2008年2月24日,波音、维珍大西洋航空公司和通用电气合作,首次进行了以可持续性燃料为动力的民用飞机的试验飞行。其动力燃料采用的是以含有棕榈油和椰子油的混和燃料。它开创了历史的先河,凸现了将生物燃料用于民用飞机的可行性。21世纪,航空生物燃料将作为绿色“生物燃料”,具有广阔的发展前景。航空生物燃料项目将开发出某种可支付得起的替代生产方法。
燃料可视为飞机的血液,随着全球航空燃油需求不断增长,石油资源日渐紧缺,石油价格持续上涨,飞机燃料将面临着严重危机。所以,迫使各国在寻找其它替代能源,其中包括开发航空生物燃料和合成燃料。
现代飞机使用的航空燃料不同于普通汽车、火车、船舶的燃料,需要满足航空环境的苛刻要求。其主要是航空汽油和航空煤油。这两种航空燃料的生产工艺复杂、技术标准严、成本高、价格贵、用量大、战略储备有限,极易受世界油价波动的影响,迫切需要解决航空燃料来源的多元化。
昂贵的航空合成燃料
目前,国外试验了一种液态的由标准航空燃油和液态天然气混合而成的新型燃油。这种合成燃料中的液态天然气是从天然气中提取的液态燃料(缩写为GTL,表示从天然气到液态)。德国科学家早在上世纪20年代就已经试验成功了这种“费一托工艺”(Fischer-Tropsch)。在第二次世界大战期间,德国和其他许多国家都曾广泛进行过人工合成燃料的试验。但是,由于当时这种合成燃料成本相对昂贵,而未能在燃油市场得到推广。
现在,又重新将这种GTL液态燃料提到议事日程,其开发主要分三个阶段进行。
第一阶段;在地面航空发动机台架上进行。起初,是将小比例的液态天然气与大比例的航空燃;由混合。在试车取得效果后,再逐步提高液态天然气与航空燃油混合的比例,直至各占50%的比例。试验结果显示了GTL极佳的性能——密度将比现在使用的石油基燃料高4%~5%,其不仅热效率高,而且燃烧稳定。这样,在相同的距离内飞行,可节省可观的航空燃料,同时还可降低经涡轮喷气发动机燃烧后排放的碳氧化物含量,改善大气环境质量。
第二阶段:进行飞行试验,继续测试GTL性能。当前,由于原油价格日益高涨,美国空军购买一桶航空燃油需花费约92美元,国际市场上一桶航空燃油已经达到100美元。这样,“费·托工艺”的成本优势也就逐渐显现出来。研究显示若采用合成燃料则只需要70美元左右。巨大的利益促使美国重新恢复了合成燃料的试验,并率先在军用飞机上进行了飞行试验。
首选“耗油大户”
B-52H的最大起飞重量221.35吨,自身可携带燃油174.13升。当对B-52H首次进行新燃料试飞时,为该机加注的合成燃料是由50%的液态天然气与50%的JP8航空煤油混合而成的。而在8台TF33-P-3涡轮喷气发动机中仅有2台使用合成航空燃料,其余6台仍使用JP-8燃料。2006年12月15日,在美国空军的一架B-52H战略轰炸机上,首次完成了8台发动机全部使用合成航空燃科的试飞,此次试飞一共持续了6.1小时。这次试验也是美国国防部确保军用燃油使用计划的一部分。随后,美空军还需要大约6个月的时间来完成整个试飞认证程序。接下来将是极端环境试验,即把该燃料置于寒冷环境中足够长的时间,以测定极低环境对它的影响。其他工作还可能包括毒性测试,以确保对燃料处理人员的安全性。最终,在B-52H上完成试飞认证后,美空军将把该燃料试用于其他军用飞机上。
目前,美空军已在B-52H进行了3次合成航空燃料试飞,积累了大约10小时的飞行时间。2006财年,美空军采购了大约10万加仑(37.85万升)的合成燃料,2007财年的采购量会翻一番,2008财年,的采购目标是1亿加仑(3.785亿升),并在多种机型上推广使用该燃料。
实用型飞行试验
美国空军在成功结束通用电气公司F101发动机的燃料地面试验。包括打开加力燃烧室进行性能测试后,随后才会在B-1B轰炸机上进行合成混合燃料的超声速飞行试验。
美国空军不久前正在F-22,KC-135和F-16上开展工作。预期KC,135将首先进行试验飞行。F-16发动机地面试验用的通用电气公司F110发动机,尚没排进2008年后期的日程。
美国还在C-17“环球霸王”III喷气式运输机上试验一种F-T合成燃料。试验当天,C-17运输机的涡轮风扇喷气发动机中有1台使用F-T合成燃油,其余3台发动机将使用标准JP-8航空燃油。4天后,C-17运输机再次进行了F-T燃油试验,这次则是4台发动机均采用此种F-T合成燃油。为什么选用C-17运输机进行试验,其重要原因之一是,该机的发动机采用F117-PW-100型,此型发动机也在许多民用客机上采用,例如波音757。因此,对C-17试验的成功有利于替代型燃料的推广应用。
美国空军已开始在地面试验CFM56发动机使用由“费一托工艺”合成的燃料,以进一步确立该燃料在军用和民用航空中的未来地位。有关试验由空军研究实验室和通用电气公司共同进行,在通用电气公司位于俄亥俄州辛辛那提的设施上进行。试验进而会在美国空军KC-135空中加油机上进行。CFM56是航空界使用最广的发动机之一,它是A320、A340和波音737系列喷气客机的动力装置。
由于第二阶段的飞行试验非常关键,实现这个目标还需要有预算保障。美空军目前仍在等待工业界对生产合成航空燃料进行多方面的尝试,并注入更多的投资,因为其生产工艺仍需大量投资来改进和完善。新型替代燃油可以由国内资源相对丰富的烃类产品,比如天然气、煤和页岩油等,经过“费·托工艺”加工处理得到。考虑到未来油价因素可能对美军造成的压力,美空军希望在2011年前对其所有机种进行合成燃油的认证试验。到2016年之前,合成燃料将有望占到美空军整个航空燃料需求的50%。
第三阶段实现合成燃料的实用化,推进GTL产业化,达到推广应用。这样,其对全球的意义不仅在于能降低船舶业、航空业对石油的依赖,而且也意味着人类能够获得更多、更便宜、更环保、更经济高效的动力燃料。
接下来的关键是美国航空制造业与民航界展开合作,共同创造合成航空燃料市场。目前,美国民航界年燃油消耗量约为120亿加仑(454 2亿升),显然位居世界之首,节能减排势在必行。
F-T合成燃料的综合优势是——
●实现了动力燃料来源的多元化;
●可以提高航空煤油的性能指标;
●同等情况下能够节省航空煤油用量50%;
●单位价格比航空煤油低30%;
●用户面覆盖整个国际航空煤油市场;
●能够不经专门改装,直接使用原
来的机载、船载燃料系统;
●既可以作为主机燃料,又可以作为辅机燃料,具有很好的通用性;
●既可以作为船舶燃料,又可以作为舰载机燃料,有利于母舰储存和后勤保障;
●保持了轮机使用维护规范的连续性和有效性;
●目前基本具备了工业化、规模化生产的条件;
●有利于全球推广节能减排,有助于环境保护。
NASA的格伦研究中心(GlennResearch Center)准备购买普·惠加拿大公司的PW308涡轮风扇发动机用于测试合成燃料。该中心位于俄亥俄州的替代燃料研究实验室,正在研究将煤、天然气、生物能源以及页岩油等转换成可供喷气式发动机使用的替代燃料。格伦研究中心将来还将集中研究通过“费一托工艺”过程,将非石油的能源如:煤、天然气、生物能源等转换为各种类型的化学燃料,及新型的航空合成燃料。
如何解决能源与人争粮
面对世界石油价格上涨和全球变暖的压力,航空公司和飞机制造商正在努力开发那些实用的、可替代喷气燃料的生物燃料。这其中不仅有发达国家,而且还有发展中国家。卡塔尔企业积极参与该计划,其中不仅因为该国有着丰富的天然气资源储备,而且他们还想通过此事来凸显其“绿色”环保理念。
我国的生物燃料发展也取得了很大成绩,特别是以粮食为原料的燃料乙醇生产,已初步形成规模。生物燃料是没有难闻的气味。该燃料以农作物秸秆为主要原料,加入少量添加剂而制成。其SO2排放量近似于“零”,是目前少有的洁净能源之一。该燃料在燃烧过程中整体不变形、不散架,具有火力旺、易于点火、无污染、适宜于各种燃烧器等特点,达到了国际标准。它可以代替煤、燃油、燃气,是今后开发新型可再生能源的主要对象。以大豆作原料的生物柴油,燃烧以后排出的废气有点像炸薯条的味道。
航空生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇、生物汽油,生物煤油等,是可再生能源开发利用的重要方向。
英国首次在喷气客机的商业飞行中试用航空生物燃料。2008年2月24日,英国维京大西洋航空公司的一架波音747宽体喷气客机,进行了一次由航空生物燃料提供部分动力的飞行试验。这架波音747-400型客机,当天中午从英国伦敦希思罗机场起飞,大约飞行了90分钟后,安全降落于荷兰阿姆斯特丹的斯希普霍尔机场。当时客机上并没有载客。这架客机上的4个主燃料箱中,有一个使用了由普通航空煤油和生物燃料混合而成的航空生物燃料。飞行中试用的这种航空生物燃料,是由椰子油和棕榈油制成的。科技人员最终选择巴西棕榈树坚果和椰子油作为航空生物燃料,是因为在经过初步测试后发现,它们与使用玉米提取的燃料不同,最终不会与副食品供应起冲突。英国天空电视台称,这次试航将为研究人员提供关键数据和经验,以利于人类节能和环保。两年前,人们还认为这是根本不可能的事情,因为有人认为生物燃料将会在9144米的高空冻结。这次具有创造性的试飞,有助于降低飞机二氧化碳的排放量,有助于实现把清洁能源作为飞机燃料的预言,也有利于开发出类似海藻类的下一代燃料。科学家认为,藻类衍生燃料是最具前途的航空生物燃料,它不会破坏生态环境。随着试验的开展以及技术成熟,很可能在5年后,航班客机能够使用某种航空生物燃料飞行。
航空运输业被认为是温室气体的排放源之一。欧盟委员会约一年前公布的一份报告显示,航空运输业产生的温室气体占欧盟境内温室气体总排放量的3%,而且1990年以来排放量已增加了87%。维京大西洋航空公司称,这次试验主要是为了证明,相比于传统航空燃料,航空生物燃料所产生的温室气体排放置将大幅降低。
航空生物燃料被认为有助于摆脱对传统化石能源的依赖,还能减少温室气体排放,其发展前景一度被普遍看好。但围绕生物燃料一直存在“能源与人争粮”等争议。
波音公司称,这次生物燃料飞行将使用一架新一代的波音737喷气客机来完成,他们将在试飞前数月选定不影响粮食作物和水资源、能提供足够产量,支持试飞前测试计划的航空生物燃料来源。该公司表示,包括发动机制造商和航空公司在内的多家行业企业,正协助引导航空领域利用先进的生物转化技术、工艺来开发可持续性的航空生物燃料,以减少航空运输业的温室气体排放。
这几年是航空生物燃料进入实用前的关键试飞阶段。2008年,欧洲空中客车公司的一架A380巨型宽体喷气客机将实施一次以替代燃料的试航,新西兰航空公司计划明年与波音公司合作,进行部分使用生物燃料的航班飞行试验。
航空生物燃料作为绿色“生物燃料”,具有非常光明的发展前景。航空生物燃料项目将开发出某种可支付得起的替代生产方法,初步目标是达到不低于60%的转换效率,最终目标是达到90%。该项目提取和生产出的航空生物燃料应可替换JP-8航空煤油,而目前商业领域生产的生物燃料的能量密度比JP-8低25%,并且在JP-8可承受的最低温度(华氏零下50度,相当于摄氏零下45度)时其流动特性不可接受。据预测,要实现这样的目标需要采用跨学科综合方法,涉及工艺化学和工程学、材料工程学、生物工艺学和推进系统工程学在内的诸多学科。
总之,航空生物燃料和合成燃料作为多元化的节能、减排、清洁、环保的航空燃料,经过全球科学家们的努力和许多国家的产业化发展,其美好的实用化前景指日可待。
责任编辑 京勉