《Fuel》：Synthesis, property characterization and combustion study of fried cooking oil methyl ester for potential additive to aviation fuel
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该研究利用自制的废油炸制甲基酯（FCOME）与 Jet A-1 混合燃料（10%-50% FCOME）在旋流稳定燃烧器中探究燃烧特性，发现FCOME火焰长度增加28%，B30混合燃料在烟形成和排放间取得平衡，CO减排37%但NOx略有上升，B10综合考虑环保与性能。
Saurabh Singh | Srinibas Karmakar
印度卡拉格普尔印度理工学院航空航天工程系，721302
摘要
在本研究中，使用常压旋流稳定型燃气轮机燃烧室，调查了纯Jet A-1燃料、纯煎炸油甲酯（FCOME）燃料以及Jet A-1中混合10%、20%、30%、40%和50%体积比FCOME的燃料的火焰特性。FCOME是通过从废弃煎炸油中通过酯交换反应自制获得的。采用了一种旋流稳定燃烧器来维持火焰，该燃烧器在中心形成了一个旋流数（SN）为0.78的循环区域。在实验过程中，所有燃料的恒定理论功率输出保持在2.9千瓦（约3千瓦），同时观察了火焰的特性。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认了从原始废弃煎炸油转化成FCOME的过程。测得了FCOME的物理化学性质，其密度、粘度和表面张力分别比Jet A-1高12%、4.5倍和23%。对所有测试燃料样本的真彩色火焰图像、发射光谱、平均火焰温度、平均出口温度以及NOx和CO排放进行了详细研究并进行了比较。结果表明，FCOME的火焰长度比Jet A-1长28%。在所测试的燃料中，B30（30% FCOME + 70% Jet A-1）的火焰在形成烟尘方面表现最为平衡。与纯Jet A-1相比，FCOME的CO排放减少了约37%，但NOx略有增加。在各种混合物中，B10（10% FCOME + 90% Jet A-1）可以被视为一种环保燃料，因为它同时减少了CO和NOx的排放；不过总体而言，B30在各方面表现最佳。
引言
化石燃料储备的减少，加上其燃烧所带来的环境挑战，促使全球范围内致力于寻找替代方案的研究工作。在过去十年中，环境可持续性已成为人类生活许多领域中的紧迫问题。因此，航空业更加关注环境问题，更加重视自身的碳足迹、对全球变暖的贡献以及其他环境影响[1]。为了实现到2050年实现净零排放的目标，需要大量研究和开发适用于航空领域的可再生能源，并大幅增加不同生物燃料的生产[2]。已经有很多关于不同生物燃料及其在飞行中应用的研究。Adeniyi等人[3]探讨了是否可以使用藻类作为原料，并发现光生物反应器等人工培养系统是获得最大产量的最佳方式。然而，这种方法受到高运营成本的限制。Mayorga等人[4]研究了生物燃料（如生物柴油和FCOME）在航空工业中的应用，重点关注了替代燃料的制造方法。根据他们的研究，酯交换和水处理是制造航空生物燃料的主要方法。他们还进行了两级测试，以评估这些替代燃料替代传统化石燃料的效果。Gawron和Bialecki[5]使用小型涡轮喷气发动机测试了含有48%合成烷烃油的Jet A-1混合物，研究了其性能和排放情况。纯Jet A-1的推力更大，但燃料消耗更多，这是因为HEFA（氢化酯和脂肪酸）燃料的燃烧热值更高，密度更低。Mendez等人[6]研究了不同比例丁醇添加到Jet A-1中对燃气轮机性能的影响，包括推力、燃烧效率、涡轮入口温度和排气温度等指标。结果表明，添加更多丁醇会使发动机的推力范围变小，NOx和CO排放也减少。Cican等人[7]研究了使用废弃葵花籽油和棕榈油制成的生物柴油是否可以作为航空涡轮发动机的燃料。他们使用Jet Cat P80微型涡轮发动机测试了含有10%、30%和50%生物柴油的混合物，结果显示较高的生物柴油比例会导致更高的燃油消耗，但同时降低了CO2和NOx污染。Kumar等人[8]研究了在373 K和473 K下，含有10%、30%和50%柠檬烯的燃料混合物的喷射和燃烧特性，发现这些混合物具有更好的燃烧性能和排放特性。与纯Jet A-1相比，50%生物柴油混合物的CO排放降低了15%。
在燃气轮机系统中，排放和燃烧效率主要受喷射雾化、液滴动力学和燃料混合物的影响。最近的研究表明，压力旋流雾化器中的液滴碰撞、聚结、蒸发和气液相互作用等因素对液滴大小分布及其随时间的变化有显著影响。这些过程共同控制着混合物的形成和火焰的行为[9]。因此，在考虑实际燃烧室应用的燃料时，了解喷射物理原理非常重要。
生物柴油是燃气轮机和运输系统的有趣替代品。生物柴油的物理化学性质（如密度、粘度、表面张力和挥发性）对其雾化方式、蒸发速度以及着火难易程度有很大影响。在分布式或低排放燃烧系统等先进燃烧概念中，这些属性的变化可能会改变火焰结构和排放模式。已经证明，即使在相似的操作条件下，燃料挥发性和蒸发特性的波动也会直接影响火焰形态和污染物排放[10]。生物柴油有望帮助我们减少对化石燃料的依赖，应对燃料价格波动带来的问题。它是可再生的，因为其碳生命周期封闭；它是可生物降解的，因为它来自有机材料；而且它是无毒的，因为它释放的一氧化碳、颗粒物、未燃烧的碳氢化合物、硫氧化物和挥发性有机化合物较少。此外，生物柴油比化石燃料更安全，因为它的闪点更高，适用于多种用途，并且易于储存和运输[11]。废弃煎炸油（FWCO）是制造生物柴油的有用材料。这种方法不仅有助于环保处理垃圾，还充分利用了FWCO的廉价性和易获取性。将原始油转化为生物柴油最常见的方法是通过酯交换反应。当生物柴油用于燃气轮机时，无论是单独使用还是与其他燃料混合使用，都需要开发先进的清洁燃烧技术以尽可能减少排放[12]。
此外，最近在旋流稳定燃烧器中的燃烧研究强调了火焰结构和基于成像的诊断技术在理解污染物形成和燃烧稳定性方面的重要性。火焰的形状、亮度和空间分布都受到燃料和操作条件的影响，这些都与排放特性（尤其是NOx和CO）直接相关[13]。这些观察结果对于现代燃气轮机燃烧室尤为重要，因为在其中实现稳定、低排放的燃烧仍然是一个重大挑战。
对于脂肪酸甲酯燃料，将替代航空燃料与常规航空燃料混合使用需要进行大量测试。这些测试是为了确保发动机正常运行、燃料不会损坏发动机系统、燃料安全储存以及在各种情况下都能良好工作。航空行业遵循ASTM制定的严格燃料标准，这些标准确保了燃料应用的可靠性和安全性[14]。
本研究的主要目的是合成FCOME，并随后分析其在燃气轮机型燃烧室中的燃烧和排放特性。在常压旋流稳定的燃烧室内，研究了纯Jet A-1以及FCOME与Jet A-1按体积比10%、20%、30%、40%和50%混合的燃料（分别表示为B10（10% FCOME + 90% Jet A-1）、B20（20% FCOME + 80% Jet A-1）、B30（30% FCOME + 70% Jet A-1）、B40（40% FCOME + 60% Jet A-1）和B50（50% FCOME + 50% Jet A-1）的燃烧和排放特性。研究了所有燃料和混合物的火焰特性、不同点的平均火焰温度、燃烧室出口处的平均温度、火焰发射光谱以及CO和NOx排放。
实验装置
本研究中使用的常压旋流稳定型燃气轮机喷射燃烧器的配置如图1所示。燃烧器测试装置中的气流质量流量控制器由数据采集系统（NI USB-6353 DAQ）控制。中央供应单元包括一个旋流器、一个雾化器、一条燃料管线以及一个用于连接雾化器和燃料供应管的接头。
物理化学性质
基础燃料和混合物的物理化学性质在表3和表4中进行了量化。这些物理化学性质有助于确定它们是否适合用于燃烧应用。所有测量均符合ASTM-6751标准，这些标准专门用于表征生物柴油燃料。Jet A-1和FCOME在分子量上存在显著差异，FCOME的分子量大约增加了93.5%。
结论
本研究通过自制FCOME，并在大气压旋流稳定燃烧系统中研究了Jet A-1、FCOME及其混合物（B10、B20、B30、B40和B50）的燃烧和排放特性，整个研究过程中保持恒定的理论功率输出为2.9千瓦。FCOME的独特物理化学性质表现为较高的燃料流量和粘度，其火焰长度更长，燃烧更稳定。
CRediT作者贡献声明
Saurabh Singh：撰写初稿、进行调查、数据整理。Srinibas Karmakar：撰写、审稿与编辑、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢印度卡拉格普尔印度理工学院的航空航天工程系提供的支持和设施，使本研究得以顺利进行。
