我國工程機(jī)械污染排放控制技術(shù)研究

崔煥星，紀(jì) 亮，季寶峰，劉 坤，崔新娟

(1. 濟(jì)南汽車檢測中心有限公司，山東 濟(jì)南 250102；2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3. 濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車污染防治監(jiān)控中心，山東 濟(jì)南 250101)

引言

工程機(jī)械按其用途不同主要分為建筑機(jī)械、筑路機(jī)械、壓實(shí)機(jī)械、叉車等[1]。與機(jī)動(dòng)車不同，工程機(jī)械種類繁多，作業(yè)環(huán)境高溫、高塵、高振動(dòng)，且多處于低速、大負(fù)荷的工作狀態(tài)，柴油機(jī)后處理系統(tǒng)布置空間有限，排氣后處理技術(shù)的開發(fā)、驗(yàn)證周期更長， 難度更大。同時(shí)，因作業(yè)區(qū)域分布散亂，未建立起完善的注冊(cè)登記及報(bào)廢制度，導(dǎo)致我國老舊、高排放工程機(jī)械占比較高，2017年國I階段機(jī)械占比達(dá)15.6%，國 I 前占比更是達(dá)到27.3%。

綜上所述，工程機(jī)械整體污染物排放情況較差，開展工程機(jī)械排放控制技術(shù)研究對(duì)行業(yè)發(fā)展、我國下一階段排放標(biāo)準(zhǔn)的制修訂及加強(qiáng)工程機(jī)械污染物排放的監(jiān)管都具有重要的指導(dǎo)意義。

工程機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)

根據(jù)2017年機(jī)動(dòng)車污染排放監(jiān)控中心的信息公開數(shù)據(jù)，我國主要工程機(jī)械的功率分布及占比如圖1及表1所示。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，除內(nèi)燃叉車外，其他重要類別工程機(jī)械用柴油機(jī)的功率集中在75~560 kW，尤其是130~560 kW功率段的居多。

國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

工程機(jī)械歸屬非道路移動(dòng)機(jī)械，當(dāng)前非道路移動(dòng)機(jī)械的排放控制標(biāo)準(zhǔn)主要有歐盟和美國(EPA)兩大體系，均以柴油機(jī)功率為基礎(chǔ)制定相應(yīng)污染物排放限值，我國標(biāo)準(zhǔn)體系主要參照這兩大體系制定。

歐美排放法規(guī)

目前，歐盟最新的排放控制法規(guī)是Stage V，分別于2019年、2020年對(duì)額定功率56 kW以下、130 kW以上和56~130 kW的柴油機(jī)開始實(shí)施[3]。圖2給出了130~560kW功率段柴油機(jī)的PM(微粒物)和NOx排放限值變化。

相比前幾階段，Stage V新增加了小于19 kW及560 kW以上功率段的排放控制要求，并對(duì)19~560 kW功率段的柴油機(jī)增加了顆粒數(shù)量(PN)的控制要求[4-5]。此外，氨(NH3) 在使用測試循環(huán)下的泄漏平均值應(yīng)低于25 ppm。

表1 我國典型工程機(jī)械功率段占比 %

圖1 我國典型工程機(jī)械功率分布特性

圖2 歐盟排放體系中130~560 kW柴油機(jī)PM和NOx排放限值變化

美國EPA(環(huán)境保護(hù)局)是世界上最先開始對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械污染物排放進(jìn)行控制的部門，目前實(shí)施的是Tier 4 Fina排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。圖3給出了EPA排放法規(guī)中130~560 kW功率段柴油機(jī)的PM和NOx排放限值變化情況。

Tier 4 Final大幅削減了56 kW以上非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的NOx排放限值和19kW以下的PM排放限值，HC的排放控制也更為嚴(yán)格，并要求使用壽命內(nèi)的柴油機(jī)污染物排放均須滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。此外，還規(guī)定了使用SCR后處理的尿素加注間隔，建議在適用測試循環(huán)下的平均NH3泄漏量低于10 ppm。

圖3 EPA排放法規(guī)中130~560 kW柴油機(jī)PM和NOx排放限值變化

我國排放法規(guī)

我國現(xiàn)行《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》(GB 20891—2014)預(yù)告性提出了第四階段的排放限值和適用測試循環(huán)[7]。其中，排放限值與歐盟 Stage IIIA相同，測試循環(huán)與全球法規(guī)統(tǒng)一，分為穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(NRSC， non-road steady-state cycle) 和瞬態(tài)測試循環(huán)(NRTC，nonroadtransient cycle)兩種。

NRSC測試循環(huán)選取了ISO 8178[8]中的C1(8工況，適用于非恒定轉(zhuǎn)速工作的柴油機(jī))、G2(6工況，適用于19 kW以下非恒定轉(zhuǎn)速工作柴油機(jī))、D2(5工況，適用于恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī))。其中，工程機(jī)械主要適用C1測試循環(huán)。NRTC測試循環(huán)由1 238個(gè)逐秒變化的工況點(diǎn)組成，對(duì)工程機(jī)械在作業(yè)時(shí)的加載、卸載、倒拖和怠速等工況進(jìn)行模擬。相比于車用柴油機(jī)的WHTC測試循環(huán)，為使排氣溫度盡快升高，提高后處理轉(zhuǎn)化效率，NRTC測試工況的轉(zhuǎn)速和負(fù)載更高，如圖4所示。

2018年2月22日， 生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)污染物排放控制技術(shù)(征求意見稿)》[9]，標(biāo)志著我國非道路移動(dòng)機(jī)械的污染物排放控制開始向第四階段邁進(jìn)。征求意見稿對(duì)GB20891—2014 第四階段控制要求的主要補(bǔ)充和修訂包括以下幾點(diǎn)。

(1) 參照歐盟2012/46/EU[10]， 補(bǔ)充瞬態(tài)測試循環(huán)(NRTC)測試規(guī)程及測試設(shè)備等具體要求。

(2)參照歐盟Stage V[3]，要求排放控制區(qū)內(nèi)的單點(diǎn)比排放量應(yīng)小于臺(tái)架排放限值的2倍。

(3)裝用37~560 kW柴油機(jī)的機(jī)械應(yīng)加裝壁流式DPF，在適用測試循環(huán)下每千瓦時(shí)的PN 排放不得超過5×1012個(gè)。

圖4 C1及NRTC測試循環(huán)示意

(4)適用測試循環(huán)下的平均NH3泄漏量應(yīng)小于 25 ppm。

(5)增加了柴油機(jī)排放控制策略的驗(yàn)證。

(6)增加了DPF 再生驗(yàn)證。

(7)增加了排氣煙度控制。

(8)裝用37~560 kW柴油機(jī)的機(jī)械應(yīng)在使用壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位(精度為1 m)。

(9)裝用37~560 kW柴油機(jī)的機(jī)械應(yīng)使用PEMS進(jìn)行生產(chǎn)一致性及在用符合性檢查，機(jī)械在實(shí)際作業(yè)下的NOx排放不得超過臺(tái)架排放試驗(yàn)限值的 2.5 倍。

工程機(jī)械排放控制技術(shù)及路線

根據(jù)作用原理，排放控制技術(shù)可分為降低原機(jī)排放與排氣后處理裝置兩類。

降低原機(jī)排放

為避免污染物在后處理裝置失效后不受控制，征求意見稿中提出“柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)最大限度降低柴油機(jī)原機(jī)(后處理裝置前端)的NOx排放，并應(yīng)將原機(jī)排放情況(數(shù)據(jù)) 及測試方法向生態(tài)環(huán)境主管部門報(bào)告” 。

降低原機(jī)排放的措施主要有柴油機(jī)本體優(yōu)化、增壓或增壓中冷、優(yōu)化燃油噴射、使用EGR等[11]。本體優(yōu)化主要是優(yōu)化燃燒室、進(jìn)氣道等與燃燒相關(guān)的零部件，更利于柴油與空氣的混合， 降低PM和THC生成。增壓或增壓中冷主要提高進(jìn)氣密度，降低進(jìn)氣溫度，提高燃燒效率，降低PM排放，抑制NOx生成。通過使用電控燃油系統(tǒng)(EFI)、提高噴油壓力、改變噴油正時(shí)、預(yù)噴射等優(yōu)化燃油噴射，提高燃油霧化率，改善燃燒，降低污染物排放。EGR將排氣中的一部分送回到燃燒室內(nèi)參與燃燒，降低燃燒室內(nèi)的燃燒速度和溫度。

增加排氣后處理裝置

當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)主要有柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化技術(shù)(DOC， diesel oxidation catalyst)、柴油機(jī)顆粒捕集技術(shù)(DPF，diesel particulate filter)、選擇性催化還原技術(shù)(SCR，selective catalyst reduction)三種[14]，其主要功能、使用特點(diǎn)及注意事項(xiàng)如表2所示。

圖4 C1及NRTC測試循環(huán)示意

表2 柴油機(jī)排氣后處理裝置

污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)的每一次修訂必然會(huì)帶來技術(shù)的升級(jí)與進(jìn)步，EPA的Tier 4Interim階段130~560 kW柴油機(jī)所用排放控制技術(shù)占比[16-17]如圖5所示。

由圖5可以看出，合理組合各單項(xiàng)技術(shù)、增加后處理裝置是應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的主要措施[18]。為更好地梳理工程機(jī)械行業(yè)的減排技術(shù)，本文根據(jù)排放控制技術(shù)的特點(diǎn)，通過問卷調(diào)查、企業(yè)走訪、行業(yè)專家研討的方式，從環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)三個(gè)方面構(gòu)建工程機(jī)械污染物排放控制技術(shù)的評(píng)估體系。

由于各評(píng)估指標(biāo)之間的評(píng)估等級(jí)和量綱存在差異，因此本文將對(duì)各評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了量化，在評(píng)估過程中將評(píng)估指標(biāo)分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)兩類，分別使歸一化法和等級(jí)賦值法對(duì)其進(jìn)行量化，如表3所示。

匯總國內(nèi)外柴油機(jī)及機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)、科研院所的打分結(jié)果，得到為滿足我國第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)的控制要求，工程機(jī)械各功率段可選用技術(shù)路線的評(píng)估情況如表4所示。

圖5 EPA Tier 4 Interim階段130~560 kW柴油機(jī)所用排放控制技術(shù)占比

表3 指標(biāo)等級(jí)與量化方法

表4 工程機(jī)械滿足我國四階段的可用技術(shù)路線

結(jié)論

當(dāng)前，我國工程機(jī)械污染物排放問題備受重視，從國家到地方紛紛通過劃定低排放控制區(qū)等措施加強(qiáng)對(duì)高排放工程機(jī)械的管控。工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到排放控制技術(shù)升級(jí)的緊迫性。

(1)我國最新發(fā)布的工程機(jī)械污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)第四階段相當(dāng)于歐盟的Stage IV、美國的Tier 4過渡期，排放限值相對(duì)寬松。鑒于我國大氣污染防治的嚴(yán)峻形勢，第五階段排放標(biāo)準(zhǔn)的制修訂已被提上日程。

(2)僅憑單項(xiàng)排放控制技術(shù)已難以滿足日益嚴(yán)格的排放限值要求，分功率段合理組合各項(xiàng)技術(shù)將是主流趨勢。鑒于技術(shù)升級(jí)的成本及研發(fā)的連續(xù)性，當(dāng)前對(duì)大功率工程機(jī)械適宜選用“電控燃油系統(tǒng)+DOC+DPF+SCR”路線，但對(duì)于小功率機(jī)械，因成本掣肘，適宜選用“ 電控燃油系統(tǒng)+EGR+DOC+DPF”路線過渡。

(3)除排放控制技術(shù)升級(jí)外，燃油、機(jī)油、尿素品質(zhì)及用戶的使用習(xí)慣等也是影響排放的重要因素。工程機(jī)械作業(yè)環(huán)境惡劣、用戶維護(hù)意識(shí)相對(duì)較低、追求利潤等因素加速了排放關(guān)鍵零部件的劣化及故障發(fā)生，故進(jìn)一步加強(qiáng)油品及尿素質(zhì)量監(jiān)管、完善尿素加注基礎(chǔ)設(shè)施、提升用戶環(huán)保認(rèn)知度也是工程機(jī)械減排的關(guān)鍵。