我國非道路移動(dòng)源排放清單估算及技術(shù)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(huán)境科學(xué)研究院/國家環(huán)境保護(hù)機(jī)動(dòng)車污染控制與模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

移動(dòng)污染源已成為大氣污染排放的重要來源[1]。移動(dòng)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(jī)動(dòng)車輛污染排放源；非道路源是相對(duì)于道路源的污染源，主要指各類在道路外應(yīng)用的作業(yè)機(jī)械的污染排放源。在我國頒布的?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(cè)量方法(中國第三、四階段)?(GB 20891—2014)[2]中對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械定義為:用于非道路的移動(dòng)機(jī)械，即(1)自驅(qū)動(dòng)或具有雙重功能，既能自驅(qū)動(dòng)又能進(jìn)行其功能操作的機(jī)械；(2)不能自驅(qū)動(dòng)，但被設(shè)計(jì)為能夠從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方的機(jī)械。我國非道路移動(dòng)機(jī)械按照用途主要包括工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶、機(jī)車、航空器、戶外動(dòng)力設(shè)備，以及草坪和園藝設(shè)備等移動(dòng)機(jī)械。目前，我國對(duì)道路移動(dòng)源的排放已經(jīng)建立了相對(duì)完善的監(jiān)管體系，但對(duì)非道路移動(dòng)源排放長期以來缺乏有效的監(jiān)督管理[3]。

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

1 我國非道路移動(dòng)源排放估算方法

1.1 非道路移動(dòng)機(jī)械

非道路移動(dòng)機(jī)械包括工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型通用機(jī)械、柴油發(fā)電機(jī)組等。本次清單是根據(jù)不同的類別、功率段、排放階段的非道路移動(dòng)機(jī)械保有量及活動(dòng)水平計(jì)算得出的，具體公式如下:

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

1.2 鐵路內(nèi)燃機(jī)車

對(duì)于鐵路內(nèi)燃機(jī)車排放量，基于燃料消耗量計(jì)算，具體公式如下:

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

1.3 內(nèi)河、沿海船舶

對(duì)于內(nèi)河、沿海船舶排放量，基于燃料消耗量計(jì)算，具體公式如下:

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

1.4 民航飛機(jī)

對(duì)于民航飛機(jī)排放量，基于飛機(jī)起降次數(shù)(LTO)計(jì)算，具體公式如下:

式中:E為民航飛機(jī)污染物排放量(噸)；CLTO為民航飛機(jī)起飛著陸循環(huán)次數(shù)(次)；EF為民航飛機(jī)起飛著陸循環(huán)時(shí)的排放因子(千克/LTO)。

1.5 保有量和活動(dòng)水平調(diào)查

本文中，工程機(jī)械保有量采用了?中國工程機(jī)械工業(yè)年鑒?數(shù)據(jù)[5]，農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量采用?中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒?數(shù)據(jù)[6]，鐵路內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗量根據(jù)客貨周轉(zhuǎn)量、貨運(yùn)日產(chǎn)量、貨運(yùn)鐵路內(nèi)燃機(jī)車油耗計(jì)算獲得，客運(yùn)周轉(zhuǎn)量、貨運(yùn)日產(chǎn)量、貨運(yùn)鐵路內(nèi)燃機(jī)車油耗系數(shù)采用?中國交通運(yùn)輸年鑒?數(shù)據(jù)[7]。內(nèi)河、沿海船舶燃油消耗量采用交通運(yùn)輸部門數(shù)據(jù)，并通過客貨周轉(zhuǎn)量計(jì)算獲得，客貨周轉(zhuǎn)量采用?中國交通運(yùn)輸年鑒?數(shù)據(jù)[7]。民航飛機(jī)起飛著陸循環(huán)次數(shù)基于起降架次獲得，一次起飛著陸循環(huán)等于兩個(gè)起降架次，起降架次從民用航空管理部門發(fā)布的?民航機(jī)場生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)公報(bào)?[8]中獲取。其他未調(diào)查獲取的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放系數(shù)采用了生態(tài)環(huán)境部在?非道路移動(dòng)源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南?(試行)[9]中推薦的數(shù)據(jù)。

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?！钡昝囊苹ń幽静粌H有知名度，而且還非常貼合我們對(duì)班級(jí)商店的定位——非典型性商店，既賣商品、又賣創(chuàng)意，既是雜貨店，又能幫同學(xué)們排憂解難。一石二鳥，不可謂不妙！其次，對(duì)店員的介紹，自黑中透露著自信，詼諧幽默又一本正經(jīng)，不但說明了各位店員的職責(zé)，也瞬間拉近了店員與同學(xué)之間的距離。這張紙條在一定程度上凸顯出他們的創(chuàng)造力和凝聚力，讓我相信他們是一個(gè)有想法有創(chuàng)意、關(guān)系和諧融洽的團(tuán)隊(duì)。

2 我國非道路移動(dòng)源排放量測(cè)算

2.1 我國主要非道路移動(dòng)機(jī)械保有量變化趨勢(shì)分析

從2010 年到2017 年，我國各主要非道路移動(dòng)機(jī)械門類的保有量如表1 所示:工程機(jī)械保有量由430.0 萬臺(tái)增加到720.0 萬臺(tái)，年均增長8.5%；農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油總動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)械保有量及活動(dòng)水平狀況

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

圖1 按類型劃分工程機(jī)械保有量占比

圖2 按排放階段劃分工程機(jī)械保有量占比

在2017 年全國農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油總動(dòng)力中，包括大中型拖拉機(jī)總動(dòng)力21583.5 萬千瓦、小型拖拉機(jī)16036.5 萬千瓦、聯(lián)合收割機(jī)10356.6 千瓦、

柴油排灌機(jī)械6843.7 萬千瓦、漁船1838.3 萬千瓦、其他機(jī)械20117.7 萬千瓦。按排放等級(jí)劃分，包括國Ⅰ前標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械11784.7 萬千瓦、國Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械13867.1 萬千瓦、國Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械45792.3 萬千瓦、國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械5332.2 萬千瓦。按類型和排放階段劃分的農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量占比分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 按類型劃分農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量占比

圖4 按排放階段劃分農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量占比

2.2 2017 年我國主要非道路移動(dòng)機(jī)械排放狀況

2017 年，以上調(diào)查得到的主要非道路移動(dòng)機(jī)械共排放碳?xì)浠衔?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(jī)械排放碳?xì)浠衔?、氮氧化物、顆粒物分別為30.5 萬噸、197.1 萬噸、12.9 萬噸；農(nóng)業(yè)機(jī)械排放碳?xì)浠衔?、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?xì)浠衔铩⒌趸?、顆粒物分別為7.9 萬噸、134.6 萬噸、13.1 萬噸；鐵路內(nèi)燃機(jī)車排放碳?xì)浠衔?、氮氧化物、顆粒物分別為1.0 萬噸、17.1 萬噸、0.6 萬噸；飛機(jī)排放碳?xì)浠衔铩⒌趸?、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(dòng)源排放構(gòu)成如圖5 所示。

圖5 2017 年我國主要門類非道路移動(dòng)機(jī)械排放占比

在2017 年工程機(jī)械排放的各類污染物中，碳?xì)浠衔锓謸?dān)率為:裝載機(jī)43.3%、挖掘機(jī)30.6%、叉車21.2%；氮氧化物分擔(dān)率為:裝載機(jī)45.1%、挖掘機(jī)31.0%、叉車19.1%；顆粒物分擔(dān)率為:裝載機(jī) 38.3%、挖掘機(jī) 33.0%、叉車23.8%。裝載機(jī)、挖掘機(jī)、叉車所占比重較大。在農(nóng)業(yè)機(jī)械排放量分擔(dān)率中，大中型拖拉機(jī)、小型拖拉機(jī)所占比重較大，其中碳?xì)浠衔锓謸?dān)率為:大中型拖拉機(jī)33.7%、小型拖拉機(jī)25.9%；氮氧化物分擔(dān)率為:大中型拖拉機(jī)34.6%、小型拖拉機(jī)25.4%；顆粒物分擔(dān)率為:大中型拖拉機(jī)35.5%、小型拖拉機(jī)25.6%。

3 非道路移動(dòng)機(jī)械減排情景模擬

上述研究表明，工程機(jī)械排放量在非道路移動(dòng)源中排放占比較大。本節(jié)主要以工程機(jī)械為例，重點(diǎn)研究標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)和尾氣治理即加裝顆粒物捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)對(duì)工程機(jī)械排放的影響。

3.1 提前實(shí)施國Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)減排潛力分析

根據(jù)?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(cè)量方法(中國第三、四階段)?(GB 20891—2014)中標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施要求，第四階段標(biāo)準(zhǔn)于2020 年1 月1 日起正式實(shí)施。上述標(biāo)準(zhǔn)中各排放階段污染物排放限值對(duì)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(shí)行國Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)情景下，2019 年工程機(jī)械保有量預(yù)估為742.4 萬臺(tái)，其中國Ⅰ前排放標(biāo)準(zhǔn)的工程機(jī)械為151.4 萬臺(tái)，國Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)的工程機(jī)械為97.7 萬臺(tái)，國Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)的工程機(jī)械為259.2 萬臺(tái)，國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的工程機(jī)械為162.6 萬臺(tái)，國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的工程機(jī)械為71.4 萬臺(tái)。

利用?非道路移動(dòng)源排放清單編制技術(shù)指南?中提供的國Ⅳ階段非道路移動(dòng)機(jī)械排放因子，研究測(cè)算得到2019 年工程機(jī)械正常狀況下各污染物排放量及2017 年提前實(shí)行國Ⅳ階段情況下各污染物排放量對(duì)比，如圖6 所示。

圖6 正常實(shí)施與提前實(shí)施國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)工程機(jī)械排放量對(duì)比(2019 年)

研究表明，提前實(shí)行國Ⅳ階段的工程機(jī)械碳?xì)浠衔锟偱欧帕勘日?shí)行國Ⅳ階段下降4.0%，減排1.34 萬噸；提前實(shí)行國Ⅳ階段的工程機(jī)械氮氧化物總排放量比正常實(shí)行國Ⅳ階段下降0.8%，減排1.51 萬噸；提前實(shí)行國Ⅳ階段的工程機(jī)械顆粒物總排放量比正常實(shí)行國Ⅳ階段下降4.4%，減排0.59 萬噸。按機(jī)械類型劃分的各污染物減排量見表2。測(cè)算表明，相比于正常實(shí)行國Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)，提前實(shí)行國Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程機(jī)械減排效果較為明顯，尤其是挖掘機(jī)、裝載機(jī)與叉車減排效果較為顯著。

表2 按機(jī)械類型劃分的工程機(jī)械減排量 單位/噸

3.2 國Ⅰ、國Ⅱ非道路移動(dòng)機(jī)械加裝DPF 減排潛力分析

根據(jù)作者前期在部分地市對(duì)國Ⅰ前～國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的非道路移動(dòng)機(jī)械排放水平測(cè)試以及改造的可行性研究，國Ⅰ、國Ⅱ排放階段的工程機(jī)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(jī)械占50%左右。因此，本文假設(shè)全國50%的國Ⅰ、國Ⅱ工程機(jī)械均進(jìn)行改造。在此情景下，2019 年工程機(jī)械改造總量為178.4 萬臺(tái)，其中包括挖掘機(jī)49.2 萬臺(tái)、推土機(jī)2.2 萬臺(tái)、裝載機(jī)51.1 萬臺(tái)、叉車70.0 萬臺(tái)、壓路機(jī)4.0 萬臺(tái)、攤鋪機(jī)0.8 萬臺(tái)、平地機(jī)1.1 萬臺(tái)。

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

圖7 正常情況與情景模擬下各類工程機(jī)械PM 排放量對(duì)比

表3 按機(jī)械類型劃分的工程機(jī)械減排量 單位/噸

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

4 結(jié)論

(1)2010—2017 年我國工程機(jī)械保有量和飛機(jī)起降次數(shù)增加較快，年均增長率在8.5%～9.2%之間；農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油總動(dòng)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(dòng)源碳?xì)浠衔锱欧?7.9 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(dòng)源保有量持續(xù)增長的情況下，提前實(shí)行國Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)可減少工程機(jī)械各種污染物排放0.8%～4.4%左右，國Ⅰ、國Ⅱ工程機(jī)械加裝DPF 后顆粒物減排可達(dá)20%左右，挖掘機(jī)、裝載機(jī)與叉車減排效果明顯。