环境管理_城市机动车污染物排放控制

城市机动车污染物排放控制 谢绍东北京大学环境科学与工程学院 Slide1 1984 2010年北京城近郊区大气SO2年日均浓度的年际变化 1981 2000年北京城近郊区大气NOx年均及采暖和非采暖期浓度的年际变化 1998 2010年北京城近郊区大气NO2年日均浓度的年际变化 Slide4 1984 2000年北京城近郊区大气CO年日均浓度的年际变化 1998 2010年北京城近郊区大气CO年日均浓度的年际变化 Slide6 北京市1981 2000年城近郊区总悬浮颗粒物的年际变化趋势 1998 2010年北京城近郊区大气PM10年日均浓度的年际变化 Slide8 复合型污染不是简单叠加 对北京市大气污染成因来源的长期研究的结果表明 北京市当前大气污染的特征 大气复合污染 CouplingbetweenprimaryemissionandphotochemicalprocessCouplingbetweengaseousandaerosolinteraction Couplingbetweenlocalandregionalairpollution 高浓度细粒子污染和低能见度大气氧化性增强 地面臭氧浓度高城市 区域性 PM10 PM2 5 具体表现为 二次污染加重 大气氧化性增强 臭氧增高 细粒子污染严重 能见度降低 大气O3污染严重 大气氧化性逐年增强 1991 2000北京市臭氧日最大浓度和超标小时 天数的变化趋势 1996年后持续上升1999 2000已达120天 365天1996年来 臭氧最高小时均值持续上升 1999和2000年已达二级标准两倍以上 2005 2010年北京市臭氧超标天数和小时数 Slide14 城市光化学污染已成为不容忽视的问题 北京大气环境氧化性的增高导致细粒子污染十分严重 PM2 5particleinBeijingin1999 北京市PM2 5化学组分 NO3 NH4 12 16 北京1999年NOx与硝酸盐颗粒物周浓度相关性 清华园2005 昌平2003 密云2005 二次污染 参与生成细微颗粒物 2004年1月北京市大气PM2 5的化学构成 2004年8月北京市大气PM2 5的化学构成 2004年和2000年PM2 5源解析结果比较 Slide22 控制日趋恶化的北京市大气细粒子PM2 5污染 是北京市大气污染控制的重要内容 对于改善大气PM10污染 改善大气能见度和再现蓝天将发挥重要作用 随着北京市能源结构的调整 产业结构的调整 工业污染源的控制 生活源的控制 机动车排放日趋突显 机动车排放源的控制将越来越重要 控制O3和PM2 5均需要控制NOx和VOC的排放 这两种物质机动车排放的贡献均较大 EmissioncontrolofInternalCombustionEngines Slide24 Slide25 机动车排放的污染物种类 机动车排放污染物 尾气排放 CO 一氧化碳 HC 碳氢化合物 NOx 约占55 氮氧化合物 SO2 二氧化硫 微粒 铅化物 碳烟颗粒等 臭气 曲轴箱窜气 HC 约占25 燃油蒸发 HC 约占20 EngineCylinder Slide27 一般汽油机 6 10 柴油机 16 24 Vc Vd Vc压缩比 气缸总容积与燃烧室容积之比 从发动机工作原理可知 产生汽油机排放污染物的根本因素是空燃比A F 即空气与燃料的混合比 和燃烧状态的好坏 在发动机燃烧室形状不变的情况下 排气中HC的浓度随发动机工况 燃料性质 燃烧条件和空燃比的改变而有很大的变化 从燃料的性质 空燃比 燃烧状态 点火时刻 大气压力 进气空气温度 进气管真空度 怠速转速及发动机工况的变化都将影响到CO HC和NOx的生成 汽油机和柴油机排放污染物的数量随汽车工况变化而且变化 汽油车OtherEmissions Slide31 燃烧排放的污染物 LeadHydrocarbonsCarbonMonoxideOxidesofNitrogenCarbonDioxideParticulatesOtherpollutantsWaterVapor Slide32 尾气管排放物 汽油机的工作原理 曲柄角 曲轴箱 不同空燃比下汽油机污染物的排放状况 Stoichiometry等当点 Slide36 汽油 C8H18 理论空燃比 约14 7 CO 局部不均匀残余HC 碳氢化合物的形成原理汽油机工作过程中过量的空气系数通常为0 7 1 3 燃料和空气是预混的 燃烧的火焰温度很高 气体最高温度可到2400 2800K 在这样的情况下 在稳流燃烧系统中未燃烧的HC是相当少的 但为什么发动机却排出了大量的HC呢 主要原因 缸壁淬灭和汽缸缸壁涂覆的润滑油 Slide38 HC 不完全燃烧壁面猝灭油膜吸附缸壁淬灭 燃烧火焰无法达到发动机缸壁的0 1 0 7mm的范围内 原因 缸壁温度较低 火焰达到缸壁是 不能继续燃烧 除了缸壁淬灭会影响HC的燃烧 活塞表面 活塞与缸壁之间的空隙也对HC燃烧有淬灭效果 氮氧化物的形成原理大部分的NO是由燃烧过程中高温条件下N2和O2的反应产生的 这是个吸热反应 只有在较高温度才能发生 1780K以上 对NO的控制主要方法就是降低最高燃烧温度 对整个汽油机来说 空燃比在整个燃烧体系可能达到的温度最高 所以在理论空然比附近生成的NO浓度最大 贫燃区过量的空气吸收了部分热量 使温度有所降低 富燃区O2含量少 平衡向左移 生成的NO也减少 汽油机排气中的有害物质是燃烧过程产生的 主要有CO NOx和HC及少量的铅 硫和磷等 目前排放法规限制的是CO HC NOx和柴油车颗粒物 机动车排放铅曾经是一个重要的环境问题 随着油品的无铅化进程 已逐步得到解决 CO是燃料不完全燃烧的产物 其产生量主要是受混合气浓度的影响 发动机膨胀过程气体中各成分间 冻结 现象 使实际的CO浓度要高于排气温度相对应的化学平衡浓度 汽车排放的HC约有100 200种 来自未燃尽的燃油和润滑油 与CO一样 HC也是一种不完全燃烧产物 可燃混合气处于a 1的过浓状态 壁面淬熄效应 壁面油膜和积碳的吸附都会导致HC排放 Slide40 汽车污染物产生来源 Slide41 曲轴箱HC的20 排气管所有的CO NOX Pb和HC的60 油箱和化油器蒸发HC的15 汽油车行驶工况对排放的影响 怠速 减速时CO和HC排放量大 浓度为CO 1 0 6 HC 400 10 6 3000 10 6NOx 10 10 6 100 10 6加速 定速时NOx排放量大 浓度为CO 0 5 3 HC 200 10 6 600 10 6NOx 1000 10 6 100 10 6加速时碳约为0 005g m3 Slide42 汽油机车排放控制技术和对策 一 控制燃料的蒸发排放二 改善发动机排放污染物 即机内净化三 处理发动机排放污染物 即机外净化四 开发和利用低污染燃料五 开发和利用新型低污染车用发动机 主要控制技术 不断提高汽油发动机的燃烧效率 减少污染物的排放 是发动机近30多年来持续进步的主要推动力 前处理 无铅汽油 0 013g L 低硫汽油和柴油 1200ppm 50ppm 废气再循环 EGR 20 循环 降低NOx约60 但油耗增加3 机内控制 发动机设计表面积 容积越小越好 电子控制技术 多气门技术机外控制技术 热反应器 催化反应器 氧化 还原 三效 降低污染物排放的发动机技术 改进点火系统 往往采用延迟点火 可延迟到活塞达到上止点后 可降低NOx和HC 闭环电子控制汽油喷射技术废气再循环 EGR 这些技术使得现代发动机污染物排放量比传统发动机减少60 70 以上 改进点火系统延迟点火时间降低燃气的最高燃烧温度和延长燃气的燃烧时间 降低NOx和HC的排放量 加大点火能量采用高能点火系统 可加强火花强度及加长火花持续时间 加强了燃烧 可降低HC排放量电子控制点火系统运转工况 转速与负荷 的改变 发动机最佳点火提前角应作相应的变化 电子控制点火系统 最好的动力性和经济性 以及最小的排污量 废气再循环 EGR EGR法将废气的一部分返流至进气管后再吸入气缸 它是控制发动机NOx排放的主要措施 废气返流 减少了排气总量 并使进气稀释 减少了混合气所具有的浓度 降低了燃烧的最高温度和氧的含量 从而控制了NOx的生成量 废气返流量太多 降低了燃烧速度 会使HC排量增大 因而废气返流量应低于20 改进燃料供给系统进气自动调温装置发动机处于低温工作 将使有害气体排放量增多 利用发动机排气管余热来加热 使进气温度控制在40度左右改进化油器排气净化和节油的要求相结合 从而改善发动机在怠速和减速工况中CO HC的排放量调整配气相位加大气门重叠时期 排气晚关 进气早开 能使缸内残余废气量加大而稀释进气 降低最高燃烧温度而减少NOx的排放量 稀薄燃烧系统 稀薄燃烧是能燃用空燃比为18 1或更稀的混合气 在汽油机中 只要能形成火焰 在火焰传播过程中 即使是相当稀的混合气 也能正常燃烧 在点火瞬间 火花塞电极周围的局部区域应具有较浓可燃混合气 大大降低有害气体的排放量 汽油车尾气排放后处理技术三效催化净化技术 TWC 可同时净化3种污染物 CO HC NOx只能在很窄的空燃比窗口工作 闭环电控燃油喷射技术 Slide50 CO HC氧化催化反应 CO O2 CO2CH O2 CO2 H2O NOx还原催化反应 NO CO N2 CO2NO CO N2 CO2 H2O 氧传感器闭环控制原理 三效催化净化技术 TWC 主要使用贵金属 陶瓷载体 Pt Rd Pd寿命要求80000 160000km 防中毒很关键 三元催化转化器使用条件 必须使用优质无铅汽油 以免金属催化剂中毒失效 具有能够实时调节空燃比的系统 使发动机工作空燃比始终保持在A F 14 7附近很窄的 窗口 内 催化转化器必须与汽车发动机性能相匹配 且发动机技术状况良好 国外经验已证明 采用电控汽油喷射 使用优质无铅汽油 加上三元催化转化器是当前世界上技术最成熟应用最广泛的解决汽车排放污染最有效的实用技术 后处理技术LNT leanNOxtrap 技术 LNT装置临时存储NOx 其主要以具有吸附NOx能力的碱金属 Ba 为吸附材料 当发动机正常运转时 排气中的NO通过金属铂 Pt 的催化作用被氧化成NO2 然后与吸附剂中的BaCO3反应生成Ba NO3 2而被捕集 当吸附达到饱和时 进行再生 Ba NO3 2又分解并释放出NOx NOx再通过金属锗 铂的催化作用 与HC CO和H2反应被还原成N2 后处理技术选择性催化还原技术 SCR 措施最初应用在锅炉 焚烧炉和发电厂等固定式的污染源上以降低NOx的排放以氨气 NH3 作为还原剂 将排气中的有害成分NOx转化为氮气和水蒸气 氨气刺激味很强 不便于直接在汽车上使用 故采用向排气管中喷射尿素水溶液的方式提供反应所需的氨气 汽油车排放污染控制的新发展 OBD On boarddiagnostic 排放控制技术 即车载诊断技术 该技术采用一系列传感器和复杂的监控软件 对汽车上与排放相关的所有部件实时监控 一旦出现异常即通过指示灯报警 提醒车主及时修理 OBD除监测催化转化器的效率外 还对汽车蒸发控制系统的碳罐 二次空气装置 废气再循环装置 点火系统等进行监测 以确保整个排放控制系统始终处于正常状态 Slide57 汽油车排放污染控制的新 冷启动排放控制催化剂需要一定的起燃温度前级催化剂电加热催化剂 Slide58 柴油发动机污染物的形成与控制CompressedIgnitionEngines Slide59 汽油 柴油发动机的区别 汽油发动机燃烧为预混火焰 柴油为扩散火焰柴油发动机压缩比高 热效率高30 50 柴油发动机以喷油雾化方式燃烧 产生碳烟较多柴油车经济性好 马力大 最先实现3升车汽油车加速性好 正在开发缸内直喷发动机技术 柴油与汽油发动机排放污染物的差异 柴油发动机排放的HC CO一般只有汽油发动机的几十分之一 中小负荷时NOx排放量也低于汽油机 大负荷时与汽油机大致处于同一个数量级甚至更高 柴油机排放的颗粒物相当高 约为汽油机的30 80倍 柴油车基本不存在曲轴箱泄露排放和燃油蒸发排放 因此 汽油车以降低CO HC和NOx为主要排放控制目标 柴油车主要是控制微粒 黑烟 和NOx排放控制目标 Slide61 碳烟生成路径 PollutantsandAir fuelratio 空气过剩系数 柴油车行驶工况与排放 1 CO总是很低 约0 1 2 减速 怠速时HC相对较高 浓度约为400ppm此时NOx较低 约为30 70ppm3 加速 定速时NOx高 浓度约为 NOx 800 2500ppm此时HC 90 200ppm4 加速时碳烟最高 约为0 30g m3 控制柴油机污染物排放的发动机技术 废气再循环 EGR 改进供油系统采用增压和中冷技术采用分隔式燃烧室电控柴油喷射 Slide65 柴油车排气后处理技术 催化转化法与汽油发动机类似 主要分为氧化型催化转化器和NOx还原催化转化器过滤捕集法 颗粒捕集器柴油车排放的大量微粒主要靠过滤器 收集器等装置捕获 然后通过清扫或燃烧的办法去除 使颗粒物捕集器再生使用 柴油机稀燃氮氧化物催化剂 Slide66 ParticulateTrap 颗粒补集器 DOC DieselOxidationCatalyst 技术 促进柴油机排气中HC和CO的氧化 降低HC和CO的排放其氧化原理与汽油机三效催化器氧化HC和CO的原理基本一样 同时对于多环芳香烃以及乙醛等都能净化 DPF DieselPartieulateFilter 技术 先用DPF捕集废气中的PM 然后通过其它手段对收集的PM进行氧化来使DPF再生核心问题是过滤器的再生 确保在柴油机的任何工况下都能将聚集起来的碳烟氧化掉通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点 使PM能在较低的温度下燃烧掉 称为被动再生利用外界能量来提高DPF内的温度 使PM着火燃烧 称为主动再生 后处理技术 DNPR 常用控制路线 康明斯 卡特匹勒 万国 斯堪尼亚和曼等 戴姆勒一克莱斯勒 大众 奥迪 奔驰 VOLVO DAF IVECO等 汽车排放污染控制 控制源头 严化标准 淘汰旧车 动态检测 强化管理 技术改造 改善交通 调整结构 综合治理 污染控制 汽车排放污染控制 新型动力车AdvancedTechnology 电动汽车燃料电池汽车混合动力车 Slide74 未来汽车技术 稀燃缸内直喷汽油发动机柴油车PM及NOx机外净化技术混合动力技术燃料电池汽车技术 Slide75 交通规划与交通管理 一 城市交通的综合规划1 城市交通发展战略规划2 城市交通综合网规划3 城市交通的近期建设规划二 城市交通规划方法三 关键的战略规划1 交通需求管理2 改善多方式的交通供应3 采取协调的综合政策4 减少空气污染的交通管理对策 Slide76 控制方程 Emission Population ActivityLevel EmissionFactor 如何降低排放因子 科技水平技术管理水平标准 机动车尾气污染控制 减少空气污染的交通管理对策 交通限制 区域禁行 停车管理 道路收费和货车交通控制在一些特别拥堵的路段实行电子收费 根据拥挤程度对公交车以外的每辆车自动征收一定的通过费 可以有效调节瓶颈现象 加强城市中心区的停车管理 也有利于减少机动车出行量 在主要地铁和其他公交中转站建立较大的免费停车设施 可有效地促进进城的机动车转换至公交系统 减少城区交通流量 强化交通路口的管理 重罚进入路口交叉地带而不能通行的车辆 路口的交叉地带划分黄线禁停区 可有效减少人为的交通拥堵 缓解交通压力 有利于减少车辆废气的排放 Slide78 加强过街天桥和地下通道的建设 将自行车交通 行人交通与机动车交通完全隔离 有利于组织交通形态和流量的合理分布 提高交通输运能力和平均车速 鼓励多人合乘汽车 对单人驾驶的车辆限制驶入快车道 可以减少汽车出行量 合理调度出租车 减少出租车的空驶时间 根据车辆排放控制水平采用环境标志措施 鼓励超低排放车的发展 并在一些污染严重区域给予绿色标志车辆优先通行权 可以起到限制交通流量的作用 使局部交通阻塞得以缓解 环境空气质量得到有效改善 限制老旧车的高排放车辆 根据环境标志 的行驶区域范围 可以促进这些车辆的更新淘汰 Slide79 机动车排放控制法规严格控制新车排放实施欧 标准要求一定比例的超低排放车 零排放车的使用实施排放缺陷车召回制度加强对在用车污染监控 治理强化I M制度推行集中式管理 标准化 在用重型柴油车PM控制公交车采用CNG车替代推广清洁燃料及代用燃料存在的问题 法规执行管理体系 下一步将实行国3 国4标准Thenextstagesofnewvehicleemissionsstandards Euro3andEuro4整体落后于欧洲标准LagsbehindEurostandards 中国新车排放控制标准China svehicleemissioncontrolstandards 机动车尾气控制 197019801990200020052010 100 80 60 40 20 Emission GreenhouseEffect CO2 Energy ExhaustEmissionHC CO NOx PM DieselHDTPM NOx 机动车尾气排放法规将逐步严格 Emissionreductionandlegislationfocus Energyresourcesandred