2020, Vol. 41
2. 北京工业大学环境与能源工程学院, 北京 100124;
3. 国家城市环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100037;
4. 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048
2. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124 China;
3. National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control, Beijing 100037, China;
4. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China
农业机械作为一种重要的非道路机械, 主要包括农业动力机械、种植机械、农田基本工程机械和农业运输机械等[1].农业机械大部分以柴油为动力, 氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)是主要的尾气污染物[2~5].与机动车等道路移动源相比, 农业机械具有技术水平低、使用年限长、耗油量高、维护率低和单机排放量较大等特点[6].随着我国农业机械化步伐的加快, 农业机械带来的污染也引起了人们的关注[7, 8].
中国非道路移动源的排放控制工作起步较晚[9~11].近些年来, 一些专家学者对农业机械大气污染物排放清单进行了探索性研究[12~16].张意等[17]对天津市非道路机械进行了较为完整的研究, 建立了天津市非道路移动源排放清单.范武波等[18]采用环保部推荐的排放因子, 分析了四川省非道路移动源的尾气污染排放特征.国内对农业机械的研究较少, 缺乏农业机械实际排放因子, 所用的排放因子通常来自一些非道路机械排放因子模型[19]和实验室台架测试结果[20~22], 从而造成估算的排放清单具有较大的不确定性.付明亮等[23]利用车载排放测量系统(portable emission measure system, PEMS)[24, 25]对45辆典型工程机械进行实际工况排放测试, 得到了工程机械怠速、行走和工作等不同工况下的排放因子.
本研究利用车载排放测试系统对北京市农业机械进行实际工况排放测试, 得到了不同农业机械实际工况下的瞬时排放特征, 计算了不同类型农业机械的排放因子, 建立了北京市农业机械排放清单.
1 材料与方法 1.1 测试仪器本研究应用的车载排放测试仪器主要包括全球定位系统(GPS)、SEMTECH-DS气态污染物分析仪(美国Sensors公司)、MAHA MPM-4颗粒物测试仪(德国Maschinenbau Haldenwang)和EFM2尾气质量流量计(美国Asert公司).农业机械尾气气态污染物排放因子测量仪器为SEMTECH-DS车载尾气分析系统, 流量计EFM记录排气温度和流量, GPS记录经纬度、海拔并计算车速等.MAHA MPM-4用来测量颗粒物瞬时排放浓度, 可测量粒径小于10 000 nm的颗粒物, 测量范围为0~750 mg ·m-3, 精度为0.01 mg ·m-3.
1.2 计算方法依据碳平衡原理对农业机械的油耗进行计算, 如公式(1)所示：
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(1) |
式中, FR表示柴油的消耗率(L ·s-1)；ρdiesel表示柴油的密度(0.868 g ·L-1)；ER(HC)、ER(CO)和ER(CO2)分别表示HC、CO和CO2的瞬时排放速率(g ·s-1)；CWFF表示柴油含碳量, 为0.866.
实测的CO、HC、NOx和PM的排放速率数据, 结合农业机械油耗, 计算基于油耗的排放因子, 如公式(2)所示：
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(2) |
式中, EFP表示基于油耗的排放因子(g ·kg-1)；P表示车辆排放的某类污染物；n表示某工况的持续时间(s)；i和j表示该工况的开始时间和完成时间(s)；ER表示污染物的瞬时排放速率(g ·s-1)；FR表示某一工况下的油耗速率(kg ·s-1).
按下式(3)估算基于油耗的综合排放因子.
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(3) |
式中, CEFP表示污染物P的综合排放因子(g ·kg-1)；P 表示污染物类型；EFP, i表示污染物的平均排放因子(g ·kg-1)；i表示农业机械的工况；n表示测试的工况类型数；Ti表示农业机械在完成工况的时间占比(%).
污染物CO、HC、NOx和PM排放量的估算方法如公式(4)所示：
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(4) |
式中, EP表示污染物的排放量(kg)；P表示污染物的类型；D表示柴油的使用量(kg)；CEFP表示污染物的综合排放因子(g ·kg-1).
1.3 测试机械本研究对2台联合收割机、5台大中型拖拉机、2台小型拖拉机、2台农用运输车和1台农田建设机械进行了测试.测试的联合收割机和农田建设机械测试的工况主要有3种, 怠速(发动机处于低转速状态且工程机械处于静止状态)、行走(机械在测试地点自由前行或后移)、作业(机械行走同时对农作物进行收割、对农田进行管理)；拖拉机的工况有4种, 怠速、行走、切地(机械行走同时利用铲刀对土地进行切割)、翻地(机械行走同时利用铲刀对土地进行翻整)；运输车的工况有匀速和加速2种.农业机械柴油机排放标准包括国1、国2和国3, 具体信息见表 1.
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表 1 测试农业机械信息 Table 1 Information of agricultural machinery in this study |
1.4 北京市农业机械基本情况
北京市农业机械主要分为农产品初加工机械、联合收割机、农业运输车、农田基本建设机械、畜牧养殖业机械、排灌机械和拖拉机这7大类, 见表 2.北京农业机械数量庞大, 保有量最大的为农用运输机械近5万辆, 占总量的60%；其次为拖拉机和畜牧业生产机械近1万台, 约占12%.
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表 2 北京农业机械基本情况 Table 2 Basic information of agricultural machinery in Beijing |
2 结果与讨论 2.1 瞬时排放特征 2.1.1 拖拉机瞬时排放特征
本研究给出了1号测试拖拉机怠速、行走、切地和翻地这4种情况下CO、NOx、HC和PM的瞬时排放速率片段, 如图 1所示.怠速和行走时4种污染物的瞬时变化趋于平稳；而切地和翻地模式下的波动较明显, 这是由于拖拉机在旋耕时发动机负荷较大, 这与葛蕴珊等[26]和付明亮等[27]的研究结果一致.CO排放率随发动机负荷的增大而增大, 在开始怠速时, CO排放率最小, 为4.8 mg ·s-1；在行走时, CO排放率逐渐增加；在切地和翻地时CO的排放率达到最大值.NOx排放速率在怠速、行走和切地时波动不大, 但随着进入发动机负荷较大的翻地阶段NOx的变化幅度增大, 最大值达到42.8 mg ·s-1.HC排放速率在刚进入翻地阶段后有较大的变化, 最大值达到49.11 mg ·s-1, 但是进入翻地阶段以后变化波动不大. PM的排放速率在怠速和行走阶段几乎没有波动, 当发动机负荷加大使排放速率变大, 排放速率波动也变大.
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图 1 拖拉机瞬时排放速率 Fig. 1 Instantaneous emission rate of tractors |
图 2为三轮车在不同工况下CO、NOx、HC和PM的瞬时排放速率片段, 匀速和加速状态下4种污染物的变化趋势相似.在匀速阶段, 发动机的负荷比较小, 燃油消耗量较小, 4种污染物的瞬时排放速率较小.进入加速阶段, 燃油消耗增加, 这主要是因为发动机不仅要提供维持现阶段速度动力, 而且还要提供加速的动力, 所以出现了较多的排放峰值.CO排放速率随发动机负荷的增大而增大, 加速阶段变化明显, 排放速率增大, 最大值为600 mg ·s-1.NOx排放速率在匀速阶段变化不大, 最大值约为20 mg ·s-1, 但是在加速阶段数值变化较大.PM和HC的变化与NOx的变化趋势相似, 也是在匀速阶段变化幅度不大, 在加速阶段变化幅度大.
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图 2 三轮车瞬时排放速率 Fig. 2 Instantaneous emission rate of tricycles |
按照各类农业机械的用途, 将北京市农业机械分为7大类, 分别为拖拉机、联合收割机、农用运输车、排灌机械、畜牧业生产机械、农田基本建设机械和农产品初加工机械.根据实测的尾气排放速率计算出农业机械基于油耗的排放因子.本文参考了文献[28]及国内相关研究实测的排放因子, 给出了北京市农业机械的排放因子, 见表 3.
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表 3 典型农业机械排放因子 Table 3 Emission factors of typical agricultural machinery |
本次测试的拖拉机中2号、3号和5号功率为 < 37 kW, 具有相同的污染物排放限值. 3辆拖拉机都只有旋耕和播种两个工作状态, 因此在研究排放标准对农机排放的影响时, 计算2种工况的加权平均值.图 3对比了不同排放标准下, CO、NOx、HC和PM的排放因子.从图 3中可以看出, 4种污染物从国1排放标准到国3排放标准都有递减规律, CO和HC的变化规律明显, 从国1到国2污染物排放因子降低了50%左右.
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图 3 不同排放标准的排放因子比较 Fig. 3 Comparison of emission factors under different emission standards |
为分析不同排放标准农业机械实际工况下的尾气排放因子, 将实测的综合排放因子与文献[28]进行比较, 如图 4所示.对于CO, 7台拖拉机中有3台的排放水平均低于指南推荐值, 2台三轮车高于指南推荐值, 联合收割机排放因子和指南推荐值差别不大, 挖掘机的排放因子低于指南推荐值.对于NOx, 5台拖拉机的排放因子低于指南推荐值, 1台三轮车低于指南推荐值, 挖掘机的排放因子低于指南推荐值.对于HC, 12台农业机械全部高于指南推荐值.对于PM而言, 6号和9号农业机械低于指南推荐值.这表明使用文献[28]推荐的排放因子预测农业机械可能会导致排放清单结果被低估, 这与马帅[30]的研究结果一致.
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图 4 实际排放因子与文献[28]比较 Fig. 4 Comparisons of measured emission factors and its complying National Emissions Standards |
根据北京市农业机械排放因子和农业机械耗油量[31], 计算2017年CO、NOx、HC和PM的排放量分别是2 566.60、1 239.29、563.08和538.32 t, 见表 4.对各种农业机械大气污染物排放的分担率进行分析, 见图 5.对于CO, 拖拉机和农用运输车的贡献率最高达到了50%和46%, 排灌机械的贡献率最小, 这可能是因为拖拉机和运输机械的数量比较多, 多数机械的排放因子较大.对于NOx, 拖拉机的贡献率最大, 占所调查的农业机械排放总量的51%, 其次为农用运输车和联合收割机.对于HC, 拖拉机的污染物贡献率最高, 农用运输车次之.对于PM, 拖拉机的贡献率达到了83%.总体来看, 拖拉机、运输机械和联合收割机的污染物总量占CO、NOx、HC和PM这4种污染物总量的98%、95%、95%和98%.因此, 农用拖拉机、运输车和联合收割机在农业机械污染减排中应作为重点控制对象.
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图 5 各类农业机械的排放分担率 Fig. 5 Contribution of different agricultural machinery to different pollutants |
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表 4 污染物排放量/t Table 4 Total exhaust emissions/t |
2.4 不确定性分析
本研究的不确定性主要存在排放因子和活动水平两方面.农业机械的活动水平数据来自统计年鉴, 存在统计误差.本研究选12台农业机械进行了测试, 选取的数量和种类有限, 可能因实测数据代表性不足引起不确定性. 2辆农用运输车的排放标准较低, 排放因子明显大于国家推荐的排放清单指南推荐值.综合排放因子是根据不同工况的排放因子, 按照时间占比得到的加权排放因子, 存在不确定性.对于本文没有测试的农业机械类型, 参考了已有研究和国家指南推荐, 有必要在以后补充各类农业机械本地化研究, 以减少排放清单的不确定性.
3 结论(1) 不同的工况对农业机械尾气排放有较大的影响.行走和怠速时4种污染物的瞬时排放变化较小；而切地和翻地模式下的波动明显, 排放速率远高于行走和怠速.
(2) 根据农业机械的分类和排放标准对排放因子进行细化, 对本文没有测量的机械类型, 参考了国内相关研究实测的排放因子以及环境保护部发布的《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南》, 建立了较为完善的本地化农业机械排放因子.
(3) 将实测的排放因子与我国《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南》中推荐排放因子进行了对比, 4种污染物从国1排放标准到国3排放标准都有递减规律, CO和HC的变化规律明显, 从国1到国2污染物排放因子降低了50%左右.
(4) 根据北京农业机械排放因子和燃油消耗量计算2017年CO、NOx、HC和PM的排放量分别是2 566.60、1 239.29、563.08和538.32 t.拖拉机、运输机械和联合收割机的污染物总量占CO、NOx、HC和PM总量的98%、95%、95%和98%.因此, 农用拖拉机、运输机械和联合收割机在农业机械污染减排中应作为重点控制对象.
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