航空替代燃料及石油基喷气燃料关键物性预测方法的评估与改进——修正加权平均值(REV-MWA)方法的应用

《Fuel》：Evaluation of methods and improvement of predictions for specification properties of petroleum-based and alternative aviation fuels

　　

研究人员评估并改进了适用于石油基喷气燃料、替代合成掺混组分(SBC)及其与Jet A掺混物的五种关键规格性质——10%馏出温度(t10)、终馏点(tFBP)、15°C密度(ρ15)、闭杯闪点(TF)及净热值(NHC, Net Heat of Combustion)与结晶点(Tm，冻结点/凝固点)的预测方法。通过收集涵盖喷气燃料替代物、石油基喷气燃料、不同来源SBC及Jet A/SBC掺混物共75个样本的详细GC×GC组成数据与实验物性，研究人员重新标定并拓展了Shi等人提出的修正加权平均值(Modified Weighted Average, MWA)方法，得到修正版MWA(REV-MWA)。该方法更新了10类烃组分(C7–C19)的平均物性矩阵(密度、闪点、NHC、凝固点)，引入轻组分截断处理(闪点取T20以下组分、凝固点取T10以上重组分)，并基于扩展数据集回归得到新的MWA系数向量。同时对比了经验关联式(API闪点公式、ASTM D3338 NHC、ASTM D7215闪点及改进MOD-D7215)、部分最小二乘(PLS)、支持向量机(SVM)及Cookson凝固点关联式等方法的预测精度。结果表明REV-MWA对密度(MAE=1.1 kg·m?3)、闪点(MAE=3.6°C)、NHC(MAE=0.09 MJ·kg?1)及凝固点(MAE=1.80°C)均给出最优或并列最优结果，且克服了原MWA对窄类别组成燃料(如替代燃料掺混组分及替代物替代混合物)预测失效的问题；蒸馏温度通过模拟蒸馏(D2887) spline拟合结合ASTM D86转换预测，t10整体MAE=6.9°C，tFBP整体MAE=12.4°C。研究证实基于详细烃族组成的REV-MWA方法可有效支撑生物质催化快热解衍生航空替代燃料的过程模拟与规格符合性评估。

研究背景与意义

航空替代燃料(Alternative Jet Fuel, AJF / Synthetic Blending Component, SBC)如加氢处理酯和脂肪酸(HEFA)、费托合成异构烷烃(FT?IPK)、醇制喷气燃料(ATJ)等与石油基Jet A掺混使用时，必须满足ASTM关于密度、闪点、净热值(NHC)、凝固点(冻结点)及蒸馏范围的严格规格。现有物性预测方法多基于有限的传统喷气燃料标定，对含大量异构烷烃、无芳烃或仅有少数烃类的SBC及其宽比例掺混体系适用性不明。Watanasiri等人前期仅用两种加氢处理催化快热解(CFP)喷气燃料中间体评价了数种方法，无法判断普适性。为此研究人员扩大样本至75个燃料(含石油喷气燃料、替代物替代混合物、多种来源SBC——包括Camelina HEFA/CAME、牛脂HEFA/TALL、混合脂肪HEFA/MFAT、FT?IPK、SIP及ATJ——及Jet A与各SBC体积分数10%~60%的掺混物)，系统评估并改进组成依赖型物性预测方法，为生物航煤工艺模拟与产品规格预判提供可靠工具。本研究发表于《Fuel》。

主要关键技术方法

研究人员收集文献中75个航空燃料及掺混物的详细全二维气相色谱(GC×GC?FID/MS)组成数据(按10类烃：正构烷烃、单支链异构烷烃、高度支链异构烷烃、单支链烷基单环烷烃、高度支链烷基单环烷烃、二/三环烷烃、单支链烷基苯、高度支链烷基苯、茚/萘/多环芳烃、茚满/四氢萘/烷基四氢萘，碳数C7–C19分类的质量分数)及对应实验物性(按ASTM标准测定：密度D4052/D1298于15°C或20°C，闪点D93/D56/D6450，NHC D240/D4809，凝固点D2386/D5972，模拟蒸馏D2887或实沸点蒸馏D86)。纯组分物性(液态密度15°C、正常沸点T_b、结晶–液体三相点T_m、生成焓Δ_fH及蒸发热Δ_vapH)由NIST ThermoData Engine (TDE)获取或经同系物推算法(Benson基团贡献法、Riazi型关联、Nannoolal–Rarey法)补全。蒸馏温度通过按质量分数排序的纯组分T_b做三次样条插值得D2887曲线再按ASTM D2887附录X4换算为D86温度(t₁₀、t_FBP)。密度采用质量分数加权比容混合法及REV?MWA法(更新平均密度矩阵D与回归系数M)。闪点采用API经验式、ASTM D7215及改进MOD?D7215关联式，以及原MWA与REV?MWA法(更新平均闪点矩阵F，仅取T₂₀以下轻组分建归约组成矩阵)。NHC采用ASTM D3338关联式(需芳烃体积%、密度及平均蒸馏温度)、质量分数加权平均法及原MWA与REV?MWA法(更新平均NHC矩阵H)。凝固点采用Cookson四式(n?烷质量分数线性关联、含支链/环烷/芳烃修正、加蒸馏温度项)及原MWA与REV?MWA法(更新平均凝固点矩阵M，仅取T₁₀以上重组分建归约组成矩阵)。REV?MWA模型系数通过Aspen Plus Data?Fit以加权残差平方和最小为目标对校准集(~70%样本，按燃料类型分层取样)回归获得，其余~30%作验证集；原MWA采用已发表修正系数。各方法预测误差以Mean Absolute Error (MAE)及与ASTM再现性比较评估。

研究结果

Distillation temperature(蒸馏温度)

通过GC×GC组分正常沸点排序做spline拟合获D2887曲线后经ASTM D2887→D86转换得t₁₀与t_FBP。t₁₀整体MAE=6.9°C(替代物替代混合物MAE=2.4°C，Jet A/SBC掺混物MAE=2.3°C，石油喷气燃料MAE=14.2°C，SBC MAE=12.1°C)；t_FBP整体MAE=12.4°C(替代物替代混合物MAE=13.1°C，Jet A/SBC掺混物MAE=7.8°C，石油喷气燃料MAE=17.2°C，SBC MAE=19.1°C)。蒸馏预测对替代物替代混合物及Jet A/SBC掺混物较准，但对部分石油燃料与纯SBC偏差较大。

Liquid density(液体密度，15°C)

REV?MWA法MAE=1.1 kg·m^?3(MAPE=0.14%)，优于PLS_P与PLS_C(MAE=1.8 kg·m^?3，MAPE=0.23%)、质量分数加权比容混合法(MAE=6.6 kg·m^?3)及SVM法(受限于窄类别组成燃料表现差)。REV?MWA在各燃料类型中误差最小且多数落于ASTM再现性内，证明更新后的烃类平均密度矩阵与回归系数可准确反映宽组成范围燃料的密度。

Flash point(闪点)

REV?MWA法整体MAE=3.6°C，优于原MWA(MAE=18.9°C，对替代物替代混合物严重失效)、API式(MAE=6.0°C)及与ASTM D7215和改进MOD?D7215相当(二者MAE均为3.8°C)。REV?MWA唯一可准确预测仅含4类烃的替代物替代混合物(MAE=1.1°C vs D7215系列偏高的9~8°C)，对SBC及Jet A/SBC掺混物MAE分别为6.3°C与1.8°C。引入轻组分截断(T₂₀以下)并重新回归克服原MWA因类别不全导致的预测异常。

Net heat of combustion(净热值 NHC)

REV?MWA法整体MAE=0.09 MJ·kg^?1，与ASTM D3338经验关联式(MAE=0.11 MJ·kg^?1)相当且略优，远好于原MWA(MAE=0.67 MJ·kg^?1，SBC预测偏差大)及质量分数加权平均法(MAE=0.18 MJ·kg^?1)。约95%燃料预测误差在ASTM D4809再现性内。REV?MWA与D3338均可信赖用于航煤NHC预测。

Freezing point(凝固点/冻结点)

REV?MWA法整体MAE=1.80°C，显著低于Cookson Eq.(17)(MAE=3.01°C)、Eq.(19)(MAE=3.02°C)、Eq.(18)(MAE=3.88°C)、Eq.(20)(MAE=7.42°C)及原MWA(MAE=16.97°C)。对石油喷气燃料MAE=1.86°C，Jet A/SBC掺混物MAE=1.50°C。引入重组分截断(T₁₀以上)并重新回归使原MWA对Jet A的大偏倚(?24.2°C)降至0.83°C。REV?MWA在更宽凝固点范围(?67~?37.5°C)、更宽沸程及高异构/低正构组成下仍稳健，适合掺混体系评估。

讨论与结论翻译

研究人员利用公开可用的石油基喷气燃料、替代物替代混合物、不同来源合成掺混组分(SBC)及Jet A与选定SBC掺混物数据，评估了航空及相关燃料关键规格性质(蒸馏温度、15°C密度、闪点、NHC及凝固点)数种预测方法的适用性，确定了可定量预测这些性质的组成依赖方法及物性关联式。本研究通过对修正加权平均值(MWA)方法修订(REV?MWA)——使用约70%可用数据进行各燃料类型校准、剩余30%验证——显著改善了预测效果。修订方法对五性质中四个(15°C密度、闪点、NHC及凝固点)在大多数燃料类型中给出最佳结果。改进包括：(i)使用更大纯组分数据集更新平均物性矩阵，覆盖更多碳数与类别；(ii)考虑轻组分对闪点与重组分对凝固点的影响(分别采用低于T₂₀与高于T₁₀组分的归约组成矩阵)；(iii)用扩展复杂燃料混合物数据集更新各性质MWA系数向量M。这些修改不仅提高精度，且修正了原MWA对仅含模型10类中少数烃类的燃料(如某些SBC及替代物替代混合物)给出错误预测的问题。对于15°C密度，REV?MWA总体MAE=1.1 kg·m^?3(MAPE=0.14%)，PLS_P与PLS_C次优(MAE=1.8 kg·m^?3)；闪点REV?MWA MAE=3.6°C，D7215与MOD?D7215 MAE=3.8°C；NHC REV?MWA MAE=0.09 MJ·kg^?1，ASTM D3338 MAE=0.11 MJ·kg^?1，两者误差均在再现性内；凝固点REV?MWA MAE=1.80°C，Cookson Eq.(17)/(19) MAE≈3°C。t₁₀预测总体MAE=6.9°C(仅替代物替代混合物与Jet A/SBC掺混物满意)，t_FBPMAE=12.4°C(与再现性相当，替代物替代混合物与Jet A/SBC掺混物尚可)。所识别最优方法适用于含典型10类C7–C19烃组成的航煤及替代燃料，可为生物质催化快热解衍生航空替代燃料的过程模拟与规格符合性分析提供支持。