椰油基生物航空燃料的开发与涡轮发动机性能验证：迈向可持续航空的关键一步

为解决航空业碳减排需求，研究人员通过酯化反应合成高纯度椰油乙酯(COEE)，与Jet A-1燃料按10-30%比例混合，系统评估生物燃料理化特性及TJ-100涡轮发动机性能。结果表明COEE组分显著提升燃料密度(2.53%)但降低燃烧热(5.07%)，发动机燃油消耗率增加7.42%仍符合运行标准，为可持续航空燃料(SAF)开发提供新路径。

　　

航空业占全球CO₂排放量的3.8%，欧盟运输领域温室气体(GHG)排放的13.9%。为实现《欧洲绿色协议》2050年净零排放目标，开发可持续航空燃料(SAF)成为关键。当前电动和氢能技术仅适用于短途飞行，而基于植物油的生物航空燃料因其"即用型"(drop-in)特性备受关注。然而现有生物燃料存在原料竞争、低温性能差、氧化稳定性不足等问题，特别是高不饱和脂肪酸含量导致的燃料降解风险。

乌克兰国家科学院生物有机化学与石油化学研究所联合斯洛伐克团队在《Fuel Processing Technology》发表研究，创新性地选择椰油作为原料，通过乙醇酯化和真空蒸馏工艺制备高纯度(97.4%)椰油乙酯(COEE)。该组分具有C6-C18短链脂肪酸结构和低于5%的不饱和脂肪酸含量，与航空煤油碳链长度相近。研究人员系统测试了含10-30% COEE的生物燃料混合物的密度、粘度、凝点等参数，并在TJ-100小型涡轮发动机上验证其运行稳定性。

关键技术包括：(1)钾乙醇催化酯化反应制备COEE；(2)气相色谱分析脂肪酸组成；(3)ASTM标准方法测定燃料理化性质；(4)配备NI数据采集系统的涡轮发动机测试平台；(5)标准化参数还原算法消除环境干扰。实验使用来自马来西亚的冷榨椰油和斯洛伐克SLOVNAFT公司的Jet A-1基准燃料。

【材料与方法】
通过优化摩尔比(乙醇:油:催化剂=5:1:0.2)实现96.2%的COEE收率。真空蒸馏(0.1-0.3kPa)有效去除单甘酯(0.6%)等杂质，酸值控制在0.08mg KOH/g。

【燃料特性】
密度随COEE含量呈线性增长，Jet30样品达817.77kg/m³(+2.53%)；粘度增幅显著(32.26%)，但20℃时2.054mm²/s仍符合标准；凝点升至-39.67℃(-33.51%)成为限制因素；燃烧热降至41.134MJ/kg(-5.07%)。

【发动机性能】
在50-90%工况下，COEE含量对推力影响<0.5%，但燃油流量增加导致比油耗(SFC)上升7.42%。Jet30的SFC为0.12097kg/(N·h)，仍低于制造商限值0.123kg/(N·h)。启动时间延长2.1秒，排气温度(EGT)峰值稳定在526℃。

该研究证实椰油基生物燃料可满足航空涡轮发动机基本运行要求，其原料优势体现在：(1)椰树60年持续产果的再生能力；(2)非食用级椰油的废物利用潜力；(3)短链饱和脂肪酸带来的氧化稳定性。尽管存在低温适应性挑战，但通过优化混合比例和添加剂，COEE有望成为热带地区SAF生产的特色解决方案。研究为ASTM D7566标准拓展提供了实验依据，推动航空业在保持现有基础设施前提下实现碳减排目标。