微粒排放危害与燃料热引擎

文摘

所有碳氢化合物——(HC)推动热力发动机尾气排放的尾气(< 10到140海里)造成健康危害,包括运输车辆排放的尾气(如飞机)和其他HC-fueled电力系统。有限公司₂排放跟踪和映射时,展示运输路线和主要城市的轮廓。微粒污染影响活组织和发现不利于心血管和呼吸系统,超细颗粒直接把促进血管系统疾病具有可作为有机蒸气。论述了航空排放、燃料和认证问题,包括热力发动机排放危害,检测在低水平和跟踪的排放,并为通用航空替代能源。

1。介绍

合成和生物质燃料的热引擎开始原料的一代。航空燃料的我们考虑三种类型:从石油中提炼煤油(jp - 8 /架a - 1),合成石蜡的煤油(SPK)和hydro-treated可再生喷射(HRJ或bio-SPK或SPK-HEFA hydroprocessed酯和脂肪酸(SPK))。加油飞机与jp - 8 /架a - 1代表传统和当前实践。SPK过程通常始于煤或天然气和通过费托(英尺)的发展过程分为SPK-fuel更常见,在二战有悠久的历史。生物质燃料(HRJ)是不太清楚,因为过程从一粒种子开始成长为纤维素和种子源生物质转化为生物柴油或籽油和进一步处理航空燃料。一般我们认为盐生植物、藻类、细菌weeds-to-crops和有机废物作为燃料的原料。选择植物提供多个原料来源,我们将考虑潜在可持续棕榈油和石油等燃料原料来源种子植物(如蓖麻)作物,亚麻荠作为“weed-to-crop”和pennycrest拥有“石油weed-to-seed”潜力(1- - - - - -6]。

马金集团可持续棕榈油是商用1]。处理castor涉及处理或变性剧毒蓖麻毒素;亚麻荠更传统收获weed-to-crop;和penneycrest weed-to-crop潜力,小杂草种子的收获和控制需要考虑。籽油处理biojet包括破碎、专有的催化剂和处理,并产生不同的烃分布取决于原料来源,但所有人都必须满足喷气燃料标准。大部分生物质原料可以由Honeywell-UOP处理过程将生物质转换成biojet证明处理标准。

即使SPK或bio-SPK燃料,排放仍然是一个主要问题。测试SPK和HRJ提供排放数据包括颗粒分布。类似的测量是整个交通运输业heat-engine-dependent结果。地面站的测量有限公司₂排放可以用来在地图上标出主要城市和道路横跨美国。尾气排放燃油热机的来源是EPA-designated健康危害。微粒健康危害正迅速成为公认的大问题,需要解决。最近研究表明纳米微粒产生心血管疾病除了证据确凿的呼吸道疾病。所有碳氢燃料热引擎产生机载(排气)颗粒分布峰值在20到40 nm范围内,我们可以推断出他们的吸入是疾病之源。这些健康问题是共同的碳氢燃料热引擎,包括飞机尾气排放,这些航班在波托马克河的国会的担忧。在本文中,我们讨论航空排放燃料认证,如何以及为什么这些排放有害,他们如何改变添加(SPK或bio-SPK) jp - 8 /架a - 1,和我们是否能探测和跟踪他们。碳氢燃料发动机排放的热量与健康危害,暗示一个强调需要减少危险排放可能过渡到更多的电力或氢燃料推进系统可能提供远程解决。

2。航空排放、燃料和认证

估计在2006年,美国国家排放从所有来源12)有限公司₂在1618.5吨;有限公司100.55吨;氮氧化物,18.22吨;挥发性有机化合物挥发性),17.38吨;PM10(粗颗粒),18.42吨;PM2.5(细颗粒),2.61吨;所以₂13.77吨;kt和铅,4.23。而这些数字代表所有排放源,我们要更加关注航空替代燃料的影响和热发动机颗粒物对人类健康。混合燃料与SPK或bio-SPK促进减排但不消除它们,如果没有认证标准和理性的政策将不会有一个替代燃料市场1]。美国宇航局格伦研究中心,美国空军(USAF)和海军,商业航空测试替代航空燃料和燃烧室性能以及计量排放基线化的传统石油燃料的燃气涡轮发动机(喷气A1) [13- - - - - -15]。这些替代燃料包括那些来自英国《金融时报》的过程,导致合成石蜡的碳氢化合物(SPK)(例如,煤转油(CTL)或气液(GTL))以及那些来自生物质如种籽油,热解油和油发酵。这些油是bio-SPK或HRJ进一步处理。燃料的生物质原料我们正在研究由盐生植物、藻类、细菌、weeds-to-crops和废物。

2.1。商业和军事

飞行测试进行了细胞毒性t淋巴细胞,GTL,和biojet混合架a - 1和jp - 8 50%,和一些地面测试了近100%的替代燃料。基本上,替代航空燃料被称为“下降”燃料,因为他们几乎“走路、说话、行动、气味和执行“像架a - 1或jp - 8。替代燃料,基于不同但批准的原料,符合mil -迪泰- 83133 f(2008)或ASTM D7566(2010)标准,以及生命周期温室气体排放的分析提供一个统一的基础航空工业在替代燃料(16]。

爱德华兹(17)引用了一个高级美国空军在2016年购买4亿加仑的替代燃料的目标工作时会同CAAFI(商业航空替代燃料项目)组织协调规范和创建一个备用燃料市场。目前,美国空军购买大约每年25亿加仑的燃油(B)与美国航空业每年购买26 B加仑附近(16,17]。

2.2。通用航空

Brien博士答:斯利的目标相对飞机飞行效率(咖啡馆)基金会(18)是性能和生物燃料混合100 ll航空汽油(通用航空活塞式发动机燃料)来减少并最终消除铅。贝勒大学可再生的航空燃料计划(RAFDC)正在测试ethanol-ethyl叔丁基醚(ETBE) [19),氧化气体添加剂,塞斯纳152(取消乙醇10%是好的汽油添加剂)。巴西航空工业公司emb - 202飞机消耗乙醇(20.- - - - - -22]和安东诺夫2 N244MJ应该能够混合燃料(23,第一个生物燃料飞机飞行,L-29,引发了一个混合植物油(24]。

3所示。为什么和烃热发动机有害吗?

3.1。排放的危害

美国环保署分类排放危害健康。温室气体导致空气污染和“…威胁公众健康和福利”(25,26]。所有的主要温室气体成为空气污染物,可以由EPA CAA-Massachusetts最高法院的裁决下,2007年4月2日(27,28]。

温室气体排放(温室气体)包括有限公司₂,CH₄(25×比有限公司₂)、氮(N₂啊,300×比有限公司₂)。美国环境保护署(EPA)已宣布这些危险气候和健康(例如,多余的有限公司₂在身体降低pH值(酸中毒))。

微粒影响气候和未申报的主要健康危害(如心血管和肺部疾病)。肺气肿在煤矿工人可能与分泌过多的活性形式的氧和可能破坏肺组织。美国疾病控制中心(CDC)指出,直接接触柴油发动机排气可能会降低肺泡巨噬细胞的吞噬能力(29日),指出预测接触影响的复杂性。其他人不同意致癌的评估;援引柴油烟尘吸入被不当相关癌症风险,而不像其他出版物隐含风险很高(30.]。Hesterberg和邦恩(31日)宣称,高水平的新柴油机颗粒物只造成轻微短暂的炎症反应。他们承认可能形成血栓的和脑缺血的影响。慢性吸入10 ~ 30倍环境柴油机尾气动物测试暴露没有不利影响。然而,干净的房间和航天器微粒问题产生新的仪器样本和监视粒子在航天飞机客舱轨道。样品收集微粒被分为四类:0 - 2.5,2.5 -10,10 - 100,> 100海里。通数据提供了粒子质量,浓度和分布、元素组成、和形态32]。颗粒在纳米范围内潜在的严重肺毒物。有毒气体如盐酸和高频影响上呼吸道,而代理TiO₂(12和20 nm)和炭黑(20 nm)微粒穿透更深的进入肺部。微粒的吸入和热破裂会产生高毒性[33]。随后,所需Oberdorsters提供了审查和纳米技术对人类健康的影响的研究。他们专注于nanoparticulate(自然和工程)吸收通过肺、胃肠道、或皮肤,试图确定什么程度易位通路存在和物理化学性质控制进入血液和淋巴循环与潜在的分发和洛奇在身体器官34]。

所有碳氢化合物——(HC)推动热力发动机废气排放造成健康危害,排气(排气管)排放(< 10 - 140 nm)包括飞机和移动/固定系统。(表的微粒污染1),Simkhovich et al。35)表明,超细颗粒直接把促进血管系统疾病,和施瓦茨(36)等有关慢性呼吸道疾病微粒,在诊断和治疗方面。

所有HC-fueled热引擎是这些有害排放的主要来源。

吸入微粒的大小类似于5μ米,你咳嗽。nanoparticulates(< 100海里),量子力学的力量发挥作用和颗粒可以在组织提出。分布峰从20到60 nm,颗粒的停留时间和毒理学成为类似于经典的牡蛎的沙粒。这样一种提出nanoseed居民良性结节,最终发布的淋巴系统,还是作为肿瘤引发剂和随后的死亡?

3.2。碳氢燃料发动机排放

燃气轮机、柴油和汽油发动机是众所周知的HC-fueled引擎。

柴油机排放操作[很好地确定石油燃料7],许多已经运行在bioderived燃料使用和不处理。在EPA石油柴油引擎test-fueled soy-biodiesel为20%和80%,氮氧化物增加2%,下午,HC、CO下降了10.1%,21.1%,和11.0%,分别为(7]。

生物柴油的排放都依赖于原料(大豆、油菜籽、或动物脂肪)和发动机类型而不是模型,这意味着燃烧室类型和喷射系统制造商之间的相似之处。图1代表平均排放%生物柴油重型公路引擎。

与燃料性质变化、热引擎产生的排放,燃料热值需要纠正。实际上,航空燃气轮机等透平机,最常见的Fisher-Tropsch(英尺)燃料和生物燃料加工以满足JP8 / JetA1规范(例如,HRJ)都有相同的燃烧热价值的质量(−kJ / g)——44名可变性的减少能量单位体积(−焦每升)的燃料- 0% - 9%不同燃料混合,原料、加工)。对公司的影响₂航空燃气轮机排放释放是JP8 / JetA1除了微粒。然而在生命周期的角度分析,生物燃料是不到一半的JP8 /喷气A1,或英国《金融时报》的推动和管理得当的条件下,未来biomass-blended航空燃料可能成为碳负极碳封存超过公布的(37]。

3.2.1之上。航空燃气涡轮发动机的排放目标

虽然航空业没有立法标准,军事和商业航空都敏锐地意识到排放的影响,以及最近NASA(表建立了旨在减排目标2见表)以及互补的项目3。

3.2.2。航空燃气涡轮发动机

一般每燃烧1千克的燃料,飞机会产生3公斤有限公司₂。航空排放高度依赖于飞机和它的操作周期更少排放在起飞()生成和巡航。一些飞行测量了;然而可靠,地面,起到测试进行了下一个财团政府合同权利在董事会引擎(# 3)上运行不同的混合燃料。建立了校准探针耙在不同距离发动机排气平原(38]。

探测器,这些专门的耙子愿望行,耦合特点,和记录方法,所有这些影响测量和准确性,超出了本文的范围。更多细节,请参见[8,13,38),对于noncombustion应用程序,看到[32]。

在地上,engine-on-wing排放测试数据不同于高度隧道引擎测试数据但被认为是更具有代表性的实际飞行条件。显示颗粒大小和质量变化与发动机功率和燃料;然而隧道检测结果低于飞行测试地面排放测试数据(9]。

飞机引擎推动与FT-derived的混合燃料(CTL和GTL),分为SPK-Jet a - 1 50: 50混合,显示减少微粒排放至40%地空转引擎速度但看到利润稳步减少与增加发动机功率设置(图2)。微粒减排80%地闲置了SPK 100%,但是,这些削减削弱力量增加。类似的趋势预计biojet (HRJ)自烃燃料的概要文件是相似的(14]。

而静态地面航空发动机测试结果CTL -和GTL-processed燃料做表明减少微粒与飞机相比a - 1水平,这些测试的分布(在数量和规模方面)与峰值接近类似25 nm范围内,而独立的生物柴油混合0%,2%,10%,20%,和20%的预拌(图3)。从20到60 nm其他测试显示峰值。还要注意的是不受监管的辅助动力单元(APU)燃气轮机排气排放,这是明显高于推进燃气轮机(需要解决的一个问题)。

起到燃气涡轮发动机地面试验与石油jp - 8显示类似的趋势(图4)。石油jp - 8颗粒以及混合的jp - 8英尺燃料(沙索公司CTL和GTL Shell)显示显著的微粒排放低于10 nm根据发动机功率设置。与发动机功率的增加从30%提高到65%,jp - 8颗粒山峰从18到35海里越来越峰值与英国《金融时报》加油。降低微粒排放和黑碳数在闲置但如图最为显著2大大减少近100%或起飞功率设置。

黑碳和烟数变化也反映在燃烧室测试,如英国《金融时报》引发的光度随增加的百分比,和压力(相当于增加发动机功率),如图5。

我们从公布的数据和之前讨论知道这些大小的微粒(少于100海里)在肺毛细血管,和小的能够穿透到静脉系统,回到心脏组织内一些住宿和其他动脉壁促进心血管疾病。

这里有几个问题。(1)这些微粒和分布是常见的所有HC-burning热引擎包括航空燃气涡轮发动机和引擎汽车和发电厂。(2)我们需要变得更加积极谨慎的危害健康的能源共同体HC-fueled热机微粒排放。(3)二氧化碳排放跟踪在美国,地面站可以发现主要城市和州际公路测绘有限公司₂排放。类似的努力可以用于其他排放氮氧化物,CH₄和挥发性有机化合物的仪器,其中大多数是有毒的和与疾病。然而,颗粒的分布,据我们所知,没有跟踪,也没有颗粒释放的影响在高空被跟踪;更重要的是这些发动机排气微粒的毒理学在各种气候条件下却没有得到足够关注。(4)而有限公司₂排放,等等,目前列为健康危害(25),肺癌和心血管疾病的关联的致命问题是阴影如果不是隐藏和掩盖了climatic-GHG动力学和政治的影响。(5)也是作者的知识,美国疾病中心没有颗粒分布和疾病分布之间的相关性研究。

我们感兴趣的是颗粒大小、分布和毒理学的微粒,挥发性有机化合物的仪器,和其他气体和身体系统是如何受到这些因素的影响,包括毒理学。

4所示。我们可以检测低级有害排放和颗粒吗?

4.1。依据检测

我们要检测坏的东西在它发生之前。探测飞机尾气排放是侵入性和难以设计和实现,在有限的程度上已经完成。其他废气传感器是较小的干扰。例如,美国宇航局格伦研究中心,亨特博士(39)开发了废气辐射传感器检测特定元素主要相关综合健康监测系统。他还开发了货舱gas-sniffers可燃物的检测,这需要排放密切相关感官为人类和动物工作。

Lovgren[的开创性工作40和梁41),狗,它有一个非常独特的和高度发达的嗅觉,都被训练去嗅出“外国势力”,如针对疾病的气味(有机化合物)。病变细胞排放废物不同于正常细胞从体内排出,特别是交换在肺部排放也扮演了重要的角色,也在工作的42]。

一氧化氮(NO)是一种有害排放。问题是,没有是必要的,但是过多的一件好事通常是有毒的,和air-oxidized燃烧系统(热引擎,香烟,烟气,等等),情况就是这样。在哮喘患者呼出没有水平高于nonasthmatics(仍然在含量,增强炎症;检测化学发光和激光诊断,都是繁琐和昂贵的方法。猎人和Dweik)目前开发一个系统来检测和提取信息从一个哮喘病人的呼吸使用便携式低成本固态传感器系统。(注意,EPA平均空气质量目标是0.16 ppm。)

Hiack的传感器(实验室),猎人和Dweik)以及相关电子产品和发射器可以“芯片”,做了一个强制性的一部分,每一个“封闭气氛”运输车(航天器、飞机、汽车、甚至高层写字楼和住宅)检测排放的健康危害人体解剖学和生理学。再加上远程医疗,这种检测系统将提供疾病的早期预警,甚至他们的病理学10]。预防机舱和航天器排放遥感大大降低总体成本的医疗、药品,住院治疗(如适用),并确保更安全的旅游公共或空间探险家。此外,反馈回路可以提高这些机电/化学设备的灵敏度和选择性。

这里,我们基本上是对排放和数据相关的颗粒感兴趣,挥发性有机化合物的仪器,及其分布和毒理学,因为它们影响了身体和器官因为航空和宇宙飞船的舱是一个生存的膜。

hydrocarbon-burning燃烧室排放的隐患立即需要我们的关注。

5。我们可以跟踪这些排放吗?

5.1。跟踪和超细排放碳

自1950年代以来,全球温室气体排放增加了公司₂附近的水平从300上升到400 ppm。增加公司₂水平影响植物生物量和人体呼吸的驱逐有限公司₂(一个毒性问题)。事实上图形图像HC-fueled热机迁移走廊和人口中心很容易概括整个美国(10)(图6)。与热引擎有一个隐含的直接联系C-emissions测量和超细纳米微粒排放,如图1。

一些系统更明显追踪,如人为微粒形态和火山喷发,火山碎屑碎片是致命的。仍然有趣的材料可以从这样的极端事件。火山灰,pozzolantic的基础材料,据报道,形成从火山灰爆发的长期接触大气H₂O和有限公司₂,将原来复杂的硅酸盐转换为一个简单的硅酸盐和氧化物粉尘(SiO₂,艾尔。₂O₃、铁₂O₃)。当与石灰反应,Ca(哦)₂,他们形成不溶性钙硅酸盐和铝酸盐类抗衰老(43,44]。而间接相关的涡轮发动机排放,砂、灰、地球土壤,和碎片摄入到燃气轮机变得热engine-transformed排气产品。(大量生产flameout-highly不良)。例子如沙、土壤和气溶胶微粒20 k英尺海拔,吸入和改变了热引擎,生产的产品可能导致健康危害即使飞机HEPA过滤通风系统。这样的研究需要被添加到Oberdosters研究数据列表(34)确定类微粒在活组织的影响。

5.2。通用航空排放反应

虽然处于起步阶段,电动轻型飞机持续的组合太阳能、氢燃料电池,电池将通用航空飞机排放污染的解决方案。例子不同军用无人机(uav)中国Yuneec E430可以54-hp双座电池驱动的电动飞机(图7)[45]。

电动汽车受到水但工作在高空飞机在哪里更有效率。而低收入no-CO₂排放氢燃料是一个有吸引力的替代和小说通用航空,我们也需要记住商业航空是建立在通用航空。我们还需要评估这种所有电力供应的影响转换系统对活体组织的影响。

6。结论

(1)Alternate-fueled柴油和燃气涡轮发动机是否来自CTL, GTL,或生物质原料代表near-paraffinic碳氢化合物混合架a - 1和jp - 8执行或比石油燃料,然而,产生更少的航空排放。生命周期属性不是解决此处,但倾向于生物质原料燃料。(2)EPA分类排放危害健康,威胁公众健康和福利。(3)排放可以跟踪和映射,概述了城市和主要交通路线。(4)所有碳氢化合物——(HC)推动热力发动机废气排放危害健康;排气(排气管)排放(< 10 - 140 nm)包括飞机和移动/固定系统。微粒污染影响活组织和发现不利于心血管和呼吸系统,超细颗粒直接把促进血管系统疾病。(5)患病的有机蒸气可检测和构成一个早期预警系统,当结合远程医疗可以研究所一个重大进步和降低医疗成本。(6)所有HC-fueled热引擎是这些有害排放的主要来源。通用航空发展电动汽车和氢燃料推进系统,和无人飞行器已经在使用。

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