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Slide11984-2010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0501001502001981198319851987198919911993199519971999年份NOx浓度值（ug/m3）020406080100120140160机动车保有量（万辆）采暖期年均值非采暖采暖期年均值非采暖机动车保有量1998-2010年北京城近郊区大气NO2年日均浓度的年际变化00.010.020.030.040.050.060.070.080.091998199920002001200220032004200520062007200820092010NO2浓度（mg/m3)Slide41984-2000年北京城近郊区大气CO年日均浓度的年际变化012345678198419861988199019921994199619982000年份CO浓度值（mg/m3）020406080100120140160机动车保有量（万辆）三环内交通环境年均值采暖期年均值非采暖三环内交通环境年均值采暖期年均值非采暖机动车保有量1998-2010年北京城近郊区大气CO年日均浓度的年际变化00.511.522.533.51998199920002001200220032004200520062007200820092010CO浓度（mg/m3)Slide6北京市1981-2000年城近郊区总悬浮颗粒物的年际变化趋势0100200300400500600198119821983198419851986198719881989199019911992199219931994199519961997199819992000TSP（ug/m3）年份年均值采暖期非采暖期1998-2010年北京城近郊区大气PM10年日均浓度的年际变化00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.21998199920002001200220032004200520062007200820092010PM10浓度（mg/m3)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煤燃烧汽车尾气扬尘等大气复合污染FluxOxidant(O3,OH)SO2,NOxPM2.5(SO42-,NO3-)hvHC、NOxIn-flow更高浓度的PM,O3Out-flowBiogenicAnthropogenicDepositionPM,O3CouplingbetweenprimaryemissionandphotochemicalprocessCouplingbetweengaseousandaerosolinteraction,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0501001502002503003504004505001991199219931994199519961997199819992000年份臭氧最高时均浓度，ug/m30204060801001201401991199219931994199519961997199819992000年份臭氧超标天数•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050100150200250300350400450500200520062007200820092010超标天数超标小时数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。PM2.5particleinBeijingin1999010020030099-2-499-2-599-2-699-2-799-2-899-2-999-2-10DatePM2.5Conc.,ug/m3010020030099-6-2599-6-2699-6-2799-6-2899-6-2999-6-3099-7-1DatePM2.5Conc.,ug/m31999年夏季能见度和PM2.5质量浓度趋势图01020304050607099-6-2099-6-2199-6-2299-6-2399-6-2499-6-2599-6-2699-6-2799-6-2899-6-29时间能见度（km）050100150200250质量浓度（ug/m3）能见度细粒子质量浓度2000年冬季能见度和PM2.5质量浓度趋势图02468101200-1-2300-1-2400-1-2500-1-2600-1-2700-1-2800-1-29时间能见度（km）050100150200250300质量浓度（ug/m3）能见度细粒子质量浓度NO3-7%Crustal,7%EC,2%OC,24%TraceElements,5%Unknown,38%SO42-11%NH4+5%NO3-8%Crustal,8%EC,4%OC,29%TraceElements,5%Unknown,22%SO42-10%NH4+8%NH4+5%SO42-10%Unknown,33%TraceElements,3%OC,28%EC,4%Crustal,9%NO3-8%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的化学构成痕量元素,1.42,1.36%EC,8.08,7.73%地壳元素,12.45,11.91%NO3-,8.4,8.04%SO42-,12.78,12.23%NH4+,5.92,5.66%未知,5.21,4.99%Cl-,3.79,3.63%有机物,46.46,44.46%有机物,14.37,29.38%地壳元素,7.66,15.66%EC,3.63,7.42%NO3-,3.49,7.14%痕量元素,0.69,1.41%SO42-,8.46,17.30%NH4+,3.08,6.30%未知,6.95,14.21%Cl-,0.58,1.19%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。EmissioncontrolofInternalCombustionEnginesSlide2401002003004005006001980－2011年北京市机动车保有量Slide2534.473.547.932.530.732.10102030405060708090100NOxCOVOCPM2.5PM10TSP交通排放的分担率(%)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%)EngineCylinderSlide27一般汽油机ε=6~10，柴油机ε=16~24ε=(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。极易生成NOx空气大量过量，无污染废气中出现CO不产生污染A/F略大于14.7A/F14.7A/F14.7A/F≈14.7•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OtherEmissionsSlide31EvaporativeEmissions（蒸发）diurnal,runninglosses,hotsoakCrankcaseLosses（曲轴箱）duetoblow-byRefuelingLosses(加油损失）displacedvaporsOtherEmissionsbrakelinings,tirewear,fluidleaks燃烧排放的污染物•Lead•Hydrocarbons•CarbonMonoxide•OxidesofNitrogen•CarbonDioxide•Particulates•Otherpollutants•WaterVaporSlide32AmbientAirRealFuelEngine/EmissionTechnology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14.7CO: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Slide38HC: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。221122NONO•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a1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：10×10-6-1