航空污染的产生和控制机制研究综述

于女，崔宇*，曾若鸣, 张梦雅，张耀，张新，李海峰

(1.南京航空航天大学民航学院, 南京 211106; 2.中国民用航空中南地区空中交通管理局，广州 510403; 3.深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司城市交通研究院，深圳 518057)

随着全球经济的发展，空中交通逐渐成为中远途旅客最主要的出行方式。飞机作为空中交通的运输载体，具有快速、高效、直达的特点，越来越受到旅客的青睐。2019年民航局发布了《2019年民航行业发展统计公报》，公报中展示了2019年民航行业的发展：从运输总量来说，2019年运输总周转量达到1 293.25 亿t·km，相比于2018年有小幅度增长；从旅客运输周转量而言，全行业旅客周转量为11 705.30 亿人·km，较去年增长了9.3%[1]。2020年由于全球爆发了新型冠状病毒肺炎(COVID-19)，全行业运输受到极大影响，全行业运输总周转量与去年相比降低了38.3%，为798.51 亿t·km；旅客周转量比2019年降低了46.1%，为6 311.28 亿人·km[2]。

现代航空工业依赖大量石油产品的消耗，尤其是航空燃油的消耗。航空发动机在实际运行过程中，消耗大量航空燃油的同时将以二氧化碳(CO2)为代表的温室气体排入大气，从而加剧全球变暖。随着民航行业的发展，碳排放也不断增加，据国际清洁运输理事会(International Council on Clean Transportation，ICCT)的调查显示：2018年全球商业航空CO2运输总排放量达到9.18 亿t，比起过去五年的碳排放增长了32%，是全球碳排放的2.4%，并且可以预见的是，航空活动在未来几年仍会保持较快速度增长，到21世纪中叶，航空产业对CO2的排放量的贡献可能会增长到4.6%～20.2%[3]。

航空发动机尾气中除了含有CO2外，还有以二氧化硫(SO2)、颗粒物、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、黑炭(BC)等为代表的大气污染物[4]。航空器排放污染物中的NOx在对流层中，会转化为臭氧(O3)，破坏人体健康[5]；在平流层中，航空器排放的NOx会消耗O3，破坏O3层[6-7]，此外颗粒物、HC、CO等污染物也会对人体造成极大的伤害。BC一方面能降低大气能见度，另一方面能直接加热3～5 km的大气，据估计BC是全球变暖的第二大贡献者[8]。因此有必要对航空污染的产生和控制机制进行研究。

综上所述，首先对航空燃油不同时期的发展与特征进行分析，然后总结了航空排放的增长趋势和现有的应对措施，将环保理念与绿色民航相结合，分析了航空燃油燃烧后的污染物种类、生成机理和危害，从发动机燃烧方式、燃烧温度控制、清洁能源使用、飞行过程优化和政策等方面对航空污染物的排放控制提出建议。

1 航空燃油发展

1.1 航空柴油与航空汽油

航空发动机和航空燃油是飞机动力系统中相互依赖的组成部分，航空发动机的发展要求更好的燃料，燃料的改进则加速航空发动机的进一步发展，两者相辅相成、共同达成节能高效目标。

随着航空发动机和航空燃油不断地发展，不同时期，不同机型的发动机会使用不同的航空燃油，如表1所示，不同时期的航空燃油及航空发动机都各有其特点。

表1 主要航空发动机和燃油类型演变

1903年，莱特兄弟成功试飞以柴油为能源，活塞发动机为动力的“飞行者一号”[9]。第一次世界大战时，航空柴油成为航空发动机主要的燃料。随着石油化工技术的不断发展，产生了一系列的航空柴油的型号，这些型号按凝点分为5#、0#、-10#、-20#、-35#、-50#，共计6个型号，其凝点随标号降低而逐渐降低。此系列航空柴油可以满足不同使用环境下对燃油凝点的不同需求。由于柴油资源丰富，提炼工艺相对来说比其他化石燃料更为成熟，促使柴油成为最早的航空燃油。但柴油缺点也极为明显，如热值低，含硫量却比其他燃料高，因此柴油燃烧造成的航空排放污染更加明显。同时柴油闪点较低(55 ℃)，在运输和使用的过程中会存在一定的安全风险[10]。

随着发动机的发展，汽油成为第二次世界大战时期的主流航空燃油。当时对于燃油的主要求是抗爆性能较好，使发动机的输出功率不会因为冲击而受到影响，因此研究人员会在燃油中加入相应的抗爆剂等成分使发动机输出功率稳定。随着发动机性能的改进，航空汽油也有了不同的分类。汽油成分中，异辛烷抗爆性最好，庚烷的抗爆性最差。由此规定，与异辛烷抗爆性相同的汽油性能最好，其型号就定为100#。其他依次规定为95#、91#、85#、56#等，汽油型号数值越大，抗爆性越好，汽油的品质也就越好。其中75#汽油主要用于小型活塞式航空发动机，属于无铅汽油[11]。

1.2 航空煤油

二战后，航空公司开始大量应用涡轮喷气发动机。航空器至少需要在8 400 m以上的高空飞行，而高空低氧、低温等恶劣环境，对航空燃油的性能提出了更高且更为苛刻的要求，其他燃油无法满足最佳燃烧需求，航空煤油成为主要的喷气燃料。

喷气燃料按馏程的宽窄可以分为宽馏分型、煤油型、重煤油型等[12]。JET B是以石油与煤油混合制成的宽馏分型燃料，主要是为适应寒冷天气。

煤油型燃料JET A和JET A-1在世界其他非寒冷地区占主导地位。JET A主要在美国使用，而世界上其他大多数国家则使用JET A-1。两种燃料的重要区别在于，JETA-1的最高冰点比JET A低。较低的冰点使JET A-1更适合长途国际航班，特别是在冬季极地航线上。美国选择使用JET A是出于对燃料价格和可用性的考虑。经验表明，JET A更适合在美国使用，尤其适用于其国内航班[13]。

在中国，民航喷气式航空器主要使用的燃料为3号燃料。3号燃料为透明液体，其理化性质与JET A-1类似，如表2所示。3号喷气燃料优点众多，包括热值高、热安定性好、硫含量低、低温流动性高等。

表2 3号燃料部分指标

2 航空排放的增长与现有应对措施

美国环境保护署(environmental protection agency，EPA)估计，1999年美国机场污染物排放量比1970年增加了80%以上，挥发性有机化合物(VOCs)和NOx排放量翻倍[14]。

Liu等[15]计算了2000—2015年中国民用航空器的污染排放，结果趋势如图1[15]所示。

图1 2000—2015年国内民航航空器排放趋势[15]

由图1可知，2000—2015年，随着中国国内生产总值和人均收入的大幅增长，航空燃料消耗也大幅增高。与此同时，中国民用航空业排放的HC、CO、NOx、CO2、SO2、细颗粒物(空气动力学粒径小于或等于2.5 μm的细颗粒物，PM2.5)、有机碳和重金属的总排放量(包括机场排放和巡航排放)也大幅提高[16]。

各国航空科技工作者一直在不懈努力减缓航空排放的快速增长趋势并控制航空业排放总量。目前，主要从3个方面研究降低航空发动机污染产生的方法：应用低污染燃烧技术、改进发动机结构、使用清洁燃油。近年来，低污染燃烧技术得到了较大发展，包括贫油喷射技术、间冷回热循环技术、燃料电池技术和主动燃烧技术等[11]。从1980年起，越来越多的研究着重于减少NOx的生成，根据其生成机理发展出了两种方向，即富油燃烧和贫油燃烧。目前为止各方面已经提出了一系列的燃烧室设计方案，包括分级燃烧室、双环预混旋流燃烧室(TAPS)、贫油预混蒸发燃烧室(LPP)和富油/淬熄/贫油燃烧室(RQL)等，有些已经得到了实际的应用[17]。如美国通用电气公司(GE)在美国国家航空航天局(NASA)的支持下，于2008年推出了世界上最大的商用航空发动机GE9X，此发动机的NOx排放量要比航空环境保护委员会(Committee on Aviation Environmental Protection，CAEP)规定的标准低30%，其使用的燃烧室为GE最先进的第三代TAPS燃烧室[18]；川崎重工业株式会社在生态环保计划中，采用了LPP燃烧室方案[19]。此外，经过航空器制造商、发动机制造商和石油公司多年的技术审查，生物燃料于2011年7月获准用于商业用途。目前，行业的重点转向了可持续生物燃料，这种燃料既不与粮食供应竞争，也不需要大量的优质农业用地或淡水。NASA研究表明，若在航空燃油中混入50%的清洁能源，航空排放造成的空气污染将减少50%～70%[20]。

3 航空排放的主要特征

3.1 航空排放污染组成

以燃气涡轮发动机为例，按气流通过发动机的路径分类，如图2所示，发动机结构可分为进气道、压气机、燃烧室、涡轮机和喷口，吸入的空气经过进气道和压气机增压后，在燃烧室内与燃油混合并燃烧，产生高温高压的气流带动燃气涡轮工作，最后尾气从喷口排出，产生推力。

图2 航空发动机结构示意图

燃气涡轮发动机排放的产物可分为：①未参与反应的空气，包括氧气(O2)、氮气(N2)等；②完全燃烧产物，包括CO2、水(H2O)和SO2；③燃烧副产物，主要为NOx；④不完全燃烧产物，包括HC、CO以及微小碳烟颗粒。

其中对环境有不利影响的污染物包括SO2、CO、NOx、HC和微小碳烟颗粒等，CO2虽不属于污染物，但大量排放会产生温室效应，也会对环境产生不利影响。

3.2 航空排放污染生成机理

航空发动机大部分的燃烧产物浓度与发动机的工作温度、油气混合比以及发动机的工作状态密切相关。随着发动机推力的增加，CO和未燃碳氢燃料浓度快速的减小，NOx浓度则逐渐升高，硫化物(SOx)浓度呈下降的趋势，且始终都处于一个相对较低的浓度水平，这与航空煤油中的硫含量低有关[21]。

发动机处于低推力状态时会产生大量的CO，而在高推力状态时，则产生相对较少的CO[21]，这与发动机的燃烧效率，即是否完全燃烧有关。燃烧室中由于燃烧产生的CO会在进入中间区时氧化，形成CO2；若采用富油燃烧，主燃区的O2不足，也会产生大量的CO[21]，如果为贫油燃烧或者燃烧符合最佳当量比，则由于主燃区温度过高，CO2会分解产生大量的CO。

尾气中的HC则主要由于航空燃料未发生燃烧就直接通过了燃烧室被直接排放或被加热分解成更低分子数的HC。微小碳烟颗粒的主要成分为95%以上的碳和少量的氢固体颗粒物(粒径为0.01～0.06 μm)，主要在主燃区的富油区域内产生，与燃料的性质、燃烧室温度、油气比、压力、燃油雾化质量等因素有关。

3.3 各飞行阶段污染物排放情况

3.3.1 LTO循环各阶段污染物排放情况

起飞着陆(LTO)循环各阶段污染物排放量的研究对减少航空器污染物排放具有重要意义，根据对LTO循环中污染物排放进行分析，可以更好地对特定污染物的排放进行控制与治理。魏志强等[22]研究表明，在航路飞行阶段时，航空器排放的主要的大气污染物为CO2与NOx；在机场滑行时主要大气污染物为CO与HC，4种污染物中，排放最多的为CO2，最少的为HC。夏卿等[23]研究表明，在一个标准LTO循环中，滑行段航空器排放的大气污染物是整个循环的1/2，滑行时间每减少4 min，总排放就会减少6%。

3.3.2 非LTO循环各阶段污染物排放情况

近年来对非LTO循环的大气污染物排放也有了一定进展。魏志强等[24]研究表明，大气污染物的排放总量由低到高分别为：HC、CO、NOx和CO2，污染物的排放也受其他因素的影响，如飞行方式、外界温度差等。保持其他条件不变时，巡航高度和巡航方式的选择可以有效地影响污染物的排放，合适的高度和方式可以有效降低污染。曹惠玲等[25]研究发现，通过增加巡航高度、减小巡航马赫数和巡航重量，可以不同程度地降低燃油消耗和污染物排放。

3.4 航空排放污染物危害

航空器飞行会产生大量有害人体健康的污染物，对环境健康有极大的破坏，排放的污染物包括O3、CO、NOx和VOCs以及颗粒物。从污染物种类出发，研究其对大气环境和人类健康的危害。

(1)O3不属于航空器发动机直接排出的物质组分，但航空器发动机排出的CO、NOx，以及VOCs等在一定条件下都会生成O3[20]。人短期处于高浓度O3环境会增加呼吸疾病的患病风险；长期处于较高浓度的O3会对人体肺功能造成极大的破坏，随着浓度的增加，人体患上呼吸系统疾病的概率和严重度也会急剧增加[21,26]。

(2)CO会与人类血红蛋白结合引起人体组织缺氧，造成中毒[27]。较高浓度的CO可能会严重降低身体的生理功能，甚至会危及生命。

(3)目前发动机燃烧室产生NOx的主要途径是在高温的情况下，在火焰区和火焰后的高温区域内反应产生的热力型NOx[28]，主要由NO、NO2组成。短时间处于高浓度的NO2环境中会对人体的免疫系统造成极大的破坏，还会导致心脑血管和呼吸系统疾病死亡率增加；NO为无色无味的气体，会与血红蛋白结合，极易导致缺氧[21,29]。

(4)VOCs是挥发性有机物。人体长期暴露于较高浓度的VOCs时，不仅会增加癌症风险，还会有更大可能患上非癌症疾病；它也会在一定情况下和NOx反应，释放出O3，进一步造成污染[21]。

(5)颗粒物：航空器排放的颗粒物主要为PM2.5。PM2.5不仅会加重呼吸系统疾病和心血管疾病，破坏人体的免疫系统，还会对肺部造成长期的破坏[20]。研究表明，PM2.5可能会增加COVID-19的死亡率[30]。

综上，控制航空排放污染对机场工作人员、机组人员以及其他接触航空排放污染人群的健康防护和对环境治理有极大意义。

4 航空排放控制措施及原理

由于在航空器运行时，每种污染物质产生的原理都有所区别，因此对于每种污染物的控制机制都有所不同，有时候不同种类污染物排放水平互相影响，对航空排放控制措施及原理的综述如下。

4.1 贫油燃烧

在传统的发动机燃油燃烧方式下，NOx的排放水平始终都在一个较高的水平，如图3所示[17]。

图3 污染物控制原理示意图[17]

由图3可知，在偏贫油燃烧方式的一侧，NOx的排放曲线随当量比减小而快速下降，在偏富油燃烧方式的一侧，NOx排放随当量比的增大而减小。CO的排放则与NOx随当量比的变化趋势相反，在贫油燃烧一侧，CO随当量比的减小而增大，在富油燃烧一侧，其随当量比的增大而增大，且增大趋势更明显。值得一提的是，CO燃烧排放量最低时对应的当量比与NOx燃烧排放强度最高时的当量比接近。因此如果想要通过调整当量比的方式将其中一种污染物产生降到低时，必然会导致另一种污染物的大幅度产生。但是，不论是贫油燃烧还是富油燃烧，都有助于减小航空排放污染物的产生，使两种污染物的产生都能维持在一个相对较低的水平，这为研发和改进低污染排放的航空发动机提供了一定的思路。

无论从经济还是远期发展角度来看，相比于富油燃烧技术，贫油燃烧技术更加具有发展潜力。从经济上考虑，贫油燃烧意味着发动机相同燃烧时间内需要的燃油更少，这无疑更受航空公司欢迎。从长期发展来看，目前GE生产的以贫油燃烧为基础的TAPS燃烧室发动机已经更新到了第三代，也是目前为止唯一能将污染物排放，尤其是NOx浓度降低到航空环境保护委员会第八次会议(CAEP/8)标准的30%以下的发动机。国际民航组织(International Civil Aviation Organization，ICAO)预测，采用富油燃烧的RQL燃烧室发动机能够达到将NOx排放降低到航空环境保护委员会第六次会议(CAEP/6)标准的50%以下的中期目标，但是对于将NOx降低到CAEP/8标准的30%以下这个远期目标，还尚未实现[21]。

贫油燃烧对进一步降低NOx排放的研究难点，在于低当量比(小于0.6)下CO排放的升高，如图3所示，还有难以维持火焰稳定性和振荡燃烧等困难。目前国外也在积极探索采用非常规手段实现极贫燃烧的方法，期望可以大大减少NOx生成，同时对CO排放和稳定性没有明显不良影响。

对于以后的研究，从基本的科学问题来看，航空发动机燃烧室中复杂的雾化、混合、反应等物理和化学过程对污染物生成影响极大。因此必须理解并掌握航空发动机典型工况下的航空燃油燃烧反应机理和污染物生成机理，根据基本的污染控制原理采用不同的低排放燃烧策略。同时，未来的低排放燃烧室还面临自燃、回火[31]、燃烧不稳定性和喷嘴结焦等诸多挑战，需要利用燃烧数值模拟[32]等先进的研究手段，对其喷雾、混合、流动、燃烧及它们之间的相互作用，展开理论和实验研究，进而推动低排放燃烧室技术的发展[17]。

针对未来中远期的低排放燃烧室技术，还应开展创新的探索性研究，如极贫燃烧、航空新型燃料、阵列式多点喷射主动控制等。

4.2 燃烧温度控制

如图4[33]所示，航空发动机污染物产生与温度密切相关。随着发动机燃烧室温度的升高，NOx排放量也逐渐升高，并且升高的趋势较为剧烈。CO排放量随温度的升高总体呈下降趋势，温度较高时，略有上升。但是温度过高时(>1 900 K)，CO排放量随着燃烧时温度的升高而升高。温度为1 700～1 900 K的范围，CO及NOx排放量均可以维持在一个较低的水平，因此可以通过对温度的控制来实现对NOx和CO排放的控制。

图4 发动机污染物产生与温度的关系[33]

无论是NOx、CO，还是HC、碳烟颗粒，它们通过燃烧室燃烧后的排放量与燃烧室的温度都有一定的关联性。温度过高时，燃烧产生的CO2会被分解，产生大量的CO；空气中N2会被O2直接氧化，反应生成大量的热力型NO；燃气被分解成低分子量的HC，若没有被燃烧，则直接排放出来。而温度过低时，燃烧不充分，燃料未反应完全，就被排放出来，此时发动机可能就会有较为明显的冒烟现象，主要是由于排放的气体中包含较多的微小碳烟颗粒，此外CO和HC在此时也会大量产生。

4.3 航空器飞行过程优化

根据魏志强等[22]和夏卿等[23]对航空器LTO循环阶段产生的污染物排放量的研究，对航空器飞行过程中可以进行以下优化：通过优化航空器飞行高度和飞行速度来减少燃油消耗的同时降低航空飞行污染物CO2与NOx的排放；在飞机滑行阶段，可以通过改进和优化航空器滑行路线，减少滑行时间，提供更加快速和直接的滑行路线来减少航空发动机CO与HC的排放。

张俊等[34]研究表明，北京大兴机场在采取减少飞机滑行时间等等减排措施后，不仅有效降低了污染物的排放，还节省了运行费用，产生更大的经济效益。高伟等[35]研究发现，采用点对点航线网络模式以大型飞机降低飞行频率能减少绝对碳排放。李龙海等[36]认为，可以使用地面设备代替机载飞机辅助发动机装置来减少污染物和噪音的排放。魏志强等[37]的研究也表明，对下降策略进行优化也减少污染物的排放。

现有研究大多只针对飞行过程中的某一种污染物，对于其他的或者综合的污染物分析较少，且在研究中仅把排放当成一个影响因素，缺少针对性的研究。

4.4 清洁燃油的研发和使用

随着航空业的不断发展，行业对航空燃油的需求进一步增加，一方面行业的发展离不开航空燃料；另一方面，由于航空燃料燃烧产生的大气污染问题也愈加严重，因此需要发展替代燃料为航空器提供动力，减少航空发动机燃烧传统燃油而造成的航空排放污染。在过去的10年里，已经有超过20万次飞行使用了替代燃料，研究表明生物燃料在低掺混比下对石化柴油有着良好的替代性[38]。

现有的清洁燃油的发展方向主要为可再生的生物燃料。生物燃料是由油料作物、油料林木果实、油料水生植物、动物油脂等制造成的液体燃料，是一种清洁的可再生能源，是化石燃料的优质替代品[39]。生物燃料在契合现有发动机和燃油系统的情况下，具有排放污染少、含硫量低、易保存等优点，较其他替代燃料相比有极大优势，是未来实现节能减排的有效途径[39]。现在生物燃料的制备主要有如下路线：气化-费托合成路线[40]、天然油脂加氢脱氧裂化异构化转化路线[41]、生物醇转化路线[42]、生物质热解转化路线[43]、一步法工艺路线[44]等。

国际航空运输协会(International Air Transport Association，IATA)和ICAO在技术认证和物流领域对替代燃料使用标准提出了建议，并提供相关的技术支持的作用，为清洁能源的发展提供了研究、倡议、经济措施、政策等方面的支持[45]。国际能源署(International Energy Agency，IEA)则提出到2050年，通过使用生物燃料满足全世界运输业约25%的燃料需求，减少行业对石油和煤炭等化石燃料的依赖。根据IATA预测，2040年生物燃料总需求将占航空煤油的40%～50%，到时即将会改变过度依赖石油的状态[46]。

生物燃料的发展主要有以下3个问题：首先，现在生物燃料的主要来源为废弃烹饪油和木本油料作物[47]，而原料的收集成本占成本的70%以上[48]，而且由于各种原因生物燃料的原料来源极不稳定，生物燃料的推广必须要解决其高昂的生产成本和有限的资源问题[49]；其次，生物燃料的生产工艺不成熟，加氢脱氧[50]和异构化都是现在常用的技术，但是会造成稳定性和润滑性变差。并且自主研发周期长，新技术购买成本高[51]等问题制约着生物燃料的发展；最后，中国在燃油替代研究中，关键技术有待突破，缺乏经济竞争力，与传统石油相比尚无足够竞争力[52]。

目前，虽然可持续航空燃料的研发可以有效减少温室气体的排放，但是与传统燃料相比，其研发和生产的难度依旧较大[53]，生物燃料还只是传统燃料的一种补充，主要与航空煤油混合使用，短期内还无法大规模取代传统化石燃料。因此，改进生物燃料生产的工艺路线，开发寿命长、成本低的生物燃料催化剂，是接下来生物燃料重点发展方向[54]。

4.5 其他控制手段

发动机内部控制燃油的燃烧过程还有很多手段，包括控制空气进入的流量、燃油雾化的程度、分级供油等[55]。从本质上来说，大部分的控制手段就是控制燃油在发动机燃烧室燃烧时的参数。例如合理控制空气的流量，控制燃油在燃烧时的当量比，使其在一个合理的范围内(贫油/富油)，降低污染物产生，同时也可以对发动机的温度起一定的控制作用，进入的空气流量增大，对发动机的温度会有一定的冷却作用。增加一定的燃油税也是各国政府控制航空排放的重要措施[56]。表3[57-64]为控制航空排放物污染的措施。

表3 控制航空排放物污染的措施[57-64]

5 结论

主要针对航空污染的产生机制以及污染控制机制做了回顾、研究和展望，得出如下结论。

(1)对航空燃油的历史发展做了总结，介绍了不同时期内航空燃油的类型、使用背景和排放特点。

(2)总结了近年来航空排放的增长趋势和特点，归纳了排放控制中主要的努力方向。

(3)针对燃油在发动机内部燃烧的污染产生过程进行了分析，总结了航空污染物的生成机理、影响因素及危害。

(4)从航空发动机内部污染物产生的原理进行分析，提出了相应的控制机制，并进行了可行性分析。

从航空运行管理手段方面，对降低污染物排放的影响进行了分析。对以上研究进行总结，认为现有研究的主要难点在于：考虑环境成本和运行成本的平衡关系，考虑如何在不大幅增加成本的情况下降低排放污染；考虑到不同污染物的区别和平衡，不可顾此失彼；新能源和减排技术的发展陷入瓶颈，缺少进一步探索。

接下来研究的重点在于：寻找更为合适的清洁能源以及寻找更为高效、低成本的获取和制备清洁能源的方式；针对发动机和燃烧室方面进行技术革新，研究更为先进的燃烧室和燃烧方式；增加对于LTO循环之外的飞机排放的研究，扩展研究范围；对各阶段的污染物的排放机理和扩散进行研究，明确污染物的产生机理，并针对产生机理采取措施降低排放。