杭州市“十二五”機動車NOx減排對策研究

李新興,孫國金,田偉利,張清宇* (.浙江大學環境與資源學院,浙江 杭州 0058；.浙江大學化學工程系,浙江 杭州 0058；.杭州合一環境科技有限公司,浙江 杭州 0058)

氮氧化物(NOx)是大氣環境中的主要污染物之一,在大氣中通過復雜的化學反應引起光化學煙霧和灰霾,損害人體的呼吸系統,導致暴露人群慢性氣管炎、支氣管炎、呼吸困難的發病率增加,肺功能降低[1-3],NOx也會引起酸雨、臭氧和水體富營養化等問題[4].由 NOx排放引發的環境問題已給人體健康和生態環境構成巨大威脅[5].因此,“十二五”期間我國將 NOx列為污染物總量控制的約束性指標.在世界范圍內,交通運輸已成為NOx排放的主要來源,占人為排放源的37%,而在墨西哥的大城市中這一比例高達82%,主要為道路機動車的排放[6].我國的北京[7]、上海[8-9]、廣州[10]大氣中40%的NOx來自機動車排放[11].2009年,全國機動車NOx排放量為583.3萬t,約占全國NOx總排放量的24.3%[12].機動車主要從淘汰高排放車輛[13]、改善車用油品質量[14]和積極發展新能源汽車[15-16]方面開展NOx減排工作,此外加強對在用車的管理,如區域機動車限行[17]和執行嚴格的機動車排放標準[18],也可有效減少機動車NOx的排放.近年來我國機動車保有量急劇增加,2009年達到1.68億輛[19],是2004年的1.6倍,機動車NOx排放量在城市整體中又占有相當的比例且呈逐年上升的趨勢,故開展機動車NOx減排工作的研究,對“十二五”NOx減排工作有著十分重要的意義.

本文以杭州市主城區為例,通過調研和模擬,建立了杭州市機動車 NOx排放清單,根據機動車增長趨勢預測了“十二五”期間機動車的增量,計算了新增機動車的NOx排放量,并將“十二五”期間機動車NOx排放情況分為3個情景,探討了不同的情景下機動車NOx的排放情況和減排效果.

1 2010年杭州市機動車NOx排放清單的建立

國際上通用的大氣污染物排放清單的計算公式為:排放清單=活動水平×污染物的排放系數.本研究中機動車污染物排放清單的計算公式如下:

式中:EF為機動車排放量,t/a;Ai為i型車的數量,輛;EFs,i為i型車的啟動排放因子,g/次;EFr,i為i型車的運行排放因子,g/km;VKTi為i型車的年均行駛里程,km.

2010年杭州市主城區機動車保有量達到69.02萬輛,輕型客車、出租車、公交車、輕型貨車和重型貨車的保有量依次為582841,8048,22143,47169,30062輛.

1.1 不同車型機動車排放因子的計算

國際機動車排放模型(IVE)是由加州大學河邊分校(UCR)和國際可持續發展研究中心(ISSRC)專為發展中國家機動車污染控制工作開發的機動車排放模型,利用IVE模型建立機動車污染物排放清單在國內已有成功實例.其計算原理是利用模型內嵌的基本排放因子乘以一系列修正系數在于目標區域內的車輛技術組成相結合,最終得到研究區域的機動車排放因子.但是該模型中采用的基本排放因子不能夠真實反應我國的機動車污染排放情況[21-22],而且模型中關于車型的分類較為復雜,部分不適用于我國.因此,本課題組利用 IVE模型的內核開發了一套比較適合我國機動車排放情況的模型——鴻環機動車排放分析系統,經測試模型模擬值準確度較高.

選擇杭州市典型道路經過調研和測試獲得模型所需的參數,計算得出不同車型的啟動和運行排放因子如圖1所示.

圖1 2010年杭州市不同車型機動車NOx啟動和運行排放因子Fig.1 Start-up and running emission factors of NOx for Hangzhou vehicles in 2010

1.2 車輛啟動次數和年均行駛里程

考慮到杭州市的發展情況和居民的出行規律,通過調研并結合本課題組以前的研究得出杭州市不同車型的日均啟動次數和年均行駛里程如圖2所示[23-24]:

圖2 杭州市不同車型的日均啟動次數和年均行駛里程Fig.2 Vehicle annual mileage and daily start-ups for Hangzhou vehicles

1.3 機動車NOx排放清單的建立

利用式(1)計算得出 2010年杭州市機動車NOx排放量為4.43萬t/a,各車型NOx排放量和所占的比例如圖3所示,重型貨車占34.1%,是NOx排放的主要來源.

圖3 2010年杭州市各類機動車NOx排放狀況Fig.3 Emission inventory of NOx from motor vehicles in Hangzhou in 2010

2 “十二五”期間NOx排放量預測

2004～2010年間,杭州市機動車保有量增長較快,由2004年的30.2萬輛(其中主城區22.9萬輛)增加到2010年的125.3萬輛(其中主城區69萬輛),年均增長率達到26.74%[25]. 圖4為杭州市2004～2010年不同類型車輛的保有量增長情況.

圖4 2004～2010年杭州市機動車保有量Fig.4 Vehicle population of Hangzhou in 2004～2010

2.1 “十二五”期間NOx新增量測算

2.1.1 “十二五”期間機動車新增量預測 由圖4可見,杭州市機動車保有量呈指數型增長趨勢,不同類型的機動車保有量也呈現指數型增長趨勢,故在 2004～2010年的基礎上采用指數回歸的方法預測2015年杭州市機動車保有量.如下:

式中:Y是2015年機動車保有量,輛;x為年份;a, b為回歸系數.

通過對不同類型的車輛建立指數回歸方程,預測得出2015年杭州市主城區機動車保有量將達到91萬輛,新增機動車22萬輛,不同類型車輛增長情況如表1所示.

表1 “十二五”杭州市機動車新增保有量情況Table 1 Increased vehicle number of Hangzhou in 2011～2015

2.1.2 “十二五”期間NOx新增量的確定 2011年7月1日起杭州市開始執行國Ⅳ機動車排放標準[26],同時考慮到我國執行國Ⅴ排放標準的不確定性,因此新增車輛均參照國Ⅳ排放標準下的排放因子[27]計算NOx排放量.利用式(1)計算得出新增車輛的NOx排放量,由圖5可以看出,“十二五”期間新增NOx排放量為1968.6t,重型貨車是新增NOx排放的主要來源,占60.6% .

圖5 “十二五”杭州市機動車NOx新增排放量Fig.5 Predicted vehicular NOx emission increment of Hangzhou in 2011～2015

2.2 “十二五”期間NOx減排潛力測算

2.2.1 機動車淘汰工程 根據杭州市環境保護局《關于將國Ⅰ排放標準柴油車納入黃色環保檢驗合格標志管理的通告》,自2011年11月1日起將國Ⅰ排放標準柴油車納入“黃標車”管理;同時杭州市計劃將 2300輛國Ⅱ標準公交車在“十二五”期間淘汰,并增加混合動力公交車的比例.根據“十二五”期間機動車淘汰的數量,利用公式(3)計算淘汰車輛的NOx排放量:

式中:R機動車淘汰為淘汰機動車的NOx削減量,t/a; Bi為“十二五”期間淘汰該類型機動車的數量,輛;EFi淘汰車輛的NOx綜合排放因子,g/km;VKTi為淘汰車輛的年均行駛里程.

計算得出淘汰杭州市“黃標車”可減少NOx排放 0.47萬 t,淘汰國Ⅱ標準公交車可減少 NOx排放0.15萬t.

2.2.2 油品替代工程 杭州市已于2011年執行Ⅳ四機動車排放標準,但我國機動車油品執行的是國Ⅲ標準,國Ⅳ標準汽車燃用國Ⅳ標準油與燃用國Ⅲ標準油相比可減少NOx排放.根據《“十二五”主要污染物總量控制規劃編制技術指南(征求意見稿)》,“十二五”期間將在污染較為嚴重的區域先供應國Ⅳ標準油品.根據油品質量由國Ⅲ提高到國Ⅳ標準機動車 NOx排放系數的差值計算NOx削減量.

式中: R機動車油品替代為機動車油品質量由國Ⅲ標準提高到國Ⅳ標準 NOx的削減量,t/a;Ci,j該類型機動車中供應國Ⅳ油品的機動車數量,輛;ΔFi,j供應國Ⅳ油品的機動車與供應國Ⅲ油品的機動車相比,NOx排污系數的差值, kg/(年×輛).

計算得出杭州市“十二五”期間實施油品替代工程可減少NOx排放,0.126萬t.

2.2.3 增加混合動力公交車 混合動力公交車與傳統公交車相比可減少NOx排放[28],杭州市近幾年也在大力發展混合動力公交車,因此“十二五”期間通過增加混合動力公交車的比例有助于削減NOx排放.

式中:R混合動力公交車為混合動力公交車替換傳統公交車 NOx削減量,t/a; Di為混合動力公交車的數量,輛;△EFi為混合動力公交車與傳統公交車相比NOx排放因子的差值,g/km; VKTi為混合動力公交車的年均行駛里程,km.

通過計算得出,杭州市“十二五”期間新增公交車中50%的比例為混合動力公交車可減少NOx排放 400t,全部改為混合動力公交車可減少NOx排放800t.

2.2.4 積極發展新能源汽車 2009年初,我國啟動了“十城千輛”節能與新能源汽車示范推廣應用工程,計劃用 3a左右的時間,全國每年發展10個城市,每個城市都推出 1000輛新能源汽車開展示范運行,目前試點城市已發展到25個[29].杭州市也積極發展新能源汽車,2012年新能源汽車示范運行數量將達3000輛,“十二五”期間杭州市新能源汽車產業年均增長率超過100%,成為新能源汽車發展的重要基地[30].

可見,“十二五”期間杭州市積極發展新能源汽車、提高新能源汽車的市場占有率可以減少NOx排放,新能源汽車的市場占有率越大,NOx的減排潛力越大.

3 “十二五”期間NOx減排情景分析

根據 NOx排放量的測算情況,結合杭州市發展現狀,設計“現行管理、改善方案、強化方案”3個“十二五”期間杭州市NOx減排情景[31],分析NOx的減排效果.“現行管理”情景主要考慮執行國家機動車管理政策機動車NOx排放情況,“改善方案”情景在“現行管理”的基礎上考慮機動車淘汰和油品替代方案下機動車 NOx減排效果,“強化方案”是在“改善方案”方案的基礎上增加混合動力車和新能源車的比例下機動車NOx進一步的減排效果.不同情景下NOx的減排量和削減率如表2所示.

由表2可以看出,“十二五”期間杭州市,如果按照“現行管理”方案,執行國家關于機動車管理的有關政策NOx排放量將會增加0.196萬t;若執行“改善方案”可減少NOx排放0.746萬t,削減率達16.84%,其中機動車淘汰工程和油品替代工程可分別減少NOx排放0.62萬t和0.126萬t,削減率分別為16.84%和2.84%;若執行“強化管理”方案,在“改善方案”的基礎上,大力發展混合動力公交車,積極發展新能源汽車,可以增加 NOx的減排潛力,新能源汽車的市場占有率越大,NOx的減排潛力越大.“十二五”期間杭州市執行“改善方案”——機動車淘汰工程和油品替代工程可以達到相應的NOx減排 10%的目標.但是由于機動車排放的污染物種類較多,且各污染物之間有特定的聯系,因此減少機動車 NOx的排放還要綜合考慮,制定出一套科學、合理的減排對策.

表2 杭州市“十二五”期間機動車NOx減排情景分析Table2 Summary scenario analysis results of vehicular NOx emission abatement in Hangzhou

4 結論

4.1 基于模型建立了杭州市機動車NOx的排放清單,結果表明2010年杭州市主城區機動車NOx排放量為4.43萬 t,其中重型貨車所排放的NOx比例最高,達34.1%,是重點控制的對象.

4.2 2004～2010年杭州市機動車保有量年均增長率為26.74%,根據保有量增長趨勢預測得出杭州市2015年杭州市主城區機動車保有量將達到91萬輛,增加22萬輛,“十二五”期間新增NOx排放量0.197萬t,其中重型貨車占60.6%.

4.3 通過對“現行管理”“改善方案”“強化方案”進行情景分析得出,執行“改善管理”方案——機動車淘汰工程和油品替代工程可減少NOx減排0.746萬t,削減率為16.84%.

4.4 執行“強化方案”,增加混合動力公交車的比例,積極發展新能源汽車提高其市場占有率,可增加NOx減排潛力.

4.5 “十二五”期間杭州市執行機動車淘汰工程、油品替代工程方案可完成 NOx減排 10%的減排目標.

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