燃油汽车尾气污染排放问题及其防治对策.doc

1、专题演讲前言： 全球在进入二十一世纪以后, 能源问题和环境问题变的越来越突出, 随着人们生活水平的提高，小汽车已经进入了千家万户，而由此产生的汽车尾气污染问题，各国在制定燃油消耗政策和汽车排放法规时更加严格, 要求在良好动力输出的同时, 进一步降低燃油消耗和排气污染。我国近几年汽车工业发展十分迅速, 到 2011 年底中国汽车保有量将达到 7500 万辆。 这些车辆主要集中在一些经济比较发达、人口较为集中的中心城市。由于我国城市交通环境影响, 加之在用车排放较高, 对城市的空气污染较为严重, 汽车排放污染问题日趋突出,已对人民身体健康构成威胁。因此, 采用何种对策解决此问题是一个应认真探讨问题

2、。1.汽车尾气的污染危害1.1 汽车尾气的主要成分汽车在燃料完全燃烧时释放出水和二氧化碳,不会造成环境污染问题，但完全燃烧的情况下生成一氧化破、水和未燃烧燃料及燃分解生成物为碳氮化合物和碳烟, 而燃烧中间产物是氮, 燃料及润滑油的添加物中的不纯物质有氧化铅、硫化物、磷化物、金属化合物等。在这些物质中, 对环境污染大的危害物质有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅和碳烟, 其中由于无铅汽油的使用使铅的排放量大大降低。这些物质的大部分成分在空气中及太阳能的作用下还会进一步发生化学反应, 产生其他的一些二次污染物如臭氧、醛类等, 并会形成光化学烟雾, 对人和动植物产生较大的危害。1.2 一氧化碳的污

3、染危害在北京、上海、广州等大的城市机动车排放的一氧化碳均占污染物排放总量的 80%以上,深圳市则高达 94.5%。它已成为我国许多城市空气污染的主要来源。一氧化碳是一种无色带刺激性的有毒气体, 一氧化碳与人体血液中的血红蛋白的亲和力较氧气强 200300 倍。血红蛋白是人体血液循环中供氧的载体, 人们吸入一氧化碳后, 血红蛋白就会先于氧气与一氧化碳相结合, 形成碳氧血红蛋白（ COHb）, 从而造成血液的输氧量减少。一氧化碳与血红蛋白结合后郭文锦: 燃油汽车尾气污染排放问题及其防治对策需要 1214h 才能分离, 如果人们连续处于含有一氧化碳的空气中时间越长, 血液中积累的碳氧血红蛋白（COH

4、b）越多, 造成低氧血症, 导致人体组织缺氧, 轻者出现头疼、昏眩、反应迟钝等, 严重的会造成死亡，见表 1.1。表 1.1 不同浓度一氧化碳对人体的危害CO 浓度（1/10000） 对人体的危害10 慢性中毒但对健康者间题不大30 4-6h 内中毒, 引起麻木或植物神经麻痹100 头疼、恶心、强活动时呼吸困难120 全身无力、梢神不振动、瘫痪、痉挛200 数小时后神经机能低下400 4h 后头痛晕眩，呼吸困难1500 1h 后死亡1.3 碳氢化合物的污染危害汽车尾气中含有200多种碳氢化合物, 其中至少 32有种多环芳烃, 包括3, 4苯并a芘9种致癌物质。碳氢化合物会导致人的骨髓功能减弱,

5、 使红、白血球细胞数量减少或在周围血液中产生血小板减少症。其醛类物质对眼、呼吸签官、皮肤等产生强烈的刺激性, 造成葬、肺等机能下降。尤为突出的是碳氮化物和氮氧化合物在强烈的阳光照射下发生光化学反应, 形成一种毒性较大的浅蓝色光化学烟雾, 其危害令人触目惊心。如1943年美国洛衫矶发生的光化学烟雾, 使大璧的居民出现眼睛红肿、喉痛、脚闷和呼吸困难等症状, 死亡率大大增加, 该市100km外的海拔2000m高山上, 有大片树木枯死 , 菊萄减产60%以上, 其他农作物等也受到了严重的损失。据相关资料记载, 北京和南宁分别于1998年和2001年发生过光化学现象。因此不能不引起我们的高度重视。1.4

6、 氮氧化物的污染危害在汽车排出尾气中的氮氧化物之中有一种毒性很强的红棕色气体二氧化氮, 中毒的症状是发生水肿的同时, 95%为一氧化氮, 3%4%二氧化氮, 一氧化氮排入大气后会逐渐转变为二氧化氮。高浓度的一氧化氮能引起中枢神经的瘫痪及痉挛。二氧化氮引起闭塞纤维性支气管炎等。空气中的氮氧化物在阳光充足的专题演讲午前2小时和午后2小时容易在碳氢化合物发生光化学反应，产生的臭氧和PAN等对人体产生的危害更大。氮氧化物产生的危害, 见表1.2。1.5 碳烟的污染危害柴油机产生碳烟的组成是一种类似石墨形式的含碳物质并凝聚和吸附了相当的高分子量有机物顺粒物。其中的90%以上是致癌物质, 并会导致如肺气肿

7、等慢性肺病。柴油机的排烟颖粒的90%以上小于1m。实验表明, 影响人体主要是10m以下的领粒物, 顺粒越小, 停滞于人体肺部、支气管的比例越大。而顺粒越小, 悬浮于空气中的时间越长, 最长的甚至可达一周至一个月左右。这就增加了碳烟与人体接触的机会,也增加了颖粒物在大气中受阳光和其他物质作用产生光化学反应的机率。碳烟顺粒对光线还有散射作用, 且吸光性强, 消光率是其他悬浮微粒的34倍, 会严重影喻照明和人们的视野, 给城市交通带来很大的隐患。另外, 碳烟顺粒沉积在物质表面会加快金属的腐蚀、油漆的退化、建筑物的损坏等。同时, 碳烟领粒与二氧化硫污染的空气作用比二氧化硫污染的空气造成的腐蚀率会大大增

8、加。表1.2 不同浓度的二氧化碳的危害浓度（1/10000）2NO人和生物的影响0.5 312月, 患支气管炎部位有肺气肿出现1.0 闻到臭味2.5 连续7h以上, 豆角、西红柿等植物叶子变白5.0 刺激性臭味1015 眼、鼻、呼吸道受到刺激50 引起咳嗽80 35分钟 感到胸痛100150 0.51min发生肺气肿超过造成死亡2.我国机动车尾气高污染的成因分析我国汽车保有量与发达国家相比,仍处于较低水平。美国1993年汽车保有量为1.9亿辆,人均0.74辆;而我国1994年人均为0.008辆,约为美国的1/100。但我国汽车尾气排放造成的大气污染远较发达国家严重。其主要原因如下:郭文锦: 燃

9、油汽车尾气污染排放问题及其防治对策（1） 汽车质量不高,造成高排放当今汽车设计改进以提高安全性、有利于环境保护和增加舒适性为主要目标。新开发出的一些技术措施被用来控制汽车的污染排放:机内措施包括供油系统采取电子喷射技术、点火系统采用高能点火和无触点分电器等、燃烧室采用节能设计、排气系统采用排气再循环装置等;机外措施包括采用催化转化器、曲轴箱排放物控制装置等。这些技术措施对控制排放十分有效。例如,美国19841993十年间,尽管车辆增加了近34%,但汽车排出的挥发性有机物和CO分别减少了35.5%和24%我国的汽车制造业在尾气排放控制技术方面,较发达国家有明显差距,国产汽车油耗高、排放高。我国新

10、生产轿车的HC、CO和NOX的排放量分别是1992年美国新车排放量的14.5倍、11.8倍和3.3倍。（2）汽车质量监督力度不够强。我国报废汽车和趋于报废的汽车数量相当庞大，而这部分汽车的发动机和排气设备已经老化，尾气污染排放相当严重。（3） 燃油质量不高,造成高油耗、高排放我国机动车燃油存在标号偏低、质量不稳定、含硫量高等问题。70号汽油的使用量近几年虽有所降低,但1994年仍达到52%,90号以上的汽油生产量占汽油总产量的比例不足一半。70号汽油对应的许用压缩比仅为6,低压缩比降低了燃烧效率,造成高油耗、高排放。当前国际上轿车发动机通行的压缩比在9左右。据了解,每公升汽油行驶里程,发达国家

11、比我国高34倍。此外,我国大量使用的含铅汽油是通过增加芳香烃和四乙基铅含量来提高汽油辛烷值,这是造成大气铅污染的主要原因。（4）道路制约和交通不畅造成高排放由于交通状况的影响,汽车经常工作速度较低或怠速状态,而当汽车在市区内运行时,要低于这个范围,这主要与增设的交通状况有关,以道路面积对城市面积的占有率做比较,天津为6.6%,广州为6.8%,东京为14.1%,纽约为25.4%(1994年数据)。道路状况、车流量等交通因素直接影响机动车的污染物排放量。车速越慢,污染物排放量越大。（5）公民的环保意识不高。当汽车在市区行驶中难免会遇到堵车和红灯，何况在比较大的城市堵车问题是相当严重的，而当堵车的时

12、候，司机很少熄火，这就造成了汽车尾气的大量排放，堵车越严重，尾气排放越厉害。3.其他国家的防治对策日本制定限制汽车排放气体的法规起源于1965 年对汽车排放CO 的限制。专题演讲1985 年和2000年,日本政府先后制定了NO2 环境排放标准。最近,日本政府制定了2010 年大气环境实现目标,并采取以下控制措施: 在大气污染防止法里,对汽车的整车排放制度进行强化; 颁布最新NOx 、PM替代法规; 鼓励和推广低排放汽车。通过这三项措施的实施,日本计划大幅度改善大气环境。3.1 政府方针目前,日本环境保护的推广受到制约,所谓的成本问题、经济增长的速度受到制约等论调经常能看到。小泉内阁总理长官则认

13、为,有效运用科学技术,环境和经济能够达到共同发展的效果(环境和经济共存) ,表示了政府对保护环境的坚定态度。作为政府政策的一环,2004年国会施政演说中明确指出,日本将实施世界最高水平的排放气体规划。2005 年,日本政府率先引进低排放汽车,制定新的长期规划来降低环境污染。3.2 民众环境保护意识早在20 世纪50 年代初期,横滨等地区的近百名民众签名向政府递交防止大气污染的请愿书。近年来,日本大城市道路沿线中心的居民认为,汽车排出的气体对他们的健康产生了影响,并相继向法院提起诉讼。3.3 汽车排放政策的相关规定日本学者认为,作为降低汽车排放气体的整体对策,除了通过改善汽车的构造、性能等措施降

14、低污染源外,还需限制实施汽车排放气体的整体规划。日本大气法依据不同的行政级别和情势,分别规定了内阁政令、总理大臣、环境厅长官的权力和征询意见程序。在实施规划时,中央环境会议根据提问和建议,由环境厅官员根据大气污染防止法,制定汽车在一定工况下行驶时向大气中排放气体量的允许标准(1971 年,环境厅第1 号告示) 。国土交通厅批准这个标准,按照道路运输车辆的保安基准,制定必要的措施,确保道路运输车辆达到该排放标准。中国的排放标准虽然也在逐步严格,但落后于日本、美、欧等国家和地区。中国2005 年的柴油车排放标准中NOx 的排放量是日本的3 . 5倍,颗粒物的排放量是日本的5 倍多;在2009 年前

15、后,中国的颗粒物排放允许量降为日本的3 倍,但NOx 的排放量升至日本的5 倍多。为确保NOx 还原剂的耐久性,必须保证燃料郭文锦: 燃油汽车尾气污染排放问题及其防治对策中产生的硫分较少。根据这个要求,日本在2007 年轻油中硫含量低于10 ppm 的前提下,2009年将进行汽车尾气排放法规的强化,相关内容主要有: 通过提高微粒捕集器(DPF) 的性能,大幅度降低颗粒物( PM) ,尤其是游离态颗粒物的数量; 在使用氮氧化物还原装置的前提下,进一步严格NOx 的排放法规; 鼓励重型车(车辆总质量超过3.5t) 为实现排放目标值作相关技术开发。2008年日本政府将进行技术评论,进一步研究排放目标

16、值并决定目标值最终实现的时间。相比而言,中国燃料中的硫含量平均在5002000ppm ,GB18352. 3-2005 对市售汽油、柴油中硫含量的要求分别为不超过150 ppm/kg、350ppm/ kg ,与日本有很大差距。从2009 年起,对安装有NOx 还原装置的缸内直喷、稀薄燃烧的汽油车,日本将增加新的PM 排放限制规定,轿车、轻型车( GVW在1.7t 以下)、中型车( GVW在1.73.5t) 、重型车(GVW超过3.5t)的PM限值分别为0.005、0.005、0.007、0.01g/ (kWh) 。经过调查,日本的汽油直喷车和装有DPF 的柴油汽车,两者排出的PM 的量基本相同

17、,因此,在2009 年的目标值中,要求柴油车与汽油车的PM 排放量达到同一水平。4.我国汽车尾气污染的防治对策4.1 严格执行废气排放的国家标准和地方标准与法规通过法规和标准来约束汽车制造厂家和改造维修厂家, 以此来推动汽车制造技水平,特别是排放技术的进步。从2000年开始, 我国就始加大控制汽车尾气排放的力度,实施了相当于欧标准的国家第一阶段排放标准(简称“”),2004 年开始实施相当于欧标准的第二阶段排放标准(简称“国”)。目前国家环保总局已公布轻型汽车自2007 年7 月1 日起实施国号、国号(与欧洲号接近)标准。这些标准的实施将会使汽车尾气排放的污染大为减少。4.2 改进燃料品质燃料

18、的品质与汽车发动机的燃烧过程和燃烧效果有直接关系, 改进燃料品质是控制汽车排放污染相当重要的途径之一。首先是淘汰含铅汽油, 四乙基铅是一种低汽油抗爆剂,它随着排气进入大气后,通过呼吸或食物链进入人体,并蓄积在体内,引发各种疾病, 特别是对儿童和孕妇的危害极大,我国已在2000 年7 月1 日起全面禁使用铅汽油。另外还要对车用汽油中的硫含量、烯烃和芳香烃专题演讲含量以及饱和蒸汽压加以限制,以减少有害气体的生成,减少汽油的蒸发。此外,汽油中加入清洁剂,减胶质和沉积物, 也是改善燃烧的措施之一。为进一步调整能源消费结构, 开发石油替代资源, 更有效降低汽车尾气污染物的排放,目前,在我国部分省市已经开

19、始推广车用乙醇汽油,即在90% 的车用无铅汽油中加入10% 的燃料乙醇,可以替代10% 的车用无铅汽油。使用一部分燃料乙醇替代车用无铅汽油,即能改善汽车尾气排放,同时也改善了我国能源结构, 推动了可再生能源的发展。4.3 增加排气净化的附加装置采取的措施有加装尾气催化净化装置,即借助催化器作用,使催化器与尾气排放中的污染物通过化学反应生成对人体没有直接伤害的物质,最常见的是三元催化器。采用高能电子点火装置,即通过精确控制汽油机点火提前和提高点火能量, 以创造理想的燃烧条件, 从而减少发动机的污染排放。采用电子控制燃油喷射, 即将发动机空燃比控制在最佳理论值附近, 使发动机无论在任何环境条件和何

20、种工况都能精确地控制混合气的浓度, 使汽油得到完全充分燃烧, 从而降低废气中有害成分的含量。其中排气后处理技术是指在发动机的排气系统中进一步消减污染物的技术。常见的排气后处理装置有氧化型催化转化器、还原型催化转化器、三效催化转化气等。氧化型和还原型催化转化器分别用来净化排气中的HC+CO和NO x， 这些技术目前已经被三效催化净化技术代替了。4.3.1 氧化、还原催化净化器氧化型催化反应器是利用排气中残留的或二次空气供给的氧，使CO和HC完全氧化，其反应过程如下:221COHyxyxHCYX 224还原催化反应器利用排气中的CO、HC和 为还原剂来净化 NO，可能的化学xNO2反应主要有7个：

21、21CONO325352HCN郭文锦: 燃油汽车尾气污染排放问题及其防治对策OHNO22135 3222 )1()()4(4 NHCxyyxHCNOyx ONCOH22其中最后两个反应发生在200摄氏度以下。NO还原反应一般在空燃比偏小的条件下进行，并且通常与氧化型催化反应器串联起来使用。4.3.2 三效催化转化器三效催化转化器是在 还原催化转化器的基础上发展起来的，它能同时使xNOCO、HC和 三种成分都得到高度净化。从上一节可以看出，氧化和还原反应x是可以同时发生的，关键是如何使三种污染物同时获得很高的净化效果。这个问题就涉及到了空燃比，只要将三种物质的空燃比精确控制在理论空燃比附近很窄的

22、窗口内（一般为14.70.25） ，才能使三种污染物同时得到净化。为了满足在不同工况下都能严格控制空燃比的要求，通常采用以氧传感器为中心的空燃比反馈控制系统。这种系统只有在汽油喷射发动机上才能实现，最常见的氧传感器是ZrO 2传感器。典型的汽车尾气催化转化器使用多孔蜂窝陶瓷载体，表面涂附活性Al 2O3（增大比表面） ，负载铂（Pt） 、钯（Pd） 、铑（Rh）等贵重金属或其他催化剂。除陶瓷载体外，也使用金属载体的。典型的整体多孔蜂窝陶瓷载体，其蜂窝孔的内径约为1mm，在蜂窝孔内大约20m厚的活性表层，孔间的壁面为多孔陶瓷材料，厚度为0.150.33mm。横截面上每平方厘米有30 60个通道。

23、由于汽车排气温度变化范围较大，运行路况复杂，因此，对催化剂载体的机械稳定性和热稳定性要求都很高。三效催化剂一般由贵金属、助催化剂（CeO 2）和载体 -Al 2O3 组成。虽然有关学者对稀土、过渡金属氧化物催化剂也进行了大量的研究开发，但实际应用还非常有限。稀土氧化物本身在催化反应中没有活性，但它与过渡金属氧化物相结合能显著提高催化剂活性。例如，CeO 2 既有很好的储氧能力，常常作为专题演讲缓冲空燃比变化的助催化剂使用。由于汽油中的铅（Pb）会使催化剂永久中毒。因此，应用催化转化器的前提条件是必须使用无铅汽油。汽油中较高的硫含量也会降低催化转化器的效率，虽然这种效应在一定程度上是可逆的，但随

24、着全球性的排放法规日益严格，进一步降低汽油中的硫含量已成为汽油清洁化的必然趋势。4.4 降低污染排放的发动机及其他零部件技术4.4.1 冷机时稀薄燃烧发动机冷机时,催化剂活性较差,不利于降低HC 的排放。这时,降低HC 的排放成为主要课题。在采用的方法中,稀薄燃烧技术最为有效。为保证空燃比(A/ F) 的稀薄化,在进气口内设置涡流控制阀,改善发动机进气系统,提高充气效率;改进发动机燃烧系统,合理组织燃烧室内的气体流动,促进火焰传播,改善着火稳定性,使发动机在稀混合气下维持稳定燃烧,从而降低HC 的排放量3 。4.4.2 减少未燃HC的排放活塞的第一道环岸脊(指第一道环槽至活塞顶之间的区域) 和

25、气缸壁之间,燃烧的火焰不能达到,此区域内的未燃HC 直接从气缸内排出。提高第一道活塞环的位置,即减小第一道活塞环岸的高度,可以减少活塞环与缸壁间的容积,从而减少未燃HC的排放。为减少活塞环槽的磨损,一般情况下,对活塞表面实施氧化铝镀膜处理,但由于在活塞表面易形成许多细孔,被吸附的HC 在发动机排气行程时排出机外。为解决这一矛盾,在对活塞表面实施氧化铝镀膜处理时,只对活塞环槽进行处理,活塞顶面不进行处理,有利于进一步降低HC 的排放。郭文锦: 燃油汽车尾气污染排放问题及其防治对策4.4.3 未燃HC 的吸附净化作为HC 吸附剂,在催化剂活化前吸附HC ,是减少未燃HC 的有效办法。吸附剂最重要的

26、性能是对HC的吸附率,吸附剂含碳原子越多,吸附率越好。对HC 吸附层,可以对三元催化层涂覆HC 吸附催化剂,吸附的HC 随着排气温度的升高而自动脱离,通过表面催化层进行净化。目前,HC 从吸附层脱离起始温度要比催化层的活性温度低,脱离初期对HC 净化有一定困难,有待于今后通过材质改良、结构及温升特性的改进来进一步提高其净化性能。4.4.4 排气燃烧器( EGC)EGC 的原理是在发动机起动后,在浓空燃比状态下产生的CO 等可燃成分与二次空气供给的O2相混合,形成可燃混合气,在排气系统中设置排气燃烧器,通过火花塞点火装置,点燃未燃混合气,利用燃烧产生的热量提高催化剂的早期活性,同时还能燃烧净化发

27、动机起动后的未燃HC 成分。EGC 技术虽然处于研制阶段,但其催化转化效率高,大有超过EHC 之势。4.4.5 废气再循环( EGR)EGR 是目前常用于控制内燃机NOX 排放的有效措施之一。它把一定数量的废气引入发动机的进气系统,使发动机混合气中惰性气体( H2O、N2 和CO2 ) 的比例增加。因这些惰性气体有较高比热,使经再循环废气稀释的混合气的比热增高,致使发动机最高燃烧温度下降。由于再循环废气对新混合气的稀释,降低了混合气中O2 的浓度,因而废气再循环破坏了NOX 的生成条件,有效抑制了NOX 的生成。这种排气净化技术同样适用于柴油机。4.5 推行代用燃料（1）丙烷 目前最普通的替代燃料的丙烷。只需要对现有的汽油机燃料系统加以改善，就能使用这种燃料。汽车排放物会减少很多，但是 的排放量会高于一般的xNO汽油机。而且会影响汽车的动力性能，所以，它不是最理想的替代能源。（2）甲烷甲烷的提取较为方便，可以冲煤炭、天然气和植物中提炼出来。使用甲烷