航空航天燃料研究进展.doc

_航空航天燃料研究进展报告航空航天燃料研究领域，随着研究的不断深入，普通由石油提炼的航空燃料性能已经很优，但是伴随着全球能源短缺和燃料价格的不断上涨，全球气候变暖，海平面升高，控制碳排放成为各国努力的目标，人类开始寻求替代普通航空燃料的新燃料，寻求和开发新能源成为研究热点。生物航空燃料横空出世，让大家看到了希望。由于生物燃料的原料易得、可再生、污染少等优点，生物航空煤油的开发已经得到世界许多国家的普遍重视。生物航空燃油，是利用地沟油等提炼的生物燃油，飞行过程中动力很足，与使用传统航空燃料没有区别，可降低所使用燃油的总体碳强度。相较于传统航煤，生物航煤可实现减排二氧化碳55%至92%，不仅可以再生，具有可持续性，而且无需对发动机进行改装，具有很高的环保优势。生物航空煤油是生物燃料的一种，其原料已发展到了第四代。第一代生物燃料取自于淀粉、糖类、植物油和动物油脂,由于存在“与人争粮”的问题，已被淘汰。二代生物燃料以麦秆等农林废弃物为主的生物质原料经过预处理、酶降解和糖化、发酵等步骤制成。对环境的影响小，不与人争粮，但生产成本成为制约生物燃料发展的瓶颈。藻类由于分布广泛、油脂含量高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等特点，成为了第三代生产生物燃料的主要原料。第四代生物燃料又称负碳生物燃料，通过人为光合作用大量吸收二氧化碳合成生物燃料，这项技术还处于实验阶段。从 2008 年起欧美主要国家陆续开展了生物航空燃料的研发和试验飞行，有的并实际投入使用。其所用生物燃料主要椰子油、棕榈油、麻风子油、亚麻油、海藻油、餐饮废油、动物脂肪等为原料生产。2008年至2011年，新西兰航空公司、美国大陆航空公司、日本航空公司、墨西哥航空公司、荷兰航空公司等多家航空公司在大型客机上对生物质航煤比例小于50%的航煤油品进行过飞行测试。2008年，英国维珍航空公司率先以波音747飞机进行了混合燃油的飞行试验。2011年4月起，德国汉莎航空公司在一架往返于法兰克福与汉堡的空客A 321型客机上使用生物混合燃料。荷兰航空公司采用餐饮废油提炼生物燃料，并从2011年9月起启用使用生物燃料的客机。英国汤普森航空公司2011年10月成功推出由英国机场始发的“餐饮废油航班”。巴西航空企业目前已完成乙醇航空煤油研究的小规模试验，正在做试飞准备。此外，奥地利钻石飞机制造公司制造的D A 42轻型飞机采用100%的生物质航煤进行的飞行测试，没有发现安全问题。美国空军与海军分别在C17大型运输机、A 10雷电攻击机、大黄蜂F/A -18攻击机上使用50%生物质调和航煤进行了飞行测试，表现出良好的安全性。2月12日，中国民用航空局向中国石化颁发了1号生物航煤技术标准规定项目批准书，这标志着国产1号生物航煤正式获得适航批准，可以投入商业使用。中国成为继美国、法国、芬兰之后第四个拥有生物航空燃料自主研发生产技术的国家。我国的生物航煤研发始于2008年中国石油与美国霍尼韦尔公司的合作。借助霍尼韦尔的关键技术，双方以小桐籽(麻风树种子)为原料采用加氢工艺技术在四川南充建设一套6万吨/年航空生物燃料生产装置，已于2011年在国航科技上验证飞行成功。中国石化于2009年启动生物航煤的研发工作，并成功开发出具有自主知识产权的生物航煤生产技术。2011年12月，首次生产出以棕榈油为原料的合格生物航煤。2012年10月，又成功将餐饮废油转化为生物航煤产品。传统化石燃料中柴油的沸点范围是 200350而煤油的沸 200300 ，从馏程看煤油好像是柴油的一部分，但质量要求却不一样，特别是低温性能，航空煤油的冰点指标要求不高于-55 ，而生物航煤的冰点至少不高于-47 ，烯烃和芳烃的含量要少，化石柴油和生物柴油的冬季冷滤点最高要求-20 ，因此生物柴油不能直接加入到喷气机中，否则会引起燃料固化，所以必须要经过改性，基于以上原因，国内外已经开发出多种航空生物燃料生产工艺路线，其研究思路主要是将生物质转化为中间产物(生物质油或合成气)，再对中间产物 (或天然油脂) 进行改性制备生物航空燃料，主要工艺路线包括：天然油脂(或生物质油)加氢脱氧-加氢裂化/异构技术路线(加氢法)；生物质液化(气-费托合成)-加氢提质技术路线；生物质热裂解(TDP) 和催化裂解 (CDP) 技术路线；生物异丁醇转化为航空燃料技。其中，加氢法和气化-费托合成法生产生物航空燃料的技术发展迅速。加氢法是将生物质先转化为生物油然后通过催化加氢来制取生物煤油。由生物质转化的生物油与合格的航煤比较起来，含氧量过高，其主要表现在含有大量的酚、醛、酮类物质，而且还含有大量不饱和键，故生物质油稳定性差.通过加氢可以提高生物油的饱和度，造成碳氧键断裂，使氧元素以 H2O 或 CO2的形式脱出。从而提高生物油的稳定性和能量密度。分别报道了以镍基和 Co-Mo-P 为催化剂进行生物油催化加氢反应，将 Mo-10Ni/-Al2O3 用于生物油的催化加氢可使生物油 pH 值从 2.16 上升到2.84，氢元素从 6.61上升到 6.93，同时生物油的黏度也有一定程度的下降。而以 Co-Mo-P 为催化剂的试验表明，改性生物油的氧含量由改性前的41.8降到 3，热值也有所升高，更有利于运输和储存。气化-费托合成法是生物质气化后得到合成气，合成气再经过催化剂作用转化为液态烃的方法是由德国科学家 FransGischer 和 Hans Tropsch 发明的，称为 F-T(费托) 合成。根作条件，可分为高温费托合成和低温费托合成。这两种方法都可以得到性能良好的产品其中高温费托合成以汽油、柴油、溶剂油和烯烃为主的产品，低温费托合成的产品则以煤油、柴油、润滑油基础油和石脑油为主。费托合成按照原料不同可分为 3 种工艺，及煤制油工艺、天然气合成油工艺、生物质合成油工艺。煤和天然气为原料的工艺，虽然能够利用未开采的能源，暂时解决能源危机和全球气候变化问题，但从长远目标出发，由煤和天然气等非可再生能源来制备航空生物燃料并不能使能源可持续发展。而以可再生的生物质为原料可以充分利用废弃的低品质生物质，使其转化为清洁能源，具有显著的环境效益。生物航空燃料虽然发展前景巨大，但也存在一定的问题。一、原料来源不稳定。航空生物燃料现在主要以木本油料作物和地沟油为原料进行生产。木本油料受季节和地域的影响较大，而在种植方面为避免占用粮食耕地，尽量选用荒地坡地等边际土地，除此之外其选种育种、机械化收割运输设备等环节也还需要完善，因此，寻找木本原料合适的种植地区，不与粮争地，是开发木本油料考虑的首要问题。地沟油由于来源分散、还要经过提炼，原料还能应用于诸多其他领域，所以发展受限比较多。二、生产工艺需改进。目前较成熟的工艺是原料油进行加氢脱氧和异构化，深度加氢会造成的芳烃含量过低，而燃料中残存少量的脂肪酸酯类等非烃类化合物，可使航空燃料冰点升高，运输和储存稳定性变差，这些是影响航空生物燃料性能的重要因素之一 。费托合成的传统石油基航空煤油及芳烃，燃料润滑性能较差。三、生产成本较高。从原料到航空生物煤油，首先会产生两种直接成本。一方面，原料的购买和运输等要付出成本，另一方面，原料的处理（包括生物质转化为生物油及地沟油的提炼）需要成本。除此之外，还有外部的间接成本。一则，所有的处理过程势必造成新的污染源，包括排放二氧化碳和其他污染物；二则，如何进一步处理剩余物呢？就目前的信息，我们还无从得知外部间接成本的确切规模，生物航煤目前的价格是普通航煤的 23 倍左右，成本较高，是制约生物航煤实现产业化的“瓶颈”。在当前能源紧缺、环境恶化、绿色航空等多方面的影响下,生物燃料必将是未来航空燃料的主要研究方向。然而生物燃料实现产业化还有很长的路要走。目前，生物航煤最需要解决的问题是保障充足的生产原料，优化和改进工艺路线，降低生产成本，扩大生产规模，从而加快生物航煤的推广应用。我国政府应该赶上潮流，抓住机遇，重视和大力发展生物航空燃料，对我国的有极为重要的经济和战略意义。不仅航空燃料领域生物航空燃料蓬勃发展，航天燃料的研究也从未停下脚步。给航天器“加油”可不是一件简单的事，工作人员必须全副武装，才能防止有毒的传统燃料对身体造成损害。欧航局近日开发出一种安全环保的新型燃料，未来给航天器“加油”将像给汽车加油一样方便快捷。欧航局表示，这种燃料被命名为103，是二硝酰胺、水、甲醇和氨水的混合物。据欧航局推进工程部负责人介绍，这种燃料不但在能效方面要比联氨高出30，而且毒性较小。工作人员只要穿着普通工作服，就可以为航天器加油。摒弃了以往给航天器“加油”必须全副武装，否则有毒的传统燃料会对身体造成损害的烦恼。据悉，欧航局并不准备立刻使用新型燃料替换联氨，但希望为未来的航天燃料提供一种可行的选择。另外，化学燃料推进系统是目前现有的宇宙飞船发展瓶颈。目前的任何航天飞船都必须背负的巨大的化学推进剂燃料箱,通常都占了飞船自重的很大一部分, 使整个系统的效率十分低下。因此, 寻求更好些、速度更快的推进方法, 就成为航天探险者梦寐以求的目标。以色列科学家提议利用一种罕见的核能物质镅(Am)242作为推进燃料。他们的报告指出, 镅242是最理想的可作为核燃料的同位素, 因为它只需达到产生裂变反应临界状态的铀或钚质量的1%, 就能开始持续的裂变。镅242可以被制成极薄的金属薄膜, 在厚度不及1mm的1/1000的状态下, 维持连续的核裂变反应。这一发现的重大意义在于它在实际应用中的灵活性: 镅的裂变反应的产物本身既可作为推进剂, 也可用它来加热某种用作推进剂的气体,或者用作一种能产生电能的特殊发电机的燃料。此外, 还有科学家设想利用反物质和激光束等来实现恒星际宇宙飞行,将来很有可能成为现实