环境污染与内燃机排放污染物

内燃机排放与控制 太原理工大学机械工程学院车辆工程系 主讲人 张翠平hangcp64 教材 内燃机排放与控制 张翠平王铁机械工业出版社 汽车排放及控制技术 第2版龚金科人民交通出版社 主要参考书 课程目的 汽车排放污染与控制技术课程是车辆工程专业一门重要的专业课程 其教学目的是 通过本课程的学习 要求学生掌握汽车发动机三种有害气体排放物即一氧化碳CO 碳氢化合物HC 氮氧化合物NOx及光化学烟雾和微粒的生成机理和影响因素 掌握发动机有害排放物控制的基本理论与方法 净化技术和发展趋势 主要包括汽油机和柴油机的机内净化技术 后处理净化技术 掌握气体污染物的测量原理和方法以及微粒的测量和分析 了解燃料性质对排放的影响 了解车用汽油机污染物排放法规和车用柴油机排气烟度及可见污染物排放法规 了解欧美等国家的排放法规及其最新发展 在学完本课程之后 应具备分析和设计发动机排放控制技术的能力 能开展发动机排放污染及控制技术方面的研发工作 学时分配 第1章环境污染与内燃机排放污染物 1 1环境污染与保护1 2环境空气质量标准1 3大气污染与汽车1 4汽车发动机排放污染物及其危害1 5污染物的评定指标 目前全球环境问题表现为森林植物破坏 水土严重流失 土地沙漠化扩大 生物多样性减少 大气污染日益严重 温室效应加剧 大气臭氧层破坏 酸雨蔓延 能源危机 水污染加剧 各种自然灾害频繁发生等等 总之 生态平衡遭破坏 环境严重恶化 将严重危害人体健康 发展下去最终将使自然界失去供养人类生存的能力 因此环境问题己成为国际性热点问题 引起人们的严重关注 1 1环境污染与保护 1952年12月伦敦上空受强冷空气控制 形成逆温层 大雾弥漫 连续四天烟雾笼罩 二氧化琉 SO2 浓度高达3 5mg m3 颗粒物质高达4 5mg m3 成千上万市民胸部憋闷 咳嗽呕吐 心血管 呼吸系统疾病迅速上升 4天内死亡4000多人 造成震惊世界的 伦敦烟雾事件 1955年格杉矶又出现 光化学烟雾事件 由于汽车排气造成大气中臭氧严重超标 使烟雾的浓度高达0 65ppm 造成大批森林枯黄死亡 成千上万人得红眼病 呼吸系统疾病迅速上升 65岁以上老人几天内死亡400多人 这些典型的大气污染事件表明 大气污染与人类对能源的利用有着密切的关系 大气污染分类 按污染区域分类 大气污染 局部污染 区域性污染 全球性污染 局部污染 出现在一个城市或更小区域范围的空气污染 如北京 广州 兰州等城市的空气污染 其距离尺度一般小于100km2 区域性污染 范围在500km2以上的地区出现的空气污染 以及这些污染物的跨国输送 最典型的是酸雨问题 如北美 欧洲 中国西南三大酸雨区 全球性污染 污染范围在数千km2以上的大气环境问题 如温室气体排放引起的全球气候变化 以及空调制冷剂和有机溶剂在使用中排放的氯氟烃 CFCS 对地球平流层臭氧的破坏等 大气污染分类 按大气污染源 人为污染源 天然污染源 生活污染源 工业污染源 交通污染源 天然污染源是指自然界向大气排放污染物的地点或地区 如排放灰尘 二氧化硫 硫化氢等污染物的活火山 自然逸出的瓦斯气 土壤和岩石的风化 以及发生森林火灾 地震等发生自然灾害的地方 2010年4月22日晚 冰岛埃亚菲亚德拉火山喷发出的黑烟 冰岛火山喷发 人为污染源按人们的社会活动功能可分为生活污染源 工业污染源 交通污染源等 其中交通运输业是最主要的污染源之一 汽车 火车 轮船 飞机等交通工具都需要燃烧燃料 排放废物 对大气造成污染 其中以汽车为甚 汽车成为主要的运输和代步工具后 在提高社会生产效率 改善人们生活质量的同时 也消耗了大量的能源 排放的尾气也成了主要的交通污染源 与固定污染源相比 汽车尾气排放的高度与人群呼吸带相同 排出的污染物长时间在城市的街道 楼群中滞留 对人们健康的危害最直接 可以说 汽车是一个流动的污染源 中华人民共和国环境保护法 和 中华人民共和国大气污染防治法 制定了 环境空气质量标准 GB3095 1996 我国评价空气质量好坏的科学依据 1 2环境空气质量标准 2012年根据经济社会发展状况和环境保护要求 对该标准进行了适时修订 环境空气质量标准 GB3095 2012 规定了环境空气功能区分类 标准分级 污染物项目 平均时间及浓度限值 监测方法 数据统计的有效性规定及实施与监督等内容 GB3095 2012分期实施的时间要求为 GB3095 1996污染物项目包括二氧化硫SO2 总悬浮物颗粒TSP 可吸入颗粒物PM10 氮氧化物NOx 碳氧化物等 总悬浮颗粒物 TotalSuspendedParticicular TSP 指能悬浮在空气中 空气动力学当量直径 100 m的颗粒物 可吸入颗粒物 Particularmatterlessthan10 m PM10 指悬浮在空气中 空气动力学当量直径 10 m的颗粒物 氮氧化物 以NOX计 指空气中主要以一氧化氮和二氧化氮形式存在的氮的氧化物 铅 Pb 指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合物 苯并 a 芘 B a P 指存在于可吸入颗粒物中的苯并 a 芘 氟化物 以F计 以气态及颗粒态形式存在的无机氟化物 GB3095 2012修订的主要内容有 调整了环境空气功能区分类 将三类区并入二类区 增设了细颗粒物PM2 5 粒径小于等于2 5 m 浓度限值和臭氧O38小时平均浓度限值 调整了可吸入颗粒物PM10 粒径小于等于10 m 二氧化氮 铅和苯并 a 芘等的浓度限值 调整了数据统计的有效性规定 GB3095 2012将环境空气功能区分为二类 一类区为自然保护区 风景名胜区和其他需要特殊保护的区域 二类区为居住区 商业交通居民混合区 文化区 工业区和农村地区 一类区适用一级浓度限值 二类区适用二级浓度限值 环境空气污染物基本项目浓度限值 环境空气污染物其他项目浓度限值 2011年12月 位于北京的美国驻华大使馆监测到高达522ug m3的PM2 5瞬时浓度 对应的空气质量指数已经超过上限值 这也是继2010年11月21日后 美使馆监测到的PM2 5瞬时浓度的第二次 爆表 表1空气污染指数对应的污染物浓度限值 空气污染指数的定义及分级限值API AirPollutionIndex的英文缩写 是空气污染指数 我国城市空气质量日报API分级标准如表1 空气污染指数划分为0 50 51 100 101 150 151 200 201 250 251 300和大于300七档 对应于空气质量的七个级别 指数越大 级别越高 说明污染越严重 对人体健康的影响也越明显 空气质量指数 AirQualityIndex 简称AQI 是定量描述空气质量状况的无量纲指数 针对单项污染物的还规定了空气质量分指数 IndividualAirQualityIndex 简称IAQI 利用空气质量指数可以直观地评价大气环境质量状况并指导空气污染的控制和管理 2012年上半年出台规定 将用空气质量指数 AQI 替代原有的空气污染指数 API AQI共分六级 从一级优 二级良 三级轻度污染 直至五级重度污染 六级严重污染 AQI与原来发布的空气污染指数 API 有着很大的区别 AQI分级计算参考的标准是新的环境空气质量标准 GB3095 2012 参与评价的污染物为SO2 NO2 PM10 PM2 5 O3 CO等六项 而API分级计算参考的标准是老的环境空气质量标准 GB3095 1996 评价的污染物仅为SO2 NO2和PM10等三项 且AQI采用分级限制标准更严 因此AQI较API监测的污染物指标更多 其评价结果更加客观 太原9个监测点 2013 7 22 中国汽车工业协会发布的汽车产销数据显示 2009年国产汽车产销突破1300万辆居世界第一 1 3大气污染与汽车 据中国汽车工业协会发布的数据显示 2010年 中国汽车产销双双超过1800万辆 稳居全球产销第一 分别达到1826 47万辆和1806 19万辆 同比分别增长32 44 和32 37 2011年国产汽车产销为1841 89万辆和1850 51万辆 分别增长0 84 和2 45 比上年回落31 60和29 92个百分点 增速为13年来最低 2012年 我国汽车市场保持平稳增长态势 产销量月月超过120万辆 平均每月产销突破150万辆 我国全年累计生产汽车1927 18万辆 同比增长4 6 销售汽车1930 64万辆 同比增长4 3 产销同比增长率较2011年分别提高了3 8和1 8个百分点 截止2011年8月 我国汽车保有量首次突破1亿辆 我国汽车的保有量如图所示 根据公安部最新通报 至2012年底 全国机动车保有量已达2 4亿辆 机动车驾驶人数量已达2 6亿人 汽车保有量1 2亿辆 去年增长1510万辆 增长量超过1999年底全国汽车保有量 18个大中城市汽车保有量超过百万 汽车驾驶人首次突破2亿人 去年增长2647万人 增长量超过1997年底汽车驾驶人总量 目前大气中38 5 的一氧化碳 CO 21 7 的碳氢化合物 HC 87 6 的氮氧化物 NOx 6 2 的二氧化硫 SO2 32 的微粒物 PM 均来自汽车废气排放 这些气体均对人体有毒害 而城市大气中 61 的CO 87 的HC 55 的NOx均来自汽车废气排放 2011年我国石油对外依存度达到56 5 比2010年上升了1 7个百分点 我国自从1993年首度成为石油净进口国以来 中国石油对外依存度由当年的6 一路攀升 2009年突破50 的警戒线 2012年我国生产的原油是2亿零400万吨 进口是2亿8000万吨 石油的对外依存度已经是58 左右 汽车的确给人们的出行和生活增加了许多方便 没有理由制止人们去拥有 中国这么多人口 恐怕一亿辆私家车也打不住 但由此带来的能源安全和环境污染的担忧也是必须面对的 1 4汽车发动机排放污染物及危害 内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时 如果不考虑燃料中的微量杂质 将只产生二氧化碳 CO2 和水蒸气 H2O 水在地球上大量存在 内燃机排出的水分不会对地球水循环构成重大影响 至于CO2 过去并不认为它是一种污染物 但因为含碳化石燃料的大量使用 使地球的碳循环失衡 加剧了 温室效应 引起全人类的关注 二氧化碳CO2在大气中比例只有万分之几 它不但对人体无害 而且对人类来说 它几乎和氧气有同等重要作用 提高CO2浓度可增强植物的光合作用 但是世界工业化进程引起的能源大量消耗 导致大气CO2的剧增 其中30 约来自汽车排气 因CO2对红外热辐射的吸收而形成的温室效应 会使全球气温上升 南北极冰层溶化 海平面上升 大陆腹地沙漠趋势加剧 是人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破坏 因此近年来对CO2的控制也已上升为汽车排放研究的重要课题 实际上 燃料在内燃机中不可能完全燃烧 内燃机一般转速很高 燃料燃烧过程占有的时间极短 燃料与空气不可能混合得完全均匀 燃料的氧化反应不可能完全 排气中会出现不完全燃烧产物 例如一氧化碳 CO 和未完全燃烧甚至完全未燃烧的碳氢化合物 HC 内燃机最高燃烧温度往往达2000 以上 使空气中的氮在高温下氧化生成各种氮氧化物 NOx 缺氧的燃料在高温高压环境下会发生裂解 脱氢 最后生成碳烟粒子 汽车主要污染物 通常汽车排放的污染物以及与交通源相关的主要污染物有 一氧化碳 CO 氮氧化合物 NOX 碳氢化合物 HC 和微粒 PM 等 一氧化碳 一氧化碳 CO 无色无臭 是一种窒息性的有毒气体 产生条件 局部缺氧或低温条件下 由于烃不能完全燃烧而产生的 CO与血液中血红素 Hb 的亲和力是氧气的300倍 因而CO能很快和Hb结合形成碳氧血红素蛋白 CO Hb 因此当吸入CO后 血液吸收和运送氧的能力降低 导致头晕 头痛等中毒症状 当吸入CO气体的体积分数达到0 3 时 可致人死亡 生成CO的主要原因是CH燃料的不完全燃烧 除此之外 在燃烧过程中局部高温热分解也是主要原因 表1 2不同体积分数的CO对人体健康的影响 碳氢化合物 HC还包括供油系中燃料的蒸发和滴漏 饱和烃一般危害不大 不饱和烃却有很大的危害性 HC是产生光化学烟雾的重要成分 氮氧化物 氮氧化物指的是只由氮 氧两种元素组成的化合物 作为空气污染物的氮氧化物 NOx 常指NO和NO2 NO是无色无味气体 只有轻度刺激性 毒性不大 高浓度时会造成中枢神经的轻度障碍 虽然气体内存在的NO毒性较小 但NO刚从发动机排出时 很快氧化成毒性较大的NO2等其它氮氧化合物 NO2与血液中的血红素的结合能力比CO还强 NO2是一种红棕色气体 对呼吸道有强烈的刺激作用 对人体影响甚大 NO2吸入人体后和血液中血红素蛋白Hb结合 使血液输氧能力下降 会损害心脏 肝 肾等器官 同时 二氧化氮还是产生酸雨和引起气候变化的主要原因 另外 HC和NOx在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后 会生成新的污染物 光化学烟雾 表1 3不同体积分数NO2对人体健康的影响 光化学烟雾 photochemicalsmog 概念 主要含有氮氧化物和碳氢化合物等一次性污染物的大气 在阳光照射下发生化学反应而产生的二次污染物 这种由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象 称为光化学烟雾 因最早在1940年的美国洛杉矶首先发现 因此又称为洛杉矶烟雾 光化学烟雾 photochemicalsmog 光化学烟雾的形成 根据氮氧化物和碳氢化合物的转化过程 只要大气中存在三个条件 强烈的太阳光 碳氢化合物 氮氧化合物时 就会由光化学反应引发一系列的化学过程 产生一些氧化性很强的物质 如臭氧O3 过氧酰基硝酸盐PAN 硝酸HNO3 过氧化氢H2O2等二次污染物 该过程实际就是光化学烟雾的形成过程 光化学烟雾具有刺激性 呈浅蓝色 它包含有臭氧 O3 醛类 硝酸酯类 PAN 等多种复杂化合物 这些化合物都是光化学反应生成的二次污染物 当遇到低温或不利于扩散的气象条件时 烟雾会积聚不散 造成大气污染事件 这种污染事件最早出现在美国洛杉矶 所以又称洛杉矶光化学烟雾 在光化学烟雾中 O3约占85 以上 O3是强氧化剂 能使植物变黑直至枯死 能使橡胶开裂 它有特别的臭味 日光辐射强度是形成光化学烟雾的重要条件 因此每年夏季是光化学烟雾的高发季节 在一天中 下午2时前后是光化学烟雾达到峰值的时刻 在汽车排气污染严重的城市 大气中臭氧浓度的增高 可视为光化学烟雾形成的信号 光化学烟雾对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道粘膜 引起眼睛红肿和喉炎 当大气中臭氧的浓度达到200 1000 g m3时 会引起哮喘发作 导致上呼吸道疾病恶化 同时也刺激眼睛 使视觉敏感度和视力降低 浓度在400 1600 g m3时 只要接触2h就会出现气管刺激症状 引起胸骨下疼痛和肺通透性降低 使机体缺氧 浓度再高 就会出现头痛 并使肺部气道变窄 出现肺气肿 接触时间过长 还会损害中枢神经 导致思维紊乱或引起肺水肿等 表1 6不同体积分数O3对人体健康的影响 所以 我们必须采取一系列综合性的措施来预防和减轻光化学烟雾给人类造成的损害 但需要区别的是对流层臭氧与平流层臭氧 由内燃机排放产生的臭氧是在近地面 0 12m 的对流层大气中出现的 称为对流层臭氧 对生态系统危害极大 而平流层的臭氧层距地面10km高 能吸收太阳的紫外线辐射 对人类和动植物起到非常有益的保护作用 颗粒物或微粒 PM particulatematter 颗粒物 PM particulatematter 的主要成分是碳烟 有机物质及少量的铅化合物 硫氧化物等 颗粒物对人体健康的影响 主要取决于微粒的浓度 在空气中暴露的时间及粒径大小 柴油机排气中的微粒比汽油机高出30 60倍 因而一般说到微粒都是指柴油机微粒 颗粒的粒径大小是危害人体健康的另一重要因素 它主要表现在两个方面 1 粒径越小 越不易沉积 长期漂浮在大气中容易被吸入体内 而且容易深入肺部 一般粒径在100 m以上的微粒会很快在大气中沉降 10 m以上的尘粒可以滞留在呼吸道中 5 10 m的尘粒大部分会在呼吸道沉积 被分泌的粘液吸附 可以随痰排出 小于5 m的微粒能深入肺部 0 01 0 10 m的尘粒 50 以上将沉积在肺腔中 引起各种尘肺病 柴油机排放中的微粒 其粒度一般小于0 3 m 可长期悬浮在大气中而不沉降 会深入人肺深部造成机械性超负荷 损伤肺内各种通道的自净机制 促进其他污染物的毒害作用 2 粒径越小 粉尘比表面积越大 物理 化学活性越高 加剧了生理效应的发生和发展 此外 尘粒的表面可以吸附空气中的各种有害气体及其他污染物 而成为它们的载体 被吸入人体 也会对人体造成损害 炭烟 soot 炭烟是柴油发动机燃料燃烧不完全的产物 汽车发动机的炭烟主要是指直径0 1 10 m的多孔性炭粒 其内含有大量的黑色炭颗粒 燃烧中各种各样的不完全燃烧产物可以以多种形式附着在多孔的活性很强的炭粒表面 这些附着在炭粒表面的物质种类繁多 其中有些是致癌物质 炭烟能影响道路上的能见度 并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛 往往引起人们恶心和头晕 为此包括我国在内的不少国家都规定了最大允许的烟度值 并规定了测量方法 硫氧化物 汽车内燃机尾气中硫氧化物的主要成分为二氧化硫 SO2 当汽车使用催化净化装置时 就算很少量的SO2也会逐渐在催化剂表面堆积 造成所谓催化剂中毒 二氧化硫对人体健康有很大影响 刺激人体的眼和鼻粘膜等呼吸器官 引起鼻咽炎 气管炎 支气管炎 肺炎及哮喘病 肺心病等 SO2还是形成酸雨的主要成分 也是影响城市能见度的主要原因之一 铅化合物 发动机废气中的铅化合物是为了改善汽油的抗爆性而加入的 他们以颗粒排入大气中 是污染大气的有害物质