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机动车尾气对大气环境的污染现状与治理

2019
04/19
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guona

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建筑界
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【摘要】本文内容是机动车尾气对大气环境的污染现状与治理,其中包括1、机动车尾气的主要成分以及危害性;2、机动车废气排放物的影响因素;3、机动车尾气污染的控制对策等内容,供大家参考:

摘要:本文介绍了机动车尾气污染物的危害性和影响因素以及国内外常用的尾气排放控制技术。通过法律法规和技术两个层面对机动车尾气污染的治理方法进行陈述。

关键词:机动车尾气 环境污染 治理方法

随着汽车工业的发展,世界汽车年产量已达8000余万辆,废气污染在严重地威胁着人类的生态环境。美、欧、日等发达国家已先后制订了严格的汽车排放法规,汽车生产商也先后投入巨额资金对汽车废气污染进行控制和改进,目前已取得了相当的成就,值得我们借鉴。

我国的汽车工业还十分落后,废气污染十分严重。例如,广州市目前的机动车(包括摩托车)数量约为1400余万辆,仅为洛杉矶和东京的1/4,但其污染物的排出量却与这两个城市的总量相当,每天排放到大气的有害物质所产生的大气污染十分严重,已出现了类似洛杉矶40年代初期所发生的光化学烟雾[1]征兆,同时已成为全国上呼吸道和肺癌的高发病率区,严重地威胁着市民的身体健康和生态环境。

1、机动车尾气的主要成分以及危害性

汽车排放污染物中含有大量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫、铅、碳微粒和其他杂质粉尘等,这些物质对人类和整个生态环境危害极大。

一氧化碳(CO) [2]与人体血液中的血红素有很强的亲和力,使血液丧失对氧的输送能力而产生缺氧中毒。当环境中CO的浓度超过100ppm(100×10-6)时,人体就会产生头晕、乏力等不适感;随着CO浓度的增加,会进一步产生头痛、呕吐、昏迷等症状;当CO浓度超过600ppm时,短期内会引起窒息死亡。

汽车废气中排出多种氮氧化物(NOx) [3],其中一氧化氮(NO)与人体血液中血红素的亲和力比CO还强,两者结合后会产生与CO相似的症状,一般情况下对人体的眼睛、鼻子、咽喉、支气管和肺部等会带来更大的损害,严重时至人于死地。

碳氢化合物(HC)为燃油未经完全燃烧后排出的气体,具有一定的毒性和易燃易爆的特性,其中的苯类物质又具有致癌作用[4]。

HC与NOx在阳光下极易发生光化学反应[5],形成以臭氧(O3)和以醛类为主的光化学烟雾。当O3达到一定浓度时,会令生物在短期内发生高温氧化而脱水死亡;醛类有机物带有毒性,对眼睛和呼吸系统有强烈的刺激作用,严生的会导致中毒死亡。

二氧化硫(SO2) [6]为燃油中的硫燃烧后的生成物,人体吸入SO2后,即产生咳嗽、咽喉肿痛、呼吸困难、胸闷、四肢乏力,进一步会引起支气管炎、肺炎和心脏病等,严重的会导至人畜死亡。SO2还极易与大气中的水蒸气结合生成亚硫酸烟雾,达到一定积聚量后便形成酸雨,使水土酸化,破坏林木、植物的生长。故此,应尽量减少燃油中的含硫量。

铅(Pb)为一种有毒的金属,它由燃油中的铅化物添加剂(如四乙铅)经高温燃烧后还原而成的铅微粒。铅与血液中的血红素结合后,使血红素产生异变。当血液中的铅含量达到一定的程度时,会积聚于肝、肾、大脑和脊髓中,严重地破坏人体的神经系统和造血功能。

碳微粒和其他杂质粉尘是柴油机的主要排放物,由于其粒径极小,约为0.01~0.2um,能长期悬浮于空气中,易于通过呼吸系统而沉积于肺泡内,极具致癌作用。

铅、碳微粒和其他杂质粉尘等因粒径极小,SO2又具有胶粘性,特别是铅微粒,因无法燃烧,一旦被吸附在催化剂的表面上,便令三元催化净化器丧失催化功能,此即为三元催化净化器的铅中毒[7]。

2、机动车废气排放物的影响因素

汽车废气中CO、HC和NOx三种有害气体的影响因素比较多,主要为可燃混合气的空燃比,点火提前角、发动机的负荷和转速以及发动机的内部结构等。

2.1可燃混合气空燃比的影响

空燃比(A/F) [8]对CO、HC和NOx的影响见图1。在理论空燃比附近,CO曲线有一个拐点,当A/F减少时,可燃混合气过浓,燃油无法充分燃烧,CO生成物便急剧增加;当A/F增大时,氧含量充足,燃油可以充分燃烧,使CO生成量减少,而且比较稳定。

2.2点火提前角的影响

随着点火提前角[9]的增大,HC和NOx生成物都会急剧增加,其原因与燃烧时的速度、压力、温度等有关,当点火提前角增大到一定值后,由于燃烧时间过短,HC和NOx生成量便有所下降。当然,正确的调整点火正时是非常必要的,过迟的点火提前角会使发动机动力下降,油耗增大,工作不稳。

2.3发动机负荷和转速的影响

由于NOx是高温燃烧时的生成物,当发动机的转速和负荷提高时,使气缸的燃烧温度升高,NOx生成量随之增大,CO和HC的生成量稍有增加,但影响较小。

碳微粒的影响因素主要有空燃比、发动机的温度、转速和负荷以及燃烧室的形状[10],燃油的雾化情况等。空燃比过浓,温度过低,均不利于燃油的雾化和燃烧,使碳微粒生成量增加;发动机转速和负荷增大,使燃烧温度提高,有利于完全燃烧,使碳微粒的生成量减少。

SO2和Pb微粒的生成主要与燃油中的含硫量和铅化合物的加入量有关。因此,往往对燃油中的最大含硫量作了限制,推行使用无铅汽油[11]。

2.4发动机的内部结构的影响[12]

车用发动机在正常运转情况下,HC的生成区主要位于汽缸壁的四周处,故对整个气缸容积来说是不均匀的,而且对排气过程而言HC的分布也是不均匀的。在发动机一个工作循环内,排气中HC的浓度会出现两个峰值,在这个阶段会对产生大量的污染物。

3、机动车尾气污染的控制对策

3.1 从政策法规层面上治理

3.1.1从源头抓起,严格控制生产厂家

新生产的机动车尾气是否能够达标[13]排放,关系到整个机动车尾气污染防治工作能否正常进行。为此,各级经贸、质监部门必须从源头抓起,把尾气排放是否达标做为汽车能否出厂的硬性指标,适当提高新生产机动车尾气的排放标准,大力淘汰尾气排放超标的机动车辆生产线,鼓励生产厂家采用多种能够降低车辆尾气污染物排放的控制技术,从源头上控制车辆尾气污染。

3.1.2鼓励生产厂家发展环保型汽车

中国机械工业联合会副会长、中国汽车工程学会理事长张小虞在海南环保汽车论坛[14]上指出,随着环保意识与日俱增,环保汽车将成为未来汽车行业的发展趋势。环保是汽车工业必须跨越的关口。从汽车诞生那天起,汽车工业就面临环保、能源消耗和安全问题,中国要从汽车大国变为汽车强国,就必须跨越这三道关口,为消费者提供环保型汽车。 再者, 现代柴油机[15]在车用动力中占据着越来越重要的地位,动力性高、经济性好、节能、环保的优点日益显现。我国柴油汽车大幅度增长,对改善我国大气环境,推进我国汽车清洁化具有十分重要的现实意义。

3.1.3在使用中严格监督,有效控制机动车尾气排放

应该将机动车尾气排放纳人城市大气环境污染总量控制内,严格控制机动车数量,新车上路前,要全项监测尾气污染物指标,达标后,登记造册,经审批,到公安交通机关办理上路手续。严防机动车非法落户和尾气排放超标的国外车辆入境。各地市级以上环保部门、公安交警要严格机动车尾气排放的定期检测、巡检、抽检制度,禁止排气不合格的车辆运行,并及时淘汰油耗大,污染重的超期服役车辆,堵绝报废汽车非法交易。

3.1.4提高燃料质量,强制推广使用无铅汽油

机动车排放标准的提高与机动车燃料的品质有着很大的关系,原国家环保局从1988年开始,制定有关机动车污染物管理的系列国家排放标准并组织实施。1997年开始推进中国汽油无铅化,全面提高了汽油质量,同时也把油品质量的提高放在了很重要的地位,组织制定并于1999年颁布实施了国家污染物排放标准--《车用汽油有害物质控制标准》[16],汽油中的各种有害物质在我国首次得到控制。汽油生产及销售部门必须严格执行车用燃料监督管理的规定,停止出售含铅汽油,坚决淘汰90号以下的低标汽油,自觉接受管理部门的监督和检查。对于违反规定的要取消其生产、销售资格,并视情节轻重给予相应的处罚。

3.1.5完善环境立法和标准体系

国内环境立法起步较早,也较完善。如果要适应商品经济,那些模糊性、伸缩性、原则性较大的规定条文,实施起来就困难了,某些条款缺乏量化的刑事处罚和经济约束手段要及时补充和修改。机动车尾气排放标准和大气环境

3.2从技术层面上治理

3.2.1废气再循环[17]

已查明NOx是燃油在高温燃烧中的生成物。废气再循环就是根据发动机的不同工况,将废气中的一部分(3%~15%)引入燃烧室,用以降低气缸的燃烧和温度速度,从而进一步减少NOx的排放量。

3.2.2二次空气供给[18]

二次空气供给系统是在排气管的上段设置一个反应器,通过空气泵、控制阀、单向阀和喷射管等引入适量的新鲜空气,在高温下,令CO和HC在热反应器内继续燃烧(生成H2O和CO2),从而进一步减少了CO和HC的排放量。有的发动机则向三元催化器提供二次新鲜空气,以使CO和HC在催化器内获得更充分的氧化反应(燃烧)。

3.2.3三元催化净化装置[19]

三元催化净化器的工作特性是要求发动机处于理论空燃比状态下工作时,才表现出良好的净化效果。现代电控燃油喷射发动机的电控系统为了实现对理论空燃比的监测和控制而应用了能检测废气中氧残留量的氧传感器,电控系统接收到氧传感器反馈的信号后便及时调整喷油量,使发动机工作处于理论空燃比状态,从而实现了燃油喷射的“闭环”控制。三元催化净化器的最佳工作温度为400~800℃,如果同时不配合使用氧传感器时,则很快就会出现早期损坏,寿命大大缩短。

3.2.4无铅汽油

汽油中加入千分之0.1~0.4g四乙铅后便可大大提高汽油的抗爆性能,有利于减少机件的损坏,但铅对人体的毒害非常大,同时也会使三元净化器中毒而早期失效,所以世界各国已严格限制含铅汽油的生产和使用。

3.2.5低硫份柴油[20]

硫主要存留于柴油中,燃烧后生成毒性极大的SO2。美、欧、日等国家对柴油中的含硫量要求非常严格,限值为0.05%~0.10%。而我国的炼油技术相对来说较为落后,限值为0.5%左右,与国外的差距甚大。因此,努力提高我国的炼油技术,降低柴油中的含硫量已成为炼油行业的重要任务。

3.2.6富氧燃料和燃油添加剂[21]

甲醇、乙醇、异丁醇、叔丁醇、乙基叔丁基醚等许多含氧化合物具有很高的辛烷值,是良好的抗爆剂。汽油中加入少量的含氧化合物可以改善燃料的燃烧性能,可明显地减少CO和HC的生成。但过量的加入会影响发动机的动力性。美国AST-MD4814-94标准规定含氧化合物的体积加入量:甲醇类为2%;非甲醇类为2.75%。

4、发展前景

随着我国经济的不断的发展,汽车尾气对大气的污染和治理已经成为人民政府共同面临的挑战。汽车尾气污染物控制技术的现状与发展都很有前景。为治理大气污染,我国政府已先后颁布了多项法律法规及相关的治理办法,以法律为依据,有效地实现汽车尾气排放的控制与管理。在政府的领导下,各大企业积极响应,向社会提供高效低耗、低排放的环保型车,提供高品质的燃油、燃气,提供高效耐用的尾气净化产品。这是相关企业提高自身竞争力的重要途径,也是相关企业为防治汽车尾气污染应尽的职责和贡献。同时,人们应该遵守各项规章制度,节能减排,用自己 的行动保护自己赖以生存的自然环境,这样才能成为最终的受益者。

近些年来,各个领域的学者不断研究各项处理汽车尾气的技术手段争正在不断成熟和运用。第一代汽车尾气催化剂将活性氧化铝制备成球状或丸状小颗粒,然后在这些小颗粒的毛细孔中吸附一些贵金属,从而起到催化作用。Al2O3由于具有很好的化学稳定性, 低温氧化铝具有较大的比表面积, 优良的机械性能, 良好的耐热震性能等优点, 广泛用于催化剂载体。将氧化铝 300度焙烧 2 h, 700度 焙烧 2~ 4h, 得到 ?- A l2O3。第二代产品是将吸附有贵金属的活性氧化铝涂附于蜂窝陶瓷表面,从而制备出性能优良的汽车尾气催化剂载体。从早期使用的普通金属Cu、Cr、Ni,到后来的贵金属Pt、Pd、Rh,汽车尾气净化催化剂已成为治理尾气污染的有效途径。目前国内外已成功开发了含少量贵金属的稀土汽车尾气净化催化材料,特别是用于活性涂层的铈稀土复合氧化物已成功用于汽车尾气净化器上,催化性能与使用寿命大大提高。稀土钙钛矿型复合氧化物催化剂具有良好的三效催化活性,与贵金属催化剂相比,价格低廉,与一般金属氧化物相比,高温稳定性强,当前已成为汽车排气催化剂研究的热点。另外,纳米技术将成为进一步提高催化剂载体表面积和优化内部结构的新的突破口。这些技术的发展和应用将使我们被受鼓舞,催化活性高于普通三效催化剂,纳米稀土三效催化剂将是成本低、催化效果好的新型催化剂并成为今后研发的热点。

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