元。只要全国可以生产出1亿吨生物燃油,就可以创收200~500亿元人民币,由此可见其综合效益,更是给航空业的可持续发展带来新希望。

3 二代生物燃油

植物油具有许多优点:植物在生长过程中会吸收大量的CO2,从而显着减少碳排放,同时具有高能量,良好的抗冲击性,无毒,无污染和无分解性,从而显着降低了二氧化硫和一氧化碳的毒性。植物油主要包含甘油三酯和少量的单酯和双酯,它们包含大量的氧气,不同的碳链长度和分子结构中双键的数量会产生不同的脂肪酸。植物油还包含自由脂肪酸、磷脂、胡萝卜烯类、酚类、硫磺复合物和少量的水。植物油中常见的脂肪酸是硬脂酸,棕榈酸和亚油酸,这些植物油的大分子结构和质量导致高粘度和低挥发性。

与矿物柴油相比,纯植物油的较高粘度会影响燃料油的雾化特性。因此,喷嘴将喷射更大的燃料滴,而不是雾化的燃料滴,这影响了气油混合物的比例,喷雾效果较弱,并且挥发性也非常低。在燃烧室中形成沉积物。纯植物油不能直接用于飞机涡轮发动机,可以通过加热、混合、稀释、微乳化和酯化等方法以降低其粘度来。第二代生物燃料主要由海藻,亚麻籽和麻风树制成,这些海藻,亚麻籽和麻风树含有大量的石油,石油产量大,增长周期短并且不与粮食资源竞争,不但可以将荒地利用,而且可以提供大量就业机会,以促进贫困地区的经济发展。

4 生物燃油在航空业中的应用成本预算

目前,生物燃油加工技术采用快速热裂解技术,所需要的生物质原料都是廉价的秸秆,通过秸秆气燃烧机将秸秆气化燃烧,从而获得热值为1825MJ/kg的生物燃油,并且年产可达2000吨。在生物燃油制造成本中,应用制造设备成本最高,但是可以投资回收期分摊。其次就是生产费用,其所占比例与产量有关。假设每年按300天,一天24小时计算,年产2000吨生物燃料,原料的转化率为60%,耗损率为5%,含水率为15%,则可以得出生产生物燃油的生产原料为2000吨×60%×15%×5%=9吨。估算出生产2000吨生物燃油的成本大约为1000元/吨。若适当增加产量,生物燃油的成本会相应下降这样的成本有利于进行生物燃油的产业化推广。

5 结束语

综上所述,随着经济全球化,科技的迅猛发展,对能源的需求与日俱增,致使目前最主要的能源石油价格不断上涨,对环境和气候的影响不断加剧。针对这种现象,作为石油能源需求大户,温室效应最大制造者的航空业,紧急开发新能源,不断寻找可以大规模应用于航空的燃料。生物燃油的出现,无疑给航空业航空燃油带来了新方向。因此本文提出的生物燃油在航空业中的应用与发展具有十分重要的意义。本文对生物燃油在航空业中的应用与发展研究并不全面,还应不断深入研究生物燃油在航空业中的应用与发展,以期实现绿色飞行和可持续发展。

参考文献:

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