杨飞; 陈伟; 张晨; 罗刚; 徐俊明; 李芳琳
【期刊名称】真空保鲜花《《生物质化学工程》》
【年(卷),期】2019(053)006
【总页数】7页(P15-21)
【关键词】生物航煤; 活塞发动机; 台架试验; 过量空气系数; 结焦
【作 者】杨飞; 陈伟; 张晨; 罗刚; 徐俊明; 李芳琳
【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院; 航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室 江苏南京210016; 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 江苏南京210042
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ35; V312+3
生物质是唯一可以直接转化得到液体燃料油的可再生资源[1]。生物航煤源于可再生的生物质资源，同传统燃料相比，生物航煤具有分子结构与石化航煤相似、硫含量低、闪点高、燃烧产物排放量低等特点，具有不需要更换发动机和燃油系统便可使用的巨大优势[2]。此外，生物航煤还具有原料易得、可再生、污染少等优点，与其他替代能源相比更加受到青睐[3]。在生物航煤的研制和应用研究领域，国内外学者针对生物航煤的制备、物理性质、燃烧性能等方面开展了大量研究[4-10]。由于航空发动机造价昂贵且实验条件苛刻，因此对生物航煤的实验研究多在小型涡轮机或者替代的燃烧试验器上进行。Hui等[11]通过使用逆流燃烧器测试研究了航空燃料(Jet-A)和各种替代喷气燃料的基本燃烧特性，发现替代燃料的理化性质对燃料的燃烧特性影响较大；Rehman等[12]使用麻风树生物柴油与传统石油基燃油进行掺混，在IS/60 Rovers燃气轮机中利用混合燃料进行了工作可行性试验；Corporan等[13]使用T63涡轮轴发动机和大气旋流稳定燃烧室研究合成喷气燃料的排放特征，分析了非挥发性颗粒物质(PM)和气体排放，以评估无芳烃和无硫喷气燃料对燃烧器的影响规律。以上研究表明生物燃料的理化性能对其雾化性能起着决定性的作用，进而影响生物燃料的燃烧性质。本研究以大豆油为原料制备了某型生物航煤，并将生物航煤应用在某型活塞式重油航空发动机上，进行了发动机台架试验，通过生物航煤与RP-3燃料的成分分析、台架试验数据对比，以期制备适用性优良的生物航煤。 1 实 验
1.1 材料与仪器
大豆油由江苏强林生物质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学无人机研究院提供；碳酸钠(AR)，西陇化工股份有限公司；钯碳催化剂(10% Pd/C)，阿拉丁公司；HZSM-5催化剂(硅铝比值为25)，天津南化催化剂有限公司；高纯氢气，南京麦克斯南分特种气体有限公司。
活塞式重油航空发动机台架，南京航空航天大学自研产品；SYD-265C-1石油产品运动黏度器由中国林业科学研究院林产化学工业研究所提供；附温比重瓶，上海崇明建设玻璃仪器厂；6300型氧弹量热仪，美国Parr公司；890A/5975C气相谱-质谱联用(GC-MS)仪，美国Agilent公司。
1.2 生物航煤的制备
1.2.1 大豆油的催化裂解 本研究所用生物航煤是通过热化学催化的方法控制大豆油油脂结构进行多级演化，催化裂解得到的裂解油。具体技术路线如下图所示。
具体操作：使用质量分数5%的Na2CO3为催化剂与1 500 g大豆油在反应釜温度<450 ℃、精馏柱温度300 ℃的条件下进行催化裂解反应。反应产生的气态油中轻质油组分通过精馏柱后，经冷凝管液化导出，即得到轻质油。重质油组分沸点较高，通过精馏柱时被拦截，回流到反应釜中发生进一步裂解后流出。
1.2.2 精馏提取轻质油 将催化裂解得到的的裂解油称量后，进行精馏，收集<280 ℃的馏分，获得直链烃类(轻质油)。
1.2.3 调整轻质油分子结构制取生物航煤 对轻质油进行GC-MS分析，轻质油的分子链长度主要分布在C8～C15，处于喷气燃料的组成范围内。由于喷气燃料主要是烷烃、芳香烃和环烷烃三者的混合物，而轻质油中多数为直链烷烃和烯烃，环烷烃和芳香烃含量不足。因此，需要对轻质油的分子结构进行调整。首先，使用质量分数5%的HZSM-5分子筛催化剂对轻质油进行芳构化处理，使部分烷烃、烯烃转化为芳香烃。取出部分芳烃化的轻质油高压加氢，通过加氢反应(质量分数3% Pd/C为催化剂)将部分芳香烃加氢为环烷烃。经过调配，最终得到的碳链长度分布在C8～C15，主要成分为链烷烃、芳香烃和环烷烃的生物航煤。
1.3 分析及性能测定
1.3.1 GC-MS分析 采用气相谱-质谱联用仪对生物航煤的组分进行定性分析。采用HP-5谱柱(30 m×0.05 μm×0.32 nm)，检测器为FID检测器。测试条件为50 ℃ 保持2 min，以5 ℃/min升温至220 ℃保持2 min，气化室温度280 ℃，载气为氮气，进样量0.5 μL，分流比为50∶1。质谱检测条件为电离方式EI源，轰击能量70 eV，离子源温度230 ℃，通过全扫描采集数据。
1.3.2 性能测定 在20 ℃下，采用附温比重瓶测定燃料的密度；采用全自动氧弹量热仪检测油品热值；依据GB/T 2430—2008和GB/T 5530—2005分别测定油品的冰点、酸值；依据GB/T 265—1988，在20 ℃下，采用毛细管黏度计在SYD-265C-1石油产品运动黏度器中测定裂解燃料油的运动黏度。
1.4 发动机热启动性能对比试验
利用发动机试验平台(图1)，在相同工况下对生物航煤和RP-3燃料进行发动机热启动性能对比试验。试验发动机为自主研发的活塞式重油航空发动机(结构见图2)，两缸水平对置，排
量56 cm3，设计使用燃油为RP-3燃料，冷却方式为风冷，主要用于无人机。发动机两侧为燃烧室，布置有环形肋片和竖直肋片，用于增加散热面积。上端安装螺旋桨叶片，腹部两侧是排气口，腹部中间是用于加装加热设备的槽。经过多架次超过200 h的长时间测试标定和试验，该型号发动机运行稳定可靠，具体性能参数如下：转速1 500～7 000 r/min，功率3.2 kW，缸径36.068 mm，行程27.94 mm，排量56 cm3，适配螺旋桨20X12、21X12和22X10，综合油耗600 g/h，整机质量3.0 kg。
轻触开关电路
图1 发动机台架系统图Fig.1 Engine stand system diagram
图2 发动机结构图Fig.2 Engine structure diagram
将地面加热监控模块加热开关调至自动模式，连接两路PT100缸温传感器，打开逆变器开关和控制开关；在自动模式下通过逆变器面板观察实时加热功率和电池组实时电压。将缸体预热到一定温度，给发动机控制单元集成(ECU)、油泵、缸内直喷(GDI)点火器供电，将节气门调节到启动所需开度，启动发动机。转速控制在1 800～2 000 r/min，分析生物航煤和RP-3燃料对发动机启动温度的影响。
1.5 活塞发动机台架试验
肩垫活塞发动机转速、缸体温度、舵机开度、燃油消耗等数据通过控制箱汇总到控制室的PC端。ECU模块控制喷油量、喷油提前角、舵机开度等，单独的点火模块控制发动机火花塞。燃油消耗量使用电子秤实时监测，数据通过计算机自动采集分析。
使用同一台发动机，首先进行RP-3燃料测试，测试完毕后，拆解发动机检查；随后进行生物航煤测试。更换生物航煤后开机10 min，确保发动机油路中全部残余的RP-3燃料消耗完毕后再进行数据采集，避免燃油混烧造成影响。爆破玻璃
发动机启动方式与1.4节启动试验步骤一致，通过调节舵机开度，改变发动机转速。发动机缸体温度通过连接在缸体上的PT100缸温传感器测得，经ECU传输给PC端。过量空气系数(λ，衡量燃烧状态的稳定性)不能直接测量，通过安装在发动机排气管处的氧传感器实时监测尾气中的氧气体积分数(φO2)，根据λ=21%/(21%-φO2)得到过量空气系数，其中21%为空气中氧气的体积分数。
2 结果与分析
2.1 生物航煤的成分分析
经GC-MS分析发现，生物航煤的基本组成如下：直链烷烃74.54%、环烷烃13.04%、芳香烃10.31%、醚类1.07%和非α-链烯烃1.04%。可以看出，烷烃占大多数，能提供理想的燃烧洁净度。其中主要成分的结构如图3所示。
图3 生物航煤的基本成分结构Fig.3 Basic composition and structure of bio aviation kerosene
生物航煤中的烷烃和烯烃占比接近90%，轻质烃类具有易蒸发、闪点低的特点，在喷嘴喷出时会率先挥发形成燃料蒸气，可以提供良好的燃烧洁净度和启动性能。芳香烃可以防止飞机燃料系统橡胶密封圈收缩，避免燃料泄漏，生物航煤芳香烃质量分数为10.31%，符合航空喷气燃料芳香烃不高于20%的标准要求。醚类含氧量高，极易燃烧，可以改善发动机贫氧状态下的燃烧，但醚类经光照易与空气反应产生过氧化物，运输储存过程中需要注意。
2.2 燃油性能分析
穿针引线器轻质油、生物航煤、RP-3和RP-5的部分性能参数如表1所示。
表1 轻质油、生物航煤、RP-3和RP-5的性能参数1)Table 1 Performance parameters of light oil, bio aviation kerosene, RP-3 and RP-5样品samples密度/(kg·m-3)density热值/(MJ·kg-1)calorificvalue黏度/(mm2·s-1)viscosity酸值/(mg·g-1)acidvalue冰点/℃freezingpoint轻质油lightoil799 43.6 1.820-47生物航煤bioaviationkero-sene80844.42.110-48RP-3775～830>42.8>1.25<0.015-47RP-5815.943.12.02——
1)RP-3和RP-5的参数来自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，密度与RP-3燃料接近。生物航煤的热值为44.4 MJ/kg，相比原材料大豆油的热值(38.95 MJ/kg)有较大幅度提升，能量密度高，符合航空喷气燃料的基本热值要求;冰点为-48 ℃，满足高空低温环境下的航空使用条件;酸值为零，存储、运输和使用过程中对管路、容器等不会产生腐蚀作用。对比发现，生物航煤与RP-3燃料性能较为接近，满足航空喷气燃料热值不低于42.8 MJ/kg、冰点不高于-47 ℃、密度为775～830 kg/m3、酸值(以KOH计)不大于0.015 mg/g的基本理化性质要求。
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