2020, Vol. 41
2. 杭州市环境保护科学研究院, 杭州 310014;
3. 杭州市机动车污染排放管理处, 杭州 310014
, HU Qing-yao1 , YANG Qiang2 , TANG Wei2 , XIA Yang2 , JING Bao-li2 , CHEN Yun3 , HUANG Cheng1
2. Hangzhou Academy of Environmental Science, Hangzhou 310014, China;
3. Hangzhou Motor Vehicle Exhaust Pollution Management Office, Hangzhou 310014, China
移动源是国内外目前及中长期最重要的大气污染来源之一[1~6], 随着经济和社会发展, 移动源对环境大气的影响日益凸显, 其对臭氧和PM2.5的影响仍将持续, 从而进一步影响公众健康, 带来环境风险[7~10].近年来, 我国在机动车污染防控方面取得了长足的进展, 但是我国针对非道路移动机械的排放控制推进步伐整体缓慢, 目前非道路机械用柴油机的排放标准仅为国三水平, 相比车用柴油机(国六)存在近两代的差距.欧美发达国家已于2014年左右实施了第四阶段排放标准要求, NOx和PM排放限值分别比第三阶段标准严化了85%和90%, 我国现行的非道路柴油机械标准与欧美国家相比落后近8年, 排放限值也比欧美国家宽松近7~12倍[11~14].为控制在用机械污染排放, 北京[15]、上海[16]、深圳[17]、天津[18]和河北省[19]等省市层面建立了在用机械的地方排放标准, 国家自2018年底也颁布实施了非道路移动机械排气烟度标准[20].同时, 由于非道路移动机械普遍存在老旧程度较高(国一及以前机械)、维护保养差、排放较差、无后处理措施和流动性大等现状[21~24], 且各类机械的主管部门差异较大, 尚未进行集中监管, 导致国内目前仍没有大量的实际测试样本来分析本地非道路移动机械的排气烟度水平[25].长三角地区是我国经济和社会建设较为活跃地区之一, 根据已有研究显示长三角地区典型城市的非道路移动机械一次PM2.5排放占据移动源重要贡献[26], 随着机动车减排的进一步深化, 经预测未来5年内非道路移动机械排放贡献呈上升趋势[27]. 2018年6月, 国务院下发了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》[28]的通知, 大力鼓励淘汰高排放工程机械, 由此摸清在用非道路移动机械的排气现状对排放监管尤为重要[29~31].但是, 目前关于非道路移动机械排气烟度及关键影响因素的相关研究报道较少.
因此, 本研究基于对华东地区典型城市(上海市和杭州市)的5类典型非道路移动机械(市政机械、施工机械、企业内部机械、港作机械和农用机械)开展了排气烟度实测, 结合对测试机械的属性(包括油品、排放阶段和机龄等), 分析了各类机械的排气烟度现状及相关的影响参数, 旨在为区域非道路移动机械排放管控提供科学支撑.
1 材料与方法 1.1 测试对象本研究涉及被测试的非道路移动机械分布于华东地区典型城市, 包括市政机械、施工机械、企业内部机械、港作机械和农用机械等5类机械, 共计测试916台, 测试时间为2017年和2018年, 所有机械均处于正常作业工况.测试机械的属性如图 1所示, 各类测试机械类型的数量占比分别为：农用机械(44%)、企业内部机械(39%)、施工机械(11%)、市政机械(3%)和港作机械(3%)；测试机械所使用油品为车用柴油和普通柴油, 其中约81%的机械使用普通柴油；从排放阶段分布来看, 机械主要为国二机械, 占比46%, 国三占比27%, 国一及以下机械占比27%.
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图 1 测试机械属性分布 Fig. 1 Properties of tested non-road vehicles |
本研究采用光吸收系数和林格曼黑度两种方法表征机械作业的排气烟度, 测试设备和方法参照GB 36886-2018和DB 11/185-2013中的相关要求, 其中选用HORIBA的MEXA-600S不透光烟度计作为试验设备测试机械排气的光吸收系数.林格曼黑度测试采用林格曼黑度图、计时器(精准为1 s)、烟气黑度图支架和风向风速测定仪等.测试工况包括启动烟度和自由加速两种工况.
2 结果与讨论 2.1 分机械类型的排气烟度分布分析实测机械的在自由加速工况下的排气烟度, 如表 1所示, 测试机械的烟度为(1.02±0.57)m-1, 林格曼黑度等级为2.10±0.19(无量纲, 下同), 由图 2可见, 自由加速工况下各类机械的光吸收系数和林格曼黑度的排放趋势基本一致.分析各类机械的烟度, 农用机械的平均的烟度稍高于企业内部机械和施工机械, 市政机械和港作机械的平均烟度相对最低, 农用机械的平均烟度约为港作机械的2倍.
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表 1 实测非道路移动机械排气烟度 Table 1 Smoke intensities of tested non-road vehicles |
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图 2 测试非道路移动机械排气烟度分布 Fig. 2 Smoke intensity ranges of tested non-road vehicles |
根据国家GB 36886-2018标准中对排气烟度限值的划分类型, 将实测机械的烟度范围分为3个类型：烟度≤0.5 m-1、0.5 m-1＜烟度≤1.61 m-1和烟度>1.61 m-1, 将各类实测机械的烟度按此分类(如图 3), 结果显示, 约21%的实测机械超过Ⅰ类限值(≤1.61 m-1), 各类机械的比例为12%~25%, 农用机械的比例最高, 其次为企业内部机械和施工机械, 其中施工机械的比例为9%, 显著低于河北省实测结果[32].根据GB 36886-2018标准, 划定非道路移动机械低排放控制区(低排区)的区域可参考使用Ⅲ类限值(≤0.5 m-1), 本研究显示满足Ⅲ类限值的机械占比约为38%, 且市区较为集中的施工机械和市政工程机械占比最高, 分别为55%和54%, 可见华东地区典型城市对划定低排区已具有一定的条件, 但是仍有超过40%的建筑和市政机械需通过改造或升级满足低排区的Ⅲ类烟度限值要求.
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图 3 各类机械实测烟度区间占比 Fig. 3 Contribution of smoke intensity among types of tested non-road vehicles |
结合对实测机械的机龄调查和我国非道路移动机械国一、国二和国三标准的实施时间, 分析不同机龄的排气烟度特征(如图 4), 国二及以后机械(出厂日期在2009年及以后)的排气烟度为国一及以前机械(出厂日期在2009年以前)的(2.0±1.1)倍, 可见非道路移动机械标准从国一提升至国二及以上, 排气烟度可削减50%±93%, 出厂日期在2016年及以后机械较2009~2015年机械的排气烟度值的(2.4±2.2)倍, 可见非道路移动机械标准从国二提升至国三, 排气烟度可削减41%±45%.由此可见, 收紧非道路移动机械的标准要求, 可有力削减其排气烟度.
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图 4 机械出厂年限对排气烟度影响 Fig. 4 Relationship between smoke intensity and the ages of non-road vehicles |
选择两类功率段(大于130 kW的大功率起重机, 小于56 kW的小功率叉车)的工程机械分析排气烟度与机械功率的相关性, 如图 5所示.从启动烟度看, 机械的功率差异与排气烟度未呈现规律性, 从自由加速烟度看, 大功率机械的排气烟度稍高于小功率机械, 前者约为后者的2.8倍, 测试机械的单位功率排气烟度为(8.1E-03±3.8E-03)m-1·kW-1.
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图 5 机械功率对排气烟度影响 Fig. 5 Relationship between smoke intensity and power of non-road vehicles |
为了研究不同测试工况对非道路移动机械排气烟度的影响, 本研究分别对测试机械采取启动烟度和自由加速两种工况下测试其排气烟度, R表示启动烟度和自由加速的烟度比值, 当R=1时, 即工况为启动与自由加速时的排气烟度相同, 大于1时为启动烟度较大, 反之自有加速烟度较大, 其中80%的机械启动烟度大于自由加速烟度, 其中差距最大的一台机械, 启动烟度约为自由加速烟度的87倍.
进一步分析不同机龄、机械类型及排放阶段在不同测试工况下的排气烟度, 如图 6所示, 除出厂年份在2001年、2004年及2010年的测试机械的R值较高外, 其余机械虽机龄具有差异性, 但其R值均在2上下浮动, 即启动烟度为自由加速排气烟度的2倍左右；分析不同测试工况对不同机械类型的差异影响, R值分布为1.6~3.7, 市政工程的R值最高, 港作机械的R值最低, 即机械启动对市政工程机械排气烟度影响相对较大, 对港作机械影响较小；分析不同测试工况对不同排放阶段机械的差异影响, R值分布为1.1~2.2, 国一机械最低, R=1.1, 即启动烟度稍高于自由加速的排气烟度, 国0、国二和国三的R值为1.8~2.0, 即此3个排放阶段机械的启动烟度约为自由加速排气烟度的2倍左右.
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图 6 测试工况对机械的排气烟度(启动烟度/自由加速烟度)影响 Fig. 6 Relationship between smoke intensity and working conditions |
分析车用柴油和普通柴油使用对非道路移动机械排气烟度的影响, 以排气烟度达标I类限值1.61 m-1的2倍和5倍作为评价指标, 使用车用柴油和普通柴油的机械超标2倍的机械占比分别为6.5%和6.9%, 可见车用柴油和普通柴油对排气烟度的影响差异不大, 使用普通柴油的排气烟度超标比例稍高于车用柴油.由图 7可见, 使用普通柴油的机械存在较多超高排气烟度样本, 以超标5倍作为评价指标, 使用普通柴油的超标5倍的机械占总数的1.8%, 但使用车用柴油的机械无超标5倍样本.由此可见, 使用车用柴油可一定程度减少排气烟度的均值, 但可显著削减或抑制排气烟度高值.
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图 7 油品对机械的排气烟度影响 Fig. 7 Relationship between smoke intensity and fuel used in tested non-road vehicles |
非道路移动机械的主要动力是柴油机, 柴油机排气烟度的形成过程非常复杂, 柴油机工作时喷油器将高压的液态柴油快速喷入燃烧室, 柴油液滴与进气系统吸入的空气剧烈摩擦, 受热气化, 与空气充分混合, 燃油小液滴与气缸内的空气混合很难做到十分均匀, 容易造成局部空燃比小于理论空燃比, 未能充分混合的燃油由于缺乏足够的空气不能充分燃烧, 在高温下迅速裂解为碳氢小分子, 进一步脱氢碳化为小粒径的碳颗粒, 其聚集一起形成碳烟, 随排气排出[33, 34], 从柴油机的工作机制可见, 喷油量、燃烧效率及油品是造成非道路用柴油机烟度排放的关键因素.结合本研究, 显示柴油机启动时需要多喷油, 造成瞬间空燃比较低, 易形成黑烟；与车用柴油相比, 油品质量较差的普通柴油可能影响柴油机燃烧室的燃烧效率, 增加未充分燃烧柴油的比例, 进而造成碳烟.
3 结论(1) 自由加速工况下, 实测非道路移动机械的排气烟度值为(1.02±0.57)m-1, 林格曼黑度等级为2.10±0.19, 农用机械的排气烟度最高, 约为港作机械的2倍, 各类机械超过国家标准GB36886-2018中Ⅰ类限值比例为12%~25%.
(2) 非道路移动机械标准收严, 可有力削减机械排气烟度, 进而减少机械的大气污染影响；本研究实测发现功率不同对工程机械排气烟度有一定影响, 大功率的机械排气烟度高于小功率机械, 其他类型的非道路移动机械的排气烟度与功率关系需进一步开展研究工作.
(3) 大部分机械启动烟度大于自由加速烟度, 启动烟度为自由加速排气烟度2倍左右, 机械启动对市政工程机械的排气烟度影响较大；使用车用柴油可一定程度减少排气烟度的均值, 但是影响差异不大, 但可显著削减或抑制排气烟度高值.结合柴油内燃机的原理, 上述现象与机械启动瞬时喷油量增加过快、普通柴油油品质量较差密切相关, 造成局部柴油燃烧不完全, 形成碳烟.
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