航空生物燃料特性与规格概述

齐泮仑，何 皓，胡徐腾，付兴国，孙洪磊，李顶杰

（中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 100195）

航空燃料是航空业最大的排放源，占航空业CO2总排放量的90%。虽然航空业温室气体排放量仅占人类所有排放量的2%～3%，但航空煤油燃烧后产生温室效应的能力及危害远远大于其它行业，航空业面临严峻的CO2减排挑战。

由于航空运输的国际性很强，航空业减排已成为全球应对气候变化的焦点之一，也成为部分发达国家强行要求发展中国家承担减排任务的突破口。欧盟计划 2012年将民航业纳入欧盟排放交易体系（EU ETS），对所有抵制欧盟的商业航班实施排放权配额制度，这将对发展中国家航空业的发展带来很大的压力。据测算，我国仅 2012年就需要支付近8亿元人民币，2020年则超过30亿元人民币，9年累计支出约176亿元人民币，我国航空业将面临严峻的减排与成本挑战[1]。

与地面交通不同，飞机在新燃料的选择方面十分有限。目前看来，太阳能、燃料电池等已经用于汽车的能源短时间内很难适用于飞机。利用动植物油脂或农林废弃物等生物质制备航空生物燃料的第二代生物燃料技术，具有原料来源广泛、环境友好及可再生的特点，并且化学结构和物化性质与化石航煤接近，可以直接替代传统的航空煤油，不需要制造商重新设计引擎或飞机，同时航空公司和机场也无需开发新的燃料运输系统，因此，航空生物燃料是最具有潜力的化石航空燃料替代品。

航空生物燃料又称为生物基合成石蜡煤油（bio-synthetic paraffinic kerosene,Bio-SPK），主要是作为调合组分以低于50%的体积比例与传统化石航空喷气燃料调合后使用，调合后的成品一般被称为航空涡轮生物燃料（aviation turbine biofuel）或含合成烃类涡轮喷气燃料。由于航空生物燃料采用可再生生物质原料，全生命周期的温室气体排放量明显低于化石航空喷气燃料，温室气体可减排50%以上[2]。

为了实现航空业温室气体减排目标，保障现代航空燃料可持续发展，近年来，开发应用碳排放量低、原料可再生的航空生物燃料已经得到世界许多国家航空运营商、航空燃料生产商的普遍重视。自2008年以来，包括中国石油天然气集团公司在内的全球多家能源公司、生产技术提供商、航空公司合作进行了多次试飞与商业飞行活动，已经验证了航空生物燃料与现有机型的兼容性非常好，与传统燃料混合，能够在不改变飞机发动机结构的情况下提高飞机效率，且符合技术与安全使用标准[3]。

1 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。

表1 航空喷气燃料性能及与之相关的分析测试项目

（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。

2 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44.14 MJ/kg，烟点大于40 mm；而化石航空喷气燃料的实测净热值为43.44 MJ/kg，烟点实测为23 mm（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730～770 kg/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。

表2 航空生物燃料与化石航空喷气燃料性能指标情况

化石航空喷气燃料的芳烃含量一般在 10%～20%，密度（15 ℃）一般为780～820 kg/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775 kg/m3（15 ℃）的要求，应选择芳烃含量大于16%、密度不低于805 kg/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%。

3 航空生物燃料标准

3.1 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ASTM D4054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 ASTM D7566-09，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 ASTM D7566-10、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。ASTM D7566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。

ASTM D7566-10a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-Tropsch hydroprocessed synthesized paraffınic kerosene, 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ASTM D7566-10a的基础上，ASTM D7566-11将动植物油酯和脂肪酸加氢处理的石蜡煤油（hydroprocessed esters and fatty acids synthesized paraffınic kerosene,HEFA–SPK）列入了含合成烃类航空涡轮燃料标准的附录A2中，ASTM D7566-11于2011年7月1日进行确认，2011年7月出版。随后修订的ASTM D7566-11a于2011年7月15日发布确认，2011年8月出版。ASTM D7566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日发布（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 DEF STAN 91-91/7（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ASTM D7566附录A1和A2规格要求，最大掺调比例不超过50%（体积分数）[8]。

3.2 航空生物燃料质量指标要求

列入ASTM D7566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。ASTM D7566-11a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。

表3 航空生物燃料（Bio-SPK）的理化指标要求

表4 航空生物燃料（Bio-SPK）的组成要求

3.3 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 ASTM D1655、DEF Stan 91-91及GB 6537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，ASTM D7566规格中增加了补充要求。表5列出了ASTM D7566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GB 6537—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。

表5 含合成烃类的航空涡轮燃料补充要求

4 结 语

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。

[1]冯志.解读欧盟航空碳排放交易体系及其影响[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.航空燃料的新成员[J].中国民用航空, 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]关于对《专用校车系列型谱》等4项拟立项国家标准项目征求意见的通知, 国家标准委员会综合业务管理部, 2012-04-18.