使用不同技术生产的煤油的微型燃气轮机发动机的运行特性

《Fuel》：Operational characteristics of micro gas turbine engines using kerosenes produced by different technologies

微燃气轮机发动机测试表明，加氢处理后的航空煤油在多准则性能分析中表现最佳，显著降低NOx（20%）、SOx（75%）等污染物排放，但成本较高。直馏煤油与加氢煤油50:50混合后，排放量较直馏煤油分别降低30%和60%。研究通过热力学循环分析及排放量化，揭示了燃料处理工艺对发动机性能与环保指标的关键影响。

　　本研究聚焦于不同液态燃料在微型燃气涡轮机引擎（Micro Gas Turbine Engines, MGTEs）中的燃烧特性，旨在通过实验分析和多标准评估，揭示燃料预处理对引擎性能的影响。研究选取了直馏航空煤油（straight-run kerosene）、加氢处理航空煤油（hydrotreated kerosene）、它们的混合燃料以及TS-1航空煤油作为测试对象。这些燃料不仅在化学组成上存在差异，而且在燃烧效率、排放控制以及对引擎运行条件的适应性方面也各有特点。通过对MGTE的关键运行参数进行测量，包括推力、进气静压、压气机静压、压气机总压、燃烧室总压、涡轮总压、涡轮转速，以及进气口、压气机内部、涡轮出口和喷嘴出口的空气温度，研究者得以全面评估各种燃料在引擎中的表现。同时，研究还量化了燃料燃烧过程中产生的主要人为气体排放，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO?）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO?）、一氧化二氮（N?O）、二氧化硫（SO?）、甲烷（CH?）和丙烷（C?H?），并分析了噪声和振动水平对引擎性能的影响。最终，通过多标准分析，研究发现加氢处理航空煤油在各项指标上表现最优。

航空煤油，尤其是Jet A和Jet A1，是全球最常用的航空燃料。其低冰点（?47°C）和良好的润滑性使其成为波音、空客和巴西航空工业公司等制造商广泛使用的燃料。航空煤油的物理和化学特性由ASTM D1655 / ASTM D3093标准定义，包括冰点、密度、粘度、水分和硫含量以及饱和蒸汽压。然而，不同地区对航空燃料的国家标准存在差异。例如，在俄罗斯及独联体国家，TS-1航空煤油（一级航空燃料）是主要的航空燃料，受到GOST 10227标准的规范。尽管如此，Jet A/A1和TS-1航空煤油的生产过程具有相似性，均涉及原油的直接蒸馏以及后续的加氢处理步骤，以去除硫、氮等可能对引擎造成腐蚀或污染的化合物。这一过程不仅提升了燃料的纯净度，还增强了其燃烧效率和对环境的友好性。

随着环保意识的增强，研究人员正积极开发可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuels, SAFs），以减少航空业的碳足迹。这些生物燃料通常来源于可再生资源，如生物精炼的植物油，能够有效降低温室气体排放。然而，目前可持续航空燃料的安全性和性能标准仍在完善之中。航空燃料的生产过程涉及一系列复杂的物理和化学变化，其中主要步骤包括蒸馏、加氢处理、加氢裂化、加氢异构化、稳定化以及添加剂的引入。蒸馏是将原油分离为不同沸点的馏分，其中用于生产商业航空煤油的馏分范围通常在150至275°C之间。加氢处理则通过去除硫、氮和其他有害物质来提升燃料的品质，从而减少引擎磨损、提高可靠性并延长使用寿命。此外，低硫燃料有助于减少环境污染。稳定化过程则是去除不稳定成分，防止燃料在储存和使用过程中形成沉淀物，从而确保引擎的正常运行。添加剂如抗磨损剂、防静电剂、防冰剂和抗菌剂的引入，则是为了增强燃料在特定工况下的性能表现。

直升机燃料的生产过程与航空煤油类似，但在添加剂和冰点要求方面有所调整，以适应不同类型的引擎。可持续直升机燃料的生产方法包括植物油的酯交换反应（transesterification）、热解（pyrolysis）、催化裂解（catalytic cracking）、加氢裂化（hydrocracking）以及费托合成（Fischer–Tropsch process）。其中，酯交换反应是生产生物柴油的主要方法，涉及将植物油或动物脂肪（三甘油酯）与醇（如甲醇）在催化剂作用下进行化学反应，生成脂肪酸甲酯（biodiesel）和甘油作为副产物。该过程因其原料来源的广泛性而被认为较为简便。相比之下，热解则是一种更为复杂的工艺，它在无氧条件下对生物质进行高温分解，产生气体、液体和固体产物。热解技术的优点在于其能够处理多种类型的生物质原料，包括木材和农业废弃物，但其在大规模可持续燃料生产中的应用仍面临一定的挑战。

费托合成是一种将可再生资源转化为长链烃类的工艺，其核心在于将生物质原料转化为合成气（syngas），再通过催化反应生成长链烃类。这种方法能够生产出与航空煤油性质相似的燃料，但其在实际应用中受到生产基础设施不足的限制。此外，生物乙醇和生物丁醇作为重要的汽油类生物燃料，其生产方式也各具特点。生物乙醇主要通过发酵糖类物质（如玉米、甘蔗或小麦）制得，其生产过程从原料粉碎、提取糖分到酵母发酵，每一步都对最终产品的质量产生影响。尽管生物乙醇的生产成本相对较低，但其原料种植需要大量农田，这可能对粮食价格造成一定压力。生物丁醇则通过发酵生物质中的纤维素来生产，其工艺与生物乙醇类似，但采用特殊的微生物菌株，从而获得更高的能量输出。

燃料的加工和生产方法对航空煤油的碳氢化合物组成具有重要影响，而这种组成又直接决定了燃料的燃烧特性、排放水平以及引擎性能。例如，加氢处理能够有效去除含硫、含氮和含氧的化合物，从而提升燃料的品质。这一过程不仅减少了燃料中的有害成分，还降低了燃烧过程中产生的污染物质。此外，不同类型的碳氢化合物在冰点、燃烧热值以及密封性能等方面也存在显著差异。某些燃料的冰点较低，能够防止在低温环境下燃料过滤器堵塞；而芳香族碳氢化合物则因其较高的密度，有助于确保密封件（如O型圈）的充分膨胀，从而防止泄漏。然而，芳香族含量过高可能导致积碳和有害排放的增加，因此需要对燃料组成进行精确控制，以实现最佳的燃烧效率和最低的排放水平。

在本研究中，为了评估不同燃料对MGTE性能的影响，研究者采用了一种多标准分析方法。该方法通过设置不同的权重系数，对燃料的燃烧效率、排放水平、噪声和振动等关键指标进行综合评估。研究结果表明，加氢处理航空煤油在各项性能指标上表现最佳，尤其是在减少NO?、N?O和SO?排放方面具有显著优势。例如，与直馏航空煤油相比，加氢处理航空煤油可使SO?排放减少75%，NO?排放减少20%。此外，50/50混合的加氢处理与直馏航空煤油的燃料组合也表现出较低的人为气体排放水平，分别比直馏航空煤油降低了60%和30%。然而，值得注意的是，加氢处理过程显著提高了燃料的成本，这在实际应用中需要权衡其环保效益与经济性之间的关系。

研究还通过静态点火测试（Static Firing Tests, SFTs）进一步验证了不同燃料对MGTE运行性能的影响。测试过程中，引擎在250牛的推力条件下运行，测量了其在不同燃料下的关键参数。这些测试不仅评估了燃料的燃烧效率，还揭示了其对引擎整体性能的影响。例如，不同燃料的燃烧特性可能导致压气机和涡轮的压差变化，进而影响引擎的推力输出和运行稳定性。此外，空气温度的变化也对燃烧室和涡轮的热应力产生影响，这需要在设计和运行过程中加以考虑。通过分析这些参数，研究者能够更全面地了解不同燃料在实际应用中的表现，并据此优化燃料配方和加工工艺。

研究的另一个重要发现是，燃料的碳氢化合物组成对其燃烧特性和排放水平具有决定性作用。不同的碳氢化合物类型在燃烧过程中会释放出不同的气体成分，从而影响引擎的排放控制和环境影响。例如，芳香族化合物虽然能够提高燃料的密度，但其燃烧过程中会产生更多的积碳和有害气体。因此，研究者通过调整燃料的碳氢化合物组成，不仅能够提高燃烧效率，还能有效控制排放水平。这种调整通常涉及对燃料加工工艺的优化，如加氢处理、稳定化和添加剂的引入。通过这些手段，可以实现对燃料特性的精准调控，从而满足不同应用场景下的性能需求。

此外，研究还探讨了燃料预处理对MGTE性能指标的具体影响。例如，直馏航空煤油由于未经处理，其含硫量较高，导致燃烧过程中产生较多的SO?排放，同时其较高的冰点可能在低温环境下影响燃料的流动性。相比之下，加氢处理航空煤油通过去除硫、氮等有害物质，不仅降低了排放水平，还提高了燃料的低温性能。这种改进使得加氢处理航空煤油在寒冷地区的应用更加可靠。然而，加氢处理过程需要较高的能源消耗和复杂的设备支持，这在一定程度上增加了燃料的生产成本。因此，研究者提出了一种50/50混合的燃料方案，以在降低生产成本的同时，保持较高的燃烧效率和较低的排放水平。

从环境角度来看，可持续航空燃料的推广对于减少航空业的碳排放具有重要意义。研究表明，生物燃料能够有效降低CO?、NO?和颗粒物的排放水平，最高可达80%。这种显著的减排效果主要得益于生物燃料的高热值和更完全的燃烧特性。然而，生物燃料在实际应用中也面临一些挑战，如较高的粘度和较差的沉淀稳定性，这可能影响其在引擎中的流动性和储存性能。因此，如何在保证燃料性能的同时，降低其生产成本和提高其稳定性，成为未来研究的重点方向。

研究的结论表明，加氢处理航空煤油在燃烧效率、排放控制和引擎运行稳定性方面均优于直馏航空煤油。然而，其较高的成本限制了其大规模应用的可能性。因此，未来的研究需要在燃料加工技术、原料选择以及成本控制等方面进行进一步探索，以实现可持续航空燃料的经济可行性和环境友好性。此外，研究还强调了燃料组成分析在确保飞行安全、提高引擎效率和减少环境影响中的关键作用。通过先进的分析技术，如综合二维气相色谱-质谱检测（GC×GC-MS）和火焰离子化检测（FID），可以更精确地确定燃料的碳氢化合物组成，从而为燃料配方的优化提供科学依据。

在实际应用中，燃料的性能指标需要与引擎的设计和运行条件相匹配。例如，燃料的热值、密度、粘度和冰点等参数都会影响引擎的推力输出、燃料消耗率以及运行稳定性。因此，研究者在实验中对这些参数进行了详细测量，并结合多标准分析方法，对不同燃料的综合性能进行了评估。通过这种方式，可以更全面地了解燃料在实际运行中的表现，并据此调整燃料配方和加工工艺，以满足不同应用场景的需求。

总之，本研究通过实验分析和多标准评估，揭示了不同液态燃料在微型燃气涡轮机引擎中的燃烧特性及其对引擎性能的影响。研究结果表明，加氢处理航空煤油在降低排放和提高燃烧效率方面具有显著优势，但其较高的成本仍然是一个需要克服的挑战。未来的研究应进一步探索如何在保持燃料性能的同时，降低其生产成本，以推动可持续航空燃料的广泛应用。同时，对燃料组成的精确分析和控制，将有助于提升引擎的运行效率和可靠性，为航空业的绿色转型提供有力支持。