民航飛機(jī)起飛過(guò)程細(xì)粒子排放特征

韓 博,劉雅婷,陳 鑫,任 強(qiáng),魏志強(qiáng)*(.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院,天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 0000；.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 0007；.天津航空有限責(zé)任公司飛行部,天津 0000)

民航飛機(jī)起飛過(guò)程細(xì)粒子排放特征

韓 博1,2,劉雅婷2,陳 鑫3,任 強(qiáng)1,魏志強(qiáng)1*(1.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院,天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300；2.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071；3.天津航空有限責(zé)任公司飛行部,天津 300300)

選擇B737-800作為典型機(jī)型,基于BM2-FOA耦合模型,通過(guò)對(duì)飛機(jī)性能參數(shù)的模擬,獲得了其在全推力和減推力等多種方式下,起飛離場(chǎng)爬升至1000m高度過(guò)程中每一時(shí)刻PM2.5的排放指數(shù),并計(jì)算了精確排放量.同時(shí)研究了燃油含硫量對(duì)細(xì)粒子排放量的影響,分析了不同組分對(duì)PM2.5排放的貢獻(xiàn)率,并將計(jì)算結(jié)果與ICAO基準(zhǔn)參數(shù)的估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明,各種方式中PM2.5排放指數(shù)的差異主要存在于地面起飛段.其中,全推力起飛方式下,非揮發(fā)性組分和揮發(fā)性有機(jī)組分排放指數(shù)最高,因此一次起飛過(guò)程 PM2.5排放總量最高,約為37.6g(普通燃油).使用減推力起飛后,PM2.5排放量降至36.7～35.5g.使用高硫燃油時(shí),PM2.5排放量約升高150%.經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),將ICAO的基準(zhǔn)參數(shù)直接用于 FOA方法,對(duì) PM2.5排放量的估算結(jié)果偏差較大.與機(jī)動(dòng)車相比,使用普通燃油和高硫燃油的一次全推力正常起飛過(guò)程,PM2.5排放量分別約等于一輛國(guó)Ⅳ輕型汽油車行駛2984km和7294km.精確計(jì)算方法為編制機(jī)場(chǎng)區(qū)域飛機(jī)污染排放清單提供基礎(chǔ).

飛機(jī)；起飛；細(xì)粒子；排放特征；波音737

環(huán)境空氣中的 PM2.5,可顯著降低大氣能見(jiàn)度,改變?cè)频男纬蛇^(guò)程,對(duì)氣候變化產(chǎn)生影響[1-3];同時(shí),PM2.5可直接通過(guò)人體呼吸道在肺部沉積,部分粒徑更小的 PM可進(jìn)入血液循環(huán),引起心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)疾病,影響人體健康[4-7].民航大型客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī),以航空煤油為燃料,燃燒后會(huì)排放大量顆粒物.這些顆粒物在空氣動(dòng)力學(xué)直徑30nm和100nm呈現(xiàn)雙峰形式的分布特征.因此,飛機(jī)排放的顆粒物主要為PM2.5[8-9].相對(duì)于高空巡航階段,飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)起飛著陸時(shí)飛行高度低.特別是起飛過(guò)程,發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大推力狀態(tài),且耗油量大,此時(shí)排放的 PM2.5可對(duì)人體健康和城市大氣環(huán)境,產(chǎn)生更重要的影響[10-15].

國(guó)際民航組織(ICAO)研究開(kāi)發(fā)了飛機(jī)起降(LTO)循環(huán)基準(zhǔn)排放模型用于機(jī)場(chǎng)排放清單估算,并提供了部分基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)[16],但并缺少顆粒物排放指數(shù)[17].為此,ICAO 建立了 FOA(first order approximation)方法,基于煙度 SN 計(jì)算PM2.5排放指數(shù)[8,18].國(guó)內(nèi)關(guān)于民航飛行活動(dòng)的污染排放研究[19-24],大部分使用了ICAO的基準(zhǔn)模型,直接模擬機(jī)場(chǎng)氣態(tài)污染物排放情況.國(guó)外學(xué)者[25-27]通過(guò)在機(jī)場(chǎng)測(cè)定飛機(jī)污染物排放指數(shù)發(fā)現(xiàn),實(shí)際運(yùn)行中的污染物排放指數(shù)與ICAO提供的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)在較大差異.主要原因是選擇不同的起飛方式，以及飛行高度改變后,燃油流量FF和排放指數(shù)EI均發(fā)生改變.同時(shí),ICAO基準(zhǔn)模型所使用的固定飛行時(shí)間是基于 70年代機(jī)型起降時(shí)間統(tǒng)計(jì)而來(lái),與當(dāng)前使用的主流機(jī)型飛行時(shí)間差異大,導(dǎo)致基準(zhǔn)排放模型估算結(jié)果存在較大偏差[19,28-30].

截至2014年,我國(guó)客機(jī)的總架數(shù)為2198架.其中,波音 737-800(下文簡(jiǎn)稱 B738)是數(shù)量最高的機(jī)型,比例超過(guò) 30%.在北上廣深機(jī)場(chǎng)中 B737系列機(jī)型的起降數(shù)量約在40%左右.因此,本文選擇 B738作為典型機(jī)型,通過(guò)飛機(jī)性能模型模擬其在多種不同起飛方式下,每一時(shí)刻的飛行參數(shù),進(jìn)而基于 BM2-FOA耦合模型計(jì)算獲得每一時(shí)刻 PM2.5真實(shí)排放指數(shù),重點(diǎn)研究了起飛全過(guò)程的 PM2.5排放量,分析了主要組分對(duì)起飛過(guò)程細(xì)粒子排放的貢獻(xiàn).同時(shí),評(píng)估了燃油含硫量對(duì)PM2.5排放量的影響,并與使用ICAO基準(zhǔn)參數(shù)估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以期為制定機(jī)場(chǎng)顆粒物排放清單和民航節(jié)能減排提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)

對(duì)于 B738機(jī)型常見(jiàn)的選裝發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為CFM56-7B26,計(jì)算所需部分基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù),來(lái)自ICAO數(shù)據(jù)庫(kù),見(jiàn)表1.

表1 CFM56-7B26發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)Table 1 Standard emission parameters of CFM56-7B26

1.2 真實(shí)飛行參數(shù)模擬

本文研究的飛機(jī)起飛過(guò)程,是指從跑道頭開(kāi)始,起飛滑跑并爬升至離地面1000m的飛行過(guò)程,包括了地面起飛段和空中爬升段.真實(shí)條件下,起飛方式包括全推力正常起飛和減推力起飛.正常起飛時(shí),飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力為最大推力狀態(tài).而當(dāng)飛機(jī)重量較低時(shí),可以使用略小的推力起飛,即減推力起飛.靈活溫度法是目前大型民航飛機(jī)最常見(jiàn)的減推力起飛方式,即在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置中選擇一個(gè)更高的溫度參數(shù),來(lái)減小發(fā)動(dòng)機(jī)的推力,達(dá)到延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)部件壽命、提高運(yùn)行可靠性及降低噪音的目的.

選擇不同的起飛方式,以及伴隨起飛爬升過(guò)程的高度變化,由于溫度、氣壓等大氣環(huán)境條件的改變,飛行參數(shù)也將變化,最終影響污染排放量.因此,直接使用基準(zhǔn)排放數(shù)(表1)將使估算結(jié)果存在偏差.而飛機(jī)制造商的飛機(jī)性能軟件,可以準(zhǔn)確模擬不同起飛方式下的飛行參數(shù).因此,本文使用波音公司BCOP(Boeing Climbout Program)軟件,計(jì)算飛機(jī)的起飛離場(chǎng)參數(shù),包括起飛過(guò)程各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的地面距離、幾何高度、氣壓高度、溫度、馬赫數(shù)、燃油流量、總推力等.軟件所選計(jì)算條件為飛機(jī)機(jī)型:B738;發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào):CFM56-7B26;外界溫度:20℃;起飛方式:全推力正常起飛和減推力起飛(靈活溫度:30、40、50、60℃).

1.3 基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)修正

SN和HC排放指數(shù)EIHC,是FOA方法估算PM2.5排放指數(shù)EIPM的基礎(chǔ).而ICAO數(shù)據(jù)庫(kù)中的基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)(表 1),僅限定于 4種固定推力下,和實(shí)際情況不符.因此,為精確計(jì)算排放量,需要根據(jù)每一時(shí)刻飛行參數(shù)和外界大氣條件進(jìn)行修正.首先根據(jù)表 1中燃油流量 FF0與 SN、EIHC0數(shù)據(jù),分別進(jìn)行雙線性擬合,建立 FF0-SN 和FF0-EIHC0擬合曲線.

對(duì)于飛行中的實(shí)際HC排放指數(shù)EIHC,參考BM2(Boeing Method 2)模型[31],需要將BCOP計(jì)算得到的飛機(jī)某時(shí)刻的實(shí)際燃油流量FF換算成基準(zhǔn)條件(ISA、0m)下的基準(zhǔn)燃油流量FF0,即:

式中:FF為實(shí)際燃油流量,kg/s;δ為外界氣壓與ISA、海平面的氣壓P0之比,無(wú)量綱;θ為外界溫度與288K之比,無(wú)量綱;M為飛行馬赫數(shù),無(wú)量綱.

再將(1)式計(jì)算出的某時(shí)刻的基準(zhǔn)燃油流量FF0,代入FF0-EIHC0擬合曲線,即可獲得出當(dāng)前的HC基準(zhǔn)排放指數(shù)EIHC0.最后,使用(2)式將基準(zhǔn)排放指數(shù)轉(zhuǎn)換為考慮實(shí)際飛行參數(shù)和大氣環(huán)境條件影響的修正后的實(shí)際排放指數(shù)EIHC.

式中: EIHC0為HC基準(zhǔn)排放指數(shù),g/kg;δ為外界氣壓與ISA、海平面的氣壓P0之比,無(wú)量綱;θ為外界溫度與288K之比,無(wú)量綱.

1.4 PM2.5排放指數(shù)及排放量計(jì)算

基于FOA3.0方法,估算起飛過(guò)程PM2.5的排放指數(shù)EIPM.該方法通過(guò)對(duì)揮發(fā)性和非揮發(fā)性組分細(xì)粒子分別進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而得到比較精確的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)PM2.5排放指數(shù).

首先,將通過(guò)(1)計(jì)算得到的飛機(jī)某時(shí)刻的基準(zhǔn)燃油流量 FF0,代入 FF0-SN曲線,獲取該時(shí)刻SN值.其后,非揮發(fā)性組分排放指數(shù)EIPMnvol,通過(guò)(3)式計(jì)算.

式中:SN為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙度,無(wú)量綱;AFR為空氣燃料比,無(wú)量綱.

揮發(fā)性細(xì)粒子組分包括燃油中的有機(jī)組分和含硫組分,其中揮發(fā)性有機(jī)組分排放指數(shù)EIPMvol–O計(jì)算方法為:

式中:δ為FOA3.0方法測(cè)試特定發(fā)動(dòng)機(jī)EIPMvol–O和 EIHC比值,mg/kg;EIHC為發(fā)動(dòng)機(jī) HC排放指數(shù),g/kg.

揮發(fā)性含硫組分排放指數(shù) EIPMvol–S計(jì)算方法如式(5).

式中:FSC為燃油含硫量質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%;ε為硫轉(zhuǎn)化效率,%.

FOA3.0方法中,硫轉(zhuǎn)化效率 ε的默認(rèn)值為2.4%.燃油含硫量 FSC默認(rèn)值為 0.068%[8],基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而來(lái).目前 CFM56等大型商業(yè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用JET A-1型航空煤油,其含硫量在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[32]中最大限制為 0.3%,但通常航煤含硫量低于此值.因此在本研究中分別使用燃油含硫量0.3%(高硫燃油)和 0.068%(普通燃油),作為 FSC數(shù)值,進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,以評(píng)估含硫組分細(xì)粒子排放量最大和常態(tài)的情況.此時(shí),通過(guò)計(jì)算EIPMvol–S為常數(shù),數(shù)值為 216.0mg/kg(高硫燃油)和49.0mg/kg(普通燃油).

最后,依據(jù)(6)式計(jì)算總PM2.5排放指數(shù).

式中: EIPM為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)PM2.5排放指數(shù),mg/kg.

最后,結(jié)合軟件直接輸出的燃油流量數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)排放量計(jì)算以及完整起飛離場(chǎng)階段PM2.5排放總量EPM的積分計(jì)算.

式中:n為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù),臺(tái);t為飛行時(shí)間,s;FFt為 t時(shí)間的單發(fā)燃油流量,kg/s;EIPMt為發(fā)動(dòng)機(jī)在第 t時(shí)間的PM2.5排放指數(shù),mg/kg.

2 結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)計(jì)算,獲取了 B738飛機(jī)在全推力和減推力起飛方式下,完整起飛過(guò)程的飛行參數(shù).各種方式起飛過(guò)程飛行時(shí)間和耗油量的精確計(jì)算結(jié)果,及與ICAO基準(zhǔn)模型估算結(jié)果對(duì)比,見(jiàn)表2.總體上,雖然選擇了減推力起飛方式后,發(fā)動(dòng)機(jī)推力降低,燃油流量 FF降低,但由于完成起飛過(guò)程的時(shí)間增加較多,因此總耗油量增加.但所有方式下的總飛行時(shí)間和耗油量,均低于 ICAO基準(zhǔn)模型給出對(duì)應(yīng)參數(shù)和耗油量估算結(jié)果.

表2 各種起飛方式飛行時(shí)間及耗油量分析Table 2 Flight time and fuel consumption analysis

2.1 非揮發(fā)性組分排放指數(shù)EIPMnvol

非揮發(fā)性組分排放指數(shù)EIPMnvol及發(fā)動(dòng)機(jī)推力,隨高度的變化見(jiàn)圖1.非揮發(fā)性顆粒物,也常稱為煙灰(soot),主要成分是黑炭,同時(shí)包括痕量金屬元素及其他無(wú)機(jī)組分.總體上 EIPMnvol數(shù)值,伴隨起飛高度的升高,呈現(xiàn)下降趨勢(shì),與推力隨高度的變化趨勢(shì)基本一致.

圖1 起飛過(guò)程非揮發(fā)性細(xì)粒子排放指數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)推力Fig.1 Nonvolatile PM2.5emission indices and engine thrust of takeoff

飛機(jī)在起飛過(guò)程中,當(dāng)起飛至 350m高度左右,推力值出現(xiàn)較大改變,在此轉(zhuǎn)換高度前飛行時(shí)為地面起飛段,使用起飛推力.因此,根據(jù)圖1可知,選擇全推力或減推力等不同起飛方式的發(fā)動(dòng)機(jī)推力差異,以及對(duì)排放指數(shù)的影響主要存在于地面起飛段.FOA3.0方法基于SN計(jì)算非揮發(fā)性組分排放指數(shù),而SN值與推力呈正相關(guān).因此在地面起飛段,全推力正常起飛方式下,EIPMnvol值最高,約為62.2～60.7mg/kg.若采用減推力方式起飛,伴隨選取的靈活溫度升高,發(fā)動(dòng)機(jī)推力及 SN值降低,因此 EIPMnvol值也在下降.選擇30、40、50和60℃靈活溫度起飛時(shí),非揮發(fā)性組分排放指數(shù)分別為 59.1～57.5、54.5～52.9、50.1～48.5和45.6～44.1mg/kg.在地面起飛段,各起飛方式的EIPMnvol值隨高度上升下降約1.6mg/kg.

在350m轉(zhuǎn)換高度后,飛機(jī)轉(zhuǎn)入空中爬升段,此時(shí)所有起飛方式均由使用起飛推力,改為最大連續(xù)推力 MCL,繼續(xù)飛行至 1000m高度完成全部起飛過(guò)程.因此,在空中爬升段,各起飛方式下的非揮發(fā)性組分排放指數(shù)EIPMnvol非常接近.其中,全推力起飛方式在轉(zhuǎn)換高度后 EIPMnvol值下降;而選擇了 40、50和 60℃靈活溫度的起飛方式,EIPMnvol值則出現(xiàn)升高.在 350m 爬升起始點(diǎn)EIPMnvol為56.7～56.9mg/kg,在1000m爬升結(jié)束點(diǎn)為 53.7～53.9mg/kg.由于全推力和減推力起飛方式在地面起飛段的推力、飛行時(shí)間及耗油量不同,在空中爬升段的起始點(diǎn)的初始飛行條件也不完全相同,因此在空中爬升段雖然使用相同 MCL推力,但排放指數(shù)會(huì)存在微小的差異.

2.2 揮發(fā)性組分排放指數(shù)EIPMvol

揮發(fā)性顆粒物,包括揮發(fā)性含硫組分和揮發(fā)性有機(jī)組分.其中,由于揮發(fā)性含硫組分細(xì)粒子排放主要來(lái)自燃油中的含硫物質(zhì),其排放與發(fā)動(dòng)機(jī)推力無(wú)關(guān).因此當(dāng)燃油含硫量一定時(shí),排放指數(shù)為常數(shù).基于高硫燃油和普通燃油的含硫量差異,通過(guò)計(jì)算獲得EIPMvol–S分別為216.0和49.0mg/kg.不同起飛方式下,揮發(fā)性有機(jī)組分排放指數(shù)EIPMvol–O,隨高度變化見(jiàn)圖2.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,揮發(fā)性有機(jī)組分排放指數(shù)EIPMvol–O,隨高度呈下降趨勢(shì).FOA3.0 計(jì)算EIPMvol–S的系數(shù)δ,來(lái)自特定測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)EIPMvol–O與EIHC排放指數(shù)的比值,該系數(shù)與推力呈正相關(guān).因此,計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)與圖1推力-高度的變化一致.

圖2 起飛過(guò)程揮發(fā)性有機(jī)細(xì)粒子排放指數(shù)Fig.2 Volatile organic PM2.5emission indices of takeoff

在地面起飛段,全推力正常起飛方式下,揮發(fā)性有機(jī)組分排放指數(shù) EIPMvol–O數(shù)值最高,約為11.1～10.5mg/kg.而使用減推力方式起飛,選擇更高的靈活溫度后,EIPMvol–O值逐漸降低.如在選擇60℃靈活溫度起飛時(shí),EIPMvol–O最低,約為 4.1～3.5mg/kg.各種方式下,地面起飛至轉(zhuǎn)換高度前,揮發(fā)性有機(jī)組分排放指數(shù)均降低約 0.6mg/kg,與推力降低有關(guān).

在空中爬升段,到達(dá)轉(zhuǎn)換高度后,在爬升起始點(diǎn)所有飛行方式均使用 MCL推力,因此,揮發(fā)性有機(jī)組分排放指數(shù)趨于一致.其中全推力起飛方式在此高度EIPMvol–O值出現(xiàn)降低.而選擇40、50和 60℃靈活溫度的減推力起飛過(guò)程,在此高度EIPMvol–O值升高.在爬升起始點(diǎn) EIPMvol–O值約為8.7mg/kg,結(jié)束點(diǎn)降至7.6mg/kg.伴隨高度升高,空氣密度降低,發(fā)動(dòng)機(jī)推力值逐漸降低,因此EIPMvol–O值也逐漸減小.

2.3 起飛過(guò)程PM2.5排放量

經(jīng)過(guò)計(jì)算,不同起飛方式下,PM2.5排放總量,以及選擇不同類型燃油對(duì)顆粒物排放量的影響,見(jiàn)圖3.

在使用普通燃油的起飛過(guò)程中,全推力正常起飛方式下,PM2.5總排放量,約為37.6g.在使用減推力方式后,起飛 PM2.5排放量呈下降趨勢(shì).選擇30、40、50和 60℃靈活溫度時(shí),PM2.5排放量分別為36.7、35.9、35.7和35.5g,排放量略有降低.雖然減推力起飛導(dǎo)致耗油量增加(表2),但在地面起飛段,使用更高的靈活溫度減推力后,EIPMnvol和EIPMvol–O隨之降低,因此PM2.5排放量出現(xiàn)較小幅度的下降.

圖3 各種起飛方式PM2.5排放量Fig.3 PM2.5emissions of different takeoff processes

在使用高硫燃油的起飛過(guò)程中,PM2.5排放量相比使用普通燃油增加較多.全推力起飛方式,細(xì)粒子排放量最高,約為 91.9g.而在使用減推力方式起飛后,選擇更高的靈活溫度,PM2.5排放量先降低后升高.其中,選擇 40℃起飛時(shí),排放量為89.7g,低于其他起飛方式PM2.5排放量.選擇其他靈活溫度時(shí),PM2.5排放量均超過(guò)了90.0g.一方面,高硫燃油 EIPMvol–S高,含硫組分顆粒物排放量大.另一方面,減推力起飛后,EIPMnvol和EIPMvol–O也降低,而總耗油量卻升高(表2),因此PM2.5的總排放量的變化受到雙重影響.

對(duì)比發(fā)現(xiàn),在使用了高硫燃油后,起飛過(guò)程的細(xì)粒子排放總量,比使用普通燃油的排放量,平均升高約 150%.并且,選擇更高的靈活溫度減推力方式后,PM2.5排放增加量更大,顯示出燃油含硫量對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放量的重要影響.

2.4 各組分對(duì)PM2.5排放貢獻(xiàn)

在使用普通燃油時(shí),各組分對(duì)起飛過(guò)程PM2.5排放總量的貢獻(xiàn)率,見(jiàn)圖 4.此時(shí),非揮發(fā)性組分是飛機(jī)排放細(xì)粒子中貢獻(xiàn)最高的組分,而揮發(fā)性含硫組分也非常重要.在全推力起飛方式下,非揮發(fā)性組分貢獻(xiàn)率達(dá) 49.8%.選擇減推力方式后,非揮發(fā)性組分占比略有降低,約為 49.5%～48.0%.此時(shí),揮發(fā)性含硫組分貢獻(xiàn)率逐漸上升,由正常起飛方式下 42.3%升高至 46.1%(靈活溫度60℃).此外,揮發(fā)性有機(jī)組分,在幾種起飛方式下,對(duì)排放量貢獻(xiàn)率較低,約為7.9%～5.9%.全推力起飛時(shí),EIPMnvol和 EIPMvol-O最高.在減推力方式下,選擇更高的靈活溫度后,EIPMnvol和EIPMvol-O降低,而EIPMvol-S不變,且總耗油量增加,因此揮發(fā)性含硫組分對(duì)PM2.5排放的貢獻(xiàn)率逐漸升高.

圖4 各種起飛方式PM2.5各組分排放貢獻(xiàn)率(普通燃油)Fig.4 Components contributions to PM2.5emissions of different takeoff processes (low-sulfur fuel)

使用高硫燃油起飛,不同方式中 3種組分對(duì)PM2.5排放的貢獻(xiàn),見(jiàn)圖 5.此時(shí),揮發(fā)性含硫組分的貢獻(xiàn)率顯著升高,成為貢獻(xiàn)率最高的組分.其中,在全推力起飛過(guò)程中,揮發(fā)性含硫組分貢獻(xiàn)率為76.4%.隨后,在減推力方式下,由于耗油量在逐漸升高,而EIPMvol-S不變且EIPMnvol和EIPMvol-O降低.因此選擇更高的靈活溫度后,揮發(fā)性含硫組分貢獻(xiàn)率逐漸升高,在 60℃起飛時(shí),貢獻(xiàn)率達(dá) 79.1%.而同時(shí),非揮發(fā)性組分在全推力起飛時(shí)對(duì) PM2.5排放的貢獻(xiàn)率,約為 20.4%,高于其在減推力方式起飛過(guò)程中的排放貢獻(xiàn)率.選擇更高的靈活溫度減推力起飛時(shí),EIPMnvol值逐漸下降,使非揮發(fā)性組分對(duì)細(xì)粒子貢獻(xiàn)率逐漸降低,約為 20.1%～18.6%.對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)組分,在使用高硫燃油后,對(duì)起飛階段 PM2.5總排放的貢獻(xiàn)率進(jìn)一步降低,約為3.2%～2.3%.

圖5 各種起飛方式PM2.5各組分排放貢獻(xiàn)率(高硫燃油)Fig.5 Components contributions to PM2.5emissions of different takeoff processes (high-sulfur fuel)

2.5 與ICAO基準(zhǔn)參數(shù)估算結(jié)果對(duì)比

對(duì)于B738機(jī)型,將ICAO基準(zhǔn)參數(shù)直接用于FOA方法,估算起飛過(guò)程顆粒物的排放結(jié)果,與本文使用飛機(jī)性能模型和 BM2-FOA耦合模型聯(lián)用的精確排放量計(jì)算結(jié)果的相對(duì)偏差,見(jiàn)表 3.可發(fā)現(xiàn),如使用ICAO基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行估算,污染物排放量存在較大的偏差.

其中,使用普通燃油時(shí)ICAO估算PM2.5排放量為43.9g.此結(jié)果將各方式起飛過(guò)程PM2.5排放量高估約 16.8%～23.6%.在使用了更高的靈活溫度減推力起飛后,ICAO基準(zhǔn)參數(shù)估算結(jié)果偏差增大.對(duì)于高硫燃油,使用ICAO基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行排放量的估算,結(jié)果約為52.6g.與修正參數(shù)后的FOA方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比,此基準(zhǔn)參數(shù)估算結(jié)果,將各種起飛方式顆粒物排放量高估約14.5～15.0%.

表3 ICAO基準(zhǔn)參數(shù)估算與耦合模型結(jié)果的相對(duì)偏差Table 3 Relative deviation of results calculated by ICAO standard model and coulping model

由于 ICAO基準(zhǔn)參數(shù)使用較長(zhǎng)的起飛過(guò)程總時(shí)間,造成總耗油量偏高.同時(shí),使用固定的 SN及 HC排放指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,也沒(méi)有考慮每一時(shí)刻燃油流量的變化,因此導(dǎo)致結(jié)果偏差較大.

2.6 與機(jī)動(dòng)車排放情況對(duì)比

以B738機(jī)型起飛過(guò)程PM2.5排放量最高的全推力方式為例.根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)[33],某二線城市調(diào)查結(jié)果估算,排量2.0L以下的國(guó)Ⅳ型輕型汽油車,以平均行駛速度38km/h條件,PM2.5綜合排放因子為 0.0126g/km.日均行駛里程約 55km,估算該輕型汽油車 PM2.5日排放量約為 0.7g.依據(jù)此數(shù)據(jù),B738飛機(jī),在機(jī)場(chǎng)區(qū)域使用普通燃油和高硫燃油的一次全推力正常起飛過(guò)程,PM2.5排放量分別約等于一輛輕型汽油車行駛2984km和7294km,或分別相當(dāng)于54和132輛此型車單日的排放量.

在2016年4月,北京、廣州兩機(jī)場(chǎng),B737系列機(jī)型,單日起飛數(shù)量分別為311和203架次.假定使用高硫燃油,單日的僅 B737系列機(jī)型起飛過(guò)程排放的PM2.5即相當(dāng)于4.13萬(wàn)輛和2.70萬(wàn)輛輕型汽油車的單日排放量.

3 結(jié)論

3.1 利用飛機(jī)性能模型,并基于BM2-FOA耦合模型,計(jì)算了 B738機(jī)型所有起飛方式,在起飛高度、飛行參數(shù)變化后的PM2.5主要組分排放指數(shù)的變化情況.結(jié)果發(fā)現(xiàn),選擇不同的起飛方式對(duì)細(xì)粒子排放指數(shù)的影響主要存在于地面地飛段.其中,全推力起飛方式,EIPMnovl和 EIPMvol-O最高.減推力起飛方式,使用更高的靈活溫度后,EIPMnovl和EIPMvol-O逐漸降低.空中爬升段,所有方式排放指數(shù)趨于一致.此外,EIPMvol-S主要受到燃油含硫量的影響,與起飛方式和飛行高度無(wú)關(guān).

3.2 在使用普通燃油的起飛過(guò)程中,全推力起飛方式 PM2.5排放量最大,約為 37.6g.其中,非揮發(fā)性組分和揮發(fā)性含硫組分對(duì)細(xì)粒子排放的貢獻(xiàn)率均超過(guò)40%.使用減推力起飛方式,選擇更高的靈活溫度,排放量略有下降.相同的起飛方式,如選擇使用高硫燃油后,起飛過(guò)程的 PM2.5排放量約升高150%.同時(shí),揮發(fā)性含硫組分對(duì)PM2.5排放貢獻(xiàn)率升高至 75%以上.并且選擇更高的靈活溫度減推力起飛后,揮發(fā)性含硫組分的貢獻(xiàn)率升高.結(jié)果表明燃油含硫量對(duì)起飛過(guò)程細(xì)粒子排放量具有重要影響.揮發(fā)性有機(jī)組分在所有起飛方式中的細(xì)粒子排放貢獻(xiàn)率低于8%.

3.3 相比本文的精確計(jì)算,ICAO基準(zhǔn)模型的起飛、爬升的推力以及時(shí)間等參數(shù)均為固定值,導(dǎo)致耗油量計(jì)算不準(zhǔn)確.如直接將基準(zhǔn)參數(shù)用于FOA方法,對(duì)使用普通燃油和高硫燃油的 PM2.5排放量的高估約 16.8%～23.6%和 14.4%～17.2%,偏差較大.

3.4 與國(guó)Ⅳ輕型汽油車相比,B738機(jī)型使用普通燃油和高硫燃油的一次全推力正常起飛過(guò)程,PM2.5排放量分別約等于其行駛 2984km和7294km,或分別相當(dāng)于54和132輛此型車單日的排放量.2016年4月,北京、廣州兩機(jī)場(chǎng),假定使用高硫燃油,單日的僅 B737系列機(jī)型起飛過(guò)程排放的PM2.5相當(dāng)于4.13萬(wàn)輛和2.70萬(wàn)輛輕型汽油車的單日排放量.

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Fine particles emission characterization of civil aviation aircraft during takeoff.

HAN Bo1,2, LIU Ya-ting2, CHEN Xin3, REN Qiang1, WEI Zhi-qiang1*(1.Tianjin Key Laboratory for Air Traffic Operation Planning and Safety Technology, College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China；3.Flight Department, Tianjin Airlines, Tianjin 300300, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1620～1627

Boeing 737～800 was selected as a typical model in this thesis. Based on BM2-FOA coupling model, PM2.5emission indices in full thrust and reduced thrust takeoff from the takeoff time to the height of 1000m were obtained through aircraft performance parameters simulation, and emission loads were worked out then. At the same time, the influences of sulfur content on emission levels were presented, and then the contributions to PM2.5emissions from different components were calculated. A comparison was made between the results using coupling model and ICAO standard parameters. The result showed that the differences of PM2.5emission indices were mainly during the period of takeoff on the ground before climbout. The PM2.5emission of a full thrust takeoff is the largest which the amount is 37.6g (low-sulfur fuel), because of the highest emission indices of non-volatile and volatile organic PM2.5components. In terms of reduced thrust processes, PM2.5emissions decreased to 36.7～35.5g. PM2.5emissions increased by 150% when high-sulfur fuel is used. It has been found from the comparison that the emissions calculated by ICAO standard parameters lead to relatively large errors. Compared with the light-duty gasoline vehicle (national Ⅳ standard), the PM2.5emissions of one full thrust takeoff with low-sulfur fuel and high-sulfur fuel equal the emissions of running 2984km and 7294km respectively. Accurate calculation method is supposed be the basis for the preparation of aircraft emission inventory in the airport area.

airport；takeoff；PM2.5；emission characterization；B737

X513

A

1000-6923(2017)05-1620-08

韓 博(1982-),男,天津人,講師,博士,主要研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境、民航環(huán)境管理等.發(fā)表論文10余篇.

2016-10-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21407174);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(14JCQNJC08100);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(3122016A012,ZXH2012C003,3122016D025,3122017063);中國(guó)民航大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2012QD03X)

* 責(zé)任作者, 副教授, weizhiqia@sina.com