乙醇汽油對汽車污染物排放影響研究進展

魏陽冰，陳宏飛，謝沛遠，孫文欣，朱仁成,，王運靜，張超越

1. 鄭州大學生態與環境學院，河南 鄭州 450001

2. 中國環境科學研究院，北京 100012

機動車排放是城市地區大氣細顆粒物(PM2.5)、揮發性有機物(VOCs)和溫室氣體的主要來源之一，不僅能夠促進灰霾和光化學煙霧的形成，還會增加人們罹患呼吸系統、心腦血管等疾病的風險[1-4]. 《中國移動源環境管理年報(2022 年)》顯示：2021 年底我國汽車保有量已經達到3.02 億輛，同比增長7.5%.2021 年我國機動車的一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM) 排放量分別為7.7×106、2.0×106、5.8×106、6.8×104t[5]. 因此，加強機動車排放控制對于城市PM2.5和臭氧復合污染防控具有重要意義.《2022 年國內外油氣行業發展報告》顯示，交通領域燃油消耗占我國石油消費總量的55.4%.在我國機動車高保有量和持續增長的背景下，如何在確保能源安全的同時，實現減污降碳協同增效，成為當前亟待解決的重要問題.

為緩解機動車保有量不斷增加引起的環境污染和能源短缺問題，車用清潔替代燃料不斷發展[6-7].乙醇具有高燃燒效率、高辛烷值和良好抗震爆性[8-9]，被廣泛用作汽油的部分替代品并得以推廣應用. 我國從2003 年開始試點推行E10 汽油(含體積分數為10%變性燃料乙醇的車用乙醇汽油)，截止到2023 年8 月，已有15 個省(自治區、直轄市)全域或局部使用，具體如表1 所示. 目前關于乙醇汽油對汽車排放影響研究眾多，但由于車輛技術水平、實驗條件和測試技術等存在較大差異，不同研究之間結論并不完全一致，甚至存在相反的現象. 例如，楊正軍等[10]發現乙醇汽油對汽車尾氣中CO、總碳氫化合物(THC)有較好的減排效果；而Zhu 等[11]則發現了相反的規律. 汽車排放的VOCs 可分為尾氣排放和蒸發排放[12-13]，隨著對尾氣排放控制的增強，蒸發排放在汽車總VOCs 排放中的占比逐年升高[14-15]. 另外，Yamada[16]指出蒸發排放的VOCs 可能是比尾氣VOCs 更高效的臭氧誘導劑. 因此在關注乙醇汽油對尾氣排放影響的同時，其對VOCs 蒸發排放的影響也不容忽視.

表1 截至2023 年8 月中國乙醇汽油推廣范圍Table 1 The scope of ethanol gasoline promotion in China by August 2023

為綜合評估乙醇汽油對汽車污染物排放的影響，本研究在Web of Science 和中國知網上分別使用檢索詞“ethanol gasoline”“vehicle”以及“乙醇汽油”檢索2009 年1 月1 日-2023 年7 月1 日的相關文獻，經過篩選，最終得到54 篇相關文獻. 通過系統梳理這54 篇相關文獻內的數據，綜合評價乙醇汽油的減污降碳效果，并對全國最早的試點省份之一-河南省推廣E10 汽油的環境效益分析，以期為乙醇汽油的進一步推廣使用和減少大氣污染物、溫室氣體提供科學依據.

1 乙醇汽油對汽車尾氣污染物排放影響

1.1 乙醇汽油對常規氣態污染物的影響

圖1 歸納了常溫下汽車使用不同汽油時尾氣中THC、CO、NOx的排放因子. Zhang 等[7]發現與國Ⅵ汽油相比，使用乙醇汽油時THC 和CO 的排放因子分別降低了7.6%～32.9% 和10.0%～40.0%，這與文獻[17-23]等研究結論一致. 主要原因是乙醇氧含量較高，燃燒時會產生大量羥基從而貢獻更易參與氧化還原反應的原子氧，促進汽油充分燃燒；并且可以降低發動機點火溫度，提高燃燒速度和火焰傳播速度[17].然而，也有研究發現乙醇汽油會增加THC 和CO 排放，如Zhu 等[11]觀察到燃油噴射(GDI) 汽油車使用E10 燃料時尾氣中THC 排放量比使用傳統汽油時增加了25.0%，Lin 等[24]發現使用E3 和E10 燃料時尾氣中CO 排放量比使用傳統汽油時分別增加了22.9%和11.5%，這可能是由駕駛習慣或車輛技術差異導致.Yao 等[22]發現乙醇含量從3% 增至20% 時，THC 和CO 的減排率分別從1.6%、1.1%增至28.8%、30.8%.

圖1 汽車分別使用乙醇汽油和傳統汽油時尾氣THC、CO 和NOx 排放對比Fig.1 THC, CO and NOx emissions from vehicles with ethanol gasoline and conventional gasoline, respectively

不同研究中有關乙醇汽油對尾氣NOx排放影響存在較大差異. 有研究[7,23-25]顯示，汽車使用E3～E40汽油時尾氣NOx排放因子比傳統汽油減少了2.1%～46.1%. 而其他研究[11,18-21,24-25]發現，相較于傳統汽油，使用E3～E40 汽油時汽車尾氣中NOx的排放增加了0.5%～103.5%，這可能與NOx復雜的生成過程有關.O2或·OH 高溫裂解生成的O 自由基，在不低于1 600 ℃的高溫下才能將N 或N2氧化生成NO 或NO2[17-18]，故含氧量和溫度都是影響尾氣NOx排放因子的關鍵因素. 乙醇汽油會增加燃燒室內的含氧量，導致NOx的排放因子升高，而乙醇的汽化潛熱(904 kJ/kg)遠高于汽油(301 kJ/kg)，故乙醇汽油汽化潛熱隨乙醇體積分數升高而增大，使燃燒溫度下降，這又會抑制NOx的排放[26]. 在這兩種因素的綜合作用下，改用乙醇汽油后尾氣中NOx的排放趨勢并不明確.此外，乙醇汽油共混物的熱值、層流火焰速度等物化性質、汽油車發動機標定值以及后處理系統也會影響NOx的生成[27-28].

為了綜合評估乙醇汽油對常規氣態污染物的排放影響，將文獻[7,17-25,27-37]中傳統汽油的排放因子對數值〔lg(EFTG)〕與乙醇汽油的排放因子對數值〔lg(EFEG)〕使用線性函數(y=a+x) 進行擬合，結果如圖2 所示. 相對而言，THC 觀測值分布更加集中，而CO 和NOx的離散程度更高，說明使用乙醇汽油對CO 和NOx的影響更大. 從y=a+x擬合曲線來看，R2均大于0.9，說明擬合效果較好. 截距a可以量化乙醇汽油具體的減排效果，即EFEG/EFRG=10a. 從傳統汽油改用乙醇汽油后，CO、THC 分別減排10.0%和22.0%，而NOx平均排放因子無明顯變化.

1.2 乙醇汽油對溫室氣體的影響

汽油車排放的溫室氣體以二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O) 為主. 使用乙醇汽油后，CO2的排放因子降低0.3%～3.7%，且乙醇含量的升高對CO2的排放因子基本沒有影響[7,18,24-25]，這主要是因為CO2是燃油燃燒的主要產物，其排放主要由發動機技術決定. Lin 等[24]發現汽油車從歐Ⅲ升級到歐Ⅳ時，尾氣中CO2減少了8.5%～11.8%，而使用乙醇汽油替代傳統汽油時，CO2的排放因子僅減少0.8%，這說明相較于使用乙醇汽油，提高排放標準和升級發動機技術是更有效的尾氣CO2減排方案.

不同研究中乙醇汽油對汽車尾氣CH4排放影響規律并不一致. 例如，Yao 等[22]分別使用高里程和低里程汽油車測試E3～E20 的CH4變化情況，發現各燃料-車型的組合下CH4的排放因子降低了14.3%～71.4%.而Graham 等[38]分別對國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅴ車進行測試，結果顯示大多數情況下使用乙醇汽油比傳統汽油的CH4排放因子要高，最高增幅可達102.5%. 其主要原因可能是乙醇汽油在增加燃燒室內氧含量的同時，又增加了碳和氫的含量，導致使用乙醇汽油后CH4排放有升有降. 此外，Graham 等[38]研究證明，隨著乙醇含量的增加尾氣中N2O 的排放因子呈增加趨勢，但通過對國Ⅵ車調查發現，其N2O 排放因子均小于5 mg/km，遠小于GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》的排放限值(20 mg/km)[39]. 可以推測，汽車使用乙醇汽油并不會導致N2O 排放超出標準限值.

圖3 為基于文獻[7,17-19,22,24-25,32-33,36,38,40]統計繪制的乙醇汽油對CO2和CH4減排效果的綜合評價. CO2的觀測值較為集中，減排率約為2.0%，說明乙醇汽油對CO2具有一定減排效果. 生物燃料乙醇汽油排放的部分CO2是植物通過光合作用固定在生物質原料中，再通過燃燒釋放到大氣，即在大氣與生物質之間不斷循環[41]；而傳統汽油燃燒釋放更多的是將地下化石碳釋放到大氣中[42]. 因此，僅從汽車行駛排放環節考慮，使用乙醇汽油能在一定程度上減少CO2排放. 而通過綜合評價，發現使用乙醇汽油增加了4.0% 的CH4排放，但CH4的離散程度較高，說明其受乙醇汽油影響有一定不確定性.

圖3 乙醇汽油對汽車尾氣CO2 和CH4 減排效果的綜合評價Fig.3 The comprehensive evaluation of the emission reduction effect of CO2 and CH4 from vehicles using ethanol gasoline

1.3 乙醇汽油對顆粒物和VOCs 的影響

與傳統汽油相比，乙醇汽油對汽車尾氣中PM 和顆粒物數量(PN)排放均有明顯的減排效果[27,43-47]，且可以降低顆粒物中大部分中高分子量的多環芳烴排放[48]. Wu 等[25]研究發現汽油車分別使用低芳烴和低烯烴兩類E10 汽油時，尾氣PM 與PN 排放分別降低28.0%±17.0%和33.0%±20.0%，且低烯烴E10 減排效果更好. 朱仁成[43]基于全球統一輕型車輛測試(WLTC)循環分別測試了常溫(30 ℃)和低溫(-7 ℃)下國Ⅳ汽油車分別使用傳統汽油和E10 汽油時的顆粒物排放情況，結果表明乙醇汽油分別降低了20.6%～52.0%的PM 排放和20.3%～58.1%的PN 排放，這主要歸因于乙醇汽油增加了燃油的含氧量和蒸汽壓；另外，通過考察整個循環下的粒徑分布，發現E10 還可以有效減少汽油車尾氣中的核膜態顆粒物(＜0.1 μm)；對于GDI 汽油車，排放的粒徑越小，其減排效果越好. 從乙醇添加比例的角度來看，乙醇比例的升高，會增強顆粒物的減排效果. Yang 等[44]研究發現，乙醇含量增加5.0%時，PM 和PN 的排放分別減少17.5%和17.0%.

汽車VOCs 排放被認為是城市地區大氣VOCs的主要人為來源[49-50]. 汽車尾氣中VOCs 種類約占THC 的65.5%～82.1%[51]. 已有研究[17,19,22,47,49]表明，使用乙醇汽油能夠有效控制機動車尾氣VOCs 排放.Zhang 等[52]基 于 新 歐 洲 駕 駛 循 環(NEDC) 對3 輛國Ⅳ汽車進行尾氣排放測試，發現E10 汽油能降低37.0%～56.0%的VOCs 排放，與Yao 等[22]研究結論一致. 而Yang 等[19,25]研究了E3～E20 汽油和傳統汽油的排放，發現乙醇含量的升高對減排率的影響并不明顯. 從VOCs 組分角度分析，使用E10 汽油后總羰基化合物排放因子比傳統汽油高出15.0%～46.0%，其中乙醛比例增加最明顯(52.0%)，這是因為乙醛是乙醇在氣缸內燃燒和氧化的關鍵中間體[52]. 瞿國凡等[53]發現乙醇汽油的甲醛排放略低于傳統汽油，是因為乙醇比汽油中碳氫化合物更容易氧化. Lin 等[24]研究了歐Ⅲ至歐Ⅴ汽車使用E3 和E10 汽油時的排放情況，發現與傳統汽油相比，使用乙醇汽油后甲苯、苯和乙烷平均減排率分別為54.5%、42.4%和24.4%. 而使用乙醇汽油后臭氧生成潛勢(OFP)并沒有一致性的變化規律，這可能是因為OFP 是受到VOCs 組成、機動車類型及溫度等因素的共同作用[19,22,52,54].

圖4 為基于文獻[11,15,17,22,43-47,52,54] 歸納的乙醇汽油對顆粒物和VOCs 減排效果的綜合評價.由圖4 可知，PM、PN 和VOCs 的觀測值大多居于圖右下方，說明使用乙醇汽油會降低汽車尾氣顆粒物和VOCs 的排放(R2＞0.8)，且使用乙醇汽油的綜合減排率分別為21.3%、14.9%和17.7%.

圖4 乙醇汽油對汽車尾氣顆粒物和VOCs 減排效果的綜合評價Fig.4 Comprehensive evaluation of the emission reduction effect of particulate matters and VOCs emissions with ethanol gasoline

總體而言，在汽油中添加乙醇可以增加內燃機燃燒時的含氧量并降低燃燒室溫度，從而減少THC、CO、PM、PN 及VOCs 的排放. 而溫室氣體在乙醇汽油車尾氣排放時的減排效果相對較弱，但使用E10汽油可以減少化石碳的釋放，能在一定程度上減少汽車尾氣CO2的排放.

2 乙醇汽油對蒸發排放的影響

隨著排放標準日趨嚴格，目前汽車尾氣排放已經得到有效控制，蒸發排放越來越受到人們重視. 蒸發排放包括運行損失、加油損失、熱浸損失和晝夜呼吸損失等[55-56]. 運行損失是指發動行駛過程中油氣的蒸發[16]；加油損失是指加油過程中被推出油箱的燃油蒸汽[56]；熱浸損失是指發動機熄火后余熱引起的燃料蒸發[57]；晝夜呼吸損失是由于晝夜溫差導致油箱中燃料滲透和蒸汽逸出[58]. Yamada 等[59]發現在未配置車載油氣回收系統(ORVR)的汽油車上，使用E10 和傳統汽油的加油損失沒有明顯的差異. 有研究[55-56]顯示，使用E10 燃料的加油排放VOCs 成分與使用傳統燃料的成分幾乎相同.

目前對乙醇汽油運行損失、加油損失方面的研究相對有限，故筆者主要對比了乙醇汽油、傳統汽油的熱浸損失和晝夜呼吸損失過程中VOCs 的排放情況(見表2). 有研究[43,52,59-61]表明，E10 汽油會增加汽油車的熱浸排放，具體增幅因車輛而異，最高達到66.7%，這可能與乙醇燃料中較低的50%蒸餾溫度(T50) 導致的平均蒸發性較強有關. 而Zhang 等[23,38]測試的部分乙醇汽油熱損失略小于傳統汽油，可能是車輛狀態、試驗條件等因素干擾所致. 使用乙醇汽油會使汽油車的晝夜呼吸損失升高，這是由低含量乙醇燃料的近共沸效應提高了雷德蒸氣壓，以及乙醇作為一種小分子燃料促進了蒸發排放的滲透機制共同導致的[59]. 從對VOCs 蒸發排放組成來看，Zhu 等[11]觀察到使用E10 汽油時，醛酮化合物占比增至5.2%～30.4%，這與Zhang 等[7]的結果基本一致. Yamada 等[59-60]深入研究了蒸發排放的機制，發現使用乙醇汽油后會增加滲透排放，并且較早出現碳罐突破現象，但其后續突破較為緩慢.

表2 汽車分別使用乙醇汽油和傳統汽油時蒸發VOCs 排放因子對比Table 2 Evaporative VOCs pollutant emission factors from vehicles with ethanol gasoline and conventional gasoline, respectively

Koupal 等[62]研究發現，在墨西哥推行E10 燃料后，機動車VOCs 排放量增加了13%～18%，其中甲苯增加了29.0%～34.0%，是墨西哥大氣OFP 最大的前體物. 因此，制定分時分區精細化的乙醇汽油推廣應用策略，并采用ORVR 系統作為控制技術，減少乙醇汽油VOCs 蒸發排放是很有必要的.

3 典型區域推廣乙醇汽油的環境效益分析:以河南省為例

為評估E10汽油推廣應用帶來的CO2、PM和VOCs的減排效果，本研究基于最早推廣乙醇汽油的省份之一-河南省，2022 年輕型汽油車的數據進行測算.

基于1.2～1.3 節綜合分析結果，使用E10 汽油時CO2及PM 減排量的計算方法如式(1)～(2)所示：

式中：RCO2和RPM分別表示使用E10 汽油時CO2和PM 的減排量，t/a；Vi表示第i類排放標準的汽油車保有量，輛； EFCO2,i和 EFPM,i分別表示第i類排放標準汽油車使用傳統汽油時CO2和PM 的平均排放因子，mg/km；D表示輕型汽油車行駛里程，根據《道路機動車排放清單編制技術指南(試行)》推薦的行駛里程，并結合車輛實際使用過程中行駛里程隨車齡遞減的趨勢[63]，將D設為1.2×104km/a.

使用E10 汽油時VOCs 的減排量主要由尾氣排放和蒸發排放兩部分組成. 而由于加油損失和運行損失受多因素綜合影響，排放因子存在較大差異[13]，因此蒸發排放部分僅考慮熱浸損失和晝夜呼吸損失，如式(3)所示：

式中：RVOCs表示使用E10 汽油時VOCs 的減排量，t/a；EFtail,i表示第i類排放標準的汽油車對應的尾氣VOCs 平均排放因子，mg/km； EFHSL,i表示第i類排放標準的汽油車對應的VOCs 熱浸損失，mg/test；N表示車輛平均每天停車次數，假設為3 次； EFDBL,i表示第i類排放標準汽油車對應的VOCs 晝夜呼吸損失的平均值，mg/d；7.4% 和29.5% 表示分別根據文獻[23,25,31,44,60-61,63]計算的熱浸損失和晝夜呼吸損失的平均增長率.

根據文獻[7,11,23,24-25,38,43,46,64-69]總結的車輛排放數據，結合《2022 年河南統計年鑒》統計的輕型車數量和實地調研得到的車型占比，通過式(1)～(3) 計算得到2022 年河南省全域使用E10 汽油的輕型車CO2、PM的尾氣減排量以及VOCs 綜合減排量分別約為9.1×105、92.4 和1 118.1 t/a.

表3 顯示了CO2、PM 的尾氣減排量與VOCs 綜合減排量. 由表3 可以看出，國Ⅴ車CO2和PM 尾氣減排量最大，占總量的46.3%～47.6%，這是由于國Ⅴ是現行車輛中保有量最多的車型. 而國Ⅴ車對VOCs綜合減排量僅占2.7%，是因為E10 一定程度上增加了車輛的蒸發排放，而現行政策對其管控較為寬松.因此在推廣乙醇汽油的同時，也應加強對蒸發排放的控制，以更有效地降低VOCs 排放.

表3 輕型汽油車CO2、PM 尾氣減排量和VOCs 綜合減排量Table 3 Reduction of CO2, PM exhaust emissions and VOCs comprehensive emissions t/a

4 結論與展望

a) 通 過 對2009 年1 月1 日-2023 年7 月1 日發表且被Web of Science 和中國知網收錄的相關文獻統計分析，發現乙醇汽油的使用可以一定程度上降低汽車尾氣污染物的排放，其中主要包括THC、CO、PM、PN 及VOCs，其平均減排率分別為10.0%、22.0%、21.3%、14.9% 和17.7%，而NOx排放量基本不變. 乙醇汽油車尾氣排放的溫室氣體相較于使用傳統汽油基本不變甚至小幅上升，但從化石碳、生物碳的角度考慮，使用乙醇汽油在一定程度上能夠降低尾氣CO2的排放.

b) 使用乙醇汽油會增加熱浸損失和晝夜蒸發排放，因此應加強對VOCs 蒸發排放的管控，以減少乙醇汽油VOCs 的排放.

c) 以2022 年輕型車保有量和汽油消耗數據為基準，估算了河南省全域使用E10 汽油的輕型車CO2、PM 尾氣減排量以及VOCs 綜合減排量，分別為9.1×105、92.4 和1 118.1 t/a.

d) 推廣乙醇汽油對減污降碳具有積極作用. 本研究通過綜合評估乙醇汽油車的常規氣態污染物、顆粒物、溫室氣體和VOCs 排放因子水平，明確了乙醇汽油對各污染物的減排效果，為未來乙醇汽油的進一步推廣提供了切實數據，可以為汽車領域的減污降碳協同控制提供理論支撐. 考慮到乙醇汽油可能會增加VOCs 蒸發排放，今后應加強對VOCs 蒸發控制技術及完善相關法規標準的研究，以期進一步降低機動車污染物排放.