航空器排放对机场区域环境PM2.5 浓度的影响

2019-09-28武文飞

中国民航大学学报 2019年4期

王维，武文飞

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

随着中国民用机场数量增多、运输周转量加大，航空器运行对机场及其周边区域大气环境造成的影响日趋显著。目前，航空器排放对PM2.5影响的相关研究可归纳为3 类：①通过现有的规章要求或大数据分析获取航空器在不同阶段的运行时间，根据发动机排放数据库相关参数及机型数据对航空器PM2.5排放量进行计算[1-3]；②结合大气环境及飞行参数的具体影响，修正国际民航组织（ICAO）提供的标准排放量模型中的相关参数，更为精确地计算航空发动机排量[4-6]；③通过航空器运行的大量监测数据进行归纳分析，结合相关数学模型建立排放模型[7-8]。

现有研究大多以实现排放量的准确计算为目的，在航空器排放对PM2.5浓度影响及削减措施两方面并无太多分析论证。因此，通过建立航空器污染物排放模型，并结合具体案例分析，提出有助于削减航空器排放对大气环境PM2.5浓度影响的措施和建议具有实际意义。

1 航空器排放所致PM2.5 成因分析

1.1 一次PM2.5 产生机理

现代民航运输机一般采用涡轮风扇喷气发动机。在发动机燃烧室高温主燃区（即燃油喷嘴附近）一定范围内的油雾浓度较高，致使旋流器导入的空气与喷嘴喷出的油雾不能以最佳状态混合；同时旋流器产生的回流区将高温燃气再次带回到喷嘴附近，使得这一区域未能燃烧的油雾转化为烟雾颗粒。这些烟雾颗粒流经主燃区和掺混区时大部分被氧化，未被氧化的碳烟颗粒将会被排出燃烧室，形成一次PM2.5。

1.2 PM2.5 前体物产生机理

PM2.5前体物包括氮氧化合物、硫氧化物[9-10]。发动机排出的硫化物和氮氧化物会通过光化学氧化作用在高温下形成相应的硫酸盐、硝酸盐溶液微滴，其蒸发后形成盐粒质点即二次PM2.5[11-13]。

2 建立排放模型

既往研究中，一般通过标准的着陆-起飞循环（LTO, landing and take off cycle）来描述航空器在机场及其周边区域的活动。LTO循环包括4 个阶段：航空器滑出、起飞、改平和进近。

根据航空器飞行性能和空气动力学原理，可得出航空器LTO 各阶段用时，即

标准起飞用时为

标准着陆用时为

其中：VL为起飞离地时速度；VT为着陆接地时速度；为某时段平均速度；VA为着陆阶段15 m 进场高度时的速度；P 为航空发动机推力；Δp 为起飞阶段的剩余推力值；G 为航空器自身重力值；K 为升阻比；f 为摩擦系数；g 为重力加速度。

改平阶段用时为

其中：EG为航空器单位重量所代表的能量值[1]；EG1和EG2分别为改平前和改平后航空器单位重量所代表的能量值；Vmax*为动态修正上升率[1]。

基于上述时间计算方法，可建立单LTO 循环的排放模型为

其中：x 为航空排放器污染物类型；y 为所处LTO 阶段（滑出、起飞、改平、进近）；Ex，y为某阶段某种污染物排量。

某阶段某种污染物的排量为

其中：m 为航空器类型；n 为m 型航空器的发动机个数；s 为LTO 循环数；F 为燃油消耗率；E 为排放指数；t为LTO 特定阶段的持续时间。

同一机型可能装备燃油消耗率不同的发动机，通过加权平均计算某阶段某航空器燃油消耗率Fm，y为

其中：N 为m 类航空器发动机总数；Z 为发动机类型；LZ为当前类型航空器安装的Z 型发动机总数；FZ，x，y为该阶段该型航空器Z 型发动机燃油消耗率，可查阅发动机排放数据库确定。

需要指出的是，发动机直接排放的一次PM2.5状态较为稳定。氮氧化物由于存在多种稳定的无机盐类型，稳态化合价不易确定，所以模型以直接计算出的氮氧化物排量进行分析。ICAO 提供的发动机排放数据库中并未包含硫氧化物排放指数。根据含硫无机盐颗粒形成机理，通过确定4 价硫变为6 价硫的转化率ε，来确定SO2转化为颗粒物的排放指数。

航空燃油含硫量因批次不同会发生变化。ICAO给出的典型航空燃油含硫量为0.005%～0.068%，国际平均值为0.03%。在未提供具体的航空燃油含硫量时，推荐使用0.068%计算。研究表明，4 价硫与6 价硫之间的转化率ε 会随着发动机工况不同而发生非线性变化，ICAO 推荐的ε 取值范围为0.5%～3.5%，一般取2.4%。据此，硫化物排放指数为

其中：FSC 为燃油含硫量，未做具体说明时取0.068%；ε 为4 价硫与6 价硫之间的转化率；MS6为硫酸根分子量，取96；MS为硫元素分子量，取32。

3 案例分析

以大连机场为例，利用上述模型计算出排放清单并借助EDMS 软件，模拟分析该机场航空器排放对机场区域PM2.5浓度的影响。

查询2017年大连机场航空器主要类型及起降架次。将LTO 循环进一步分为进港（进近、滑入）、出港（开车、滑出、起飞）和改平。利用所建排放模型计算该年度机场航空器运行所产生的一次PM2.5及PM2.5前体物（氮氧化物、硫氧化物）排量，如表1 所示。

3.1 一次PM2.5 的影响

大连机场2017年全年航空器运行产生一次PM2.5为3.982 t，PM2.5前体物氮氧化物、硫氧化物排量分别为947.402 t、50.284 t。

根据2017年气象监测数据，大连市年均PM2.5浓度值为32.56 μg/m3。由于对流层大气的垂直混合作用强，是影响PM2.5浓度的主要大气层，所以取温带对流层高度均值10 km 为市区监测高度，根据大连市区面积（约248 km2）可算出2017年大连市区产生的PM2.5总量为80.75 t。由此可知，航空器运行产成的一次PM2.5约占市区PM2.5总量的4.8%，其对大连市区PM2.5浓度的影响不容忽视。

表1 2017年度大连机场航空器PM2.5 排量Tab.1 Aircraft PM2.5 emission from Dalian airport in 2017

由表1 可知，各类航空器的LTO 循环中，出港阶段直接生成的PM2.5占总排放量的50%以上。繁忙机场在滑出阶段由于机场地面交通拥塞等原因会造成航空器发动机出现较多的慢车、怠速状态，由于非额定工况的燃油不完全燃烧造成污染物排出增多；而起飞阶段发动机推力为100%额定推力状态，此时燃烧室喷油嘴完全打开，造成小部分燃油不完全燃烧，形成“黑烟”，导致出港阶段产生的一次PM2.5在LTO 循环内占比较大。

由于进近阶段航空器主要以势能换动能方式维持飞行，航空发动机推力仅为额定推力的30%，故该阶段污染物排放占比较低。

3.2 二次PM2.5 的影响

由于PM2.5前体物转化为PM2.5的转换率与空气扩散速率、温度、湿度、风速等多种气象及地理条件相关，为准确反应大连机场PM2.5二次生成的转换率，根据大连市气象监测数据分析各月份PM2.5日均浓度与硫氧化物、氮氧化物日均浓度之间的关系。大连市2017年PM2.5相关污染物日均浓度统计值如表2 所示。

表2 大连市PM2.5 相关污染物日均浓度值Tab.2 Daily average concentration of PM2.5 related pollutants in Dalian μg·m-3

根据上述数据，通过拟合可得PM2.5日均浓度值与硫氧化物、氮氧化物日均浓度值的关系为

其中：z 为PM2.5日均浓度值；x 为硫氧化物日均浓度值；y 为氮氧化物日均浓度值。

拟合相关系数r2=0.779 9，可较好地拟合PM2.5浓度与氮氧化物、硫氧化物浓度之间的关系。

LTO 循环一般在约450 m 高度进入航路，标准直线离场程序梯度为3.3%，保护区在跑道端单侧宽度150 m，外边界以27%的扩散率向外扩散。所以，航空器进入航路高度时与跑道端的水平距离约为13 500 m，保护区宽度为3 795 m。现确定以跑道两端的中点为起点，向跑道中心线延长线及两侧分别延长13 500 m、3 795 m，高450 m 为机场航空器LTO 循环影响的研究区域。

由表1 计算数据，2017年大连机场PM2.5前体物氮氧化物、硫氧化物排量分别为947.369 t、50.25 t，则航空器排放导致的氮氧化物日均浓度为1.05 μg/m3，硫氧化物的日均浓度为0.06 μg/m3。利用式（8）可计算得到由航空器排放产生的PM2.5前体物转换的PM2.5浓度为8.88 μg/m3。可见在航空器LTO 循环影响范围内，2017年大连机场航空器运行产生的二次PM2.5为0.93 t，为一次PM2.5排量的23.6%。所以，航空器产生的一次PM2.5是对机场及周边区域PM2.5浓度影响最大的污染物，同时由PM2.5前体物二次生成的PM2.5排量也不容忽视。

4 航空器PM2.5 排放消减措施

4.1 提高地面滑行效率

提高航空器地面滑行效率，一是减少滑行距离、二是减少滑行等待时间。这需要在机场跑滑系统规划设计、航空器地面调度指挥方面采取各种优化措施。ICAO 给出的标准LTO 循环总耗时为32.9 min，地面滑行及等待耗时为26 min，占整个滑行时间79%。所以，优化地面滑行路径，尽可能减少冲突点、排队时间对缩短出港耗时进而消减航空器PM2.5排放非常有效。

滑行时间为26 min 和20 min 条件下，PM2.5（一次PM2.5及PM2.5前体物总量）排量对比如表3 所示。通过计算结果可以看出，不同机型由于载重能力、发动机燃烧室结构、机载发动机数量等因素的不同，PM2.5排放量变化也有所差异，但均随滑行时间减少呈下降趋势。所以，减少地面滑行时间可以削减航空器的PM2.5排量。