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中国非道路柴油机械排放的技术政策研究

文字:[大][中][小] 发布时间:2018-1-22  浏览次数:411

  根据我国相关标准,非道路机械,被定义为指用于非道路上的各类机械,即:

  1)自驱动或具有双重功能:既能自驱动又能进行其他功能操作的机械;

  2)不能自驱动,但被设计成能够从一个地方移动或被移动到另一个地方的机械。

  简单来说,就是装配有发动机的移动机械和装配有发动机的移动机械的可运输工业设备,包括包括工业钻探设备、工程机械(装载机、推土机、压路机、沥青摊铺机、挖掘机、叉车等)、农业机械(大型拖拉机、联合收割机等)、林业机械、渔业机械、材料装卸机械、雪犁设备、机场地勤设备、空气压缩机、发电机组、水泵等。

  这些非道路机械, 装配的发动机一般为柴油机,其颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)的排放,在现阶段,和道路移动源(车辆)的排放几乎是不相上下,各占半边天。而随着史上最严格的国六标准的实施和各项在用车的监督管理的加强,道路移动源的排放很快会有所大幅度的改善。届时,非道路机械所占的排放比将会更大。

  治理非道路的排放,和治理道路的一样,需要各方合作,从多个角度入手,才能事半功倍。在新的大气法中指出了非道路机械必须严格遵守相关的污染物排放标准,并且支持各种新、旧机械的排放检验,召回和加装污染控制装置,来确保在用非道路机械的排放水平能够达到相关标准。的确,超低硫的油品的供应,更加严格的排放标准的实施,在用柴油机的改造、翻新或者电动化,非道路排放的低排放区的建立等,都会有助于排放的减少。在本篇讨论中,我们将重点关注更加严格非道路移动机械的排放标准。

  对于非道路柴油机排放,我国其实一直有设定符合国情的、更加严格的排放标准的传统。现行的非道路柴油机排放标准是2015年10月起实施的非道路第三阶段标准(国三),基本等同于欧盟的Stage IIIA阶段;同期公布的第四阶段的标准(国四)和欧盟的Stage IIIB阶段也相当一致。并且在欧盟排放标准的基础上,我们的排放标准增加了相当严格的小型柴油机(<=19kW)的排放限值来覆盖欧盟标准中的空缺。

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为什么小型柴油机对我们国家这么重要?我们国家的非道路机械,特别是农用机械,包括小型拖拉机,种植业机械,农产品初加工机械,畜牧养殖机械,渔业机械,农田基本建设机械等,其单台机平均功率均小于19kW,且数量众多,可达到所有农用机械的90%以上。因而,我们需要更加严格的排放限值,来进一步降低小型柴油机的污染。而欧盟Stage IIIA, IIIB和IV标准只包括了功率为19-560kW的柴油机。这一空缺直到2016年刚刚颁布的Stage V排放标准才得到弥补,而其实施要到2019年左右。

  欧盟的IIIA、IIIB,甚至于现在实施的Stage IV阶段标准都是在2004年左右撰写的,虽然后来有所修正,但是其核心(排放限值)是在十几年前就定下了。从欧盟实施这一系列排放标准的经验来看,这些排放标准,还是无法有效的控制非道路机械的排放物,尤其是对颗粒物(PM)的减排。相比较国三阶段(相当于欧盟IIIA),暂定的国四阶段( 相当于欧盟IIIB)排放标准虽会对于PM和NOx都有所加严,并且在型式核准中要求了瞬态测试(NRTC),并希望通过这些严格的排放要求,来促进各种先进后处理系统的使用,包括EGR, DOC, DPF以及SCR。虽然这些技术在柴油机上都已相当成熟,超低硫油品也已经广泛使用,但是从欧盟的经验来看,IIIB阶段,或者更严格的IV阶段的排放要求,并没有能够成功的促使厂商使用这些后处理系统来达到最低的排放水平。

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  目前我国的非道路机械第四阶段排放标准正在修订中。面对严峻的空气质量问题,我们是否应该继续发扬优良传统,吸取经验教训,来形成一套我国自己的、立足国情的非道路机械排放标准呢?

  显然我们早已不满足于单纯的复制欧盟的排放标准,我国国六轻型车标准的成功经验,再次验证了这种结合国际最先进的经验并根据我国的国情合理吸纳、适当创新的步伐是最适合我们的。因而对于下一阶段的非道路排放标准,我们建议采用实施美国现行的Tier 4 final的标准,并且结合PN的排放要求。这一组合结合了美国和欧盟最新非道路机械排放标准的优势,来促使柴油机加装SCR和DPF后处理系统的组合,又合理避免了两者的弊端,能够针对我们国家的现状, 最大程度并快速控制非道路的排放。

  和道路排放标准很相似,对于非道路污染物的控制,国际上有两条道路值得我们借鉴:美国标准(Tier 4 final), 和欧盟标准(Stage IV及Stage)。

  总体来说,现行美标排放限值,对不同功率级别的机械,都比同级别欧盟标准略严格一些。例如,对于56-560kW,Tier 4 PM的排放标准是0.02g/kWh,而欧标IIIB/IV的排放标准是0.025g/kWh。虽然这主要是因为美国EPA要求排放的汇报是保留两位小数, 但是如采用美标还是能使PM的排放标准更严格一些,虽然看上去只有0.005g/kWh的差异,但相当于 20%的减排效果。更加严格的排放标准总能带来相对更先进的排放控制技术。另外,对现阶段欧盟标准(Stage IV)未能覆盖的小型柴油机 (<=19kW)和超大型柴油机(>=560kW)柴油机的排放标准,都有逐步加严。因而,实施美国的现阶段标准,Tier 4 final,可以更加有效的加强对非道路机械的排放控制,带来更好的减排技术和更多的减排空间。

我国是否应该就遵循美标的路线呢?ICCT近期对美国非道路移动机械排放技术路线的研究分析表明,Tier 4标准虽然看上去足够严格,但是仍不足以要求厂商使用DPF和SCR的组合系统(这一系统已经在重型车上广泛使用)来控制PM和NOx的污染。特别是颗粒物的排放标准,比起上一阶段的标准来说,几乎没有任何的加严。虽然在制定标准的时候,人们寄希望于美标能够促使柴油机厂商全面使用DPF后处理系统,但从实际的案例上看,柴油机厂商还是“成功”的逃脱了这个限制,使用了其他(更便宜)的组合,使得新发动机(机械)的排放能刚好“低空飘过”相关的标准要求。这个新发动机(机械)“擦边通过”,让我们不禁担心,随着使用年限的增长,零件的磨损,排放控制的消耗,是不是很快,这些机械就会成为排放超标问题的源头所在?

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  而在2016年刚刚颁布的欧盟Stage V阶段排放标准中,除了继续加严PM的排放标准,又引入了颗粒物的粒子数量(PN)的限值来进一步加严对颗粒物的监管。在严格的NOx排放限值的基础上,希望以此能够要求柴油机厂商广泛使用DPF和SCR这个后处理系统的组合,来最大程度上的控制PM和NOx的排放污染。这一经验从重型车上得到了成功,考虑到重型车和非道路机械的柴油机很相似,希望能够同样复制到非道路机械上。

  虽然欧洲的Stage V标准可以认为是现在最严格的排放标准,但是其真正的实施还需要等上好几年。其计划的实施时间最早也要到2019年左右(2018年开始型式核准)。如果中国想继续照抄欧盟(最严格)的Stage V标准,估计又要等上好几年才能真正的控制住排放。并且,考虑到欧盟尚未实施相关标准,不清楚是否会又有什么漏洞或者问题,需要事后补救,到时候可能更加棘手。

  综上,我国的下一阶段非道路机械排放标准如果直接采用美国Tier 4f标准,会遇到非DPF技术“蒙混过关”的问题;如果直接采用欧IV标准,会遇到无法覆盖广泛应用的小功率机械的情况和缺失DPF技术;如果想采用欧V标准,则可能要眼睁睁的看着排放问题继续日趋严重而等上个几年。但如果把两者有机集合,即在Tier 4 final的标准的前提上,再包括PN限值。就能立刻从源头上全面降低非道路的机械的排放,并且避免很快需要再一轮昂贵的加装改造后处理系统的工程。

  2018年起我国将全面升级供应的超低硫油品(10ppm)普通柴油将移除非道路机械使用最先进的后处理系统的最后一道屏障,也就是说,不用担心油品质量会影响SCR和DPF等后处理系统的功效。

  除了继续加严新非道路机械的排放标准,对于现在在用的非道路机械,地方政府也可以实施一些更加严格的在用标准。 欧洲国家和美国的州政府(相当于我国省市一级)也会颁发一些地区性的法规来管理地区内的污染 。例如,考虑到建筑机械很多都在城市范围内广泛使用,其柴油机在人口密集区域会带来大量的污染和健康问题,欧洲的很多国家,包括德国,奥地利,荷兰以及瑞士,都已另外颁布了国家层面的法规,强制要求建筑机械加装DPF来降低颗粒物。美国的加州也有相类似的法规,强制要求几乎所有的非道路移动源加装DPF,或者使用更新的引擎,来达到清洁空气质量的目标。(美国的环保署EPA也有相关资助来鼓励自愿的DPF的加装)。除此之外,英国伦敦开设了建筑机械低排放区域, 从2015年起,只有符合Stage III排放标准的建筑机械才能在城市中心区域使用,并且从2020年起,该要求会进一步收紧为Stage IV排放标准。

当然, 在期待采用更严格的排放标准和各种相关后处理排放系统的同时,监管也需要一起跟上。例如,在SCR控制高NOx排放的同时, 要确保尿素的正确使用,以及在使用DPF降低PM的时候,定期的再生和维护。只有进一步加强在用机械的排放管理,才能保障非道路机械的排放真正的改善和降低。

 

信息源自国际清洁交通委员会

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