航空非二氧化碳效应分析及控制措施研究

杨晓军　赵飞扬　李春阳

关键词：非二氧化碳效应；气候变化；尾迹云；可持续航空燃料；氢能

中图分类号：X51 文献标志码：A

前言

航空是目前世界最重要的全球经济活动之一，航空排放的二氧化碳和非二氧化碳航空效应导致气候系统的变化。航空排放贡献涉及一系列大气物理过程，包括羽流动力学、化学转化、微观物理学、辐射和运输。鉴于航空业对燃烧化石燃料的依赖，其显著的二氧化碳和非二氧化碳影响，以及预计的机队增长，了解航空对当今气候强迫的影响程度至关重要。多年来，气候的“辐射强迫”（RF）一直被联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）用作预期的全球平均地表温度变化的有用指标，大约5%的人为辐射强迫（RF）归因于航空二氧化碳和非二氧化碳的影响。

1研究方法和数据分析

1.1计算方法

根据国际民航组织（ICAO）国际民航公约附件16（第Ⅱ卷航空发动机排放物）的排放指标数据和美国联邦航空局（FAA）设计的机场环境模型——排放和扩散模拟系统（EDMS）是内部数据。氮氧化物的总辐射强度与燃料的消耗量和氮氧化物的排放指数与时间成正比：

式（1）～式（4）中，EF为给定排放物和阶段的飞机排放率，g/s；El为给定排放物和阶段的排放系数，g/kg；FF为给定排放物和阶段的燃油消耗率，kg/s。

使用BFFM2方法根据EI和燃料流量之间的对数关系对EI进行插值的示例。燃油流量FF与氮氧化物的排放成正比而与nvPM颗粒物生成的气溶胶和碳烟成反比。所以在控制非二氧化碳效应所考虑的影响因素中，权衡所控制的排放物也是重要的因素之一。

1.3数据来源

（1）国际民航组织（ICAO）国际民航公约附件16（第Ⅱ卷航空发动机排放物）的排放指标数据。

（2）美国联邦航空局（FAA）设计的机场环境模型——排放和扩散模拟系统（EDMS）。

（3）联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的关于航空非二氧化碳的数据。

（4） Lee等基于蒙特卡洛等模型对全球2000年-2018年航空非二氧化碳数据的估计。

2形成机理及影响因素分析

2.1形成机理

航空非二氧化碳效应就是指排放中产生的非二氧化碳气体、颗粒物、尾迹云等物质通过与大气产生反应影响了气候辐射强迫，从而导致温度、海平面、冰／雪覆盖、降水等气候变化。航空非二氧化碳排放包括水蒸气、SO₂烟尘颗粒和氮氧化物。

氮氧化物是由于目前的飞机主要使用化石基煤油作为能源，以化石为基础的煤油（自然含有一些硫）在空气（N₂+O₂）中的燃烧会导致二氧化碳、H₂O、N₂、O₂和SO₂的排放。燃烧过程也导致NO₂的排放，通过固定大气中的氮和不完全CO和碳氢化合物（HC）和煤烟的燃烧产物。

尾迹云是飞行后形成的线状冰云。烟灰气溶胶颗粒（nvPM）和水蒸气排放形成尾迹，使水蒸气凝结在烟灰气溶胶颗粒上形成冰晶。是否形成尾迹取决于飞行高度以及大气的温度和湿度。随着时间的推移，持续时间更长的尾迹可以合并在一起形成吸热的尾迹卷云，从而导致气候变化。

2.2影响因素分析

航空燃料燃烧的产物通常分为两类：直接排放和间接排放。涡扇发动机的主要燃料燃烧为二氧化碳、氮氧化物、水蒸气、颗粒物和相对少量的硫氧化物（SO_x）。这些排放物的生产与燃料消耗的直接耦合意味着它们都有一个恒定的El飞行阶段。此外，在飞机排气中产生间接排放，即氮的氧化物（NO_x=NO&二氧化氮）、一氧化碳（CO）、未燃烧的碳氢化合物（HC）、颗粒物（PM）和微量水平的挥发性有机化合物（挥发性有机物）。因为它们的产生条件不同，意味着它们的排放指数EI在整个飞行过程中都是可变的，这取决于飞机的发动机类型、发动机的运行条件和周围环境的大气条件。

綜上分析，形成非二氧化碳效应的氮氧化物和尾迹云可以通过控制排放指数（EI）、燃油流量（FF）、燃烧所用时间、权衡方法和飞机所飞行的气象条件。其中排放指数与发动机的燃烧设计、权衡方法有关，运行时间和燃油流量可通过改善发动机运行效率和性能来进行控制，气象条件取决于飞机运行中的航迹和高度。

3控制非二氧化碳的技术路径

3.1发动机关键技术

目前通过发动机技术控制非二氧化碳效应的重点方向包括：推进效率、空气动力学和减重。层流、翼尖装置、机身形状、新材料和减阻力都被整合到飞机和发动机中的设计，以进一步提高燃油效率。NO₂和nvPM以及CO和HC的排放，主要取决于燃烧室的设计和运行方法。

根据ICAO关于Leap-1A26和Leap-1A32的LTO起飞等级数据分析，优化燃烧室设计和加大风扇尺寸改变OPR（总压力比）、FPR（风扇压力比）、BPR（涵道比）等发动机重要参数，在同时使用大尺寸风扇和低总压力比的设计权衡之后，通过氮氧化物排放指数的降低，航空非二氧化碳效应可下降12%～26%。（见图3）

权衡方法：

（1）氮氧化量与特定燃料消耗：通过提高发动机的热效率和／或推进效率，可以改善发动机在特定额定推力下的比燃料燃烧。在整个环形燃烧室设计中，由三种主要的方法来控制NO₂排放：富燃、快速淬熄、贫油燃烧（ RQL）。

（2）NO₂和nvPM：精益燃烧和先进的RQL NO₂减少燃烧器技术可以显著减少LTOnvPM的排放。

（3）提高燃料效率的气动力学和重量节约技术会同时减少氮氧化物和nvPM的排放。

3.2能源技术

燃料成分对非挥发性微粒物质（nvPM）的排放有影响，航空燃料中的萘是一种芳香族化合物，是导致nvPM排放的主要因素。目前国内外通过能源技术来降低非二氧化碳效应主要包括使用SAF可持续航空燃料和氢能技术。

3.2.1 SAF可持续航空燃料

与传统的基于化石燃料的煤油相比，来自生物废物和残留物的航空燃料（即生物燃料）往往天然含有较低水平的芳烃和硫。使用可持续的航空燃料（SAF）表明，由于其芳香族和硫含量较低，LTO和巡航中的nvPM排放有所减少。由于SAF的燃烧特性与传统航煤类似（火焰温度、速度），所以使用SAF燃料所产生的氮氧化物与传统航煤的排放量保持不变。

Roger等人基于英国航空导航服务提供商（NATS）提供的北大西洋空中交通数据集、BADA数据库、EDB飞机排放物数据库和CoCiP尾迹云测算模型分析SAF混合量对于航空非二氧化碳效应的影响。数据显示在可持续燃料混合比例分别为0%、1%、10%、30%、50%、70%、100%的增加过程中，非二氧化碳效应和航空总排放产生的气候变化值（辐射强迫RF）不断减少，非二氧化碳效应辐射强迫值下降率分别为0%、0.48%、6.22%、19.78%、30.46%、37.96%、44.82%，并在SAF达到100%混合率的时候非二氧化碳效应和航空业排放所造成的辐射强迫会分别下降44.82和48%。其中nvPM的排放指数值在SAF100%混合的情况下下降51.5%，减少了尾迹云对于非二氧化碳效应的影响。（见图4）

3.2.2氢能技术

Miguel等人使用AirClim模型评估了二氧化碳、NO_x、水和尾迹对气候的影响，对比FAZMIG氢能飞机与传统航煤飞机。经过对比之后发现，煤油的NO_x排放量是氢气排放量的三倍，由于氢能的燃油流量比传统航煤多82%，EINO_x应该在氢气燃烧中减少25%。根据氢能燃料的特性.在运行过程中会产生更多的水蒸气排放，导致EI H₂O从传统航煤的1.231 kg每燃烧千克燃料增加为9kg。但氢能燃烧会大大减少颗粒物nvPM的排放，对于低颗粒物排放的情况，如果晶体形成减少90%，辐射强迫总共可以减少69%。

权衡方法：

（1）可持续航空燃料以减少燃气轮机发动机的烟尘颗粒排放降低了芳香烃和硫的含量。

（2）通过对传统化石燃料进行加氢处理来减少芳香烃和硫，也有可能改善排放特性。

3.2.3对比分析

3.2.3.1可持续航空燃料SAF

SAF可以通过降低尾迹引起的辐射影响，辐射强迫的降低源于生物燃料中芳烃含量的降低，这些芳香烃是造成颗粒物排放的直接因素。在SAF混合率在50%、100%的情况下航空非二氧化碳效应可降低30.46%和44.82%。SAF的生产和使用有成本较高、供应链建设和规模化生产等问题，随着技术进步和政策支持，SAF的应用前景较为乐观。

3.2.3.2氢能技术

首先实现了零碳排放，燃烧特性决定了排放物主要有水蒸气、氮氧化物和颗粒物。在航程同样的情况下，氢能飞机可以通过降低氮氧化物和颗粒物的生成降低约69%的航空非二氧化碳效应。安全性和规范制定、氢气储存和供应链的可行性、成本效益和基础设施建设等是氢能技术目前面临的挑战。（见表1）

对于控制航空非二氧化碳来说，氢能技术的运用会比SAF可持续航空燃料更为理想（如表1所示），但目前SAF的技术成熟度更高、基础建设和实用性更强，SAF和氢能是互补的解决方案，各有其适用的场景和发展前景。（见图5）

3.3运行技术

巡航期间氮氧化物排放对气候的总体影响取决于飞行高度和其他因素。目前通过运行层面控制非二氧化碳效应的技术手段主要是优化航迹和根据不同航线制定不同的飞行计划等措施。

3.3.1优化飞行计划

Yin等人评估和改善飞行计划，分析方法主要包括：（1）将尾迹成本纳入沿地面网络的边缘成本，用于实现横向缓解作用；（2）沿飞行剖面进行阶梯式爬升和下降，可通过调整高度进行控制；（3）结合横向和高度变化，提供混合控制策略。通过飞行计划的改变，通过额外2%～3%的燃料和飞行时间可以至少减少约50%的尾迹云产生。

3.3.2优化航迹

Simorgh通过优化4D飞机轨迹的降低经济成本，同时减轻尾迹形成的影响。该方法得到了国际现有的GPOPS优化框架的验证，研究结果证实了垂直平面的轨迹调整优于水平平面的轨迹调整的假设。数据表明，以不到2%的额外燃料燃烧，可以显著减少排放带来的非二氧化碳效应。在忽略了风的影响情况下，由尾迹云产生的气候强迫的减少约为30%。Volker等人通过欧洲CCFs模型评估了每天大约400次飞越北大西洋的航班的85条不同路线，包括气候影响和成本。通过数据对比分析通过优化航迹会产生额外的燃料消耗，但是随着航迹的优化，航空非二氧化碳效应所产生的辐射强迫降低值会不断增加。但由于优化航迹产生额外燃料消耗达到8%时，航空非二氧化碳效应所产生的辐射强迫会下降22%。

权衡方法：通过改变水平或垂直的飞行路径来避免飞行轨迹，通常会造成燃料燃烧的增加，需要进一步的研究确定缓解方案，以确保气候影响的全面减少。

4结论

文章通过分析ICAO附件16卷二关于航空发动机排放的标准，给出产生非二氧化碳效应重要组成部分的计算公式，并基于IPCC历史数据进行分析；根据EASA关于非二氧化碳效应的文件，研究了非二氧化碳的形成机理，并确定了重要影响因素，包括氮氧化物和尾迹云（nvPM、水蒸气）；针对影响氮氧化物和尾迹云的排放指数EI、燃油流量和运行时间的重要参数，给出能源技术、发动机技术、运行方法三个方面的控制措施；通过对比分析得出目前通过发动机技术和运行方法、SAF100%使用、氢能技术三种路径减少约20%～30%、48%、69%的航空非二氧化碳效应。同时基于全寿命周期考虑，提供了权衡方法。