綠色新能源生物燃油在航空業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

閻超

摘 ?要：當(dāng)前航空業(yè)所使用的航空煤油面臨著能源危機(jī)和其所排放的CO2所造成的溫室問(wèn)題，從而研究出生物燃油，在航空業(yè)中生物燃油的應(yīng)用和發(fā)展是航空業(yè)最為關(guān)心的問(wèn)題，為此提出生物燃油在航空業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展。通過(guò)分析生物燃油在航空業(yè)中應(yīng)用過(guò)程，計(jì)算生物燃油在航空業(yè)中的應(yīng)用成本，研究生物燃油在航空業(yè)中市場(chǎng)發(fā)展前景，發(fā)現(xiàn)生物燃油在航空業(yè)中前景可觀，可以取代石油成為航空燃料。

關(guān)鍵詞：生物燃油;航空業(yè);能源;飛機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：F561 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0021-02

Abstract： At present， the aviation kerosene used in the aviation industry is faced with the greenhouse problems caused by the energy crisis and CO2 emissions， so as to study the biofuel， the application and development of biofuel in the aviation industry is the most concerned issue in the aviation industry. Therefore， the application and development of biofuel in the aviation industry is put forward. By analyzing the application process of biofuel in the aviation industry， calculating the application cost of biofuel in the aviation industry， and studying the market development prospect of biofuel in the aviation industry， it is found that biofuel has a considerable prospect in the aviation industry and can replace oil as aviation fuel.

Keywords： biofuel; aviation industry; energy; aircraft

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步最為重要的基礎(chǔ)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本動(dòng)力之一的能源，其求大于供成了世界首要問(wèn)題，尤其是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通等方面迅速發(fā)展，更是產(chǎn)生了能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題，為此各個(gè)國(guó)家都在大力發(fā)展新能源。目前人類(lèi)極其依賴化石能源，但是化石能源在使用過(guò)程中，不但會(huì)污染環(huán)境，在過(guò)量的開(kāi)采下，也逐漸走向匱乏，能源問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)的潛在危機(jī)，極有可能造成未來(lái)能源不足，傳統(tǒng)能源無(wú)以為繼的局面。因此，科學(xué)家們積極研究、開(kāi)發(fā)新能源，目前，研究的能源有水能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑻?yáng)能、氫能等，但是這些能源并不能成為當(dāng)今社會(huì)的主流能源。然而作為當(dāng)今社會(huì)重要交通行業(yè)之一的航空業(yè)，以其快捷、方便、穩(wěn)定成為世界運(yùn)輸業(yè)的主要交通工具，是名副其實(shí)的能源需求大戶。但是航空業(yè)傳統(tǒng)能源使用的是化石燃料，也叫航空煤油，航空業(yè)每一次航行所使用航空煤油，都會(huì)排放大量的CO2，其產(chǎn)生溫室效應(yīng)的能力十分巨大，面臨著CO2能源危機(jī)和減少CO2排放量雙重挑戰(zhàn)。為此科學(xué)家尋找到生物質(zhì)能，生物質(zhì)能相對(duì)其他能源是比較清潔的可再生能源，航空業(yè)也積極參與其中，開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能，研究出可以用作航空燃料的生物燃油。當(dāng)前研究出的生物燃油在分子結(jié)構(gòu)上和石油基噴氣燃料相似，但是其硫含量低、閃點(diǎn)高、燃燒后排放量低等特點(diǎn)，而且航空業(yè)在使用生物燃油時(shí)，不用面臨傳統(tǒng)航空煤油需要航空業(yè)定期更換發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)，從而備受航空業(yè)青睞。

1 分析生物燃油在航空業(yè)中應(yīng)用過(guò)程

生物燃油一經(jīng)出現(xiàn)，給航空業(yè)帶來(lái)巨大發(fā)展?jié)摿Γ嗉液娇展緺?zhēng)先嘗試使用航空生物燃料進(jìn)行試飛，第一架試飛飛機(jī)是G-VWOW號(hào)波音747-400型客機(jī)，這架客機(jī)擁有4個(gè)主燃料箱，為了保證試飛員的安全，這4個(gè)主燃料箱中只有一個(gè)燃料箱里裝有生物燃油，給飛機(jī)提供部分動(dòng)力，其他3個(gè)燃料箱里裝的都是傳統(tǒng)石油，給飛機(jī)的另一部分提供動(dòng)力，以此保證飛機(jī)在飛行過(guò)程中燃料足夠飛機(jī)運(yùn)行。當(dāng)時(shí)G-VWOW號(hào)波音747-400型客機(jī)上并沒(méi)有安排乘客，在空中大概飛行了1小時(shí)50分鐘后，安全降落。雖然這一次G-VWOW號(hào)波音747-400型客機(jī)試飛只使用了20%的生物燃油，卻也為航空業(yè)環(huán)保科技帶來(lái)重大突破。G-VWOW號(hào)波音747-400型客機(jī)的成功，給航空業(yè)帶來(lái)了希望，再次安排了第二架飛機(jī)使用生物燃試飛。第二架試飛飛機(jī)是F-18超級(jí)大黃蜂飛機(jī)，當(dāng)時(shí)的生物燃油是航空業(yè)將亞麻蕎航空生物燃料和JP-8傳統(tǒng)航空燃料按照50：50的體積比例混合，裝進(jìn)F-18超級(jí)大黃蜂飛機(jī)燃料箱中，成功完成試飛，再次證明生物燃油用作航空燃料的可行性。經(jīng)過(guò)這兩架飛機(jī)的成功，各國(guó)的航空業(yè)人員紛紛開(kāi)展生物燃油試驗(yàn)，目前全球已經(jīng)進(jìn)行了27次航空生物燃油試驗(yàn)，并用上述混合航空燃料試飛成功。為了研究證明生物燃油適用于各種機(jī)型的飛機(jī)，航空業(yè)人員將傳統(tǒng)航空噴氣燃料與航空生物燃料按照50：50的體積比例混合，形成生物燃油裝進(jìn)波音747-400型客機(jī)，這架客機(jī)在空中持續(xù)飛行了58分鐘，從而證明生物燃油完全可以滿足大型客機(jī)各種性能需求。在這27次的試飛過(guò)程中，所采用的生物燃油原料均是動(dòng)植物油或藻類(lèi)油采用加氫工藝生產(chǎn)而成。

經(jīng)過(guò)多種機(jī)型的27次試驗(yàn)結(jié)果，無(wú)不表明生物燃油可以應(yīng)用在航空業(yè)，作為飛機(jī)的航空燃料。為此各國(guó)開(kāi)始嘗試將生物燃油作為航空燃料，投入定期航班開(kāi)始試運(yùn)營(yíng)。第一架試運(yùn)營(yíng)飛機(jī)為空中客車(chē)A321飛機(jī)，該架飛機(jī)配備了IAE發(fā)動(dòng)機(jī)，每天飛行四次，每次飛行3小時(shí)38分鐘。這架飛機(jī)所使用的生物燃油均是經(jīng)過(guò)加氫處理的植物油和非食用動(dòng)物脂肪，與傳統(tǒng)航空燃料以各占50%的比例混合而成。使用這種混合的生物燃油總共有1187架次航班，在這1187架次航班飛行結(jié)束后，對(duì)空氣中的CO2排放量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)比原本的石油燃料排放的CO2減少了1471噸。為保證這種生物燃油不會(huì)損傷飛機(jī)的燃燒室、渦輪機(jī)和引擎燃料系統(tǒng)，針對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)燃燒室產(chǎn)生影響，生物燃油質(zhì)量也未發(fā)生變化，并且對(duì)比傳統(tǒng)的航空煤油還減少了1%燃料消耗。經(jīng)過(guò)大量的試飛結(jié)果和對(duì)CO2排放量的檢測(cè)，都表明生物燃油可以取代傳統(tǒng)航空煤油，作為飛機(jī)的燃料，減少飛機(jī)CO2排放量，降低飛機(jī)產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。

2 生物燃油在航空業(yè)中市場(chǎng)發(fā)展前景

目前，全球的石油產(chǎn)量都在不斷減少，石油的缺口一年比一年地大，現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)1.4億噸。而生物燃油所需的原料生物質(zhì)，光農(nóng)民每年就會(huì)產(chǎn)生7億噸，而這7億噸的生物質(zhì)中，約有4億噸生物質(zhì)被閑置、丟棄。由此可見(jiàn)生物燃油可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)村、林區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和資源的有效利用。如果將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物燃油轉(zhuǎn)化成功率算作60%，則有：

通過(guò)（1）式，可以非常明顯對(duì)比出生物燃油的好處，而且這2.4億噸的生物燃油還是按照60%的轉(zhuǎn)化率計(jì)算得出，實(shí)際轉(zhuǎn)化率只會(huì)比這高，而不會(huì)低。完全可以彌補(bǔ)石油產(chǎn)量減少造成的缺口。

為驗(yàn)證生物燃油市場(chǎng)效益，根據(jù)生物燃油成本和石油成本進(jìn)行預(yù)算。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，我國(guó)生物燃油生產(chǎn)線的生產(chǎn)成本在1800～2000元/噸之間，根據(jù)等熱值大致計(jì)算生物燃油和石油之間的折合值，大致得出2噸（生物燃油）≈1噸（石油），而生產(chǎn)石油的成本需要3600～4000/噸，而當(dāng)前柴油、汽油的市場(chǎng)價(jià)格一般為7000元/噸。根據(jù)上述生物燃油的成本，完全可以將生物燃油的價(jià)格定在2200元/噸左右，既不會(huì)存在虧本問(wèn)題，還存在十分巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。更重要的是，經(jīng)過(guò)飛機(jī)試飛后所檢測(cè)的CO2排放量，表明生物燃油可以大大減少有害氣體的排放。根據(jù)本文對(duì)生物燃油的定價(jià)，和2中已知每次生產(chǎn)2000噸生物燃油，可以估算生物燃油的產(chǎn)值為440萬(wàn)元，大致獲利50～100萬(wàn)元。只要全國(guó)可以生產(chǎn)出1億噸生物燃油，就可以創(chuàng)收200～500億元人民幣，由此可見(jiàn)其綜合效益，更是給航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)新希望。

3 二代生物燃油

植物油具有許多優(yōu)點(diǎn)：植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收大量的CO2，從而顯著減少碳排放，同時(shí)具有高能量，良好的抗沖擊性，無(wú)毒，無(wú)污染和無(wú)分解性，從而顯著降低了二氧化硫和一氧化碳的毒性。植物油主要包含甘油三酯和少量的單酯和雙酯，它們包含大量的氧氣，不同的碳鏈長(zhǎng)度和分子結(jié)構(gòu)中雙鍵的數(shù)量會(huì)產(chǎn)生不同的脂肪酸。植物油還包含自由脂肪酸、磷脂、胡蘿卜烯類(lèi)、酚類(lèi)、硫磺復(fù)合物和少量的水。植物油中常見(jiàn)的脂肪酸是硬脂酸，棕櫚酸和亞油酸，這些植物油的大分子結(jié)構(gòu)和質(zhì)量導(dǎo)致高粘度和低揮發(fā)性。

與礦物柴油相比，純植物油的較高粘度會(huì)影響燃料油的霧化特性。因此，噴嘴將噴射更大的燃料滴，而不是霧化的燃料滴，這影響了氣油混合物的比例，噴霧效果較弱，并且揮發(fā)性也非常低。在燃燒室中形成沉積物。純植物油不能直接用于飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)加熱、混合、稀釋、微乳化和酯化等方法以降低其粘度來(lái)。第二代生物燃料主要由海藻，亞麻籽和麻風(fēng)樹(shù)制成，這些海藻，亞麻籽和麻風(fēng)樹(shù)含有大量的石油，石油產(chǎn)量大，增長(zhǎng)周期短并且不與糧食資源競(jìng)爭(zhēng)，不但可以將荒地利用，而且可以提供大量就業(yè)機(jī)會(huì)，以促進(jìn)貧困地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4 生物燃油在航空業(yè)中的應(yīng)用成本預(yù)算

目前，生物燃油加工技術(shù)采用快速熱裂解技術(shù)，所需要的生物質(zhì)原料都是廉價(jià)的秸稈，通過(guò)秸稈氣燃燒機(jī)將秸稈氣化燃燒，從而獲得熱值為1825MJ/kg的生物燃油，并且年產(chǎn)可達(dá)2000噸。在生物燃油制造成本中，應(yīng)用制造設(shè)備成本最高，但是可以投資回收期分?jǐn)偂Ｆ浯尉褪巧a(chǎn)費(fèi)用，其所占比例與產(chǎn)量有關(guān)。假設(shè)每年按300天，一天24小時(shí)計(jì)算，年產(chǎn)2000噸生物燃料，原料的轉(zhuǎn)化率為60%，耗損率為5%，含水率為15%，則可以得出生產(chǎn)生物燃油的生產(chǎn)原料為2000噸×60%×15%×5%=9噸。估算出生產(chǎn)2000噸生物燃油的成本大約為1000元/噸。若適當(dāng)增加產(chǎn)量，生物燃油的成本會(huì)相應(yīng)下降這樣的成本有利于進(jìn)行生物燃油的產(chǎn)業(yè)化推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)全球化，科技的迅猛發(fā)展，對(duì)能源的需求與日俱增，致使目前最主要的能源石油價(jià)格不斷上漲，對(duì)環(huán)境和氣候的影響不斷加劇。針對(duì)這種現(xiàn)象，作為石油能源需求大戶，溫室效應(yīng)最大制造者的航空業(yè)，緊急開(kāi)發(fā)新能源，不斷尋找可以大規(guī)模應(yīng)用于航空的燃料。生物燃油的出現(xiàn)，無(wú)疑給航空業(yè)航空燃油帶來(lái)了新方向。因此本文提出的生物燃油在航空業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展具有十分重要的意義。本文對(duì)生物燃油在航空業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展研究并不全面，還應(yīng)不斷深入研究生物燃油在航空業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展，以期實(shí)現(xiàn)綠色飛行和可持續(xù)發(fā)展。

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