【文献解读】Energy & Fuels: 包含氢饱和的单萜和合成生物煤油的高性能生物基喷气燃料混合物

背景介绍

石油基喷气燃料的研究历史悠久，但是燃料性质不尽满意。其中芳烃含量通常控制在小于25%，芳烃导致热能低、颗粒物排放等，而且化石燃料排放导致海水酸化和全球气候变暖。为应对这些环境问题，亟待需要发展可替代的生物基喷气燃料。现有的生物基燃料比较成熟的如费托合成石蜡煤油(FT SPK)、加氢酯和脂肪酸(HEFA)、以及直接发酵的碳氢化合物(DFHC)。但其能量密度低、高温热稳定性差、存储不稳定性等。而环状化合物可以提供更大的密度，粘度也能满足要求，并能提供类似芳烃的溶胀效果，环状化合物的这些性质给出了混合物研究的动机。

基于最近对于生物质高密度燃料研究的报道，如萜烯、JP-10、RJ-4以及生物基燃料混合物，美国国防部Harvey等人以萜烯单环和双环如蒎烯和柠檬烯、合成石蜡油如HEFA-Jet, 5-甲基十一烷 (5-MU), 2,6-二甲基辛烷 (DMO)，以及JP-10和RJ-4为原料，通过加氢得到饱和烷烃，以Jet-A为标准，探究各种环状烷烃和链烷烃、RJ-4、JP-10混合物的燃料性能，明确燃料中环结构对燃料性质的影响。其中单萜是造纸工业生产的粗硫酸松节油和松节油的重要组成部分，松节油也很容易从松树上获得。世界各地的研究人员正在积极开发利用生物代谢工程生产单萜，以摆脱传统的松节油来源。加氢后，蒎烷包含一个六元环和一个四元环，桧烷包含五元环和三元环，薄荷烷是单环。JP-10和RJ-4是三环化合物，合成石蜡油基本是单环烷和链烷烃。所研究化合物的性质如下（table），可以得到的结论是化合物的净体积燃烧热值和密度变化趋势类似；三环密度最高低温粘度也大；合成石蜡航煤密度低低温粘度高；单环烷烃的净体积燃烧热值较高，低温粘度较低；链烷烃和单环烷烃的净质量燃烧热值高。

图文解读

为了能够达到发动机和制造商要求的密度和粘度标准，以Jet-A为比较标准，作者通过将几种烷烃混合（图1），测试并比较其性质得到以下结论：（1） SPKs粘度高，只能和薄荷烷、桧烷、蒎烷混合达标。（2）薄荷烷密度较高，可以和SPKs、HEFA、5-MU混合，不可以和DMO混合。（3）四氢桧烷密度很低，当与密度不高的物质混合时，为了达到0.775 g/mL的密度时，粘度往往不达标。（4）蒎烷密度较高，可以和HEFA、5-MU、DMO混合达到密度标准0.775 g/mL，但受粘度限制，和高粘度的HEFA、SPKs混合尤其要考虑粘度的限制。（5）JP-10和RJ-4均是三环高密度高粘度烷烃，少量加入即可以提高其它烷烃的密度，但是粘度需要控制。总之，通过调整混合物体积比，可以优化燃料的各项性质。环状物质可以提高混合物的密度、SPKs可以保持较高的燃烧热值和粘度。当20V%蒎烷和80V%5-MU混合时，质量净燃烧热值可以比Jet-A的下限高2.1%。当50V%JP-10和50%DMO混合时，体积净燃烧热值比Jet-A的下限高8.7%。

图1各烷烃混合及性质达标情况

总结

总之，通过混合可以达到调控燃料性质的目标，制备出各项性质较好的高性能燃料，饱和烷烃替代芳烃可以增加燃烧热值并且减少颗粒物排放。然而，混合环烷烃对于发动机弹性体等的影响还要进一步研究。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.0c00274

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