徐曉敏, 嚴雨琪
(上海電機學(xué)院商學(xué)院,上海 201306)
20世紀以來,歐美等發(fā)達國家一直致力于車用汽油的開發(fā)和利用,車用汽油也由早期的無鉛汽油發(fā)展為現(xiàn)在成熟的清潔汽油。這些國家在車用汽油的標準制定、標準實施、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用、國家政策激勵等方面積累了豐富的經(jīng)驗,為其他國家在車用汽油清潔化方面提供了較好的借鑒。在汽車尾氣排放中含有十幾種化合物,如氮氧化物、一氧化碳、顆粒物(Particulate Matter,PM)、碳氫化合物、二氧化碳、硫化物、金屬化合物、有機化合物等[2-6]。研究結(jié)果表明,汽車尾氣對PM的貢獻率高達10%~30%,其中,細顆粒物(PM2.5)是引起我國大氣污染頻發(fā)的關(guān)鍵因素[7-10],給人們的健康和日常生活帶來了嚴重影響[11]。目前,我國正在不斷探索和提高車用汽油質(zhì)量標準,已對其進行了5次修訂。《GB 17930—1999車用無鉛汽油》是我國第一套符合歐洲大氣污染物排放總量體系的標準,已于2000年在全國推行。同時,我國借鑒其他發(fā)達國家的經(jīng)驗和做法,先后4次對以上標準進行了修訂。我國現(xiàn)行的車用汽油質(zhì)量標準是Ⅵa 標準,國Ⅵb 標準將于2023 年開始實施[12]。
車用汽油,是一種由多種化學(xué)成分組合而成的混合液體燃料,不同的參數(shù)和指標是影響其品質(zhì)的主要因素。其中,重要的參數(shù)指標有辛烷值、硫含量、苯含量、烯烴含量、芳烴含量和密度[13-16]。辛烷值是一項表征車用汽油品質(zhì)的重要指標,就汽車工業(yè)的發(fā)展而言,辛烷值較高的車用汽油性能更好,根據(jù)我國車用汽油國家標準,汽油按辛烷值分為89、92和95號。硫含量、苯含量、芳烴含量、烯烴含量、蒸餾性能等化學(xué)參數(shù)會影響汽車尾氣污染的程度,因此,各國對所使用車用汽油中的以上參數(shù)進行了限制[17]。目前,我國現(xiàn)有車用汽油中的硫和烯烴含量與發(fā)達國家相比有較大差距[18]。
本文從上述研究成果出發(fā),收集了大量的相關(guān)數(shù)據(jù),對車用汽油品質(zhì)的影響因素進行定量研究,以便找到可改善之處。
使用質(zhì)量分析工具和方法對車用汽油的品質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析,以便找到?jīng)Q定其品質(zhì)的關(guān)鍵成分。
影響車用汽油品質(zhì)的因素有很多,包括參數(shù)控制、材料、質(zhì)量標準和生產(chǎn)加工[19-21],其分析結(jié)果如圖1所示。
圖1 影響車用汽油品質(zhì)的因果圖
對其進行要因確認的結(jié)果見表1。
碳排放強度控制方面?!笆濉逼陂g單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放累計下降20%,超額完成“十二五”規(guī)劃確定的目標任務(wù)(17%);2016年中國碳排放強度下降6.6%,[注]國家發(fā)展和改革委員會,《中國應(yīng)對氣候變化的政策與行動2017年度報告》,2017年10月,www.ndrc.gov.cn/gzdt/201710/t20171031_866090.html,2018年8月30日。 實現(xiàn)“十三五”碳排放強度下降目標的進展態(tài)勢向好,有望超額完成2020年溫室氣體排放控制目標。
表1 要因確認表
辛烷值是衡量車用汽油品質(zhì)的一項重要指標,其數(shù)值取決于車用汽油內(nèi)各種化學(xué)物質(zhì)的成分比例。車用汽油在質(zhì)量標準中最重要的是抗爆性能,車用汽油的牌號就是根據(jù)其耐腐蝕和防燃性能的強弱(辛烷值高低)進行劃分的。因此,辛烷值的高低可以直接反映出車用汽油品質(zhì)的好壞。
車用汽油的組成成分和質(zhì)量標準見表2。
表2 影響車用汽油品質(zhì)的主要參數(shù)
2.1.1 鉛含量、錳含量、硫含量 含鉛汽油對人類生活環(huán)境和自身健康非常有害,自2000年以來,我國車用汽油含鉛量標準一直保持在5 mg·L-1以下,對辛烷值影響不大。含錳添加劑是車用汽油成分中錳含量的絕大部分來源,雖然含錳添加劑的使用可以在一定程度上增大車用汽油的辛烷值,緩解汽油對空氣污染和人體健康造成的危害,但同時,它也會損壞汽車本身和發(fā)動機,所以我國控制車用汽油錳含量的標準為2 mg·L-1以下,可以忽略不計。鉛含量和錳含量的標準一直比較穩(wěn)定,對車用汽油的質(zhì)量影響不大。
有效降低硫含量是發(fā)展車用汽油清潔化的重點,我國也在不斷探索降低硫含量的方法,目前,我國降低硫含量主要采用加氫脫硫技術(shù)。我國現(xiàn)階段實施的國Ⅵa 標準,硫含量標準為10 mg·kg-1以下,與上一階段的國Ⅴ和下一階段的國Ⅵb 標準相同。降低硫含量標準任重道遠,這里分析的意義很小,因此,本文未將其列為關(guān)鍵因素之一。
2.1.2 蒸氣壓、餾程和密度 我國車用汽油蒸氣壓和餾程趨于合理化,基本保持不變;密度指標是2013 年制定國家標準時首次發(fā)布的,進一步為車用汽油經(jīng)濟性、穩(wěn)定性提供保障。以上參數(shù)均不是影響車用汽油辛烷值的關(guān)鍵因素。
2.1.3 苯含量、芳烴含量、烯烴含量和氧含量 車用汽油中的所有苯、芳烴和烯烴含量是直接影響辛烷值的重要成分。含苯物質(zhì)是世界公認的致癌物;芳烴燃燒產(chǎn)生的碳氫化合物和氮氧化物等有害氣體,會加劇空氣污染問題;烯烴的燃燒也會增加有毒物質(zhì)的排放。隨著我國車用汽油中苯、芳烴和烯烴含量的逐步減少,將繼續(xù)推進“高芳烴、低烯烴”的車用汽油質(zhì)量指導(dǎo)體系建設(shè)。
我國于2006 年發(fā)布國Ⅲ標準時,對車用汽油氧含量設(shè)定了限制,但相比其他發(fā)達國家,仍較為滯后。氧含量是提高辛烷值的因素之一,同時氧含量的高低直接影響汽車本身,如發(fā)動機性能等,因此限制氧含量十分重要。
綜上所述,苯、芳烴、烯烴和氧的含量與辛烷值之間的相關(guān)性是表征車用汽油質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
將苯、芳烴、烯烴和氧的含量作為自變量,辛烷值作為因變量,通過多元線性回歸法對其進行研究,以期找到自變量與因變量之間的關(guān)系。
采用SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件,對2020 年10 月—2021年4月期間,某煉廠“92號車用汽油(VIA)”產(chǎn)品的主要質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分析。SPSS 19.0 輸出的多元線性回歸結(jié)果見表3~表5。
表3 模型主要統(tǒng)計量
表4 模型方差分析表
表5 模型參數(shù)的估計與檢驗
采用Minitab 19.0 統(tǒng)計軟件,得到多元線性回歸方程:
式中:x1為苯含量;x2為芳烴含量;x3為烯烴含量;x4為氧含量作為自變量;y為辛烷值作為因變量。
多元線性回歸中的估計標準誤差se=0.037 2,表示根據(jù)所建立的多元回歸方程當用4 個自變量來預(yù)測辛烷值時,平均預(yù)測誤差為0.037 2個單位。
檢驗線性關(guān)系提出如下假設(shè):原假設(shè)H0:β1=β2=β3=β4=0;備擇假設(shè)H1:β1、β2、β3、β4至少有1個不等于0。
由表4 可得F=81.668,顯著性水平接近0,拒絕原假設(shè)H0,表明線性關(guān)系顯著。
檢驗回歸系數(shù)提出如下假設(shè)。對于任意參數(shù)βi(i=1,2,3,4),有:原假設(shè)H0:βi=0;備擇假設(shè)H1:βi≠0。
由表5 可知,β1、β4所對應(yīng)的顯著性水平小于0.05;β2、β3所對應(yīng)的顯著性水平大于0.05,這表明在這4個自變量中,x1、x4影響顯著,x2、x3不顯著。
辛烷值的殘差如圖2所示。
圖2 辛烷值殘差圖
此處需要考慮這4 個自變量之間是否存在高度相關(guān),需要去除一些弱相關(guān)的自變量。
使用SPSS 軟件進行逐步回歸,所得到的結(jié)果見表6~表9。
表6 變量的進入和移出標準
表7 3個模型的方差分析表
在表8 中,最先引入的自變量是氧含量(模型1),其次是苯含量(模型2),最后是烯烴含量(模型3),芳烴含量被移出模型。
表8 3個模型的主要統(tǒng)計量
表9 模型參數(shù)的估計和檢驗
表7 是回歸的方差分析表。從表中可得,3 個模型的F檢驗的顯著性水平均接近于0,說明3 個模型都是顯著的。
表9 給出了3 個模型參數(shù)的估計值,即回歸系數(shù)和標準化系數(shù),以及用于檢驗的t統(tǒng)計量和相應(yīng)顯著性水平,檢驗結(jié)果是顯著的。
根據(jù)以上回歸結(jié)果,考慮使用以下線性回歸模型,其估計方程為
各回歸系數(shù)的實際意義:β?1=1.710 表示x1每增加1%,y平均增加1.710 個單位;β?3=0.040 表示x3每增加1%,y平均增加0.040 個單位;β?4=1.132表示x4每增加1%,y平均增加1.132個單位。
根據(jù)上述結(jié)果分析可知,對我國現(xiàn)有車用汽油品質(zhì)組成成分而言,芳烴含量相對穩(wěn)定,對其影響較小;苯、烯烴及氧的含量是關(guān)鍵影響參數(shù),需進一步進行調(diào)整。從長遠來看,我國需從降低苯、烯烴及氧的含量的方向采取措施,為改善車用汽油品質(zhì)和大氣污染問題做出進一步的努力。
本文圍繞車用汽油品質(zhì)問題,首先,利用因果圖對影響車用汽油品質(zhì)的因素進行了分析,通過要因確認表,得出了影響車用汽油品質(zhì)的關(guān)鍵因素——辛烷值;其次,分析了辛烷值的各個參數(shù),由此可知,影響辛烷值的關(guān)鍵參數(shù)為苯、芳烴、烯烴和氧的含量;然后,利用多元線性回歸中的逐步回歸法找到了影響汽油品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)和回歸方程;最后,為改善車用汽油品質(zhì)提出建議,并制定了方案。由于數(shù)據(jù)收集困難以及所涉及知識范圍的局限,有一些因素未考慮在內(nèi),有待進一步的研究。