费托合成航空替代燃料的出现为中国所面临的能源安全与环境保护等问题提供了一个切实可行的解决方案[1]。“即用型”替代燃料因具有不改变现有发动机结构、性能和基础设施的特点而被认为是未来20年内主要的航空替代能源。煤基费托航空燃料目前已经可以量产，但是对其理化性能的评价工作相对比较缺乏。燃料的基础燃烧性能和航程性能是2个非常重要的评价燃料的指标。
因此，本文对煤基费托航空燃料的基础燃烧性能和航程进行理论预测及实验研究。基础燃烧性能方面，将闪点、热值、烟点和燃烧边界分别作为燃料点火性能、燃烧放热、排放及在发动机中的控油规律的评价指标，分别与石油基航空煤油进行对比分析。航程方面，对煤基费托航空燃料的热值和密度进行了实验研究，并以此为依据对该燃料的航程进行计算研究。
1 实验方法 1.1 样品及组成分析方法实验选用的航空煤油为RP-3，选用的煤基费托航空燃料为中国内蒙古伊泰集团有限公司生产的煤基费托航空煤油(FT燃料)。为了研究FT燃料与石油基航空煤油掺混后对石油基航空煤油性能的影响规律，将费托合成航空替代燃料分别以20wt%、40wt%、60wt%和80wt%与航空煤油(RP-3)进行掺混。
对混合油进行密度、热值、闪点、烟点和燃烧边界的测试。样品组成分析采用GC-MS(Agilent 7890/ 5975C)；GC-MS分析条件的色谱条件：HP-5MS色谱柱，载气为高纯氦气，流量1 mL/min，分流比为80:1，进样口温度280 ℃，接口温度280 ℃，柱温50 ℃，保持5 min，以4 ℃/min升温至260 ℃，保持5 min。质谱条件：离子源为电子轰击离子源(EI)，离子源温度230 ℃，四级杆温度150 ℃。
1.2 燃料性能测试方法理化性能测试：密度测量仪器型号为SYA-1884A(符合GB/T 1884—2000[2]标准)；热值测量仪器为HWR-15E改进型(符合GB/T 384—1981[3]标准)；闪点测量仪器为宾斯基-马丁闭口闪点实验仪(符合ASTM D323—15a[4]标准)；烟点测量仪器为烟点灯(符合ASTM D1322—15e1[5]标准)。电子天平仪器型号为BS124S，精度为0.000 1 g。
燃烧边界测试：燃烧边界测量仪器型号为HWP21-30S(符合GB/T 21844—2008[6]标准)。主要实验部分由气体导管、试样导管、点火电极、反应容器、搅拌子和支撑座6个部分组成。
实验基本流程为：首先对实验使用的反应容器进行抽真空清洗，清洗过程至少进行3次，以确保除去前次实验后瓶中的残余燃气；随后预热烧瓶到设计温度37.8 ℃，同时对反应容器进行必要的保温处理；对烧瓶抽真空，为保证真空程度，保证容器内气压低于1.4 kPa；将定量配好的油样加入至烧瓶中，等待油样充分气化后，慢慢通入空气，待反应容器内压力达到设定压强后进行搅拌，搅拌至少5 min以确保油样蒸汽与空气充分混合且处于热平衡状态，随后进行点火操作；调整油气比重复进行实验以获得油样的可燃边界。
2 实验结果与讨论 2.1 煤基燃油与石油基航空煤油化学组成差异煤基费托合成燃料主要化学组成是链烷烃。为分析中国自主生产的煤基航空燃油与已经取得适航认证的煤基航空燃油以及石油基航空煤油理化性能上的差异[7]，选取符合中国国家标准GB 6537—2006[8]的航空煤油RP-3、经Merox脱硫醇工艺后获得的煤油(下文简称Merox燃料)[9]以及南非SASOL公司生产的煤基费托全合成燃料FSJF 3种燃料与煤基FT燃料进行组分对比。
表 1提供了使用气相色谱仪测得的4种燃料中各大类组分所占比例，通过对RP-3、FT、FSJF、Merox以及将FT、RP-3按照1:1比例混合的混合燃料5种喷气燃料碳数和各物质组分的对比，可以看出石油基航空煤油的组成成分比较复杂，涵盖链烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等诸多成分，其中链烷烃虽然占据主要部分，但是芳香烃及烯烃等不饱和烃类依然占据很大的比例；经Merox脱硫工艺后的航空煤油成分中不再含有烯烃及其他物质，芳香烃所占比例有所下降；相比之下，煤基航空替代燃料FSJF中所含芳香烃质量分数进一步减少，饱和烃类占据了组成成分的约90%[10]。
| 燃料种类 | 各组分质量分数/% | |||
| 链烷烃 | 环烷烃 | 芳香烃 | 烯烃 | |
| RP-3 | 44.36 | 10.54 | 32.89 | 4.46 |
| FT | 99.04 | 0.18 | 0 | 0.03 |
| FSJF | 45.48 | 42.90 | 10.58 | 0 |
| Merox | 49.64 | 27.59 | 22.72 | 0 |
| FT、RP-3按1:1混合 | 71.70 | 5.36 | 16.45 | 2.25 |
2.2 煤基燃油与石油基航空煤油性能差异
在航空燃料的主要组成成分中，链烷烃、环烷烃具有燃烧热值髙、燃烧性能好、热安定性好和不易积碳等性质；芳香烃的存在有利于提高燃料的抗爆性、抗氧化性以及管路中输运特性，但会降低燃料的热值、排放性能和热安定性[11]，因此燃料中需要有一定比例的芳香烃组分，烯烃及其他不饱和烃类组分化学性质十分活泼，储存的安定性极差，应尽量去除。组分差异决定了不同燃料之间理化性能方面的差异。
表 2所示为RP-3与FT燃料的理化性能对比。从表中可以看出，FT燃料的理化性能与RP-3存在一定差异，但是其除密度外的其他理化性质均符合GB 6537—2006[8]及ASTM D1655—15c[12]对喷气燃料的要求，性能的改变在相关标准要求的范围之内。
在燃油理化性质参数中，燃油密度、热值主要影响发动机推力性能和飞行的航程，而闪点、烟点、燃烧边界影响燃油燃烧性能和发动机控油规律。
2.2.1 热值与密度图 1为将FT燃料按不同比例与石油基航空煤油进行掺混后，实验测量的混合燃料热值(L)和密度(ρ)结果。可以看出，随着混合燃料中FT燃料所占质量分数(φ)的增加，混合燃料的燃烧热值呈线性增长趋势，混合燃料的密度呈线性减小趋势。
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| 图 1 混合燃料热值、密度实验值与拟合曲线 Fig. 1 Mixed fuels' experimental data and fitting curves of calorific value and density |
热值拟合经验方程可以表示为
|
(1) |
式中：L单位为kJ/kg; R2为校正决定系数，用来评判拟合程度。
密度拟合经验方程可以表示为
|
(2) |
式中：ρ单位为kg/m3。纯FT燃料热值比石油基航空煤油热值高出2.13%。纯FT燃料密度比石油基航空煤油密度低6.55%。
石油产品的热值和密度主要取决于其化学组成。对于不同烃类，当碳原子数相同时，密度大小依次为：芳香烃>环烷烃>烷烃[13]。在热值方面，各单组分燃烧时的放热量大小依次为：链烷烃>环烷烃>芳香烃。链烷烃质量分数更大，芳香烃质量分数较小的燃料会拥有较低的密度及较高的燃烧热值。
对于对飞机航程性能的影响而言，高热值、高密度的航空燃料对飞机航程更为有利[14]，因此，混合燃料的密度和热值2个参数随着FT燃料占比改变的变化规律对飞机航程的影响是相互矛盾的。后文将通过计算对混合燃料中FT燃料占比对飞机航程性能的详细影响规律进行分析。
2.2.2 基础燃烧性能对于航空燃料而言，最重要的性能指标是基础燃烧性能。燃料的燃烧边界、闪点及烟点是评价燃料燃烧性能的重要指标。
燃料的燃烧极限范围大小直接关系到该燃料的点火性能[15]。本文燃烧下限通过实验获得，燃烧上限依据完全燃烧化学理论浓度计算得到。
对于只含C、H、O、N和X(卤素)的物质在空气中燃烧的情况，空气中理想配比成分或摩尔分数Cs可以简化为
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(3) |
式中：Cs为空气中理想配比成分或摩尔分数；n为分子中碳原子的个数；m为分子中氢原子的个数；p为分子中氧原子的个数；q为分子中氮原子的个数；k为分子中卤素原子的个数。各原子的个数可以由色谱质谱结果通过计算得到。
纯FT燃料的不饱和组分质量分数仅为0.03%，将其按照饱和化合物计算公式计算燃烧上限, 仅含C、H、O的饱和化合物，纯煤基FT燃料燃烧上限为
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(4) |
FT燃料与RP-3混合后的混合燃料中含有不饱和化合物组分，组分质量分数在0.03%~4.46%范围内，计算时将倍数扩大1.1倍，混合燃料的燃烧上限为
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(5) |
图 2所示为将实验和计算得到的燃烧边界数据进行线性拟合得到的结果。随着FT燃料在混合燃料中质量分数增大，燃烧边界下限呈线性上升趋势，燃烧边界上限呈线性下降趋势。航空煤油可燃摩尔比范围为0.652%~4.913%，FT燃料可燃摩尔比范围为0.792%~4.877%。混合燃料的可燃边界随着混合燃料中FT燃料所占质量分数的增加呈变窄趋势。纯FT燃料燃烧下限比石油基航空煤油燃烧下限髙21.47%。燃烧上限和燃烧下限的拟合经验公式分别为
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(6) |
式中：σu、σd分别为混合燃料燃烧上限摩尔比和燃烧下限摩尔比。从斜率变化分析，FT燃料对燃烧边界下限的影响要高于对燃烧边界上限的影响。FT燃料较窄的燃烧边界会导致其在实际应用中要求对发动机的控油规律做出一定改变。在不更改发动机设计的前提下很难直接完全替代现有航空煤油。
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| 图 2 混合燃料燃烧边界实验值与拟合曲线 Fig. 2 Combustible limits experimental data and fitting curves of mixed fuels |
图 3所示为将FT燃料与石油基航空煤油按照不同比例进行掺混后，实验测得的混合燃料闪点数据。从图中可以看出，混合燃料的闪点随着混合燃料中FT燃料所占质量分数的增加呈指数下降趋势，混合燃料的闪点温度(℃)的拟合经验方程为
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(7) |
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| 图 3 混合燃料闪点实验值与拟合曲线 Fig. 3 Flash point experimental data and fitting curve of mixed fuels |
FT燃料的闪点温度比石油基航空煤油的闪点温度低7.5℃，相差比16.13%。
低碳数组分间的质量分数差异是FT燃料与石油基航空煤油闪点差异的主要原因。图 4所示为两者按不同混合比例混合后的混合燃料碳数分布示意图。
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| 图 4 混合燃料碳数分布示意图 Fig. 4 Schematic diagram of carbon number distributions of mixed fuels |
从图 4中可以看出，相比石油基航空煤油，FT燃料的低碳数组分所占比例更大，更多组分属于挥发性好的轻组分。这一组分特点决定了FT燃料拥有更好的挥发性，闪点更低，较石油基航空煤油具有更好的点火性能。
表 3所示为将FT燃料与石油基航空煤油按照不同比例进行掺混后，实验测得的混合燃料烟点数据。混合燃料的烟点随着混合燃料中FT燃料所占质量分数的增加呈上升趋势，当混合燃料中FT燃料所占质量分数达到80%时，混合燃料的烟点消失。
| FT燃料质量分数/% | 芳香烃质量分数/% | 烟点/mm |
| 0 | 32.89 | 23 |
| 20 | 26.31 | 26 |
| 40 | 19.73 | 32 |
| 60 | 13.16 | 38 |
| 80 | 6.58 | |
| 100 | 0 |
混合燃料烟点的变化主要源于FT燃料与石油基航空煤油中芳香烃质量分数差异。随着混合燃料中FT燃料占比增加，混合燃料中芳香烃质量分数减小。当混合燃料中芳香烃质量分数减小到6.58%时，混合燃料的芳香烃质量分数已不足以引起燃料燃烧冒烟。因此，FT燃料较石油基航空煤油具有更好的抗积碳性能。
2.3 煤基燃油与石油基航空煤油航程性能评价针对民航客机的典型飞行任务，利用实验获得FT燃料性能数据，计算民航客机应用FT燃料时的航程，同时与航空煤油在相同飞行任务条件下的航程进行对比，以评价FT燃料的航程特性。
2.3.1 航程计算方法图 5为民航客机典型飞行任务包线图[16]。对于爬升阶段和下降阶段，采用民航客机典型上升程序250 kt/280 kt/0.78Ma和下降程序0.78Ma/280 kt/250 kt[17]。分别计算客机在不同爬升状态的航程数据。其中，客机的升阻比a可以由客机的速度和攻角确定。同时根据客机高度和速度确定客机单位耗油率sfc(单位：mg·N-1·s-1)[18]。从而可以计算各阶段i燃油消耗质量为
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(8) |
式中：
|
(9) |
式中：Δti为各爬升阶段爬升时间，s；Pi为各阶段发动机推力，N；Wi为各阶段飞机重量，N；vi为各阶段客机飞行速度，m/s；θi为各阶段爬升角度，(°)；ΔHi为各阶段爬升高度，m；Rangei为各爬升阶段水平航程，m。
对于固定的飞行任务，上升航段和下降航段的水平航程是固定值，计算出上升航段和下降航段所需消耗燃料后，剩余燃料即为客机巡航航段可用燃油。由于FT燃料与石油基航空煤油热值差异，因此计算时需要对计算使用的混合燃料的热值进行转化，转化公式为
|
(10) |
式中：La为混合燃料的低位热值；Lk为石油基航空煤油的低位热值；sfca和sfck分别为使用混合燃料和石油基航空煤油时客机的单位耗油率。
在巡航阶段使用Bréguet航程计算方法[19-20]，利用式(8)~式(10)计算得到的巡航可用燃油质量进行计算。设定客机巡航方式为等速巡航，假定客机飞行时升阻比为定值。Bréguet航程表示为
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(11) |
式中：g为重力加速度；Ws为飞机巡航开始时的重量；We为飞机巡航结束时的重量。
2.3.2 航程计算结果选取B737-800型客机进行分析[21]。客机装有2台CFM56-7B发动机，飞机质量为41 413 kg，飞行时载有160位乘客，每位乘客按体重72 kg、携带20 kg行李计算[22]，飞机满载燃油15 000 L。通过比较载有相同体积RP-3燃油和混合燃油航程长度，来评价替代燃料的航程特性。
图 6是将不同比例混合的混合燃料应用在案例客机上，计算得到的该型号飞机满载燃油情况下可以飞行的最长航程[23]。可以看出，随着混合燃料中FT燃料质量分数的增加，飞机最远航程呈下降趋势。纯FT燃料可支持的飞行航程比石油基航空煤油减少2.1%。飞行航程的变化趋势表明燃油的密度对航程的影响程度大于燃油热值对航程的影响。FT燃料航程能力的下降在可接受的程度内。
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| 图 6 混合燃料航程简化计算曲线 Fig. 6 Simplified range calculation curves of mixed fuels |
在2.2.1节得到的混合燃料的密度和热值的拟合曲线上取点，得到混合燃料密度和热值的拟合值，使用其对本节案例的最大航程进行计算。表 4所示为使用实验值的计算结果与使用拟合值的计算结果。从2种取值的计算结果的相差比例可以看出，使用拟合值得到的计算结果与使用实验值得到的计算结果十分接近。因此，2.2.1节得到的混合燃料的热值和密度的拟合方程可以用来预测按照任意比例混合的RP-3燃料与FT燃料的混合燃料的航程性能，预测的结果十分精确。
| φ/% | 航程实验值计算结果/km | 航程拟合值计算结果/km | 实验与拟合相差比例/% |
| 0(RP-3) | 5 905.7 | 5 905.7 | 0 |
| 20 | 5 857.3 | 5 864.1 | 0.12 |
| 40 | 5 815.1 | 5 817.2 | 0.04 |
| 60 | 5 759.5 | 5 769.2 | 0.17 |
| 80 | 5 715.0 | 5 724.4 | 0.16 |
| 100(FT) | 5 684.4 | 5 680.4 | 0.07 |
3 结 论
1) 煤基费托航空燃料由于其工艺特点造成该燃料在化学组成上与石油基航空煤油存在一定差异，并由此带来二者间理化性能的差异。
2) 煤基费托航空燃料与石油基航空煤油碳数分布差异导致前者具有更低闪点，芳香烃质量分数较小导致了其具有更高的烟点。在燃料性能上表现为煤基费托航空燃料具有更好的挥发性能，燃烧时不易冒烟。但其燃烧边界较石油基航空煤油略窄。
3) 煤基费托航空燃料的组分主要为直链烷烃的特性导致其比石油基航空煤油密度低，但热值高，在密度与热值2个相互矛盾的性能指标的共同作用下，煤基费托合成航空燃料所能支持飞机飞行最远航程较石油基航空煤油有所下降。
4) 由于FT燃料的密度低于国家标准对喷气燃料最小密度的要求，因此目前制得的FT燃料无法直接作为替代燃料进行实际应用，为满足要求，作为调和组分时，FT燃料占混合燃料质量分数不应高于68%。
5) 综合评价费托合成燃料性能，其性质与石油基燃料十分接近，如能在保证其他理化性能依然满足标准要求的前提下对其密度做出改进，则其直接作为替代喷气燃料的优势会非常明显，将具有很好的应用前景。
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