我国典型工程机械燃油消耗量及排放清单研究_李东玲.pdf

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1、第 33 卷第 2 期2012 年 2 月环境科学ENVIRONMENTAL SCIENCEVol 33，No 2Feb，2012我国典型工程机械燃油消耗量及排放清单研究李东玲1，吴烨1*，周昱1，杜譞2，傅立新1(1 清华大学环境学院，北京100084;2 环境保护部环境保护对外合作中心，北京100035)摘要:建立非道路移动机械排放清单是对其污染进行控制的基础 本研究参考美国环保署 NONROAD 模型中非道路移动源排放模拟的基本方法，建立基于实际燃油消耗率估算我国工程机械燃油消耗量及排放清单的方法 通过调查分析我国典型工程机械的保有量构成、活动水平、实际燃油消耗率和排放因子等相关参数，估

2、算了 2007 年我国挖掘机和装载机两类典型工程机械的油耗量及排放量 结果表明，我国 2007 年挖掘机和装载机的柴油总消耗量为 1.21 107t，占当年全国各行业柴油总消耗量的9.7%;NOx和 PM 的总排放量分别6.81 105t 和5.31 104t，与当年全国道路机动车的 NOx和 PM 排放总量相比，工程机械的排放已经不容忽视 尽快加严并有效实施我国工程机械用发动机排放标准对控制其排放具有重要意义关键词:工程机械;油耗;排放清单;非道路移动源中图分类号:X51文献标识码:A文章编号:0250-3301(2012)02-0518-07收稿日期:2011-03-28;修订日期:201

3、1-05-23基金项目:国家自然科学基金项目(50908121)作者简介:李东玲(1985 )，女，硕士研究生，主要研究方向为非道路移动源排放清单，E-mail:dongling li04 gmail com*通讯联系人:E-mail:ywu mail tsinghua edu cnFuel Consumption and Emission Inventory of Typical Construction Equipmentsin ChinaLI Dong-ling1，WU Ye1，ZHOU Yu1，DU Xuan2，FU Li-xin1(1 School of Environment，Ts

4、inghua University，Beijing 100084，China;2 Foreign Economic Cooperation Office，Ministry ofEnvironmental Protection，Beijing 100035，China)Abstract:Developing emission inventory for nonroad mobile equipments is the initiating step of nonroad mobile source emissioncontrol NONROAD model developed by U S EP

5、A was studied，and methods based on actual fuel consumption rate were established tocalculate fuel consumption and emission inventory of excavators and loaders in China Surveys were conducted on key emissionparameters of typical construction equipments in China，including equipment inventory，annual ac

6、tivity，actual fuel consumption rate，and emission factor Results show that diesel consumption of excavators and loaders was 1.21 107t，accounting for 9.7%of totalconsumption of all sectors in China in 2007 Total emissions of NOxand PM from excavators and loaders were 6.81 105t and 5.31 104t，respective

7、lyThe data indicates construction equipments are important emission sources compared with motor vehiclesAccording to the results，it is necessary to tighten limits of exhaust pollutants for construction equipments in China and to bring theminto effectKey words:construction equipments;fuel consumption

8、;emission inventory;nonroad mobile sources以内燃机为动力的机械设备在使用过程中会因燃料燃烧产生空气污染物排放 除道路机动车辆外，大量非道路移动机械也以内燃机为动力，主要包括工程机械、农业机械、园林机械、内燃机车、船舶和飞机等 非道路移动机械种类多、保有量大，其对空气污染的贡献得到了越来越广泛的关注 Samarasa等1 对 1990 年欧盟非道路移动源和道路源污染物排放做了比较，Kean 等2 采用基于燃油消耗量的方法估算了美国 1996 年非道路移动机械的 NOx和PM10排放量，也有研究者对非道路用柴油机和工程机械的排放特征进行研究3，4 目前美国

9、、瑞士等国已开发了官方的非道路移动源排放清单5，6，研究表明，2007 年美国农业机械和工程机械的 NOx排放量约占全部移动源排放量的 14%7 与道路机动车相比，我国非道路移动源的排放控制工作起步较晚 1999 年起，我国开始实施机动车排放标准，目前全国范围内对机动车已实施国三排放标准，对轻型汽油车即将实施国四标准，而非道路移动机械用柴油机排放限值的国家标准 2007 年才开始发布，现在实施到第二阶段排放清单是进行排放控制的依据和前提，而目前我国非道路移动源排放清单相关研究尚处于起步阶段 张礼俊等8 研究了珠三角地区的非道路移动源排放清单，结果表明非道路移动源已成为该地区第三大 NOx排放源

10、 有研究9 报道了 2008 年全国非道路机械柴油消耗量占全社会柴油消耗量的48.9%，由此能大致判断非道路机械的排放分担率尽管对于我国非道路移动源排放已有少量研究，但2 期李东玲等:我国典型工程机械燃油消耗量及排放清单研究现有研究方法比较单一，尤其对于工程机械，多是从统计年鉴中直接获得油耗量数据并估算排放情况由于工程机械的使用分布在众多行业中，通过年鉴等统计渠道不易获得准确油耗量数据本研究对象为挖掘机和装载机，二者 2007 年保有量 之 和 约 占 主 要 工 程 机 械 的 54%10 借 鉴NONROAD 模型估算非道路移动源排放的思路，本研究收集了两类典型工程机械的保有量构成、活动水

11、平、实际燃油消耗率和排放因子等油耗和排放相关参数，首次提出基于实际燃油消耗率估算工程机械油耗量及污染物排放量的方法，并得到挖掘机和装载机 2007 年的柴油消耗量及 NOx和 PM 的排放量，以期补充和完善我国非道路移动源排放清单开发工作1材料与方法1.1估算方法将挖掘机和装载机分别按照机龄和功率分组，统计和估算每个机龄及功率区间的保有量构成、活动水平、燃油消耗率和排放因子，利用获得的参数计算分机龄及功率区间的燃油消耗量和污染物排放量，最后进行加和 挖掘机和装载机燃油消耗量的估算方法为:C=(Popi，j Poweri，j CFi，j Ai，j)(1)式中，C 为燃油消耗量，g;Pop 为挖掘

12、机或装载机保有量;Power 为发动机功率，kW;CF 为实际燃油消耗率，g (kW h)1;A 为机械年活动水平，h;i，j=1、2、3，代表发动机功率水平类型和机龄类型挖掘机和装载机污染物排放量估算方法为:E=Ci，j(EFf)i，j(2)式中，E 为污染物排放量，g;C 为燃油消耗量，kg;EFf为基于油耗的排放因子，gkg1;i，j=1、2、3，代表发动机功率水平类型和机龄类型本研 究 方 法 参 考 了 美 国 环 保 署 开 发 的NONROAD 模型，该模型用以计算非道路移动源排放清单，最新版本是 NONROAD 2008a，模型的核心计算公式是11:E=Popi，j，k，l P

13、oweri，j，k，l LFi，j，k，lAi，j，k，l(EFadj)i，j，k，l(3)式中，E 为污染物排放量，g;Pop 为非道路移动机械保有量;Power 为发动机功率，kW;LF 为发动机负荷因子，即发动机平均使用功率与额定功率的比值;A 为 年 活 动 水 平，h;EFadj为 综 合 排 放 因 子，g (kW h)1，若计算燃料消耗量，可将综合排放因子替换为综合燃料消耗率;i，j，k，l=1、2、3，分别代表非道路移动机械类型、燃料类型、发动机功率水平类型和机龄类型NONROAD 模型中，对保有量和功率数据的估算考虑了非道路移动发动机销售量、发动机寿命、年活动水平、负荷因子和

14、报废率等因素12 柴油发动机的负荷因子的取值基于 7 类非道路移动发动机典型工况循环实测值11 综合排放因子的计算方法为13:EFadj(NOx)=EFss(NOx)TAF DF(4)EFadj(PM)=EFss(PM)TAF DF SPMadj(5)式中，EFss为 新 发 动 机 稳 态 工 况 下 排 放 因 子，g (kW h)1;TAF 为瞬态工况修正系数;DF 为排放劣化系数;SPMadj为燃料硫含量修正因子 模型中，瞬态工况修正系数受机械种类、污染物种类和排放阶段影响，排放劣化系数受污染物种类、排放阶段、发动机机龄及使用寿命影响，排放劣化系数的计算方法为13:DF=1+D AF(

15、6)式中，D 为劣化因子，AF 为发动机机龄与使用寿命的比值自 1998 年模型草案发布，NONROAD 模型经过多次修正，目前是用以估算非道路移动源排放量的比较成熟的工具 瑞典国家非道路移动源排放清单的计算也采用了与 NONROAD 模型相似的方法6 根据我国实际情况，本研究也借鉴 NONROAD 模型并对其进行修正以计算我国非道路移动源排放，但由于目前我国对非道路移动源排放的研究刚刚起步，模型中部分参数的本地化数据难以获取 对于工程机械，前述公式(3)中的保有量和功率分布可以从年鉴中获得，而本地化的负荷因子、活动水平和排放因子等需要测试或调研的数据国内还鲜有研究本研究调研了我国典型工程机械

16、的实际燃油消耗率和活动水平数据，先估算出燃油消耗量，结合经修正的排放因子数据，得到我国典型工程机械的污染物排放清单 引入实际燃油消耗率这个参数，一方面它表征了发动机负荷因子(负荷因子可以通过实际燃油消耗率和最大燃油消耗率估算11)，可以避免因使用非本土化的负荷因子所引发的误差，另一方面，先估算油耗量，可以通过其验证研究方法的准确性1.2保有量和功率分布估算中使用的工程机械保有量和功率分布数据主要来自于文献 10，14 22，年鉴依照施工部门经915环境科学33 卷验，假定工程机械使用期为 10 a 10 实际使用中，工程机械的存活率应是符合一定概率分布的，但由于缺少相关研究数据，本研究采用了年

17、鉴的假定 对挖掘机和装载机的年销售量按照不同产品型号和吨位划分进行分类统计，认为进出口机械与境内企业销售机械发动机的功率分布一致，获得 1998 2007 年我国对挖掘机和装载机的分功率年新增需求量，即国内市场对这两类工程机械的年新增购买量，年新增需求量=年境内企业销售量+年进口量 年出口量2007 年我国挖掘机和装载机的保有量构成如图1 和图 2 所示，其中纵坐标表示机械的年新增需求量，1998 2007 年的年新增需求量之和为 2007 年保有量2007 年，挖掘机保有量约 39 万台，发动机功率主要分布在 75 130 kW 区间;装载机保有量约 65万台，发动机功率主要集中在92 kW

18、 和162 kW 附近从图1 和图2 可以看出，机械的数量和功率保有量在构成上有所不同，高功率区间机械的功率保有量占总功率保有量的比例要高于其数量保有量占总数量保有量的比例，低功率区间机械与之相反，而污染物排放量受机械功率保有量的影响更为直接图 12007 年我国挖掘机保有量构成Fig 1Excavator inventory of China in 2007图 22007 年我国装载机保有量构成Fig 2Loader inventory of China in 20071.3实际燃油消耗率挖掘机和装载机的动力设备为柴油发动机，机械工作时发动机实际燃油消耗率能通过以下两种方法得到:NONROA

19、D 模型中实际燃油消耗率的估算值可以认为是指定稳态工况下燃油消耗率、瞬态工况修正系数和负荷因子的乘积，模型中采用的稳态工况为 ISO-C1 工况循环13;此外，可以通过调研或测量得到机械实际工作中发动机的燃油消耗量数据，结合工作时间和发动机功率计算得到实际燃油消耗率 本研究采用了后一种方法通过走访调研和收集网络数据，获得配套不同功率发动机的挖掘机和装载机实际工作中平均小时油耗，经比较、筛选和修正的数据如图 3 所示，从中可以看出，即使使用同一功率发动机的同种机械实际工作中燃油消耗率也会有较大差别，这主要与机械工作时承受的负载有关，工作负载越大，发动机克服阻力做功越多，故燃油消耗率也越大 实际燃

20、油消耗率计算方法为:0252 期李东玲等:我国典型工程机械燃油消耗量及排放清单研究CF=(CFh 1 000)/P(7)式中，CF 为实际燃油消耗率，g (kW h)1;CFh为平均小时油耗，L h1;为柴油密度，kg L1，取值0.85;P 为发动机额定功率，kW 计算得到的2 种机械平均实际燃油消耗率见表 1，其中对功率区间的划分参照了 GB 20891-200723 图 3挖掘机和装载机平均小时油耗Fig 3Average per hour fuel consumption of excavators and loaders表 1配套不同功率发动机的工程机械实际燃油消耗率/g (kW h

21、)1Table 1Fuel consumption rates of construction equipmentsin different engine-power classes/g (kW h)1额定净功率(Pmax)/kW挖掘机装载机8Pmax1852.718Pmax3784.452.737Pmax7584.452.775Pmax130108.561.7130Pmax560108.555.41.4年活动水平本研究中机械的年活动水平数据通过实地调研、网络调研和文献调研24，25 得到，挖掘机和装载机年活动水平的平均值分别为1 800 h 和1 100 h，考虑到调研装载机普遍相对较新，而

22、机械使用频率随机龄增大有降低趋势6，故本研究中对装载机年活动水平取值为 950 h1.5排放因子关于工程机械发动机排放因子的相关研究较为少见，尤其是现场排放测量的数据十分缺乏 本研究收集了部分我国非道路常用发动机型26 的台架测试数据，并与 NONROAD 模型中采用的排放因子及GB 20891-2007 中排放限值进行比对分析，选用了排放因子，见表 2，台架测试数据基于发动机做功，需换算为基于油耗的排放因子，换算方法为:EFf=EFw/BSFC 1 000(8)式中，EFf为基于油耗的排放因子，g kg1;EFw为基于发动机做功的排放因子，g (kW h)1;BSFC为指定稳态工况下燃油消耗

23、率，当发动机功率 P 75 kW 时，BSFC=248.4 g (kW h)1;P75 kW时，BSFC=223.4 g (kW h)113 表中所列为新发动机污染物排放因子，根据 NONROAD 模型中的排放因子计算方法，综合排放因子应考虑劣化及工况修正 分析 NONROAD 模型的修正因子，发现劣化及不同工况对 NOx排放影响较小，所以本研究仅对PM 排放因子进行修正，修正方法见公式(5)和公式(6)，公式中 D 和 TAF 参考模型中基础排放阶段取值，分别为 0.473 和 1.2313，未考虑燃料含硫量修正2结果与讨论2.1挖掘机和装载机油耗量和污染物排放量由上述参数计算得到挖掘机和装

24、载机这两类工程机械的柴油消耗量及污染物排放量，见表 3 2007年，挖掘机和装载机共消耗柴油约 1.21 107t，占当年全国各行业柴油总消耗量31 的 9.7%，由于本研究所得工程机械柴油消耗与文献 31中分行业油耗统计数据不能直接对应，故未进行比较 2007年，两类工程机械的 NOx排放总量为 6.81 105t，PM 排放总量为 5.31 104t，当年全国机动车共排放 NOx约5.46 106t，排放 PM 约5.9 105t32，相比较可知工程机械已成为不可忽视的排放贡献源挖掘机和装载机分功率区间的油耗及排放分担情况如图 4 所示 由图 4 可知，油耗及排放贡献量最大的挖掘机配套发动

25、机功率区间为 75 130 kW，该功率区间的发动机主要配套销量最大的 20 22 t 挖掘机;装载机的油耗及排放分布在75 130 kW 和130125环境科学33 卷表 2新发动机稳态工况下 NOx和 PM 排放因子/g (kW h)1Table 2NOxand PM emission factors for zero-hour steady-state diesel engines/g (kW h)1额定净功率(Pmax)/kW污染物台架测试数据EPA Tier 013 非道路 阶段23 本研究采用(括号中单位:g kg1)8Pmax18NOx11.412.91)13.0(523)PM1

26、.211.21(487)18Pmax37NOx9.310.812.0(483)PM1.071.01.07(431)37Pmax75NOx9.027 9.39.212.0(483)PM0.970.850.97(390)75Pmax130NOx10.0628 16.4328 11.29.212.7(568)PM0.4128 0.7528 0.540.70.75(336)NOx10.5429 11.5729 11.29.212.7(568)130Pmax56015.030 PM0.5629 0.4329 0.540.540.56(251)0.4230 1)此处为 HC+NOx的排放限值图 42007

27、 年典型工程机械分功率油耗和排放分担率Fig 4Fuel consumption and pollutant emissioncontribution of typical construction equipments bydifferent engine-power classes in 2007560 kW 功率区间，主要集中在 92 kW 和 162 kW附近，与销量最大的额定载重量 3.0 t 和 5.0 t 装载机配套随着工程机械需求量的持续增长(图 1 和图 2)和机动车排放控制措施的不断加严，工程机械对污染物排放总量的贡献将会日益突出 目前，相对于欧美发达国家，我国对非道路用发

28、动机控制水平比较滞后 美国于 2001 2005 年逐步实施了陆用非道路柴油机第二阶段排放标准，2008 年开始实施第四阶段标准 我国分别于 2007 年和 2009 年开始执行非道路移动机械用柴油机第一和第二阶段排放限值，排放标准还有很大的加严空间 我国在制定更严格的排放标准时，可以借鉴欧美标准的灵活形式，结合技术成熟度和发动机制造商经济承受能力，对不同污染物和不同功率区间的发动机进行分时间梯度的优先控制表 32007 年挖掘机和装载机柴油消耗量及污染物排放量 104/tTable 3Diesel consumption and pollutant emissions ofexcavator

29、s and loaders in 2007 104/t类别油耗量NOx排放量PM 排放量挖掘机74541.93.48装载机46326.21.83共计1 20868.15.312.2不确定性分析本研究基于文献 10统计的年需求量数据进行工程机械保有量估算，由于缺乏存活率相关数据，研究假定工程机械使用期为 10 a，文献 10指出，考虑使用年限超过 10 a 及统计数据不完整等因素，应在需求量之和基础上增加 20%30%作为保有量 此外，工程机械实际使用年限应是符合一定概率分布的，若不考虑统计数据存在的不完整性，假定工程机械的期望寿命(存活率为 50%时的机龄)为 10a，参照 NONROAD 模

30、型的机械存活率曲线33 估算保有量，所得两类工程机械保有量比本研究结果低6%7%燃油消耗率和年活动水平数据来源于走访、文献和网络数据调研 尽管对燃油消耗率的调研数据进行了分析和筛选，但由于数据量有限，可能因数据代表性不足引起不确定性 工程机械年活动水平相差较大，挖掘机年活动水平为1 000 4 000 h，装载机年活动水平为 700 1 700 h，本研究对两类工程机械年活动水平的取值略低于调研数据均值 由于调研数据量有限，一方面年活动水平的均值存在不确定性，另一方面未深入考虑发动机功率和机龄对2252 期李东玲等:我国典型工程机械燃油消耗量及排放清单研究活动水平的影响在选取排放因子时，由于在

31、用工程机械现场排放测试数据十分匮乏，本研究主要使用了非道路常用柴油机机型的台架测试数据 此外，进口工程机械尤其是进口挖掘机中二手设备占有较大比例，本研究未对这部分设备的排放因子做单独考虑3结论(1)2007 年，我国挖掘机和装载机等两类典型工程机械共消耗柴油 1.21 107t，NOx排放量为6.81 105t，PM 排放量为 5.31 104t 与当年机动车 NOx和 PM 排放量(分别约为 5.46 106t 和 5.9105t)相比，工程机械已成为不容忽视的污染物排放源，加严工程机械用发动机排放标准并使其有效实施对减少污染物排放有重要意义(2)从功率分布上看，75 130 kW 和 13

32、0 560kW 的中等功率发动机配套的挖掘机和装载机是油耗及排放的主要贡献源(3)受数据可得性的限制，本研究中工程机械的保有量构成、活动水平、燃油消耗率及排放因子存在一定的不确定性 排放清单是进行污染物排放管理的依据和基础，目前我国非道路移动源排放清单的开发尚处在起步阶段，对工程机械保有情况、活动水平及本地化燃油消耗率和排放因子等因素的研究探讨亟待进行参考文献:1Samarasa Z，Zierock K H Off-road vehicles:a comparison ofemissions with those from road transportJ Science of the Tota

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