2019, Vol. 40
, ZHANG Kai-shan
, WANG Fan , PANG Kai-li , ZHU Yi-jing , LI Zhen , MAO Hong-mei , HU Bao-mei , YANG Jin-jin , WANG Bin
非道路机械的尾气排放已成为我国空气污染的重要来源之一[1, 2].挖掘机作为一种重要的工程建筑机械, 随着经济建设的快速发展, 其保有量持续增加[3].据估算, 2015年全国挖掘机保有量已超过160万台, 占全部工程机械的23%[4].由于挖掘机主要以柴油为燃料, 其排放的NOx和PM通常比汽油等其他燃料高[5, 6], 加之如此庞大的保有量, 其排放的污染物不容忽略.
与道路移动源的尾气排放研究相比, 对非道路移动源的尾气排放研究处于起步阶段, 特别是现实工况下的尾气排放测量研究较少.因此, 在估算这类机械尾气排放清单用于制定相应地减排控制政策时, 由于实测排放因子缺失[7], 所用的排放因子通常来自NONROAD、OFFROAD等非道路机械排放因子模型[8]、或者少量的实验室台架测试结果[9], 且往往机械类型不同却采用同一排放因子[10, 11], 从而造成估算的排放清单具有较大的不确定性.目前, 国内对非道路机械排放因子的研究主要来自于台架测试[12~14], 而台架测试只能对实验室内的发动机采用预定好的参数进行测试, 无法完全反映机械在现实作业条件下的排放水平.由于非道路机械的尾气排放水平受机械维护状况[15]、实际作业工况、环境条件等因素的影响, 为了更好地表征非道路机械的尾气排放, 提高其尾气排放清单估算的精准度, 开展非道路机械现实条件下的尾气排放测量研究尤为必要.
便携式尾气测量系统(portable emission measurement system, PEMS)可用于对配备发动机的机械的尾气排放进行现实工况下的测量, 近些年由于其发展迅速而得到广泛应用, 其中既包括道路机动车的尾气排放测量[16~19], 也包括非道路机械的尾气排放测量[20, 21].对于非道路挖掘机械尾气排放测量, 国外已有相对较多研究[22, 23].与国外相比, 国内利用PEMS对非道路机械, 特别是挖掘机的尾气排放特征的实测研究较少而且更多地是在实验室或者固定场地预先设计工况进行模拟测量[24, 25].而且相关研究也表明我国工程机械的实际尾气排放与国外的同类机械还是存在着明显的差异[26].这更加凸显出在我国开展非道路机械现实工况下的尾气排放实际测量, 以提高尾气排放清单估算精准度的必要性.
本研究的主要目的是利用PEMS对挖掘机在实际施工作业中的尾气排放进行测量, 量化其尾气排放特征.以弥补我国在挖掘机尾气排放实测工作方面的不足, 完善相应机械的排放因子数据库, 并完善工程机械现实工况尾气排放测量方法, 以期为进一步开展相关研究提供借鉴.
1 材料与方法 1.1 实验设计为了使挖掘机实际工况下测量的尾气排放能较好反映其排放特征, 在尾气排放测量的实验设计中需要考虑影响尾气排放的主要因素, 包括机械设备、作业类型以及作业工况等.本部分主要介绍现实工况下用于尾气排放测量的实验设计, 内容包括：①测量机械、测量时间及地点的选择; ②测量工况设计; ③测量设备选择; ④现实工况下的实际测量.
1.1.1 测量机械、时间及地点选择本研究选择常见的挖掘机类型用于尾气排放测量.但由于选择受现实条件的影响较大, 因此, 本研究综合考虑建设工地的安全性和实验许可, 选择成都市几个不同施工建设工地的8台挖掘机进行测试.这些机械满足的排放标准包括国1和国2, 其额定功率也涵盖了排放标准中的4个功率范围, 详见表 1.
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表 1 测量挖掘机信息 Table 1 Testing information of selected excavators in this study |
1.1.2 测量工况设计
挖掘机在实际作业过程中工况变化十分复杂, 为了获得具有代表性的尾气排放特征, 本研究根据挖掘机的工作特点, 针对3种工况进行测量, 即怠速、行走和作业.怠速工况指发动机空转, 同时机械保持静止; 行走工况为机械仅保持前进或者后退, 不进行其他工作任务; 作业工况是指除去怠速和行走之外, 使用配件进行挖掘, 破碎、搬运、装车等一系列操作行为的组合.另外, 为了既不影响挖掘机的实际工作又方便对其尾气排放分工况测量, 在进行测量之前, 需与机械操作人员进行沟通, 令其熟悉整个实验的流程.测试主要流程如下：测量之前, 挖掘机首先预热10~20 min, 怠速测量时, 挖掘机空转并保持静止, 行走工况的测量安排在转换作业场地的行走阶段, 或者在施工场地进行前后移动的模拟测试, 作业工况的测试安排在挖掘机实际作业中进行测试.当工况改变时, 由机械操作人员提醒实验人员以便进行滤膜更换, 从而保证测试工况是现实工况下的测量而不是预先设计的工况, 增强代表性.测试过程中, 测试人员会架设录像机对机械行为实时记录.
1.1.3 尾气排放测量设备选择本研究根据非道路机械尾气排放实际测量需要设计开发了一套便携式尾气排放测量系统, 并已先期用于其他非道路机械尾气排放的实际测量[27].该测量系统主要由3部分组成：①采用电化学(NO和O2)和光学传感器(CO、CO2、HC)测量尾气中各气体污染物的浓度; ②采用滤膜称重法测量颗粒物的质量排放; ③采用温度、压力及转速传感器测量发动机进气口温度、尾气温度、主管压力以及转速.该系统的测量精度(体积分数)分别为NO：3×10-6、CO和CO2：0.01%、HC：1×10-6; 其他传感器均在成都计量检定测试院检定合格; 颗粒物采用47 mm聚四氟乙烯滤膜.测量系统在实验室台架上与常见的尾气排放测量系统HORIBA OBS2000进行比对, 结果的一致性较强[27].该测量系统的结构示意如图 1所示.
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图 1 便携式尾气排放测试系统结构示意 Fig. 1 Schematic of the portable emissions measurement system used in this study |
为了确保仪器的正常工作, 每次测量前后均采用标准气体对仪器进行标定.用于标定的标准气体体积分数分别为：CO 8.02%, CO2 20.06%, C3H8 1.603×10-3, NO 2.905×10-3.
1.1.4 现实工况的实际测量现实工况下挖掘机械尾气排放测量的工作通常包括3个部分：①测量的前期准备, ②测量设备安装调试, ③不同工况的尾气排放测量.测量的前期准备包括测量设备固定位置的选择、传感器与各类管线的准备与布设等.测试仪器通常固定在挖掘机顶部较平坦位置, 同时要考虑测量期间便于研究人员更换颗粒物滤膜.测量仪器使用不锈钢框架进行保护, 在不锈钢框架底部与机械接触面放置橡胶垫, 减少机械震动对仪器测量造成影响.转速传感器固定在发动机主轴附近, 进气压力传感器和进气温度传感器被安装在涡轮增压装置和发动机气缸之间, 用于捕捉发动机进气压力和温度.尾气温度传感器插入尾气排放口内.五气分析仪和颗粒物的采样头并排插入排气口, 气体分析仪传输管加装干燥装置用于过滤水汽, 颗粒物的采样管线用加热垫包裹以减少水汽的冷凝.此外, 所有的传感器外侧要用耐高温的材料包裹, 采样传输管线尽量避免弯折, 靠近热源的导线需做隔热处理.
测试前, 抽取现场空气30~60 min, 得到施工场地PM2.5的本底值.测量前, 仪器进行预热和泄漏检查, 测量时, 每隔一定时间吸入空气进行零校正, 防止信号漂移.为了防止颗粒物过少不符合称量天平的称量要求, 或者过多导致滤膜通气能力差而破损, 需基于实际工况的操作特点进行设计, 通常每个测试样的测试时间考虑在10~20 min之间, 整体测量时间超过3 h, 测试样品均不少于4个(除8号挖掘机).测试结束后, 仪器继续开机10 min, 吸入空气对仪器内部进行清洗, 拆卸顺序与安装顺序相反, 拆卸后, 整套测量系统将被及时运回反吹和校准, 验证测量数据的可靠性并准备下一次测量.
1.2 测量结果的数据分析 1.2.1 测量数据的质控和后处理由于在尾气排放的实际测试过程中, 机械作业环境恶劣, 测试仪器在高温环境中长时间工作, 无线传输设备具有一定的传输距离限制, 并易受外界干扰等, 这些情况均会造成数据错误或缺失.为了保证测量数据的精准度以利于后续的分析, 需对测量的原始数据进行质量控制和后处理.测量过程中常见的数据错误包括：各类数据获取的时间不同步、仪器凝滞、数据连线脱落等.因此, 数据的质量控制和后处理主要针对上述出现的情况, 设计数据质控和后处理程序.首先根据五气分析仪和各类传感器测试数据的时间差对不同测量模块采集的数据进行时间同步, 然后剔除数据中出现的异常测量值, 当出现数据重复采集时(在数据中的表现为1 s出现2~3个数据), 以重复时间的数据平均值作为该时刻的测量数据, 对测量数据中时间点不连续的数据(不连续的数据≤3 s)做插值处理, 补全时间序列, 对超出3 s的缺失数据, 不做补充, 测试中若某项数据无法补全, 整条数据剔除.
1.2.2 测量数据的统计分析测量数据统计分析的主要内容是对挖掘机在现实条件下的尾气排放分工况进行模式分析以及估算其典型的综合排放因子.按上面章节提及的怠速、行走和作业这3种工况分别计算各污染物的质量排放速率和油耗速率, 并以此估算基于油耗和功耗的尾气排放因子.
利用引擎参数、机械运行参数和尾气测量单元的测量数据, 依据质量守恒原理、燃烧过程、理想气体方程等计算逐秒的尾气质量排放速率以及燃油消耗速率[28].尾气中颗粒物所携带的碳元素与排气中的其他碳元素相比, 所占比例极低, 计算时忽略颗粒物中的碳元素对计算结果影响较小.油耗计算公式见式(1)~(3)：
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(1) |
式中, mfuel为油耗的质量速率(g·s-1); Me是干尾气排放摩尔速率(mol·s-1); yCO、yCO2和yHC分别表示干尾气排放中CO、CO2和HC的摩尔分数; Mr, fuel为燃料的等同分子式(CHxOz)的相对分子质量, 柴油一般取13.857.
其中, 干尾气排放摩尔速率Me的计算方式如下：
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(2) |
式中, Mair是进气量的摩尔速率(mol·s-1); yO2, in是进气中的O2摩尔分数; yO2, out为干尾气排放中O2的摩尔分数; x和z分别为燃料的等同分子式(CHxOz)中H和O的个数.
其中, Mair的计算方式为：
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(3) |
式中, PMAP是引擎进气主管的压力(kPa); PB是大气压(kPa); Cengine为引擎压缩比; Vengine气缸体积(L); Sengine是引擎转速(r·min-1); ηengine是引擎体积效率, 一般取0.95; R为气体常数, 一般取8.314[J·(mol·K)-1]; Tintake为进气口温度(℃).
CO、CO2、HC、NO逐秒的质量排放速率的计算方法见式(4)：
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(4) |
式中, mi为污染物i的质量排放速率(g·s-1); yi为干尾气排放中污染物i的摩尔分数; Mri是污染物i的相对分子质量, i为CO、CO2、HC、NO.
为了进一步研究尾气排放的特征, 本研究除了计算尾气排放污染物的质量速率之外, 还计算了单位燃油消耗排放的尾气污染物质量(g·kg-1), 以及单位功耗的污染物排放质量[g·(kW·h)-1].基于油耗的污染物的排放质量的计算公式为：
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(5) |
式中, EFi, fuel为基于油耗的排放因子(g·kg-1); i为尾气排放污染物CO、CO2、HC、NO.
通过燃油消耗率(BSFC)进行基于引擎做功的排放因子与基于油耗的排放因子的转换[29, 30].
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(6) |
式中, EFP为基于引擎做功的排放因子[g·(kW·h)-1]; EFfuel基于油耗的排放因子(g·kg-1); BSFC为指定稳态工况下燃油消耗率, 当引擎额定功率P小于75kW时, BSFC取248.4[g·(kW·h)-1], 当P大于等于75kW时, BSFC取223.4[g·(kW·h)-1].
基于油耗的排放因子因其本身变化性较小且活动水平数据更易获取, 在非道路机械排放清单的建立中被广泛地采用.由于挖掘机的尾气排放受工况的影响较大, 本探究根据典型工作条件下, 不同工况时间占比的实际调研结果, 按式(7)估算基于油耗的挖掘机综合排放因子.
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(7) |
式中, CEFi为污染物i的综合排放因子(g·kg-1), i指污染物类型; EFi, j是污染物i在j工况中的平均排放因子(g·kg-1), j指挖掘机的工况, 如：怠速、行走、作业; n为测试的工况类型数, 这里取3; Tj指挖掘机在完成某一任务时j工况的时间占比(%).各工况典型的时间占比根据前期的调研结果获得, 即怠速11%, 行走15%, 作业74%.
此外, 为了评价本地化的测量结果能否有效地补充现有的排放因子数据库, 本研究同时将所获得的综合排放因子与国家推荐使用的排放因子进行比较.
本研究的数据处理利用EXCEL 2013内嵌的VBA进行编程和开展相关分析.
2 结果与讨论本部分主要介绍的内容包括：①挖掘机尾气排放的实际测量; ②现实工况下尾气排放质量速率分析; ③尾气排放的模式分析; 以及④挖掘机尾气排放综合排放因子分析与比较等.
2.1 挖掘机尾气排放的实际测量本研究在成都市的不同工地对预先选取的8台挖掘机进行尾气排放的实际测量.如图 2所示, 测量设备的固定位置和传感器的安装均随着机械的不同而不同.除去测量设备的安装及调试外本研究对每台机械约进行8~9 h的测量, 经数据的质量控制与后处理之后, 每台机械获取约4~6 h的有效的逐秒的尾气排放数据.
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图 2 测量设备安装示意 Fig. 2 Installation of PEMS on excavators for real-world tailpipe emissions measurements |
此外, 测试期间对不同施工点共13台挖掘机的操作进行共约10 h的实时录像, 以补充前期调研获取的挖掘机在现实施工各工况的典型时间占比数据.
2.2 现实工况下尾气排放质量速率分析通常情况下, 挖掘机作业时的尾气排放速率和油耗比行走和怠速时较高, 以怠速最低, 如图 3所示.由于受工况的影响较大, 即使是同一种工作工况, 其尾气排放和油耗也有所波动.此外, 不同机械之间, 即使处于相同的工况条件下, 其尾气排放及油耗也有显著的区别.从图 3可知, 安装破碎锤的日立建机ZX210K-8的CO排放较安装铲斗的斗山DH225LC-7大, 而其他的污染物排放及油耗则偏小.造成挖掘机尾气排放存在较大变化的原因很多, 包括挖掘机的作业内容、挖掘机引擎技术和功率大小、驾驶员的操作习惯、作业环境、以及不同辅助作业工具的使用等.
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图 3 不同挖掘机3种工况下瞬时排放质量速率和油耗速率 Fig. 3 Emissions and fuel consumption vs. time for two excavators in the three operation modes |
表 2给出了测试挖掘机在不同工况模式下气态污染物和细颗粒物基于时间的平均排放质量速率及其95%置信区间.通常情况下, 挖掘机在怠速、行走、作业工况中, CO、HC、NO和PM2.5的排放速率呈现增大趋势, 特别是在大功率段的机械更加明显, 这与付明亮等[25]的研究结果较为一致.对CO排放, 行走和作业时的排放分别是怠速的4.0倍和4.4倍; 对HC, 行走和作业的排放分别是怠速的2.3和2.6倍; 对于NO排放, 行走和作业时排放的NO是怠速工况的4.0倍和5.2倍, 行走和作业时排放的PM2.5分别是怠速工况的11.2和17.2倍.这可能是挖掘机在行走和作业时, 燃烧室的燃烧条件变化剧烈导致了排放的迅速增加.另外, 研究发现挖掘机尾气排放随额定功率增大而增加的趋势并不明显, 这可能跟测量的挖掘机样本相对有限相关.
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表 2 不同操作模式基于时间的排放因子1)/g·h-1 Table 2 Average time-based emission factors in the different operating modes/g·h-1 |
与基于时间的排放因子相比, 基于油耗的各工况下的尾气排放因子的差异相对较小.如图 4所示, 对CO和HC, 行走和作业阶段基于油耗的排放因子较怠速时减小, 表现出在行走和作业时燃烧效率有所提高, 国Ⅰ和国Ⅱ的CO和HC排放没有出现显著性差异.挖掘机在不同工况下NO的排放差别较小, 国Ⅰ和国Ⅱ阶段的挖掘机相同工况下的排放没有显著性差异, 但总体上国Ⅱ阶段的排放较小, 与预期的结果一致.但对于PM2.5的排放而言, 国Ⅰ和国Ⅱ则出现显著性差异, 国Ⅱ阶段的排放显著减少.当然, 由于测试机械的数量相对较少, 各工况下的尾气排放存在着较大的变化性, 体现在具有较宽的95%置信区间, 特别是对于满足国Ⅰ排放标准的挖掘机.
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图 4 不同工况下基于油耗的尾气排放因子 Fig. 4 Modal fuel-based emission rates for selected excavators |
本研究根据实测的挖掘机尾气排放结果以及调研得到的各工况典型时间占比按不同功率估算挖掘机基于油耗的综合排放因子, 具体如表 3所示.对于NO而言, 虽然不同功率水平的排放略有不同, 且由于测量样本较小, 排放随功率变化的趋势不明显, 且不同功率之间的排放差异较小.相比之下, 颗粒物的排放则呈现较大的变化性.最小与最大值之间可相差10倍.
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表 3 测试挖掘机基于油耗的综合排放因子1)/g·kg-1 Table 3 Fuel-based composite emission factors of selected excavators in this study/g·kg-1 |
此外, 本研究的实测综合排放因子与文献[31]的推荐值存在较大的差别.如表 3所示, 对CO而言, 文献[31]推荐值是本研究实测结果的2.3~6.8倍, HC在1.4~5.7倍, NO在1.6~3.1倍, PM2.5在0.4~4.4倍.
这表明使用文献[31]推荐的排放因子单独预测挖掘机械可能会使排放清单结果偏高数倍.这一方面也突显对挖掘机等非道路机械在现实工况下实测以获取相对准确的尾气排放因子的必要性, 另一方面也表明针对非道路机械分机械类型单独计算排放清单的重要性.
此外, 为了评价制定的各级排放标准能否有效的控制非道路机械的尾气排放, 将估算得到的综合排放因子与相应的国家排放标准比较, 结果如图 5所示.就CO、HC、NO而言, 所测的各台挖掘机的排放水平均低于其相应的国家排放标准.而对于PM2.5而言, 则有较大差别. 8台挖掘机中有5台的实际排放水平比其相应的国家排放标准高.这可能是由于作业条件及维护水平的差异, 而造成后处理设施的劣化程度较大等原因造成.
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1号:日立建机-2009-国1; 2号:斗山-2010-国1; 3号:神钢-2008-国Ⅱ; 4号:竹内-2010-国Ⅱ; 5号:现代-2011-国Ⅱ; 6号:神钢-2011-国Ⅱ; 7号:小松-2011-国Ⅱ; 8号:现代-2012-国Ⅱ 图 5 挖掘机实际作业排放因子与其满足的国家排放标准比较 Fig. 5 Comparison of the measured emission factors and compliance with national emissions standards for selected excavators |
(1) 本研究通过对8台在用挖掘机怠速、行走和作业工况下的尾气排放测试, 获得挖掘机不同工况下CO、HC、NO和PM2.5的排放因子, 并利用施工场地实际调研数据, 计算得到在用挖掘机尾气综合排放因子.本研究通过挖掘机尾气排放的实际测量表明, 采用便携式尾气排放测量系统可以有效地捕捉非道路机械的尾气排放特征.
(2) 测试结果表明, 不同工况对挖掘机尾气排放的影响较大.一般情况下, 作业时的排放比行走和怠速时大.不同的机械由于其作业环境、功率、排放标准等条件的不同, 其尾气排放也有显著不同.根据实测结果, 挖掘机行走时排放的CO、HC、NO和PM2.5的质量速率分别是怠速的4.0、2.3、4.0和11.2倍; 作业时排放的CO、HC、NO和PM2.5的质量速率分别是怠速的4.4、2.6、5.2和17.2倍.国Ⅱ阶段挖掘机和国Ⅰ相比, CO、HC、NOx基于油耗的排放因子不存在显著性差异, 总体上国Ⅱ阶段的NO排放有所减小; 而对PM2.5, 国Ⅱ阶段的排放显著减少, 表明提高尾气排放标准是减少机械尾气排放的有效措施之一.
(4) 本研究的实测综合排放因子与指南的推荐因子存在较大的差别, 文献[31]对CO、HC、NO和PM2.5的推荐值分别是本研究实测结果的2.3~6.8倍、1.4~5.7倍、1.6~3.1倍以及0.4~4.4倍.由估算得到的挖掘机基于功率的排放因子与国家排放标准相比, 就CO、HC、NO而言, 测试结果低于国家排放标准; 而对PM2.5, 8台挖掘机中有5台高于相应国家排放标准, 表明对挖掘机颗粒物的控制是未来工作的重点.
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