城市机动车尾气排放控制研究

中国环境学会  2011年 03月31日


  曲艳敏* 徐鹤  (南开大学环境科学与工程学院  天津市南开区卫津路94号 )


  摘要:我国汽车产业迅猛发展,机动车保有量激增,机动车排放污染问题已经引起广泛的重视。本文研究了国内外对机动车排放控制的理论与方法,分析了机动车尾气污染的主要影响因素,介绍了目前常用的几种控制机动车污染的技术,并结合国情,提出了适合我国实际的机动车污染控制对策。
  关键词:机动车尾气污染;控制技术;控制对策


  1 引言


  随着人们生活水平的不断提高,汽车已成为人们生活中必不可少的一部分。近年来,我国机动车保有量激增,来自公安部的统计数字显示,截至2009年底,全国机动车保有量已超过1.86亿辆,我国已成为全球最大的汽车消费市场。
  由于在用汽车数量的增多,其排放所带来的空气污染已成为全世界共同面临的重大问题。我国城市环境空气质量监测表明,70%的城市环境空气质量不达标。北京、上海、广州等大城市机动车排放的一氧化碳和碳氢化合物所占比例都在80%以上;深圳市机动车排放的氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳分别占排放总量的64.9%、70.6%和94.5%。据预测,按目前机动车的发展趋势:未来几年,我国将有60%左右的城市空气污染从以煤烟型为主转为以机动车污染型为主。[1][2]


  2 国内外机动车尾气排放控制的发展


  2.1国外情况
  1960 年美国加州开始立法控制汽车尾气排放污染, 1965 年美国联邦政府正式颁布全国汽车排放法规。日本于1966 年正式颁布汽车排放法规,欧洲则于1970 年开始颁布汽车排放法规。
  80年代中期,加拿大、澳大利亚等国对汽车尾气排放也采取了强制性要求[3]。90年代,美国修订了清洁空气法案,美国加州决定从1994年至2003年分3个时段实行过渡低排污车(TLEV)、低排污车(LEV)、超低排放车(ULEV)标准[4]。随后美国全面推行了这一标准。欧盟国家经过几年的讨论,通过了近似于加州的排放法规。其中对于汽油机轿车从2000年1月起执行欧洲Ⅲ阶段的排放法规,从2005年1月起执行欧洲Ⅳ阶段的排放法规[5]。


  2.2国内情况
  以颁布和实施排放法规为标志,中国的机动车污染防治工作始于20世纪80年代。1983年,原城乡建设环境保护部颁布了我国第一批机动车排放标准和检测方法标准,为我国开展机动车污染防治工作奠定了基础,提供了技术依据。
  90年代,原国家环境保护局对国家机动车排放标准进行了全面的修订和完善,制定了《车用汽油机排气污染物排放标准(GB14761.2-93)》等6项标准。
  1998年,国务院作出了2000年全国实现车用汽油无铅化和轿车电喷化的重大决定,为落实国务院决定,1999年,原国家环境保护总局制定了车用汽油有害物质控制标准和相当于欧洲1号和欧洲2号排放法规的国家第1、2阶段轻型汽车和重型车用压燃式发动机排气污染物排放标准,使我国的汽车污染物排放标准的控制水平向前推进了20年。
  研究方面,莫秀贞、冯滨等人首次在国家层次上提出适合中国国情以及在适当时期内逐步实现与国际接轨的机动车排放污染控制管理体系框架[6]。
  清华大学郝吉明、吴烨等人吸收发达国家原有控制规划体系的主体思想,将其改造成能够更适合我国城市的特点的控制规划体系。该体系结构的核心内容主要由机动车排放因子的确定、机动车污染物排放时空分布规律的确定、大气环境质量状况的模拟和分析、机动车排放优化模型的建立和综合控制实施影响评估四部分组成[7]。
  武汉理工大学的吕林、锁国涛利用自主开发的一套车载测试系统,采用双参数法对试验车辆在不同道路上行驶时的实际行驶工况进行统计分析,从而分析比较了不同路况下车辆行驶工况分布以及档位使用概率的差别,为试验车辆传动系统及发动机性能的优化匹配提供试验依据[8]。
 

  3 机动车尾气污染物排放的影响因素


  (1)机动车性能
  经计算,1kg汽油完全燃烧需要14.6kg空气。可燃混合气中空气与燃料的比值叫做空燃比,理论空燃比为14.6:1。空燃比可以做为可燃混合气浓度的衡量标准,用以判断发动机燃烧工作状况。
  根据统计数据分析,我国汽车排放性能水平较发达国家晚约8年左右。以轿车为例,全国平均排放因子HC 与CO 约为美国平均水平的3.5倍,NOx约为2.5倍;我国摩托车排放控制技术水平远远落后于美国和欧盟 [9]。


  (2)机动车运行工况的影响
  由于我国城市交通设施落后,道路质量较差,城市干道、支路、小区道路在布局上、网络层次上不甚合理,再有就是机动车保有量的迅速膨胀,造成道路不畅。行驶工况中较高的加、减速时间比率和较高的怠速时间比率反映出行驶的汽车经常处于急起、急停的运行状态之中。
  国内外研究表明,车速是影响汽车污染物排放的重要因素,当车速为10~20km/h时,HC的排放量是车速为30~40 km/h时的1.55倍,CO的排放量是1.9倍,怠速时汽车污染物排放量更高。在拥堵时,由于汽车频繁起动、制动和怠速,从而引起汽车行驶速度更低,污染物排放量增多,同时也使得汽车燃油消耗量增大[10]。


  (3)燃油品质的影响
  我国目前使用的车用汽、柴油在品质上尚达不到世界燃油规格中的第Ⅰ类燃油标准,这降低了车用发动机的使用寿命。即便是进口发动机,其排放也会迅速恶化[11]。车用燃油中硫含量高,会增加汽车尾气的排放,环保达标车若使用品质差的油,容易使污染物排放增加。目前,我国车用燃料中的平均含硫量在500-2000ppm之间,而欧美已达到低于150ppm 的水平。
 

  (4)在用车检查维修的影响
  我国的在用车检查维修只偏重于机动车的安全性和动力性,不重视排放性。以轻型汽油车为例,在实际运行条件下,我国车辆为国外同类型在用车排放因子的8-10 倍。出租车、公交车、运输车等高频率使用车辆,由于超载、过度使用,维护保养状况相对更差,在正常使用情况下,要比美国的排放水平高15倍以上。


  4 机动车尾气污染控制技术


  4.1燃料处理技术
  1、改善汽油品质
  中国车用汽油以催化裂化汽油为主组成,烯烃含量高(体积百分数为30%-35%),高辛烷值组分少,芳烃含量(10%-30%)、苯含量(1.5%-2.5%)及含氧量相对较低,部分炼油厂生产的汽油硫含量较高,清洁剂应用不普及[12]。而国外汽油调配中,催化重整汽油、烷基化汽油、异构化汽油等高辛烷值组分调和比例大,烯烃含量较低,美、日汽油烯烃含量一般在13%~20%。
  因此,应提高催化裂化汽油的质量,改造和更新汽油炼制技术,改善汽油品质。
  2、降低柴油中含硫量
  我国柴油的十六烷值低(40~45),安定性较差,硫含量高(质量分数0.1%~0.2%),芳烃含量高,缺少专用于交通运输的车用柴油。美国、欧洲、日本等国家和地区对柴油中的含硫量要求非常严格,限值为0.05%—0.1%[13]。严格控制柴油中硫含量,不仅可以降低硫氧化物等污染物的排放,还有利于柴油车尾气的催化净化。
  3、掺入添加剂,改变燃料组分
  甲醇、乙醇、异丁醇、叔丁醇等许多含氧化合物具有很高的辛烷值,是良好的抗爆剂。汽油中加入少量的含氧化合物可以改善燃料的燃烧性能,可明显地减少CO、NOx和HC的生成。
  在改善柴油品质方面,国外也早已开发生产了多种柴油添加剂,适量地加入一定比例的柴油添加剂,能使柴油得到活化,提高其雾化能力,有利于减少炭微粒的生成。
  4、寻找替代燃料
  从发展潜力和实用价值两方面来看,天然气和液化石油气是比较理想的替代燃料。天然气汽车尾气中不含铅并且基本不含硫化物,与汽油车相比,CO降低97%,HC降低72%,NOx降低39%。液化石油气辛烷值较高,燃料费比酒精、汽油、柴油等便宜,CO、NOx等气体排放量低于汽油机排放,基本上消除黑烟和颗粒物,且所排气体无臭味,发动机工作噪音低。


  4.2机动车排放的净化技术
  1、机内净化技术
  机内净化是通过改变发动机的设计、制造工艺及精制燃油等手段来降低有害物质的生成,但不能从根本上消除有害气体。
  (1)废气再循环技术
  采用废气再循环装置把少量发动机废气(约为排气量的10%)引至发动机进气口,经冷却器冷却后,再进入进气端与新气混合后进入汽缸燃烧,从而实现再循环。此技术不但降低了氧的浓度,而且降低了最高燃烧温度,从而抑制了NOx在燃烧过程中的生成,改善燃油经济性,降低了NOx的排放[14]
  (2)稀薄燃烧技术
  指通过改进发动机燃烧的方法,使稀薄燃烧方式在大于理论空燃比的条件下进行燃烧。稀薄燃烧可提高燃烧完全性,能降低CO、HC排放量。为降低NOx排放量,要采用高能点火系统或预燃烧方式或分层进气系统等措施。
  2、机外净化技术
  机外净化是利用催化转化器将产生的有害气体转化为无害气体,是减少汽车排气污染简便而有效的方法,目前被世界发达国家广泛采用。
  (1)催化净化技术
  在汽车尾气排入大气之前,利用催化转化装置将其转化为无害气体。催化剂是净化效果的关键。根据所使用的主催化组分不同,可把催化剂分为三类贵金属型、非贵金属型、贵金属与稀土复合型。另外,为避免催化剂高温失效,目前已开发出耐高温达到1050oC的净化催化剂[15]。
  (2)机外低温等离子体技术
  利用等离子体体系中的活性物种,将汽车尾气中的有害物质通过氧化、还原或离解而转化为无害或低害物质,以达到降低环境污染的目的[16]。
  (3)碳氢收集器
  利用沸石作为吸附剂吸收汽油机冷启动后未完全燃烧的HC,沸石能在400oC脱附HC。脱附的HC随着排气流被转化后排出,有效降低了冷起动时的HC排量。试验表明,碳氢收集器能吸附60%-70%的HC。


  5 机动车污染控制的对策
  1、完善有关的法律法规,制定严格的机动车尾气排放标准
  我国目前的机动车排放标准主要是参考欧洲的排放标准制定出来的,考虑到我国的国情,如果不经过过渡阶段,直接强制执行国际标准是不现实的。在这种情况下,各地区要根据其区域的经济和社会情况,在国家标准的框架下,制定符合地方经济和环境持续发展的排放标准并严格监督执行。
  2、坚持实行在用车的I/M(检测与维护)制度
  I/M制度即定期检查/强制维护制度,它是美国现行的控制在用车辆尾气排放的最主要手段[31]。所谓的检测,其主要内容有定期检测、抽检、强制修复后的复检等;而维修的主要内容有定期维护、强制修理、故障修理等。I/M制度是一种控制汽车尾气污染科学、经济、有效、合理的措施,通过进一步完善和加大实施管理,可望在机动车排放控制中起到更大的作用。
  3、加强城市综合规划与道路基础建设,改善道路交通状况
  在城市综合规划中,应合理设置红绿灯,尽量减少机动车在行驶中的减速、怠速和加速;对车流量大而且人流量密集的重点路段可设立人行天桥或地下通道,将行人分流,确保市区主要道路畅通;对现有道路狭窄,车流量大的路段进行拓宽改造。
  4、优先发展公共交通事业,鼓励市民乘坐公共交通工具
  要尽快解决目前公交经营中存在的公交线路偏少、站点布局不合理、绕道行驶等问题。公交线路和停靠站点要尽量向居住小区、商业区、学校聚集区等城市功能区延伸,方便人民群众生产生活。同时政府要加大对公交系统的财政补助,发挥客运价格的导向和杠杆作用,继续用价格优势吸引市民乘坐公共交通工具。
  5、实行机动车污染控制的经济鼓励政策,推广使用清洁能源汽车
  政府部门要出台一些有效的经济政策。比如,要出台加快淘汰高排放、高污染汽车的经济鼓励政策,还要出台支持环保型、清洁能源汽车的扶持政策。这次国务院实施的汽车产业调整与振兴规划中,对1.6升以下排放量的汽车实行购置税减半的政策,鼓励了小排量汽车的发展。只有在政府部门和企业的宣传与推广之下,才能积极促进我国汽车产业向清洁能源方向发展。


  参考文献:
  [1]  刘蔚. 机动车污染已成城市空气质量大患[N].  中国环境报, 2004-9-6
  [2]  王玲, 李会, 梁晓亮. 欧2、欧3与谁有关 [N].  经济日报, 2004-7-11
  [3]  Christopher S, et al. Motorcycle emission standards and emission control technology[M]. Sacramento: Engine Fuel and Emission. Engineering Inc,1994.
  [4]  Cooper B J.Challenges in emission control catalysis for the next decade[J]. Platinum Metals Rev, 1994, 38(1):2
  [5]  赵昱东. 国外机动车排放污染控制技术的发展[J]. 中国环保产业, 2002,6:40-43.
  [6]  莫秀贞, 冯滨等. 中国机动车排放控制管理体系研究[J]. 广州环境科学, 1998,13(4):18-22
  [7]   郝吉明, 吴烨, 傅利新等.中国城市机动车排放污染控制规划体系研究[J]. 应用气象学报., 2002, 13:195-203.
  [8]  吕林, 锁国涛. 不同路况下汽车行驶工况的测试与分析[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) , 2006,30(5):781-784
  [9]  何书彬. 厦门出招驱散灰霾 [N]. 厦门日报, 2007-2-7
  [10]  訾琨,黄永青,涂先库. 宁波市区汽车行驶工况和污染物排放调查研究[J]. 内燃机工程, 2006,27(1):81-84
  [11]  黄远峰,罗澍,何龙等.  深圳市机动车氮氧化物排放、环境空气污染预测和控制对策[J]. 中国环境监测, 2001, 17(1):7-10
  [12]  冯权莉,宁平. 机动车尾气排放控制及试验方法综述[J]. 化工环保, 2004,24:167-170
  [13]  吴忠标, 李伟,王莉红.城市大气环境概论〔M〕.北京:化学工业出版社,2003.346—358
  [14]  胡晖,胡瑞玲,李志强.冷却的废气再循环控制技术(EGR)-降低NOx排放的主要措施[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2003,30(6):65~67
  [15]  周小霞,刘作华,李晓红等. 汽车尾气净化技术现状及发展[J]. 压电与声光, 2003,25(5):410-413
  [16]  龚大国,袁宗宣,谢春梅等. 等离子体汽车尾气治理技术.重庆环境科学,2003,25(2):28~33
   
  
  * 作者简介:曲艳敏,南开大学硕士研究生,研究方向为战略环境评价。Email: sints@sina.com.cn

 
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