我國非道路移動源排放清單估算及技術減排潛力分析

王燕軍，黃志輝，唐祎骕，吉喆，解淑霞，滕琦，梁占彬

(中國環境科學研究院/國家環境保護機動車污染控制與模擬國家重點實驗室，北京 100012)

移動污染源已成為大氣污染排放的重要來源[1]。移動源可分為道路源與非道路源。道路源是指行駛在道路上的機動車輛污染排放源；非道路源是相對于道路源的污染源，主要指各類在道路外應用的作業機械的污染排放源。在我國頒布的?非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)?(GB 20891—2014)[2]中對非道路移動機械定義為:用于非道路的移動機械，即(1)自驅動或具有雙重功能，既能自驅動又能進行其功能操作的機械；(2)不能自驅動，但被設計為能夠從一個地方轉移到另一個地方的機械。我國非道路移動機械按照用途主要包括工程機械、農業機械、船舶、機車、航空器、戶外動力設備，以及草坪和園藝設備等移動機械。目前，我國對道路移動源的排放已經建立了相對完善的監管體系，但對非道路移動源排放長期以來缺乏有效的監督管理[3]。

目前我國非道路移動源排放法規相對落后，單機排放控制水平低，加之使用年限長、維護保養差、燃油消耗高、燃油質量差、排放污染大，我國非道路移動源的排放總量不容忽視，正逐漸成為影響我國城市和區域空氣質量的另一重要來源[4]。加強非道路移動源控制將成為持續改善我國城市和區域空氣質量的關鍵舉措之一。為此，本文估算了近年我國主要非道路移動源的排放狀況，分析了非道路移動機械淘汰升級、后處理改造等不同技術政策下非道路移動源的減排潛力，以期為我國非道路移動源排放管理提供技術思路。

1 我國非道路移動源排放估算方法

1.1 非道路移動機械

非道路移動機械包括工程機械、農業機械、小型通用機械、柴油發電機組等。本次清單是根據不同的類別、功率段、排放階段的非道路移動機械保有量及活動水平計算得出的，具體公式如下:

式中，E為非道路移動機械污染物排放量(噸)；Pi，j，k為i機型、j功率段、k階段非道路移動機械保有量(臺)；Gi，j，k為i機型、j功率段、k階段非道路移動機械平均額定凈功率(千瓦/臺)；LFi，j，k為i機型、j功率段、k階段非道路移動機械負載因子；hri，j，k為i機型、j功率段、k階段非道路移動機械年均使用小時數(小時)；EFi，j，k為i機型、j功率段、k階段非道路移動機械排放因子(克/千瓦時)；n為非道路移動機械種類數(種)；m為非道路移動機械功率段數(個)；p為非道路移動機械排放階段數(個)。

1.2 鐵路內燃機車

對于鐵路內燃機車排放量，基于燃料消耗量計算，具體公式如下:

式中，E為鐵路內燃機車排放量(噸)；Y為鐵路內燃機車柴油消耗量(千克)；EF為鐵路內燃機車排放因子(克/千克燃料)。

1.3 內河、沿海船舶

對于內河、沿海船舶排放量，基于燃料消耗量計算，具體公式如下:

式中:E為內河、沿海船舶排放量(噸)；Y為內河、沿海船舶燃油消耗量(千克)；EF為內河、沿海船舶排放因子(克/千克燃料)。

1.4 民航飛機

對于民航飛機排放量，基于飛機起降次數(LTO)計算，具體公式如下:

式中:E為民航飛機污染物排放量(噸)；CLTO為民航飛機起飛著陸循環次數(次)；EF為民航飛機起飛著陸循環時的排放因子(千克/LTO)。

1.5 保有量和活動水平調查

本文中，工程機械保有量采用了?中國工程機械工業年鑒?數據[5]，農業機械保有量采用?中國農村統計年鑒?數據[6]，鐵路內燃機車燃油消耗量根據客貨周轉量、貨運日產量、貨運鐵路內燃機車油耗計算獲得，客運周轉量、貨運日產量、貨運鐵路內燃機車油耗系數采用?中國交通運輸年鑒?數據[7]。內河、沿海船舶燃油消耗量采用交通運輸部門數據，并通過客貨周轉量計算獲得，客貨周轉量采用?中國交通運輸年鑒?數據[7]。民航飛機起飛著陸循環次數基于起降架次獲得，一次起飛著陸循環等于兩個起降架次，起降架次從民用航空管理部門發布的?民航機場生產統計公報?[8]中獲取。其他未調查獲取的活動水平數據和排放系數采用了生態環境部在?非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術指南?(試行)[9]中推薦的數據。

這張紙條讓我很意外。首先，“解憂雜貨店”源自日本作家東野圭吾的《解憂雜貨店》一書，它的封面上有這樣一段話：“這里不僅銷售雜貨，還提供煩惱咨詢。無論你掙扎猶豫，還是絕望痛苦，歡迎來信。”店名的移花接木不僅有知名度，而且還非常貼合我們對班級商店的定位——非典型性商店，既賣商品、又賣創意，既是雜貨店，又能幫同學們排憂解難。一石二鳥，不可謂不妙！其次，對店員的介紹，自黑中透露著自信，詼諧幽默又一本正經，不但說明了各位店員的職責，也瞬間拉近了店員與同學之間的距離。這張紙條在一定程度上凸顯出他們的創造力和凝聚力，讓我相信他們是一個有想法有創意、關系和諧融洽的團隊。

2 我國非道路移動源排放量測算

2.1 我國主要非道路移動機械保有量變化趨勢分析

從2010 年到2017 年，我國各主要非道路移動機械門類的保有量如表1 所示:工程機械保有量由430.0 萬臺增加到720.0 萬臺，年均增長8.5%；農業機械柴油總動力由74597.1 萬千瓦增加到76776.3 萬千瓦；船舶保有量由17.8 萬艘降低至14.5 萬艘，年均下降2.9%；飛機起降由553.2 萬架次增加到1024.9 萬架次，年均增長9.2%。

表1 主要非道路移動機械保有量及活動水平狀況

在2017 年全國工程機械保有量中，挖掘機、推土機、裝載機、叉車、壓路機、攤鋪機、平地機，不含輪式起重機、塔式起重機、混凝土攪拌車、混凝土泵車、混凝土泵、混凝土攪拌站等總計626.3 萬臺。其中包括挖掘機167.8 萬臺、推土機7.1 萬臺、裝載機171.2 萬臺、叉車261.6 萬臺、壓路機13.0 萬臺、攤鋪機2.3 萬臺、平地機3.3 萬臺。各類工程機械保有量占比如圖1 所示。在各類工程機械中，包括國Ⅰ前標準的工程機械170.9 萬輛、國Ⅰ標準的工程機械97.9 萬輛、國Ⅱ標準的工程機械259.3 萬臺、國Ⅲ標準的工程機械98.1 萬臺，各類工程機械不同排放水平等級占比如圖2 所示。

圖1 按類型劃分工程機械保有量占比

圖2 按排放階段劃分工程機械保有量占比

在2017 年全國農業機械柴油總動力中，包括大中型拖拉機總動力21583.5 萬千瓦、小型拖拉機16036.5 萬千瓦、聯合收割機10356.6 千瓦、

柴油排灌機械6843.7 萬千瓦、漁船1838.3 萬千瓦、其他機械20117.7 萬千瓦。按排放等級劃分，包括國Ⅰ前標準的農業機械11784.7 萬千瓦、國Ⅰ標準的農業機械13867.1 萬千瓦、國Ⅱ標準的農業機械45792.3 萬千瓦、國Ⅲ標準的農業機械5332.2 萬千瓦。按類型和排放階段劃分的農業機械保有量占比分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 按類型劃分農業機械保有量占比

圖4 按排放階段劃分農業機械保有量占比

2.2 2017 年我國主要非道路移動機械排放狀況

2017 年，以上調查得到的主要非道路移動機械共排放碳氫化合物(HC)77.9 萬噸，氮氧化物(NOx)573.5 萬噸，顆粒物(PM)48.5 萬噸。其中，工程機械排放碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物分別為30.5 萬噸、197.1 萬噸、12.9 萬噸；農業機械排放碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物分別為25.9 萬噸、168.1 萬噸、19.1 萬噸；船舶排放碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物分別為7.9 萬噸、134.6 萬噸、13.1 萬噸；鐵路內燃機車排放碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物分別為1.0 萬噸、17.1 萬噸、0.6 萬噸；飛機排放碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物分別為1.4 萬噸、8.3 萬噸、0.3 萬噸。2017 年非道路移動源排放構成如圖5 所示。

圖5 2017 年我國主要門類非道路移動機械排放占比

在2017 年工程機械排放的各類污染物中，碳氫化合物分擔率為:裝載機43.3%、挖掘機30.6%、叉車21.2%；氮氧化物分擔率為:裝載機45.1%、挖掘機31.0%、叉車19.1%；顆粒物分擔率為:裝載機 38.3%、挖掘機 33.0%、叉車23.8%。裝載機、挖掘機、叉車所占比重較大。在農業機械排放量分擔率中，大中型拖拉機、小型拖拉機所占比重較大，其中碳氫化合物分擔率為:大中型拖拉機33.7%、小型拖拉機25.9%；氮氧化物分擔率為:大中型拖拉機34.6%、小型拖拉機25.4%；顆粒物分擔率為:大中型拖拉機35.5%、小型拖拉機25.6%。

3 非道路移動機械減排情景模擬

上述研究表明，工程機械排放量在非道路移動源中排放占比較大。本節主要以工程機械為例，重點研究標準升級和尾氣治理即加裝顆粒物捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)對工程機械排放的影響。

3.1 提前實施國Ⅳ階段標準減排潛力分析

根據?非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)?(GB 20891—2014)中標準實施要求，第四階段標準于2020 年1 月1 日起正式實施。上述標準中各排放階段污染物排放限值對比表明，第四階段各污染物排放限值相比于第三階段降低50%～90%。在2017 年提前實行國Ⅳ階段排放標準情景下，2019 年工程機械保有量預估為742.4 萬臺，其中國Ⅰ前排放標準的工程機械為151.4 萬臺，國Ⅰ排放標準的工程機械為97.7 萬臺，國Ⅱ排放標準的工程機械為259.2 萬臺，國Ⅲ排放標準的工程機械為162.6 萬臺，國Ⅳ排放標準的工程機械為71.4 萬臺。

利用?非道路移動源排放清單編制技術指南?中提供的國Ⅳ階段非道路移動機械排放因子，研究測算得到2019 年工程機械正常狀況下各污染物排放量及2017 年提前實行國Ⅳ階段情況下各污染物排放量對比，如圖6 所示。

圖6 正常實施與提前實施國Ⅳ標準工程機械排放量對比(2019 年)

研究表明，提前實行國Ⅳ階段的工程機械碳氫化合物總排放量比正常實行國Ⅳ階段下降4.0%，減排1.34 萬噸；提前實行國Ⅳ階段的工程機械氮氧化物總排放量比正常實行國Ⅳ階段下降0.8%，減排1.51 萬噸；提前實行國Ⅳ階段的工程機械顆粒物總排放量比正常實行國Ⅳ階段下降4.4%，減排0.59 萬噸。按機械類型劃分的各污染物減排量見表2。測算表明，相比于正常實行國Ⅳ階段排放標準，提前實行國Ⅳ階段排放標準對工程機械減排效果較為明顯，尤其是挖掘機、裝載機與叉車減排效果較為顯著。

表2 按機械類型劃分的工程機械減排量 單位/噸

3.2 國Ⅰ、國Ⅱ非道路移動機械加裝DPF 減排潛力分析

根據作者前期在部分地市對國Ⅰ前～國Ⅲ排放標準的非道路移動機械排放水平測試以及改造的可行性研究，國Ⅰ、國Ⅱ排放階段的工程機械比較適合加裝DPF，改造后的顆粒物減排效率為90%，其中適合加裝DPF 的國Ⅰ、國Ⅱ排放階段的工程機械占50%左右。因此，本文假設全國50%的國Ⅰ、國Ⅱ工程機械均進行改造。在此情景下，2019 年工程機械改造總量為178.4 萬臺，其中包括挖掘機49.2 萬臺、推土機2.2 萬臺、裝載機51.1 萬臺、叉車70.0 萬臺、壓路機4.0 萬臺、攤鋪機0.8 萬臺、平地機1.1 萬臺。

減排量測算表明，在正常情況下，2019 年工程機械顆粒物排放總量為13.5 萬噸；而在50%的國Ⅰ、國Ⅱ工程機械加裝DPF 后，2019 年工程機械顆粒物排放總量為10.8 萬噸，按機械類型劃分的工程機械顆粒物排放量見圖7。在模擬情景下2019 年工程機械顆粒物排放總量比2019 年正常情況下顆粒物排放總量下降20%，按機械類型劃分的工程機械減排量見表3。

圖7 正常情況與情景模擬下各類工程機械PM 排放量對比

表3 按機械類型劃分的工程機械減排量 單位/噸

研究表明，將國Ⅰ、國Ⅱ非道路機械加裝DPF，顆粒物減排效果顯著，尤其是挖掘機、裝載機與叉車減排效果明顯。

4 結論

(1)2010—2017 年我國工程機械保有量和飛機起降次數增加較快，年均增長率在8.5%～9.2%之間；農業機械柴油總動力基本持平，在74597.1 萬千瓦～76776.3 萬千瓦之間；船舶保有量由17.8 萬艘降低至14.5 萬艘，年均下降2.9%。

(2)2017 年我國主要非道路移動源碳氫化合物排放77.9 萬噸，氮氧化物排放573.5 萬噸，顆粒物排放48.5 萬噸。

(3)在2019 年主要非道路移動源保有量持續增長的情況下，提前實行國Ⅳ階段排放標準可減少工程機械各種污染物排放0.8%～4.4%左右，國Ⅰ、國Ⅱ工程機械加裝DPF 后顆粒物減排可達20%左右，挖掘機、裝載機與叉車減排效果明顯。