王偉成    副教授

國立成功大學航空太空工程學系

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對航空業來說，燃油是最大的營運成本之一。航空使用之油料在品質上的需求會比用於陸上運輸的燃料來的嚴格。本文主題為介紹用於驅動燃氣渦輪引擎(Gas turbine engine)之航空用油。根據美國能源部的一份報告指出[1]，一桶原油中，有4加侖被用於生產航空燃油。據統計，全世界的航空工業每年大約消耗1.5到1.7億桶(179到203億公升)的航空燃油[2, 3]。根據一份美國賓州大學的研究報告中指出[4]，2030年至2050年航空燃油的消耗量將比2013年成長約39.65 %至95.06 %。其原油價格，國家安全，環境衝擊，以及永續性的挑戰將影響了航空燃料的支出及成長。

圖1 不同航空燃油(左: Jet A-1 ; 右: JP-5) 。

 

針對不同的飛行器，有不同使用的燃料。一般來說，用於民用航空的為Jet A-1(圖1)和Jet A，其中又以Jet A-1為較常用的油料。用於軍用飛行器的，大部分為JP-5(圖1)或JP-8，戰機與直升機大部分使用JP-5，而飛彈大部分使用JP-8。在寒帶國家，民用航空會使用Jet B，軍用飛行器會使用JP-4。這些油料不同處在其化學組成的差異。對航空用油來說，除了化學成份以外，其規格和油品特性都有相當的要求以求達到最佳的飛行性能。現今有三個較著名的對航空燃油的認證標準:ASTM D1655[5, 6]， International Air Transport Association Guidance Material (Kerosene Type) [5, 6]，以及the United Kingdom Ministry of Defence, Defence Standard (Def Stan) 91-91[7]。為了控制燃油品質，我們使用燃油規格將燃油性能限制在可接受的範圍內。以航空燃料來說，其熱值(燃燒物質後冷卻至標準狀態時之所有熱能)不能低於42.8 MJ / kg、閃火點(可燃性液體點火後可在表面閃爍起火的最低溫度，測定儀器如圖2所示)不能低於38 °C以及凝固點(對液體降溫，直到其凝固時的溫度)不能高於-47 °C [8]。舉例來說，因為考慮到了於地面起火的危險性，所以飛機燃料需要高的閃火點[9]。除此之外，飛機燃料需要很好的低溫流動性，像是較低的凝固點以確保燃油在高空中的流動性良好[10]。傳統的航空燃料，例如Jet A，是來自數百種不同分子類別的混合物，包括正烷烴、異烷烴，環烷烴和芳族化合物。不同的分子類別對燃料特性（如密度，流動性，揮發性，熱值和燃燒特性）有不同的影響。這些性質主要取決於航空燃料的體積組成，為所有個別組成的加權平均值[11]。一般來說，高濃度的長鏈正烷烴(long-chain n-alkane)可提高燃料的熱值，改善燃燒性能，但是會導致較差的低溫特性。更多的異烷烴(iso-alkanes)可以改善燃料的低溫性能，但與正烷烴相比，它們的反應性通常較低。另一方面，環烷烴(cyclo-paraffins)和芳烴(aromatics)可以獲得較高的燃料密度，但與正異烷烴相比，它們抵抗火焰熄滅(flame extinction)的能力較差[12]以及產生較多的黑煙[13]。

圖2 燃油閃火點測試儀。

 

針對環境影響來說，不僅僅是陸上，隨著航空量的增加與航空燃油大幅度的成長，其飛行器對環境和公共健康的影響引起越來越多的關注。其中，就以空污最為被大家關注。世界各國無不提出相對應的政策來改善航空業對環境的影響。比如，國際航空組織International Air Transport Association (IATA)提出了一個降低碳排放的承諾[14]， 即至2020年之後碳平衡降低成長(carbon-neutral growth)與2050年碳排放要降低至2005年的50 %。這此航空減碳的策略，也包括了在能源與環境間取得平衡，也使得許多針對航空污染排放標準與規範的制定朝向一個永續與綠能潔淨的方向。因而，找出一個可產生潔淨燃燒且具有穩定來源的航空燃油成為現今一個重要的標地。此類的燃油，需克服油價的波動，能源的平衡，環境的衝擊，以及永續性的挑戰。基於航空運輸與環境上的考量，航空用替代燃油近年來在國際上成為一個相當重要的策略。航空用替代燃油為航空產業最重要的替代能源，不僅在能源上與環境上可達到綠色航空(Green Air)的長遠目標，其使用的原物料更可成就循環經濟的理念。目前來說，生產航空替代燃料可由三種不同形式的原物料取得，即為氣態原料、液態原料以及固態原料。氣態原料合成航空燃料是將沼氣與合成氣等經過一系列合成處理生成。目前相當著名的FT-SPK(即用Fischer-Tropsch合成氣化固體物以生產合成石蠟煤油（Synthetic Paraffinic Kerosene, SPK）。液態原料大部分因含有氧化物而限制其應用，因此液態原料會先經由脫氧處理後再經由加氫處理生成航空燃料，其中一個例子便為HRJ(Hydro-processed Renewable Jet)燃油(如圖3所示)(又名HEFA, Hydro-processed esters and fatty acids ). 固態原料則需經過熱裂解處理將固體轉化成液體後再經過加氫處理後生成航空燃料。迄今為止，ASTM國際組織根據嚴格品質標準批准了四種生產途徑：HEFA，FT-SPK，其允許與傳統航空燃油最大體積混合比例為50 % [15];直接發酵生產合成異鏈烷烴（Synthesised Iso-Paraffinic, SIP）航空燃油，其允許最大體積混合為10 % [16]。其餘生產航空替代燃油的方法包含水熱法(Hydrothermolysis)和熱裂解(Thermal pyrolysis)。近來，美國燃油大廠Gevo將酒精直接生產航空燃油的技術，從可再生異丁醇合成烷烴煤油，這種煤油的最大體積混合比例為30 % [17]。針對新型航空燃油的認證，ASTM於2009年發佈了D4054-09，針對新型航空器渦輪機用油及添加劑的品質及認證加以規範 [18]。這個標準也提供了一個對用於民用或軍用飛機的燃氣渦輪引擎的新型燃油或添加劑認證的框架。另外，還有ASTM Specification D7566(對含有合成碳氫化合物的航空燃油的標準規範)，此為一項針對航空替代燃油的燃料性質以及品質的控制標準[19]。

圖3 航空用替代燃油(左)與傳統航空燃油(右)。

 

除密度外，大多數的替代航空燃料可滿足大部分的要求。在15 °C下，美英兩大測試標準，ASTM D1655和DEF STAN 91-91，皆規定密度不得低於775 kg / m3。相較於傳統航空燃油，替代航空燃料較少的環烷烴和芳香族導致其密度通常低於最低要求。這個特性也可能會限制與傳統航空燃料混合時的混合比。此外，芳香族化合物的缺乏也會導致O形圈 (O-ring)密封件收縮、變硬和失效。ASTM D7566要求最小芳香烴含量為體積的8.0 % [20]。相較於傳統航空燃油的25 %為低。另外，以燃料的揮發性來說，其對能量或經濟沒有直接的影響，但揮發性較小的燃料通常具有較高的發熱量，因而間接影響燃燒性能[21]。具較高前端揮發性（即低於10 %的蒸餾溫度）的燃料有較好的起始和預熱性能，而對於具有高後端揮發性的燃料 (即低於90 %的蒸餾和終點溫度），會造成沉積物形成、磨損和排煙的增加[21]。因此，不符合蒸餾要求的燃料通常會導致污染物排放增加。因替代航空燃料缺少雜質，即異原子(hetero-atoms)、硫化合物等，其熱穩定性會得到相當的改善[21]。然而，缺少有機酸或其它極性化合物會降低燃料的潤滑性。傳統航空燃油(JP-8)的規範要求最大潤滑等級為0.655的磨痕直徑(wear scar diameter)[21]。航空替代燃油通常需要潤滑添加劑以確保足夠的潤滑性，另外，對煙點(smoke point, 測試儀器如圖4所示)的規範，ASTM D7566要求達到最低25 mm。總體來說，與傳統航空燃料相比，替代航空燃料在組成上較不復雜。它們具有優異的熱穩定性和低排放。

圖4 燃油煙點測試儀。

 

近年來，許多公司已投資開發航空替代燃油的生產技術。截至2015年9月，只有美國燃油大廠Amyris的SIP航空燃油在2012年的實驗飛行中使用，是唯一一家每年生產4920萬公升的商業航空替代燃油製造商。上述提到的具潛力的製造商Gevo，已將其在德克薩斯州的示範生物煉油廠之異丁醇合成航空燃油的專利出售給美國軍方，並於2016年11月與阿拉斯加航空公司進行了首次商業飛行試驗[22]。Neste Oil是最大的可再生柴油製造商之一，每年產量總計25億公升，預計將其燃油作為混合成分並符合ASTM規範[23]。近十年來，在許多國家與航空產業的努力下，更進行其替代性航空燃油的飛行測試。從最初的2006年，由美國空軍利用50 %/50 %的FT synthetic S-8和JP-8的混合物於B-52戰機上進行了試飛[24]，以至2015年，海南航空在波音737-800客機使用50 %/50 %傳統航空燃料和替代燃料混合之航空用燃油，進行商用飛行。另外，2016年聯合航空宣布於於洛杉機機場起飛的客機使用替代性航空燃油。2018年8月，印度籍航空SpiceJet宣布將於自家的飛機使用25 %航空替代燃油 [25]。雖然這幾年來使用航空替代燃油的飛行測試規模都不大，但是，這些舉動不但證明了航空替代燃油於飛行器上使用的可行性，也顯示了航空業者朝向潔淨航空的決心。

 

參考文獻

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[15]ASTM International, "Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons (D7566-12a)," 2015.

[16]ASTM International, "Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons (D7566-14a)," 2015.

[17]ASTM International, "Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons (D7566-16)," 2016.

[18]ASTM international, "ASTM D4054 - 09 Standard Practice for Qualification and Approval of New Aviation Turbine Fuels and Fuel Additives," 2009.

[19]American Society for Testing and Materials. (2013, May 9, 2013). ASTM D7566 - 12a Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons. Available: http://www1.astm.org/Standards/D7566.htm#tfn00014

[20]ASTM, "Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons," ed: ASTM International West Conshohocken, PA, 2009.

[21]C. Zhang, X. Hui, Y. Lin, and C.-J. Sung, "Recent development in studies of alternative jet fuel combustion: Progress, challenges, and opportunities," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 54, pp. 120-138, 2016.

[22]Gevo, " Jet fuel," https://gevo.com/jet-fuel/.

[23]T. Radich, "The Flight Paths for Biojet Fuel," WORKING PAPER SERIES, 2015.

[24]J. M. Fritschen, "US Air Force Fisher-Tropsch Alternative Fuel Development: Six-Step Demonstration," Destin, FL: US Air Force T&E Days, 2007.

[25]The Times of India. (2018, 12/20/2018). SpiceJet operates India's first biojet fuel flight Available: https://timesofindia.indiatimes.com/business/india-business/spicejet-operates-indias-first-biojet-fuel-flight/articleshow/65560178.cms