航空非二氧化碳效應(yīng)分析及控制措施研究

楊曉軍　趙飛揚(yáng)　李春陽(yáng)

關(guān)鍵詞：非二氧化碳效應(yīng)；氣候變化；尾跡云；可持續(xù)航空燃料；氫能

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

航空是目前世界最重要的全球經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之一，航空排放的二氧化碳和非二氧化碳航空效應(yīng)導(dǎo)致氣候系統(tǒng)的變化。航空排放貢獻(xiàn)涉及一系列大氣物理過(guò)程，包括羽流動(dòng)力學(xué)、化學(xué)轉(zhuǎn)化、微觀物理學(xué)、輻射和運(yùn)輸。鑒于航空業(yè)對(duì)燃燒化石燃料的依賴，其顯著的二氧化碳和非二氧化碳影響，以及預(yù)計(jì)的機(jī)隊(duì)增長(zhǎng)，了解航空對(duì)當(dāng)今氣候強(qiáng)迫的影響程度至關(guān)重要。多年來(lái)，氣候的“輻射強(qiáng)迫”（RF）一直被聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）用作預(yù)期的全球平均地表溫度變化的有用指標(biāo)，大約5%的人為輻射強(qiáng)迫（RF）歸因于航空二氧化碳和非二氧化碳的影響。

1研究方法和數(shù)據(jù)分析

1.1計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)際民航組織（ICAO）國(guó)際民航公約附件16（第Ⅱ卷航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放物）的排放指標(biāo)數(shù)據(jù)和美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）設(shè)計(jì)的機(jī)場(chǎng)環(huán)境模型——排放和擴(kuò)散模擬系統(tǒng)（EDMS）是內(nèi)部數(shù)據(jù)。氮氧化物的總輻射強(qiáng)度與燃料的消耗量和氮氧化物的排放指數(shù)與時(shí)間成正比：

式（1）～式（4）中，EF為給定排放物和階段的飛機(jī)排放率，g/s；El為給定排放物和階段的排放系數(shù)，g/kg；FF為給定排放物和階段的燃油消耗率，kg/s。

使用BFFM2方法根據(jù)EI和燃料流量之間的對(duì)數(shù)關(guān)系對(duì)EI進(jìn)行插值的示例。燃油流量FF與氮氧化物的排放成正比而與nvPM顆粒物生成的氣溶膠和碳煙成反比。所以在控制非二氧化碳效應(yīng)所考慮的影響因素中，權(quán)衡所控制的排放物也是重要的因素之一。

1.3數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）國(guó)際民航組織（ICAO）國(guó)際民航公約附件16（第Ⅱ卷航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放物）的排放指標(biāo)數(shù)據(jù)。

（2）美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）設(shè)計(jì)的機(jī)場(chǎng)環(huán)境模型——排放和擴(kuò)散模擬系統(tǒng)（EDMS）。

（3）聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的關(guān)于航空非二氧化碳的數(shù)據(jù)。

（4） Lee等基于蒙特卡洛等模型對(duì)全球2000年-2018年航空非二氧化碳數(shù)據(jù)的估計(jì)。

2形成機(jī)理及影響因素分析

2.1形成機(jī)理

航空非二氧化碳效應(yīng)就是指排放中產(chǎn)生的非二氧化碳?xì)怏w、顆粒物、尾跡云等物質(zhì)通過(guò)與大氣產(chǎn)生反應(yīng)影響了氣候輻射強(qiáng)迫，從而導(dǎo)致溫度、海平面、冰／雪覆蓋、降水等氣候變化。航空非二氧化碳排放包括水蒸氣、SO₂煙塵顆粒和氮氧化物。

氮氧化物是由于目前的飛機(jī)主要使用化石基煤油作為能源，以化石為基礎(chǔ)的煤油（自然含有一些硫）在空氣（N₂+O₂）中的燃燒會(huì)導(dǎo)致二氧化碳、H₂O、N₂、O₂和SO₂的排放。燃燒過(guò)程也導(dǎo)致NO₂的排放，通過(guò)固定大氣中的氮和不完全CO和碳?xì)浠衔铮℉C）和煤煙的燃燒產(chǎn)物。

尾跡云是飛行后形成的線狀冰云。煙灰氣溶膠顆粒（nvPM）和水蒸氣排放形成尾跡，使水蒸氣凝結(jié)在煙灰氣溶膠顆粒上形成冰晶。是否形成尾跡取決于飛行高度以及大氣的溫度和濕度。隨著時(shí)間的推移，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的尾跡可以合并在一起形成吸熱的尾跡卷云，從而導(dǎo)致氣候變化。

2.2影響因素分析

航空燃料燃燒的產(chǎn)物通常分為兩類：直接排放和間接排放。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料燃燒為二氧化碳、氮氧化物、水蒸氣、顆粒物和相對(duì)少量的硫氧化物（SO_x）。這些排放物的生產(chǎn)與燃料消耗的直接耦合意味著它們都有一個(gè)恒定的El飛行階段。此外，在飛機(jī)排氣中產(chǎn)生間接排放，即氮的氧化物（NO_x=NO&二氧化氮）、一氧化碳（CO）、未燃燒的碳?xì)浠衔铮℉C）、顆粒物（PM）和微量水平的揮發(fā)性有機(jī)化合物（揮發(fā)性有機(jī)物）。因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)生條件不同，意味著它們的排放指數(shù)EI在整個(gè)飛行過(guò)程中都是可變的，這取決于飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)類型、發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件和周?chē)h(huán)境的大氣條件。

綜上分析，形成非二氧化碳效應(yīng)的氮氧化物和尾跡云可以通過(guò)控制排放指數(shù)（EI）、燃油流量（FF）、燃燒所用時(shí)間、權(quán)衡方法和飛機(jī)所飛行的氣象條件。其中排放指數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒設(shè)計(jì)、權(quán)衡方法有關(guān)，運(yùn)行時(shí)間和燃油流量可通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率和性能來(lái)進(jìn)行控制，氣象條件取決于飛機(jī)運(yùn)行中的航跡和高度。

3控制非二氧化碳的技術(shù)路徑

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

目前通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)控制非二氧化碳效應(yīng)的重點(diǎn)方向包括：推進(jìn)效率、空氣動(dòng)力學(xué)和減重。層流、翼尖裝置、機(jī)身形狀、新材料和減阻力都被整合到飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高燃油效率。NO₂和nvPM以及CO和HC的排放，主要取決于燃燒室的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方法。

根據(jù)ICAO關(guān)于Leap-1A26和Leap-1A32的LTO起飛等級(jí)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)和加大風(fēng)扇尺寸改變OPR（總壓力比）、FPR（風(fēng)扇壓力比）、BPR（涵道比）等發(fā)動(dòng)機(jī)重要參數(shù)，在同時(shí)使用大尺寸風(fēng)扇和低總壓力比的設(shè)計(jì)權(quán)衡之后，通過(guò)氮氧化物排放指數(shù)的降低，航空非二氧化碳效應(yīng)可下降12%～26%。（見(jiàn)圖3）

權(quán)衡方法：

（1）氮氧化量與特定燃料消耗：通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和／或推進(jìn)效率，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)在特定額定推力下的比燃料燃燒。在整個(gè)環(huán)形燃燒室設(shè)計(jì)中，由三種主要的方法來(lái)控制NO₂排放：富燃、快速淬熄、貧油燃燒（ RQL）。

（2）NO₂和nvPM：精益燃燒和先進(jìn)的RQL NO₂減少燃燒器技術(shù)可以顯著減少LTOnvPM的排放。

（3）提高燃料效率的氣動(dòng)力學(xué)和重量節(jié)約技術(shù)會(huì)同時(shí)減少氮氧化物和nvPM的排放。

3.2能源技術(shù)

燃料成分對(duì)非揮發(fā)性微粒物質(zhì)（nvPM）的排放有影響，航空燃料中的萘是一種芳香族化合物，是導(dǎo)致nvPM排放的主要因素。目前國(guó)內(nèi)外通過(guò)能源技術(shù)來(lái)降低非二氧化碳效應(yīng)主要包括使用SAF可持續(xù)航空燃料和氫能技術(shù)。

3.2.1 SAF可持續(xù)航空燃料

與傳統(tǒng)的基于化石燃料的煤油相比，來(lái)自生物廢物和殘留物的航空燃料（即生物燃料）往往天然含有較低水平的芳烴和硫。使用可持續(xù)的航空燃料（SAF）表明，由于其芳香族和硫含量較低，LTO和巡航中的nvPM排放有所減少。由于SAF的燃燒特性與傳統(tǒng)航煤類似（火焰溫度、速度），所以使用SAF燃料所產(chǎn)生的氮氧化物與傳統(tǒng)航煤的排放量保持不變。

Roger等人基于英國(guó)航空導(dǎo)航服務(wù)提供商（NATS）提供的北大西洋空中交通數(shù)據(jù)集、BADA數(shù)據(jù)庫(kù)、EDB飛機(jī)排放物數(shù)據(jù)庫(kù)和CoCiP尾跡云測(cè)算模型分析SAF混合量對(duì)于航空非二氧化碳效應(yīng)的影響。數(shù)據(jù)顯示在可持續(xù)燃料混合比例分別為0%、1%、10%、30%、50%、70%、100%的增加過(guò)程中，非二氧化碳效應(yīng)和航空總排放產(chǎn)生的氣候變化值（輻射強(qiáng)迫RF）不斷減少，非二氧化碳效應(yīng)輻射強(qiáng)迫值下降率分別為0%、0.48%、6.22%、19.78%、30.46%、37.96%、44.82%，并在SAF達(dá)到100%混合率的時(shí)候非二氧化碳效應(yīng)和航空業(yè)排放所造成的輻射強(qiáng)迫會(huì)分別下降44.82和48%。其中nvPM的排放指數(shù)值在SAF100%混合的情況下下降51.5%，減少了尾跡云對(duì)于非二氧化碳效應(yīng)的影響。（見(jiàn)圖4）

3.2.2氫能技術(shù)

Miguel等人使用AirClim模型評(píng)估了二氧化碳、NO_x、水和尾跡對(duì)氣候的影響，對(duì)比FAZMIG氫能飛機(jī)與傳統(tǒng)航煤飛機(jī)。經(jīng)過(guò)對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，煤油的NO_x排放量是氫氣排放量的三倍，由于氫能的燃油流量比傳統(tǒng)航煤多82%，EINO_x應(yīng)該在氫氣燃燒中減少25%。根據(jù)氫能燃料的特性.在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的水蒸氣排放，導(dǎo)致EI H₂O從傳統(tǒng)航煤的1.231 kg每燃燒千克燃料增加為9kg。但氫能燃燒會(huì)大大減少顆粒物nvPM的排放，對(duì)于低顆粒物排放的情況，如果晶體形成減少90%，輻射強(qiáng)迫總共可以減少69%。

權(quán)衡方法：

（1）可持續(xù)航空燃料以減少燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的煙塵顆粒排放降低了芳香烴和硫的含量。

（2）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)化石燃料進(jìn)行加氫處理來(lái)減少芳香烴和硫，也有可能改善排放特性。

3.2.3對(duì)比分析

3.2.3.1可持續(xù)航空燃料SAF

SAF可以通過(guò)降低尾跡引起的輻射影響，輻射強(qiáng)迫的降低源于生物燃料中芳烴含量的降低，這些芳香烴是造成顆粒物排放的直接因素。在SAF混合率在50%、100%的情況下航空非二氧化碳效應(yīng)可降低30.46%和44.82%。SAF的生產(chǎn)和使用有成本較高、供應(yīng)鏈建設(shè)和規(guī)模化生產(chǎn)等問(wèn)題，隨著技術(shù)進(jìn)步和政策支持，SAF的應(yīng)用前景較為樂(lè)觀。

3.2.3.2氫能技術(shù)

首先實(shí)現(xiàn)了零碳排放，燃燒特性決定了排放物主要有水蒸氣、氮氧化物和顆粒物。在航程同樣的情況下，氫能飛機(jī)可以通過(guò)降低氮氧化物和顆粒物的生成降低約69%的航空非二氧化碳效應(yīng)。安全性和規(guī)范制定、氫氣儲(chǔ)存和供應(yīng)鏈的可行性、成本效益和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等是氫能技術(shù)目前面臨的挑戰(zhàn)。（見(jiàn)表1）

對(duì)于控制航空非二氧化碳來(lái)說(shuō)，氫能技術(shù)的運(yùn)用會(huì)比SAF可持續(xù)航空燃料更為理想（如表1所示），但目前SAF的技術(shù)成熟度更高、基礎(chǔ)建設(shè)和實(shí)用性更強(qiáng)，SAF和氫能是互補(bǔ)的解決方案，各有其適用的場(chǎng)景和發(fā)展前景。（見(jiàn)圖5）

3.3運(yùn)行技術(shù)

巡航期間氮氧化物排放對(duì)氣候的總體影響取決于飛行高度和其他因素。目前通過(guò)運(yùn)行層面控制非二氧化碳效應(yīng)的技術(shù)手段主要是優(yōu)化航跡和根據(jù)不同航線制定不同的飛行計(jì)劃等措施。

3.3.1優(yōu)化飛行計(jì)劃

Yin等人評(píng)估和改善飛行計(jì)劃，分析方法主要包括：（1）將尾跡成本納入沿地面網(wǎng)絡(luò)的邊緣成本，用于實(shí)現(xiàn)橫向緩解作用；（2）沿飛行剖面進(jìn)行階梯式爬升和下降，可通過(guò)調(diào)整高度進(jìn)行控制；（3）結(jié)合橫向和高度變化，提供混合控制策略。通過(guò)飛行計(jì)劃的改變，通過(guò)額外2%～3%的燃料和飛行時(shí)間可以至少減少約50%的尾跡云產(chǎn)生。

3.3.2優(yōu)化航跡

Simorgh通過(guò)優(yōu)化4D飛機(jī)軌跡的降低經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)減輕尾跡形成的影響。該方法得到了國(guó)際現(xiàn)有的GPOPS優(yōu)化框架的驗(yàn)證，研究結(jié)果證實(shí)了垂直平面的軌跡調(diào)整優(yōu)于水平平面的軌跡調(diào)整的假設(shè)。數(shù)據(jù)表明，以不到2%的額外燃料燃燒，可以顯著減少排放帶來(lái)的非二氧化碳效應(yīng)。在忽略了風(fēng)的影響情況下，由尾跡云產(chǎn)生的氣候強(qiáng)迫的減少約為30%。Volker等人通過(guò)歐洲CCFs模型評(píng)估了每天大約400次飛越北大西洋的航班的85條不同路線，包括氣候影響和成本。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析通過(guò)優(yōu)化航跡會(huì)產(chǎn)生額外的燃料消耗，但是隨著航跡的優(yōu)化，航空非二氧化碳效應(yīng)所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫降低值會(huì)不斷增加。但由于優(yōu)化航跡產(chǎn)生額外燃料消耗達(dá)到8%時(shí)，航空非二氧化碳效應(yīng)所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫會(huì)下降22%。

權(quán)衡方法：通過(guò)改變水平或垂直的飛行路徑來(lái)避免飛行軌跡，通常會(huì)造成燃料燃燒的增加，需要進(jìn)一步的研究確定緩解方案，以確保氣候影響的全面減少。

4結(jié)論

文章通過(guò)分析ICAO附件16卷二關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放的標(biāo)準(zhǔn)，給出產(chǎn)生非二氧化碳效應(yīng)重要組成部分的計(jì)算公式，并基于IPCC歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；根據(jù)EASA關(guān)于非二氧化碳效應(yīng)的文件，研究了非二氧化碳的形成機(jī)理，并確定了重要影響因素，包括氮氧化物和尾跡云（nvPM、水蒸氣）；針對(duì)影響氮氧化物和尾跡云的排放指數(shù)EI、燃油流量和運(yùn)行時(shí)間的重要參數(shù)，給出能源技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、運(yùn)行方法三個(gè)方面的控制措施；通過(guò)對(duì)比分析得出目前通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和運(yùn)行方法、SAF100%使用、氫能技術(shù)三種路徑減少約20%～30%、48%、69%的航空非二氧化碳效應(yīng)。同時(shí)基于全壽命周期考慮，提供了權(quán)衡方法。