杭州市“十二五”机动车NOx减排对策研究

李新兴,孙国金,田伟利,张清宇* (.浙江大学环境与资源学院,浙江 杭州 0058；.浙江大学化学工程系,浙江 杭州 0058；.杭州合一环境科技有限公司,浙江 杭州 0058)

氮氧化物(NOx)是大气环境中的主要污染物之一,在大气中通过复杂的化学反应引起光化学烟雾和灰霾,损害人体的呼吸系统,导致暴露人群慢性气管炎、支气管炎、呼吸困难的发病率增加,肺功能降低[1-3],NOx也会引起酸雨、臭氧和水体富营养化等问题[4].由 NOx排放引发的环境问题已给人体健康和生态环境构成巨大威胁[5].因此,“十二五”期间我国将 NOx列为污染物总量控制的约束性指标.在世界范围内,交通运输已成为NOx排放的主要来源,占人为排放源的37%,而在墨西哥的大城市中这一比例高达82%,主要为道路机动车的排放[6].我国的北京[7]、上海[8-9]、广州[10]大气中40%的NOx来自机动车排放[11].2009年,全国机动车NOx排放量为583.3万t,约占全国NOx总排放量的24.3%[12].机动车主要从淘汰高排放车辆[13]、改善车用油品质量[14]和积极发展新能源汽车[15-16]方面开展NOx减排工作,此外加强对在用车的管理,如区域机动车限行[17]和执行严格的机动车排放标准[18],也可有效减少机动车NOx的排放.近年来我国机动车保有量急剧增加,2009年达到1.68亿辆[19],是2004年的1.6倍,机动车NOx排放量在城市整体中又占有相当的比例且呈逐年上升的趋势,故开展机动车NOx减排工作的研究,对“十二五”NOx减排工作有着十分重要的意义.

本文以杭州市主城区为例,通过调研和模拟,建立了杭州市机动车 NOx排放清单,根据机动车增长趋势预测了“十二五”期间机动车的增量,计算了新增机动车的NOx排放量,并将“十二五”期间机动车NOx排放情况分为3个情景,探讨了不同的情景下机动车NOx的排放情况和减排效果.

1 2010年杭州市机动车NOx排放清单的建立

国际上通用的大气污染物排放清单的计算公式为:排放清单=活动水平×污染物的排放系数.本研究中机动车污染物排放清单的计算公式如下:

式中:EF为机动车排放量,t/a;Ai为i型车的数量,辆;EFs,i为i型车的启动排放因子,g/次;EFr,i为i型车的运行排放因子,g/km;VKTi为i型车的年均行驶里程,km.

2010年杭州市主城区机动车保有量达到69.02万辆,轻型客车、出租车、公交车、轻型货车和重型货车的保有量依次为582841,8048,22143,47169,30062辆.

1.1 不同车型机动车排放因子的计算

国际机动车排放模型(IVE)是由加州大学河边分校(UCR)和国际可持续发展研究中心(ISSRC)专为发展中国家机动车污染控制工作开发的机动车排放模型,利用IVE模型建立机动车污染物排放清单在国内已有成功实例.其计算原理是利用模型内嵌的基本排放因子乘以一系列修正系数在于目标区域内的车辆技术组成相结合,最终得到研究区域的机动车排放因子.但是该模型中采用的基本排放因子不能够真实反应我国的机动车污染排放情况[21-22],而且模型中关于车型的分类较为复杂,部分不适用于我国.因此,本课题组利用 IVE模型的内核开发了一套比较适合我国机动车排放情况的模型——鸿环机动车排放分析系统,经测试模型模拟值准确度较高.

选择杭州市典型道路经过调研和测试获得模型所需的参数,计算得出不同车型的启动和运行排放因子如图1所示.

图1 2010年杭州市不同车型机动车NOx启动和运行排放因子Fig.1 Start-up and running emission factors of NOx for Hangzhou vehicles in 2010

1.2 车辆启动次数和年均行驶里程

考虑到杭州市的发展情况和居民的出行规律,通过调研并结合本课题组以前的研究得出杭州市不同车型的日均启动次数和年均行驶里程如图2所示[23-24]:

图2 杭州市不同车型的日均启动次数和年均行驶里程Fig.2 Vehicle annual mileage and daily start-ups for Hangzhou vehicles

1.3 机动车NOx排放清单的建立

利用式(1)计算得出 2010年杭州市机动车NOx排放量为4.43万t/a,各车型NOx排放量和所占的比例如图3所示,重型货车占34.1%,是NOx排放的主要来源.

图3 2010年杭州市各类机动车NOx排放状况Fig.3 Emission inventory of NOx from motor vehicles in Hangzhou in 2010

2 “十二五”期间NOx排放量预测

2004～2010年间,杭州市机动车保有量增长较快,由2004年的30.2万辆(其中主城区22.9万辆)增加到2010年的125.3万辆(其中主城区69万辆),年均增长率达到26.74%[25]. 图4为杭州市2004～2010年不同类型车辆的保有量增长情况.

图4 2004～2010年杭州市机动车保有量Fig.4 Vehicle population of Hangzhou in 2004～2010

2.1 “十二五”期间NOx新增量测算

2.1.1 “十二五”期间机动车新增量预测 由图4可见,杭州市机动车保有量呈指数型增长趋势,不同类型的机动车保有量也呈现指数型增长趋势,故在 2004～2010年的基础上采用指数回归的方法预测2015年杭州市机动车保有量.如下:

式中:Y是2015年机动车保有量,辆;x为年份;a, b为回归系数.

通过对不同类型的车辆建立指数回归方程,预测得出2015年杭州市主城区机动车保有量将达到91万辆,新增机动车22万辆,不同类型车辆增长情况如表1所示.

表1 “十二五”杭州市机动车新增保有量情况Table 1 Increased vehicle number of Hangzhou in 2011～2015

2.1.2 “十二五”期间NOx新增量的确定 2011年7月1日起杭州市开始执行国Ⅳ机动车排放标准[26],同时考虑到我国执行国Ⅴ排放标准的不确定性,因此新增车辆均参照国Ⅳ排放标准下的排放因子[27]计算NOx排放量.利用式(1)计算得出新增车辆的NOx排放量,由图5可以看出,“十二五”期间新增NOx排放量为1968.6t,重型货车是新增NOx排放的主要来源,占60.6% .

图5 “十二五”杭州市机动车NOx新增排放量Fig.5 Predicted vehicular NOx emission increment of Hangzhou in 2011～2015

2.2 “十二五”期间NOx减排潜力测算

2.2.1 机动车淘汰工程 根据杭州市环境保护局《关于将国Ⅰ排放标准柴油车纳入黄色环保检验合格标志管理的通告》,自2011年11月1日起将国Ⅰ排放标准柴油车纳入“黄标车”管理;同时杭州市计划将 2300辆国Ⅱ标准公交车在“十二五”期间淘汰,并增加混合动力公交车的比例.根据“十二五”期间机动车淘汰的数量,利用公式(3)计算淘汰车辆的NOx排放量:

式中:R机动车淘汰为淘汰机动车的NOx削减量,t/a; Bi为“十二五”期间淘汰该类型机动车的数量,辆;EFi淘汰车辆的NOx综合排放因子,g/km;VKTi为淘汰车辆的年均行驶里程.

计算得出淘汰杭州市“黄标车”可减少NOx排放 0.47万 t,淘汰国Ⅱ标准公交车可减少 NOx排放0.15万t.

2.2.2 油品替代工程 杭州市已于2011年执行Ⅳ四机动车排放标准,但我国机动车油品执行的是国Ⅲ标准,国Ⅳ标准汽车燃用国Ⅳ标准油与燃用国Ⅲ标准油相比可减少NOx排放.根据《“十二五”主要污染物总量控制规划编制技术指南(征求意见稿)》,“十二五”期间将在污染较为严重的区域先供应国Ⅳ标准油品.根据油品质量由国Ⅲ提高到国Ⅳ标准机动车 NOx排放系数的差值计算NOx削减量.

式中: R机动车油品替代为机动车油品质量由国Ⅲ标准提高到国Ⅳ标准 NOx的削减量,t/a;Ci,j该类型机动车中供应国Ⅳ油品的机动车数量,辆;ΔFi,j供应国Ⅳ油品的机动车与供应国Ⅲ油品的机动车相比,NOx排污系数的差值, kg/(年×辆).

计算得出杭州市“十二五”期间实施油品替代工程可减少NOx排放,0.126万t.

2.2.3 增加混合动力公交车 混合动力公交车与传统公交车相比可减少NOx排放[28],杭州市近几年也在大力发展混合动力公交车,因此“十二五”期间通过增加混合动力公交车的比例有助于削减NOx排放.

式中:R混合动力公交车为混合动力公交车替换传统公交车 NOx削减量,t/a; Di为混合动力公交车的数量,辆;△EFi为混合动力公交车与传统公交车相比NOx排放因子的差值,g/km; VKTi为混合动力公交车的年均行驶里程,km.

通过计算得出,杭州市“十二五”期间新增公交车中50%的比例为混合动力公交车可减少NOx排放 400t,全部改为混合动力公交车可减少NOx排放800t.

2.2.4 积极发展新能源汽车 2009年初,我国启动了“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广应用工程,计划用 3a左右的时间,全国每年发展10个城市,每个城市都推出 1000辆新能源汽车开展示范运行,目前试点城市已发展到25个[29].杭州市也积极发展新能源汽车,2012年新能源汽车示范运行数量将达3000辆,“十二五”期间杭州市新能源汽车产业年均增长率超过100%,成为新能源汽车发展的重要基地[30].

可见,“十二五”期间杭州市积极发展新能源汽车、提高新能源汽车的市场占有率可以减少NOx排放,新能源汽车的市场占有率越大,NOx的减排潜力越大.

3 “十二五”期间NOx减排情景分析

根据 NOx排放量的测算情况,结合杭州市发展现状,设计“现行管理、改善方案、强化方案”3个“十二五”期间杭州市NOx减排情景[31],分析NOx的减排效果.“现行管理”情景主要考虑执行国家机动车管理政策机动车NOx排放情况,“改善方案”情景在“现行管理”的基础上考虑机动车淘汰和油品替代方案下机动车 NOx减排效果,“强化方案”是在“改善方案”方案的基础上增加混合动力车和新能源车的比例下机动车NOx进一步的减排效果.不同情景下NOx的减排量和削减率如表2所示.

由表2可以看出,“十二五”期间杭州市,如果按照“现行管理”方案,执行国家关于机动车管理的有关政策NOx排放量将会增加0.196万t;若执行“改善方案”可减少NOx排放0.746万t,削减率达16.84%,其中机动车淘汰工程和油品替代工程可分别减少NOx排放0.62万t和0.126万t,削减率分别为16.84%和2.84%;若执行“强化管理”方案,在“改善方案”的基础上,大力发展混合动力公交车,积极发展新能源汽车,可以增加 NOx的减排潜力,新能源汽车的市场占有率越大,NOx的减排潜力越大.“十二五”期间杭州市执行“改善方案”——机动车淘汰工程和油品替代工程可以达到相应的NOx减排 10%的目标.但是由于机动车排放的污染物种类较多,且各污染物之间有特定的联系,因此减少机动车 NOx的排放还要综合考虑,制定出一套科学、合理的减排对策.

表2 杭州市“十二五”期间机动车NOx减排情景分析Table2 Summary scenario analysis results of vehicular NOx emission abatement in Hangzhou

4 结论

4.1 基于模型建立了杭州市机动车NOx的排放清单,结果表明2010年杭州市主城区机动车NOx排放量为4.43万 t,其中重型货车所排放的NOx比例最高,达34.1%,是重点控制的对象.

4.2 2004～2010年杭州市机动车保有量年均增长率为26.74%,根据保有量增长趋势预测得出杭州市2015年杭州市主城区机动车保有量将达到91万辆,增加22万辆,“十二五”期间新增NOx排放量0.197万t,其中重型货车占60.6%.

4.3 通过对“现行管理”“改善方案”“强化方案”进行情景分析得出,执行“改善管理”方案——机动车淘汰工程和油品替代工程可减少NOx减排0.746万t,削减率为16.84%.

4.4 执行“强化方案”,增加混合动力公交车的比例,积极发展新能源汽车提高其市场占有率,可增加NOx减排潜力.

4.5 “十二五”期间杭州市执行机动车淘汰工程、油品替代工程方案可完成 NOx减排 10%的减排目标.

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