科学排放范文

科学排放范文（精选5篇）

科学排放 第1篇

一、制定和实施国家“十三五”碳排放总量控制目标的重要性和必要性

（一）碳排放总量控制目标是实现“2030年左右达到碳排放峰值且努力早日达峰”的必然要求。

虽然我国只承诺了峰值年份目标，但并未明确峰值总量。无论如何，根据我国的可持续发展要求和全球绿色低碳发展趋势，未来向低碳能源转型和温室气体减排已是大势所趋。为尽快实现能源结构变革和绿色低碳转型，需要尽早制定碳排放总量控制时间表和路线图，并在转型发展过程中不断调整完善。

（二）设定碳排放总量控制目标有利于协调已有的能源、环境等约束性指标。

碳总量是涵盖社会经济发展全过程的综合性指标，并与目前节能、环保、能源清洁化紧密相连，特别是影响到经济发展模式和能源结构的综合性转型；总量目标能够和资源承载力、环境质量等可持续发展的外部约束条件直接挂钩并相互补充；碳总量约束还能避免单纯使用能源总量约束带来的潜在经济发展限制，为发展清洁能源留出创新空间。

（三）碳排放总量控制目标是“十三五”建立全国性碳市场的基础。

党的十八届三中全会决定提出要发挥市场的决定性作用、推行碳排放权交易制度，“十二五”规划纲要和国务院《“十二五”控制温室气体排放工作方案》也明确要制定我国碳排放交易市场建设总体方案，而设定碳排放总量是建立碳排放交易市场以及碳排放配额制度的基础，只有明确了碳排放总量才可能提供长期稳定的价格信号，有力营造交易环境和推动碳市场良性发展。同时，我们还应该看到，新兴的碳资产及其管理将给未来带来更大的市场空间和产业发展机会。

二、依据2030年碳排放达峰，科学制定“十三五”碳排放总量控制目标

关于“十三五”期间碳排放总量控制目标的量化已经有了较为充分的研究基础。首先，现行的环境、能源相关计划和政策中规定的各种环境能源约束目标实际已经形成了一个“隐形的”碳总量约束。这些目标包括：2020年碳排放强度在2005年基础上下降40%～45%,2020年、2030年非化石能源消费占比分别达到15%和20%;2020年一次能源消费总量控制在48亿吨标准煤左右，煤炭消费总量控制在42亿吨左右等。根据“十三五”规划战略研究的经济发展目标，以及逐步强化的大气污染防治目标，也可以确定今后碳排放总量的大致范围。另外，2015年年底即将在巴黎召开的联合国气候变化大会有望达成一个各国间可比较并有约束力的温室气体减排目标。这个目标将基于目前气候变化科学研究以及政治协商的结果，力争满足IPCC报告中建议的2030年全球温室气体排放回到2010年水平的要求。

基于上述依据的诸多研究表明，中国2030年前后能源消费产生的碳排放峰值最有可能出现在110亿～120亿吨CO2的区间。其中，2020年我国能源消费二氧化碳排放量大致在95亿～105亿吨。尽管这些情景预测都有一些前提条件和不确定性，但分析显示，只要我们的行动得力和成本适当，2020年我国碳排放总量控制在100亿吨二氧化碳左右是有可能实现的。

因此，建议“十三五”能源消费的碳排放总量设定以上述研究为参考。需要注意的是，以上研究均基于以往国家统计局公布的能源消费数据进行计算和模拟，而国家统计局于2015年2月26日公布的《2014年国民经济和社会发展统计公报》中，对能源消费数据进行了较大调整，即2014年我国的能源消费已经达到了42.6亿吨标准煤，对应的碳排放量约为90亿吨二氧化碳。此变化未能体现在上述研究中。因此，“十三五”碳排放总量控制目标需要根据新调整的系列能源数据及能源平衡表重新进行测算。

三、实施碳排放总量控制目标及碳峰值管理的政策建议

（一）将碳排放总量控制目标作为“十三五”约束性指标，并结合地区和行业发展特点进行分解，实施总量和强度目标双控。

根据“十二五”碳强度目标分配实施的经验和国家经济转型战略，可先确定主要行业、部门碳排放总量控制目标，再根据地区产业结构特点和发展阶段确定行政区划内碳排放总量控制目标。由于碳强度下降主要与发展阶段相关，因此在考虑强度下降的潜力和分解时不应鞭打快牛。总量目标分解除了考虑发展阶段，更要考虑主体功能区的特点。针对生态脆弱和发展落后的地区，碳减排控制目标应重点控制增量，并与碳汇等目标一并考虑，同时还应建立基于碳收支的生态补偿机制和绿色低碳转型资金机制。

（二）基于碳排放总量控制目标确定全国碳市场配额总量。

碳排放总量控制目标是确定全国碳市场配额的基础，碳排放配额的分配可综合考虑历史排放法、行业基准法等方法，并从主要碳排放源的行业入手。碳市场配额总量与碳排放总量控制目标相结合，既有利于建立长期稳定的政策信号，促进碳市场健康发展，又有利于精细化管理与配套政策设计，逐步完善碳总量控制和碳资产管理机制。必须指出的是，全国性碳市场的建立应该在完善碳交易和碳资产管理相关制度的基础上有序开展。

（三）鼓励有条件的地区2020年率先达到峰值。

通过开展试点和制定相关激励政策，促进部分已经具备一定条件的地区在2020年率先实现碳排放峰值或进入排放平台期。“十二五”期间，我国多个地区已将碳排放峰值研究纳入低碳发展工作方案。因此，将区域碳排放峰值目标纳入地方“十三五”规划，开展率先达峰试点，对于我国更好地探索低碳发展路径，传播低碳转型的最佳实践具有积极作用。

（四）构建碳峰值和碳资产管理的制度体系。

虽然我国确立了实现碳排放达峰的政策目标，但有关碳排放及其管理还缺乏必要的法律规范。碳排放总量控制目标的提出为制定应对气候变化和促进低碳发展的单行法提供了依据。应对气候变化法应该对减缓和适应工作的管理体系、碳减排责任主体、统计核算与监管、碳排放总量分解、碳排放权交易、碳资产管理、第三方评估、利益相关方参与、国际合作等作出明确规定。此外，还应制定低碳转型路线图、碳税、碳生态补偿制度、清洁发展机制以及各类低碳标准等相关制度和政策体系，更好地保障“十三五”规划及至2030年的碳排放峰值和绿色低碳转型发展目标的实现。

数据链接

1.关于我国2030年左右达到峰值时的碳排放总量测算，清华大学低碳发展研究院的研究显示110亿吨，劳伦斯伯克利实验室估计在100到110亿吨，“煤炭消费总量控制”研究课题组的研究结果是113亿吨，中科院可持续发展战略研究组的政策情景下的碳峰值为120亿吨。

科学排放 第2篇

非道路小型点燃式发动机, 也可以称为通用小型汽油机。是指净功率小于等于19k W, 火花塞点火非道路用发动机。由于其操作简单、通用性强的特点广泛应用于农业、园林、发电、工程建设等诸多领域。我国通用小型汽油机产量自2001年至2010年, 连续10年呈现高速增长。据2012年的行业统计, 我国年产量已达到约2300万台。[1]

2 排放标准介绍

非道路小型点燃式发动机主要排放污染物包括一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物。随着人类环保意识的增强, 其排放对环境的影响已被各国重视, 并制定了排放标准与排放测量方法。在这方面, 欧美发达国家走在世界的前端。

2.1 美国EPA非道路小型点燃式发动机排放标准

美国环境保护署 (U.S Environmental Protection Agency, 下文简称EPA) 成立于1970年7月, 总部设在美国华盛顿, 直属美国总统。在纽约、波士顿、费城等地设有10个分支机构, 十几个试验室等研究机构;EPA领导着美国的环境科学、研究、教育和评估工作。EPA负责对很多环境项目设立国家标准, 监控强制性标准的执行和符合情况, 并协助各州采取其它措施以达到相关环境标准。美国是通用小型汽油机最大消费市场, 而与之相关的排放法规, EPA已于1995发布并于1997年实施。目前EPA对于通用小型汽油机的排放标准已进入第三阶段。

2.2 中国非道路小型点燃式发动机排放标准

根据《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》, 为防治非道路移动机械用小型点燃式发动机排放对环境的污染, 我国于2011年3月, 国家环保部首次发布实施GB26133-2010《非道路移动机械用小型点燃式发动机排气污染物排放限值与测量方法 (中国第一、第二阶段) 》。

3 排放测量方法

非道路小型点燃式发动机的排放测量方法, 目前被业界广泛使用的是工况测试法。它也是我国现行国家标准中唯一被认可的测量方法。该测量方法, 是将一台发动机排放测试循环划分为几个单独的工况, 每个工况构成一个对应的排放采集期。测量发动机在每个工况下的排放值, 并根据各工况的权重系数、测量功率, 来计算出发动机最终的加权比排放, 单位为g/k Wh。

通过图1可以看到, 非手持通用小型汽油机工况法排放测试循环包含6个工况点, 每个测试工况中发动机负荷呈一定比例关系, 各工况点的负荷比例与权重系数由排放标准给定。在这一方面, 我国排放标准与EPA排放标准给定值相同, 详见表1:

4 差异

简单来说, 完成一次非手持式通用小型汽油机工况法排放测试, 首先将发动机预置到稳定状态, 然后按照测试循环依次调整发动机至各工况点, 在工况点运转稳定期间, 使用分析仪对发动机的排放废气进行采集与分析, 最后计算出发动机加权比排放。那么在这一系列的过程中, 我国排放标准与美国EPA排放标准有哪些差异的地方呢?

4.1 试验环境

我国排放标准, 要求进行发动机排放测试前, 需确定环境参数fa:

式中:Ta进气口空气的绝对温度 (K)

PS干空气压力 (k Pa)

环境参数需要满足0.93fa1.07的条件, 并在排放测试过程中一直在此范围。

EPA3阶段排放标准, 对于排放测试的环境温度要求在20℃至30℃之间。[4]

4.2 工况的稳定时间与采集时间

我国排放标准规定为将工况之间的影响减到最小, 工况切换后要求有一稳定时期。各工况稳定后工况排放取样时间至少180秒, 取后120秒测量值计算排放物浓度。

EPA3阶段排放标准在工况稳定时间上有明确规定, 它要求将发动机调整至相应工况后, 至少稳定运转5分钟, 才可以进行该工况的废气采集。废气采集时间至少1分钟。

4.3 工况法测试循环转速

无论是我国排放标准还是美国EPA排放标准, 对于发动机测试循环的转速, 都是根据被测发动机实际用途来决定的。如果发动机应用中间转速设备, 那么就以中间转速作为测试循环的目标转速, 通常为3060rpm;如果发动机应用额定转速设备, 那么就以额定转速作为测试循环的目标转速, 通常为3600rpm。在非手持通用小型汽油机的工况法排放测试循环中:

工况1:我国排放标准与EPA 3阶段排放标准要求一致, 即发动机在节气门全开、全负荷状态下运转, 发动机转速要求控制在目标转速的±5%范围内。

工况2至工况5:我国排放标准要求被测发动机转速控制在目标转速的±5%范围内;EPA3阶段排放标准则是要求如果在工况采集期间转速由发动机调速器自行控制的话, 则发动机转速不受目标转速±5%范围要求。

工况6:我国排放标准要求该工况转速应在企业规定怠速±10%范围内;EPA3阶段排放标准对于该工况的转速定义为如发动机制造商为用户提供了可调整怠速, 则以这个可调整怠速作为工况6转速。如未提供可调整转速, 则由发动机调速器对转速自行控制, 对于工况6转速的偏差范围未做要求。

4.4 工况法测试循环扭矩

确定一个测试循环各工况目标扭矩值, 首先要通过测试得到被测发动机的100%负荷扭矩值, 然后根据这个扭矩值与负荷比例, 计算各工况目标扭矩值。对于各工况扭矩值的偏差范围, 我国排放标准与EPA3法规排放标准要求不同, 详见表2

通过表2的对比可以看出, 在使用工况法测试一台非手持通用小型汽油机的排放过程中, 两部排放标准在对于发动机的扭矩要求上有三方面不同:

a) EPA3阶段排放标准对于发动机在各工况下扭矩稳定的要求明显高于我国现行排放标准。

b) EPA3阶段排放标准除对发动机各工况扭矩波动范围严格要求外, 对非怠速工况排放采集期内的发动机平均测量扭矩值有明确要求;我国排放标准尚未规定。

c) EPA3阶段排放标准对于发动机在怠速工况下的扭矩值有要求;我国排放标准尚未规定。

为了更直观体现差异, 我们以一份测试数据为例。选定国内某企业一台排量为389cc的通用小型发动机, 通过测量已知该发动机工况1目标扭矩值为25.47N.m, 则工况2的目标扭矩值按照75%的负荷比例计算应为19.10N.m, 该发动机在工况2排放采集期内的发动机扭矩每秒记录值见图2

在图2中, 我们首先以EPA3阶段排放标准的要求对发动机工况2扭矩偏差进行判定:发动机在排放采集期内其扭矩值波动范围出现了超出目标扭矩值±2%与±0.27N.m取大值的情况;同时, 通过计算, 发动机工况2采集期内平均扭矩值为19.31N.m, 该值不满足平均扭矩值目标扭矩值*±1%或±0.12N.m取大值的要求。以上任一种情况均可以判定该测试不符合EPA3阶段排放标准。接下来以国标2阶段的要求对发动机工况2扭矩偏差进行判定, 我们可以从图2中很直观的发现, 采集期内的发动机扭矩值全部在目标扭矩值±5%范围内, 该工况测量扭矩值符合我国排放标准要求。

5 关于模态测试方法的简单介绍

对于一台非手持式通用小型汽油机排放认证测试, 目前我国排放标准仅允许使用上述的工况测量法, 而EPA3阶段排放标准除了允许这种已被广泛使用的方法外, 还提供了另一种方法。该方法是一种模态的连续采样方法, 该测量方法工况测试时间与工况负荷比例详见表3。

这种测量方法从第一工况开始排放采集后, 便一直连续采样直至最后一个工况排放采集结束。在整个过程中, 测试转速由发动机调速器进行自行控制。每当发动机从一个稳态工况转换到另一个稳态工况, 其间有20秒的过渡时间, 此时间内扭矩应呈线性过渡过程。

图3中实线部分为发动机各工况点扭矩稳态阶段, 虚线部分为20秒扭矩线性过渡过程。

6 小结

通过分析比较, 首先我们能够看出我国现行的排放标准在发动机测试过程中相比美国EPA排放标准, 对发动机运转要求相对宽松。其次, 美国EPA排放标准在一些细节中更多考虑到了怎样让发动机在试验台上测得排放结果更能接近于发动机在实际使用中的排放水平。对于差异原因, 一方面由于我国在小型通用汽油机标准颁布与实施时间上落后于美国, 另一方面由于我国在标准制定上考虑到国情, 更多参考了欧盟相关法规。相信随着国家第二阶段排放标准实施与监管, 后续国家第三阶段排放标准的制定一定会更加严格与完善。

摘要：我国于2013年1月开始实施国家第二阶段非道路移动机械用小型点燃式非手持式发动机排放标准, 结合这部标准对比当前美国环保署定义的同类型发动机排放标准在排放测试过程有哪些差异点, 本文将进行介绍与简单分析。

关键词：小型点燃式发动机排放测试标准

参考文献

[1]中国内燃机工业年鉴2013年

[2]United States Environmental Protection Agency.EPA 40CFR PART 1054—CONTROL OF EMISSIONS FROM NEW, SMALL NONROAD SPARK-IGNITION ENGINES AND EQUIPMENT

[3]环境保护部GB26133-2010《非道路移动机械用小型点燃式发动机排气污染物排放限值与测量方法 (中国第一、第二阶段) 》

科学排放 第3篇

全球性的气候变暖已经给人类造成了严重的威胁,近年来极端气候频发、自然灾害不断等均与气候变化有关。造成气候变暖的主要原因是温室气体排放过量,破坏了大气碳平衡,有关温室气体减排的问题世界各国已经达成共识,很多国家制定了符合各自的减排计划。我国是碳排放量的主要来源国之一,2009年世界气候大会上我国政府承诺到2020年单位GDP碳排放降低40% —50% 。我国刚刚经历经济飞速发展的黄金时期,现在正处在经济发展方式转型的关键时期,传统的资源消耗型经济增长方式占据主导位置,环境友好型经济模式尚未完全建立,碳减排的压力较大。湖南省是我国京广经济带、泛珠三角经济带、长江经济带的结合部,更是中部地区重要的经济增长极,2013年湖南省的地区生产总值达到24501. 7亿元,增长了10. 1% ,总量排名全国第十位。其中,第一产业增加值3099. 2亿元,增长了2. 8% ; 第二产业增加值11517. 4亿元,增长了10. 9% ; 第三产业增加值9885. 1亿元,增长了11. 4% ,第三产业增加值占地区生产总值的比重达到40. 3% ,同比提高了1. 3% 。由产业结构可知,第二产业占比达47. 0% ,仍然是国民经济发展的支柱。然而,高能耗、高污染、高碳排放也是第二产业的突出特点,经济发展方式与产业结构调整的关键之一就在于降低第二产业比重,提升高效益、高附加值、低碳的第三产业比重。根据相关研究,湖南省碳排放呈现逐年增加的态势,且增速不断加快,未来湖南省碳减排的任务依然艰巨,如何在保障经济发展的同时实现低碳目标是困扰其当前发展的关键问题,因此开展湖南省碳排放的相关研究具有重要的现实意义。

有关碳排放测算最权威的研究是IPCC给出的《2006年国家温室气体排放清单指南》,温室气体主要来源有: 能源,工业过程和产品使用,农业、林业和其他土地利用,废弃物。国内学者有关碳排放测算的研究既有基于单一碳源的碳排放测算,如能源消费碳排放[1]、农业碳排放测算[2]、废弃物碳排放测算[3]等,也有测算全要素的碳排放总量,如蒋金荷[4]、孙建卫[5]等有关中国碳排放的测算等。在碳排放测算的基础上,有学者将碳排放与经济发展、产业结构[6,7,8]联系,探讨其中的复杂关系,试图减少经济发展对碳排放增加的影响,提升经济发展质量。由于土地是碳排放的载体,有关土地利用碳排放的研究也较丰富。土地利用碳排放包括直接碳排放与间接碳排放,直接碳排放是指土地内部的生物自然过程导致的碳排放,间接碳排放是指土地承载的碳排放。由于直接碳排放对大气变化影响较小且不易控制,因此研究意义有限。间接碳排放是造成碳失衡的根本原因,此类研究对控制碳排放、调节大气碳系统平衡作用较大。不同土地利用类型的碳排放强度差异较大,有学者基于低碳经济视角,结合经济效益、社会效益等目标建立了土地利用结构优化模型[9,10,11],从土地承载碳排放的角度实现碳减排; 有关土地利用碳排放的研究主要以能源消费碳排放[12,13,14,15]为主要来源进行分解。能源消费占碳排放总量的主体地位,但种植业、畜牧业等的碳排放对总量也起到关键作用。由于有关湖南省碳排放测算的研究鲜有涉及且在土地利用碳排放核算方面缺乏系统考虑和完整的土地承载碳排放分类体系,因此本文着重从以下方面开展研究: 1建立基于IPCC清单的湖南省历年碳排放核算方案; 2根据土地承载特征,将碳排放分解并分析各土地利用类型的碳排放结构特征; 3研究湖南省碳排放的时序特征。

2 碳排放测算方法

20世纪80年代后期,全球变暖日益严重,世界气象组织( WMO) 和联合国环境规划署( UNEP) 共同成立了政府间气候变化专门委员会( 即IPCC) ,负责协调各国有关温室气体排放的相关问题。IPCC先后给出两部指南,分别是《1996年指南》和《2006年指南》,《2006年指南》是在前期工作的基础上结合新技术、新材料进行的完善与更新,是目前最权威的温室气体核算清单指南[16]。根据IPCC的研究,能源消费在总碳排放中占比为75% ,有关学者和机构的研究显示,农业源碳排放占总量的17% 强[17,18]; 渠慎宁[3]等学者的研究表明固体废弃物导致的碳排放占总量的1. 5% —2. 7% ,此外还有少量的工业生产与产品使用碳排放。根据IPCC给出的碳排放清单,本研究选取以下为碳排放核算的主要来源: 能源消费、农业、废弃物。根据前文分析可知,核算结果占总量的93. 5% —94. 5% ,可满足研究需要。

2. 1 能源消费碳排放核算

根据《2006年指南》关于能源消费碳排放核算公式和张兰[19]等学者的研究,能源消费主要考虑煤炭、石油、天然气,此外还包含少量的风能、生物质能、核能等,由于其他能源对环境影响较小,不予考虑。核算能源消费碳排放的公式为:

式中,E-C为能源消费碳排放量; Energyi为第i种能源的消费量; αi为第i种能源转换因子,即根据净发热值将燃料转换为能源单位( TJ) 的转换因子; CCi为第i种能源碳含量( t/TJ) ,即单位能源的含碳量;NCi为第i种能源的非燃烧碳,即排除在燃料燃烧以外的原料和非能源用途中的碳; 10- 3为单位转化系数;COFi为第种能源的碳氧化因子,即碳被氧化的比例,通常缺省值为1,表示完全氧化。将上述公式进一步简化,可得到计算中更为简便且实用的公式:

式中,βi为第i种能源的碳排放系数,即单位能源的碳排放量。国内外开展能源碳排放系数研究主要有国家科委气候变化项目、国家计委能源所、日本能源经济研究所、美国能源部、DOE/EIA[1,5,20,21]等,本文研究中选取几项权威系数的均值作为计算系数,详细情况见表1。

2. 2 农业碳排放核算

IPCC有关农业生产碳排放的论述多集中于生物活动产生、土壤碳和水稻的甲烷排放,而关于农业生产物质投入导致碳排放的研究不多。结合我国和湖南省农业生产特点,以《2006年指南》为主要参考,结合田云[2,22]等基于投入视角的农地碳排放测算研究,确定农业生产碳排放源包括: 稻田、化肥、农药、农膜、牲畜活动。由于农业机械动力相关的碳排放已在能源消费碳排放核算中涵盖,为避免重复,此处不再涉及。构建农业物质投入碳排放核算公式为:

式中,A-C为碳排放; IFi为第i种农业生产要素投入; εi为第种农业生产要素碳排放系数。农药等农业生产要素碳排放系数参考美国橡树岭国家实验室等机构和学者的研究成果,见表2。

水稻生长过程中会释放大量甲烷,而甲烷是IPCC公布的六类温室气体之一。水稻是湖南省种植面积最大的农作物,因此核算湖南省农业生产碳排放需要考虑水稻生长的碳排放。Wang[23]、Cao[24]、Matthew[25]等学者测算了稻田甲烷排放系数,结果为0. 44g CH4/( m2·d) 、0. 44g CH4/ ( m2·d) 、0. 50g CH4/ ( m2·d) ,研究将三者 的算数平 均值作为 计算系数,即0.46g CH4/ ( m2·d) 。根据2007年IPCC第四次评估报告的相关内容,1单位甲烷与1单位二氧化碳温室效应比为25∶1,据此可确定甲烷与碳的转换系数为6.82,结合稻田甲烷排放系数,确定稻田碳排放系数为3. 136g C / ( m2·d) 。湖南省水稻生长周期为120—150天,研究选取平均值135天为计算标准。稻田碳排放计算公式为:

式中,R-C为稻田碳排放量; S为水稻播种面积。根据《2006年指南》第四卷第10章关于牲畜和粪便管理过程碳排放的相关论述,畜牧业尤其是诸如牛、羊等反刍动物生长过程中会产生大量的甲烷,具体而言包括肠道发酵和粪便管理两部分。参考田云[12]等学者的研究,我国畜牧业产生甲烷排放的主要牲畜品种有牛、马、驴、骡、猪、羊,以IPCC给出的排放系数为依据,运用上文所述的甲烷—碳转换系数,建立我国主要牲畜碳排放系数见表3。畜牧业碳排放计算公式为:

式中,L-C为畜牧业碳排量; Ni为第i种牲畜年饲养量; μi和υi分别是第i种牲畜的肠道发酵排放系数和粪便管理排放系数。

2. 3 废弃物碳排放核算

根据《2006年指南》第五卷有关废弃物的分类研究,温室气体排放源主要有四类: 固体废弃物生物处理、废弃物的焚化与露天燃烧、固体废弃物填埋处理、废水处理与排放,固体废弃物填埋处理( 即SWDS) 是废弃物温室气体的主要来源。固体废弃物被掩埋后,甲烷菌可使废弃物所含有机物分解产生甲烷气体。由前文可知,甲烷是主要温室气体之一,且产生的温室效应比二氧化碳强。据IPCC相关研究估计,全球每年约3% —4% 的温室气体来源于废弃物填埋处理产生的甲烷。《2006年指南》推荐使用一阶衰减法( FOD) ,一阶衰减法能获得更好的测算精度。根据《2006年指南》和渠慎宁[3]等学者的研究,本研究给出固体废弃物填埋处置产生甲烷量的一阶衰减法的估算公式:

固体废弃物中可分解的有机碳DDOCm:

式中,DDOCm为沉积的可分解DOC质量; W为沉积的废弃物质量; DOC为沉积年份的可降解有机碳占总质量的比例; DOCf为可分解的DOC比例; MCF为沉积年份有氧分解的CH4修正因子。

T年末SWDS累积的DDOCm:

T年末SWDS分解的DDOCm:

式中,T为清单年份; DDOCmaT为T年末SWDS累积的DDOCm; DDOCmaT - 1为T - 1年终时SWDS累积的DDOCm; DDOCmdT为T年沉积到SWDS的DDOCm; DDOCmdecompT为T年SWDS分解的DDOCm; k = ln( 2) /t1 /2/ a反应常量,a为年的单位,t1 /2为半衰期。

T年衰减DDOCm产生的CH4 - T:

式中,CH4 - T为可分解材料产生的CH4量; DDOCmdecompT为T年SWDS分解的DDOCm; F为产生的垃圾填埋气体中的CH4比例( 体积比例) ; 16 /12为CH4与C的分子量比率。

由上述分析可知,在不断分解产生甲烷的过程中,释放量将会逐年减少。此外,在废弃物覆盖层处氧化的甲烷应扣减掉产生后被回收的甲烷,最终T年由固体废弃物填埋排放甲烷量为:

式中,CH4 -O为T年排放的CH4量; CH4 -x,T为年第x类废弃物产生CH4量; RT为T年回收的CH4量; OXT为T年的氧化因子。

3 数据来源与处理说明

3. 1 数据来源

农业生产中涉及的水稻种植面积、化肥、农药、农膜数据来自2001—2011年《中国农村统计年鉴》和能源数据来自湖南省能源平衡表; 农业生产中各类牲畜数量来自历年《湖南省统计年鉴》; 工业废弃物和城市固体垃圾数据来自国研网统计数据库,确实部分运用插值法根据历年数据补充完整( 限于篇幅,方法介绍略) ; 土地利用数据来自国研网统计数据库,经济数据来自相关年份的《湖南省统计年鉴》,按2000年不变价格参与计算。

3. 2 处理说明

根据《土地利用现状分类》和赵荣钦等学者的研究,承载碳排放的土地利用类型包括耕地、牧草地、农村居民点用地、城镇居民点及工矿用地、交通水利和其他用地。研究将根据碳排放发生载体,本文将其分解到具体的用地类型,畜牧业按照食物来源将牲畜活动分属于耕地和牧草地,用地类型与碳排放源对应关系见表4。

4 结果分析

4. 1 碳排放总量与时序特征

根据上述公式,我们对湖南省的碳排放总量进行了测算,结果见表5。2011年湖南省碳排放总量为10377. 79万t,比2000年的3504. 60万t增长了196. 10% ,远低于同时期GDP增速( 500. 21% ) 。从碳排放来源分析,2011年湖南省碳排放的主要来源仍然是能源消费,占总量的95. 69% ,达9930. 06万t; 其次是畜牧业碳排放,占总量的2. 43% ,达2523. 01万t;种植业碳排放站总量的1. 78% ,达184. 76万t; 废弃物碳排放最少,仅为碳排放总量的0. 10% 。根据IPCC给出的《2006年指南》,全球能源消费占碳排放总量比例的平均水平为75% ,湖南省能源消费碳排放占比远高于参考值,说明湖南省的能源消耗量较大,节能减排的形势严峻。

本研究重点测算了湖南省2000—2011年的碳排放总量,通过分析其时序和结构变化特征探讨了湖南省新世纪初期经济发展对环境的影响。研究时序内湖南省碳排放逐年增加( 表5) ,且增速持续上升,年均增长率10. 37% ,低于GDP的年均增长率( 17. 69% ) 。湖南省碳排放的结构特征也发生了较大变化,2000年能源消费仅占碳排放总量的77. 29% ,随后逐年上升,直至2008年超过90% ,2011年达到总量的95. 69% ,能源消费对碳排放的影响逐渐增强,湖南省经济发展对能源消费的依赖日益突出,暴露了较为严重的经济发展质量问题。种植业碳排放占比逐年下降,比2000年降低了4. 12倍,对碳排放总量的影响逐渐变小。畜牧业碳排放在碳排放结构中处于第二位,2000占比高达13. 36% 。随着能源消费碳排放的迅猛增加和畜牧业自身的萎缩,畜牧业碳排放占比也逐年下降,比2000年降低了4. 50倍; 废弃物在总量中的比例一直较低,2000年占总量的0. 23% ,随后逐年下降,2011年仅为0. 10% 。

4. 2 土地承载结构特征与效应分析

根据以上有关土地承载碳排放来源的描述,本研究将2011年湖南省碳排放根据其土地承载的属性进行分解,并进一步计算结构特征与碳排放强度,以期从土地利用的视角分析碳排放的来源及减排路径,具体见表6。结果显示,城镇居民点及工矿用地是最大的碳排放源,总量达7781. 06万t,占总量的74. 98% ,且碳排放强度( 碳排放与土地面积的比值,t/hm2) 也最高,为263. 94; 交通水利及其他用地次之,碳排放强度为33. 41,碳排放占总量的11. 30% ,为1172. 40万t;其他用地类型的碳排放量较少,总计占比为13. 73% ;牧草地的碳排放总量虽然较少,但其强度较大,单位面积碳排放达32. 22t,是仅次于城镇居民点及工矿用地和交通水利及其他用地的碳排放土地承载类型。

5 结论与讨论

5. 1 结论

从2011年湖南省碳排放测算的结果可知,能源消费碳排放是碳排放的主要来源,其次是畜牧业、种植业和废弃物。能源消费的高碳排放与湖南省产业结构不合理、产能过剩、能源过度消费有着直接的关系。尤其是新世纪初期,忽视环境问题和对资源的过度消耗是造成碳排放居高不下的重要原因。湖南省节能减排形势严峻,为配合国家碳减排的重大目标,在后续发展中应着重从优化产业结构、转变经济发展方式、淘汰落后差能、创新能源利用技术、大力发展现代农业等方面着手。

研究时序内,湖南省碳排放总量逐年增加,且增速不断变快,碳排放结构中能源消耗碳排放占比逐年增加,说明湖南省在能源消耗方面存在浪费问题。畜牧业碳排放占比仅次于能源消耗碳排放,其次是种植业碳排放,废弃物碳排放最少。除能源消耗碳排放占比外,其他来源占总量的比例均逐年下降。能源消耗碳排放的迅猛增加与新世纪初期湖南省经济发展的特征有关,大量工业企业项目投入使用,产能过剩,造成了资源浪费,从而造成碳排放激增。在种植业方面,在研究时序内湖南省耕地种植面积没有明显增加,但碳排放却显著增加,这与近年来优越的农业政策有关。农业政策刺激农民积极种粮的同时也加重了农业物质的投入,如化肥、农药、薄膜等,这些都是农业碳排放的主要来源。畜牧业的碳排放降低与农业产业结构调整有很大关系,湖南省畜牧业萎缩,其产值在第一产业中的比重逐年下降,而技术创新等手段对畜牧业碳排放影响较小,因此碳排放量较最初降低。

城镇居民点及工矿用地是碳排放强度最大的用地类型,其次分别是交通水利及其他用地、牧草地、农村居民点用地、耕地,城镇居民点及工矿用地集约利用度高,人口密集,且承载了主要的能源消耗碳排放,因此其碳排放强度较高。通过土地承载碳排放效应分析,可为控制碳排放提供一条新路径。即通过调控土地结构控制碳排放增加,保护其他碳排放强度较低且综合效益较高的用地类型,如林地、草地、牧草地等。

5. 2 讨论

本研究根据IPCC给出的指南,从能源消费、种植业、畜牧业、废弃物四个方面测算了湖南省历年碳排放总量,研究不仅计算得到碳排放的具体值,还通过研究其结构、时序等的特征对湖南省在研究时序内的碳排放综合情况进行分析,得出的一系列结论对引导湖南省各类资源高效配置、合理调整产业结构、降低碳排放等具有重要的理论和实践意义。根据对湖南省碳排放的相关分析,以绿色增长为目标,研究提出以下建议:1优化产业结构,转变经济发展方式,大力实施节能减排计划,严控高污染高能耗的企业,提升第三产业在国民经济中的占比,淘汰落后产能。2创新能源利用技术,提高能源利用效率,大力推广新型能源,如风能、太阳能等。目前我国清洁能源占能源消费总量的比例比发达国家低,且清洁能源可再生、对环境的影响较小,符合绿色增长的要求。3不断推进农业科技创新,严格控制农业物质过量投入,建立农田保护机制,加强农民培训,提升农民的耕地保护意识。4研发新技术,合理利用工业废弃物和城市生活垃圾,分类处理废弃物,降低填埋处置的比例。

限于研究水平,本研究仅测度了湖南省的碳排放总量并进行了初步分析,研究还有待深入: 1将碳排放与经济发展相联系,探讨碳排放与经济发展的脱钩特征; 2运用投入产出的效率理论分析湖南省碳排放的全要素效率变化与改善; 3节能减排与产业结构的互动机制研究; 4碳排放引导土地利用结构合理调整。

摘要：碳排放引起的温室效应给全球环境带来了巨大威胁,测算碳排放总量并分析相关效应是实现碳减排的重要工作。分析了湖南省历年碳排放结构和总量变化特征,根据土地承载与碳排放的对应关系研究不同土地利用类型的碳排放强度与结构特征。结果显示,湖南省碳排放持续增加且增速不断加快,城镇居民点及工矿用地是承载碳排放最多的用地类型。因此,湖南省应着重从产业结构优化、推广新能源、创新农业科技等方面减少碳排放,推动绿色增长。

科学排放 第4篇

黄磷工业必须走新型工业化道路

黄磷工业是重要基础工业, 在国民经济中占有重要的地位。目前世界黄磷生产能力约为200万吨/年, 我国现有黄磷生产企业100多家, 2006年黄磷产量80万吨, 产品产量和市场占有率居世界第一位, 已成为颇有竞争力的民族工业。

据专家介绍, 黄磷工业属高能耗、污染较大行业, 目前国内外普遍采用电炉法生产, 且电炉向大型化发展。由于黄磷电炉尾气成分的特殊性和技术水平等原因, 我国黄磷生产企业综合利用水平较低, 大量的炉气在燃烧后排放, 污染比较严重。2005年我国黄磷生产量78万吨, 尾气年排放量约21亿立方米。其中CO含量在90%左右, 但由于尾气中含多种形态的硫化物、磷化物、氟化物及砷化物等杂质, 使尾气综合利用受到限制。相当一部分的黄磷生产企业尾气未能有效利用, 直接燃烧排放。仅此每年由尾气排放的CO2就达450～500万吨, 颗粒物约0.1～0.2万吨、硫化物约0.2～1.3万吨 (以SO2计为0.4～2.7万吨) 、氟化物0.03～0.3万吨, 对环境造成较大影响。

环境保护部科技标准司有关负责人指出, 要实现整个社会的和谐发展, 我国黄磷工业就必须走新型工业化道路, 必须实施可持续发展战略。我国黄磷工业未来的发展必须抓住两个方面:一是根据国家新出台的产业政策和相关技术政策实施技术改造和结构调整, 二是严格控制污染物排放、大幅度削减污染物排放量。

为实现黄磷行业节能减排迫切需要有针对性的排放标准

当前, 黄磷工业的污染物排放对环境的影响较为严重, 降低和减轻污染是摆在黄磷生产企业面前紧迫而艰巨的任务, 这对完成《国家环境保护“十一五”计划》任务和推进化工污染防治工作深入开展意义重大。面对严峻的环境污染形势和国家日益严格的环保法律法规要求, 黄磷生产企业也要求制定具有较强针对性的污染物排放标准, 规范企业的生产和管理。

目前黄磷行业废水废气排放仍在执行《污水综合排放标准》、《大气污染物综合排放标准》和《工业炉窑大气污染物排放标准》, 这对黄磷生产的针对性不强, 不能反映黄磷行业生产的特殊性。为实现黄磷行业节能减排的目标, 加速现有企业的技术改造, 淘汰一批技术水平低、装置规模小、原材料消耗高、能耗高、污染严重的企业, 同时严格控制新建装置污染物的排放量, 制定一个切实可行、具有一定先进性、经济技术上合理的《黄磷工业污染物排放标准》是十分必要的, 时机也已成熟。有利于提高行业环保水平, 对实现行业可持续发展具有重要意义。

《黄磷工业污染物排放标准》制定的有关负责人介绍说, 本标准主要适用于电炉法生产黄磷企业和黄磷下游企业使用的熔磷、输磷过程。适用于黄磷生产和黄磷使用中的熔磷、输磷过程的新建项目环境影响评价、设计、竣工验收及其建成投产后的污染物排放管理;达到要求高度的排气筒, 规定了黄磷工业生产企业以及黄磷使用企业的输磷和熔磷过程水和大气污染物排放限值、监测和监控要求。

黄磷生产中产生的废气主要有:黄磷尾气、烘干原料产生的废气、烧结磷矿产生的废气及无组织排放的气体。黄磷生产大气污染物较一般工业炉窑大气污染物成份复杂, 其中主要有颗粒物、气态总磷、硫化物、氟化物和气态砷化物等污染物, 其中仅颗粒物和硫化物有现行的国家标准, 而氟化物、气态总磷和气态砷化物没有现行国家标准。导致一些企业对尾气不治理、不利用直接燃烧排放, 污染了环境, 挫伤了积极处理尾气的企业进一步治理和利用尾气的积极性, 影响了行业整体技术进步。本标准对黄磷污染物排放有了明确的规定, 对黄磷尾气未加利用、直接燃烧排放的企业是一个叫停的信号。

标准制定有关负责人强调, 自本标准实施之日起, 黄磷工业生产以及使用企业的输磷和熔磷过程中水和大气污染物排放控制按本标准的规定执行, 不再执行《污水综合排放标准》和《大气污染物综合排放标准》中的相关规定。黄磷工业企业排放恶臭污染物、环境噪声适用相应的国家污染物排放标准, 产生固体废物的鉴别、处理和处置适用国家固体废物污染物控制标准。这些都进一步规范了企业行为, 要求提高企业生产水平、减少对环境的负面影响。

节能降耗和废弃物循环利用是重要课题

对于黄磷企业而言, 节能降耗和废弃物循环利用是未来的重要课题。国内黄磷多在能源和资源相对集中的地区生产, 且生产企业不断向矿电磷结合、装置规模大型化、与下游产品相结合, 走综合利用循环经济的发展模式。搞好综合利用是黄磷行业今后发展的必然趋势, 今后黄磷生产企业不能仅仅依靠卖产品取得利润, 更重要的是要从尾气、磷铁、磷泥、磷渣的综合利用上取得效益。

2007年由环境保护部开展的全国污染源普查产排污系数调查中, 利用黄磷尾气作热源或生产甲酸钠的企业, 均产生一定的经济效益, 特别是利用黄磷尾气生产甲酸钠经济效益十分明显。据调查, 黄磷尾气利用作热源可使企业每吨黄磷降低生产成本1300～1400元, 用作生产甲酸钠可使企业黄磷生产成本降低2200～2400元。

黄磷尾气达到本标准新建企业的限值, 使尾气中的CO得到充分的利用, 就能达到减排、降低污染、节能、降耗, 企业增值, 企业效益提高、社会及环境效益得到改善。

生产1吨黄磷产生2500～3000Nm3的尾气, 如果达到标准要求, 黄磷尾气利用率从现有标准提高到新建企业标准, 全行业全年可节能折标煤约88万吨, 减排CO2336万吨, 减排SO24000吨, 减排氟化物200吨, 减少P2O5排放量4000吨。年产1万吨黄磷的装置其尾气利用可配套年产5万吨甲酸钠的生产装置。按国内黄磷年产量75万吨计, 如果其中80%尾气用于生产甲酸钠, 则年可生产甲酸钠300万吨。其年可新增销售收入57亿元, 全行业年新增利税9.6亿元, 全行业新增利润6.3亿元。如果尾气经深度净化生产二甲醚、碳酸二甲酯、甲酸或其它高附加值碳一化学品则其经济效益还会成倍增加。

体现了执行标准的渐进性

根据我国黄磷行业生产和黄磷使用过程中污染物排放现状, 结合黄磷市场实际情况, 为促进我国黄磷行业的发展和结构调整, 标准在时段划分上对新、老黄磷企业区别对待。以环境影响报告书批复日期为基准, 本标准实施之日前的现有企业, 执行现有企业污染物排放限值;新、改、扩建和在建企业执行新建企业的污染物排放限值标准;自2010年10月1日起无论是现有企业, 还是新、改、扩建企业都要执行新建企业的污染物排放限值标准, 这样给了现有企业较为充裕的技术更新、改造、提升的过渡时间, 同时也体现了执行标准的渐进性。

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科学排放 第5篇

长期以来, 国内外的排放测试均是通过稳态工作过程获得排放数据来进行分析的。然而当汽车处于起动、加速、减速等转速和负荷急剧变化的瞬态工况, 此时燃油供给和空气供给的速率均在瞬时变化, 有害排放因子的某些成分 (如HC) 将明显变化, 因此在稳态工况下测得的排放数据并不能真正反映发动机的排放污染水平。国内外相关学者都在积极探求对各种发动机的有害排放因子进行实时动态检测的方法, 并取得了一系列的进展。这些方法按照测试手段不同可分为间接测量和直接测量。

将稳态时所用的常规分析仪器用于瞬态过程测试时, 由于管道流动阻力和测量机理的限制, 所测信号与实际排放的变化规律有较大的时间滞后和幅值畸变。在没有快速响应废气分析仪的情况下, MC-CLURE B提出采用数学方法对常规分析仪测量结果进行修正处理, 用间接方法得到瞬态排放值[1]。张雨提出了汽油机瞬态排放特征分析的研究思路, 基于频率响应理论分析了间接检测时瞬态排放信号畸变的原因, 进行了五组份排放分析仪瞬态检测性能对比实验, 给出了五组份排放分析仪瞬态检测误差的修正思路[2]。

由于测试仪器的精度变得越来越高, 瞬态排放直接测试成为现实。世界各国在传统设备的基础上开发了许多新的检测仪器。具有代表性的设备有:可移动的四极质谱仪、用于测量CO2和CO浓度的f CO2探头、新型FID和测量颗粒物的DMS系统等。但这些装置均为大型实验设备, 不利于推广。研究机构在没有瞬态排放分析仪的条件下, 应当充分利用现有的分析仪器, 采用数学方法对常规分析仪测量结果进行修正处理, 用间接方法得到较合理的瞬态工况排放值。

汽车瞬态排放测试法可以更为准确地模拟车辆实际的工作状况, 更客观公正的判断车辆的排放状态, 为城市污染物总量控制提供了科学依据。但瞬态排放测试设备相对于稳态排放测试设备而言, 价格昂贵、不方便移动。对于同样不方便移动的工矿企业的汽油机而言, 利用这种设备测试显然不可行。而常规排放分析仪具有价格低廉、社会保有量大和方便移动等优点。所以开发常规排放分析仪用于瞬态排放测试具有十分重要的社会价值。

1VMAS系统及AVL排放分析仪介绍

轻型点燃式发动机汽车简易瞬态工况污染物排放检测系统简称为“VMAS系统”。它是基于轻型车 (总质量为3 500 kg以下的M、N类车辆) 有害排放因子质量的测试系统。实验时用的VMAS检测系统由底盘测功机、五气体分析仪、流量计、计算机控制系统、空气压缩机、冷却风机、司机助手仪、安全装置等设备组成。AVL Di Gas 4000 Light五组份排放分析仪由排气取样装置、红外气体分析传感器、微电脑数据采样和数据处理器、微型打印机及串行通讯装置等构成。可以测量CO、HC、CO2、O2、NOX、过量空气系数等参数, 加装传感器后还可以测量发动机转速和曲轴箱油温等参数。

1.1VMAS系统测试原理及测量计算过程

VMAS系统在测试时由测功机来模拟汽车的加速惯量和道路行驶阻力, 使汽车产生接近实际行驶时的排放量。通过专用汽车排气 (五气) 分析仪和汽车排气流量仪, 测量汽车排出原始气体氧气的浓度和混合稀释气体氧气的浓度。计算稀释前后稀释气体的稀释比, 可以得到汽车排气实际流量。再利用气体状态方程式计算出汽油车尾气中NOx、CO、HC单位时间 (路程) 内质量 (检测结果为g/km) 。

将汽车排放分析仪取样探头插进汽油车排气管内, 抽取汽车排出气体的原始气体, 测出汽车排出的原始气体CO、CO2、HC、NO、O2的浓度值C1、C2、C3、C4、C5。利用风机通过气体采集软管, 将汽油车排出全部剩余气体 (除去进入汽车排放分析仪的尾气) 和空气混合气全部被抽进流量测量气管, 测出混合气体瞬间流量、温度、压力、稀释氧浓度Vmix、Tmix、pmix、C'5。利用环境氧浓度C''5、汽油车排出气体中原始氧气浓度C5和稀释氧气浓度C'5计算出气体的稀释比K。

利用公式 (2) 将被测气体流量转换成标准状态下的流量。

式中, VS是折合到标准状态下VMAS的流量, m3/min;Vmix是流量仪测量的气体流量, m3/min;pmix是VMAS测量的压力, Pa;P0是标准大气压;Tmix是VMAS测量的温度, ℃;T0是标准状态下的温度。

利用公式 (3) 计算标准状态下汽油车排气的流量Vse。

式中, Vs是标准状态下汽车排气流量, m3/min;V1是被分流到汽车排放分析仪气体流量, m3/min;P1是红外检测平台测量的压力, Pa;T1是红外检测平台测量的温度, ℃。

利用公式 (4) 计算HC、NO2单位时间的质量。

式中, Mt是单位时间的气体质量, mg/s;C是排气HC或NO2的浓度, 10-6;μ为1摩尔数气体质量, g/mol (HC:86 g/mol, NO2:, 46 g/mol) ;R是普适气体恒量, 值为8.31 Jmol-1K-1。在计算CO、CO2单位时间的质量时仍然用公式 (4) 但某些量的值或单位发生变化。最后根据VMAS系统测量出来的各种气体单位时间内瞬间质量经过积分并计算出汽车每公里排气总量[3]。

1.2 AVL五组份排放分析仪的测量原理

AVL Di Gas 4000 Light五组份排放分析仪采用不分光红外测量原理。其原理是基于大多数非对称的多原子气体 (除了单原子气体和相同原子的双原子如H2、O2、N2外) 具有吸收红外光的特性, 不同气体在红外波谱带内都有其特定波长的吸收带, 吸收辐射的程度与被测气体的浓度有关。

该排放分析仪包括两个相同的红外光源, 发出的红外辐射通过光栅盘调制成一定频率的光信号, 并分别穿过分析室与比较室。比较室内充满对红外光线不吸收的惰性气体 (通常为N2) , 在分析室内则通过被测气体。分析室内的被测气体吸收了相应的红外光能, 造成从比较室和分析室射出的红外光束能量有差别, 此光束进入用膜片隔成的两半的检测室, 此检测室的两个腔内充满纯净的被测成分气体, 膜片和极板构成一个可变容器, 其电容量与其间的距离成比例变化。由于两光束辐射能量已不相等, 气体受热膨胀产生的压力不等, 使膜片变形导致电容量发生变化, 这一变化经放大器放大并经整流得到直流信号送给仪表。被测气体浓度大, 电容量变化愈大, 输出信号愈大。

2总体实验方案及实验结果分析

2.1实验方案和试验车辆主要参数

首先建立两种测试系统, 一种是淄博市机动车排放污染物检测中心的VMAS检测系统, 另一种是直接用AVL Di Gas 4000 Light排放分析仪进行测量的检测系统。然后按现行国家标准GB18285-2005的测量技术中要求的简易瞬态循环工况同时对同一搭载电喷汽油机的试验车辆进行测试。为减少测量误差进行三次实验, 取平均值进行分析。

实验车辆是型号为SVW7180Cei的桑塔纳第一类轻型汽车。生产日期为2003年7月, 登记日期为2003年8月, 实验前行驶里程为250 000公里, 车辆识别码为LSVAF033632189011。发动机是型号为AFE的4缸汽油机, 采用电喷供油、自然吸气, 尾气排量1.8 L。驱动方式为前驱, 手动方式换挡。

2.2实验过程和数据的记录、处理与分析

实验过程是: (1) 对分析仪预热、设置, 对测功机预热, 对实验车辆进行检查。 (2) 起动实验车辆, 使车辆驱动轮停在转鼓上。 (3) 采用直接采样法, 将两种测试系统的采样探头并排插入汽车排气管内400 mm左右。 (4) 按照GB18285-2005中的瞬态工况运转循环进行实验。同步对AVL排放分析仪的数据单独记录。

实验结束后VMAS系统可以输出测量结果和检测报告。整个测试时间为195 s, 得到195组排放因子的数据。用AVL排放分析仪测量的数据不能直接得到。实验时先用摄相机拍摄AVL分析仪屏幕上显示的数据, 然后再每隔一秒对拍摄的视频进行一次截图, 最终也得到195组数据。由于篇幅有限, 本文选取五种排放因子中CO测量结果进行分析。其余排放因子的分析方法与CO的分析方法相同。用两种测试系统测得的CO浓度值结果对比如图1。图中VMAS (CO) 和AVL (CO) 分别指用VMAS系统和AVL排放分析仪测量的CO浓度值。

根据文献[4]对AVL排放分析仪特性分析可知, 由于仪器本身的原因会使AVL排放分析仪测得的数据与实际情况相比会产生时延和幅值畸变。从图1可以看出用AVL测试的结果比用VMAS测试的结果滞后一段时间, 幅值相比也发生了变化, 可知本次实验是比较成功的。

2.3 AVL分析仪用于现行法规测试可行性

VMAS系统检测的CO浓度值为3.35 g/km, 法规限值为9.20 g/km。由公式 (1) 到 (4) 可知, VMAS系统的测量计算过程实际上是对原始测量数据进行运算处理, 利用AVL测量的数据也可以得出单位里程CO的质量。

当用两种测试系统进行测试时, 以VMAS系统测试的数据为基准, 用AVL排放分析仪测试时的误差E定义为公式 (5) 。

即用AVL所有测试值的和减去用VMAS所有测试值的和然后再比上用VMAS所有测试值的和。将本次实验的数据代入公式 (5) , 得到以下结果。

用VMAS系统的检测结果乘以1+E时, 值为4.02 g/km, 远低于法规规定的9.20 g/km的限值。另外, 当实验中的两种测试系统按简易瞬态工况法进行测试时, 两种测量结果差别较大的地方主要是在汽油机工作在瞬态工况时。而简易瞬态工况法中瞬态工况 (包括加速和减速工况) 只占整个测试时间的31.3%。所以, 按整个测试时间计算单位时间有害排放因子质量时, 差别不会很大。即将AVL测量的数据直接用于现行法规测试是可行的。为了使AVL排放分析仪能更好的用于瞬态排放测试, 该研究对其瞬态测量结果进行了进一步修正。

3 AVL排放分析仪瞬态测量结果误差修正

3.1基于实验法的时延误差修正

在实际的城市道路行驶模拟实验过程中, 采样管连续的取出样气送往排放分析仪。由于汽车排气在管道中传递以及实验装置的响应滞后, 汽车排放信号与试验工况之间存在明显的时延。考虑时延的影响并进行相应的修正处理是排放测试结果再现实际排放的必要条件。而未经时延修正的实验数据, 当要求排放测试数据与工况点严格对应时就毫无意义[5]。可以根据实验本身确定时延, 在某些交界点处, 由于汽车负荷发生突然变化, 导致排放因子的浓度也发生变化。通过特殊交界点可确定AVL排放分析仪相对于VMAS系统的时间延迟。

选取实验中怠速加速等速组合工况, 测试时间从第117~155 s。根据实验数据可以得到此时间段两种系统测量结果的对比如图2。由图2 (a) 可知用AVL分析仪进行测试将比用VMAS系统进行测试时在时间上滞后约3 s。按照以上延时时间对图2 (a) 进行修正得图2 (b) 。

由图2 (b) , 可知, 经时延修正后的AVL测量数据与用VMAS系统测量数据在时间上吻合较好。

3.2基于偏最小二乘法的幅值修正模型

文献[4]在对AVL排放分析仪瞬态测量结果进行幅值修正时, 是基于分析仪内部结构建立物理模型来分析仪器特性, 然后对测量结果逐点修正。建模过程复杂, 忽略影响因素较多, 实用性较差。本研究提出的方法不考虑仪器内部结构, 只让AVL测量结果尽可能逼近VMAS测量结果且不失其线性性质。在进行修正时可以采用高次方函数对测量结果进行拟合, 逐步增加高次方函数的幂次, 用最小二乘法 (least squares, LS) 进行多元线性回归分析[6]。但随着高次方函数幂次的增加, 虽然样本点的拟合偏差减小, 但由于样本点测量本身具有测量误差及高次方函数的高自相关性, 幂次过高会把样本误差当做真实数据而出现过度拟合的状况, 出现分析仪显示的数据与实际物理参数偏差过大的现象。S.Wold和C.Albano等[7]提出偏最小二乘回归法 (partial least squares, PLS) , 它是一种新型的多元统计数据分析方法。

3.2.1单因变量偏最小二乘法回归的建模方法

设有自变量集合x= (x1, x2, xp) 及因变量y, 因各变量量纲不同, 因此把x、y转化为中心标准化变量X、Y。此时, 各变量成为均值为0, 方差为1的量纲一变量, 方便了物理量之间的比较分析。偏最小二乘回归分析的方法是首先在自变量集合X中提取一个主变量成分t1, 它一方面可以尽可能多的概括自变量集合X中的信息, 另一方面它与因变量Y的相关性可以达到最大值, 即要满足公式 (6) 。

式中, t1=Xw1, 被称为PLS第一主成分;‖w1‖2=1。w1是矩阵XTYYTX的最大特征值λ1的标准特征矢量, 被称为第一主轴;Cov (Y, t1) 是Y与t1的协方差;Var (t1) 是t1的方差;r (t1, Y) 是t1与Y的相关系数。

用拉格朗日算法求解该问题的最优解。分别做X、Y关于t1的普通线性回归, 则

回归系数:

式中, X1、Y1为回归残差矩阵。以X1、Y1取代X、Y重复上述步骤提取第二个PLS成分t2, 重复提取m个PLS成分t1, t2, tm。已经证明t1, t2, tm之间正交, 实现了把相关变量集合X变换为独立变量的目的。最后分别建立X, Y对t1, t2, tm的PLS模型。

由于t1, t2, tm均为x1, x2, xp的线性组合, 所以Y也可写成x1, x2, xp的线性组合。这里x1, x2, xp为x的标准化变量, 标准化方程为:

转化为实际参数方程:

从以上建模过程看出, PLS实质上就是从线性相关的自变量集合中顺序提取若干线性无关的自变量, 这些变量最大程度上代表自变量与因变量相关的信息, 再用LS方法进行多元线性回归分析。对于以高次方函数回归的单因变量模型

令x1=x, x2=x2, xm=xm, 则公式 (14) 转化为:

在PLS建模过程中, 提取成分数越高, 从自变量集合中能够提取更多的自变量信息;但成分数过高将提取自变量集合中的干扰信息, 使得模型的可靠性降低。所以PLS回归分析往往只需提取前面k个成分t1, t2, tk就可以得到一个稳定和可靠的模型, 对于PLS成分数如何来确定, 既要保证所提取的成分对系统解释能力最强, 又要克服变量之间的多重共线性关系, 我们采用国外广泛应用的交互检验 (CV, Cross Validation) 方法来确定。

交互检验是先构造统计量预测误差平方和 (PRESS, Prediction Residual Error Sum of Squares) , 然后求使其达到最小的成分数k即为所求。一般而言, 随着k越大, PRESS会有所减小, 当减小不明显或增加时, 再增加成分个数将造成过度拟合, 虽然拟合偏差可能减小, 但预测偏差可能增加。所以应以PRESS最小或接近最小为最佳成分数的判断原则。

3.2.2 AVL排放分析仪的线性化模型

一般采用高次方函数逐次拟合时, 函数不超过四阶。为寻求最佳的预测效果, 分别以1阶、2阶、3阶和4阶高次方函数进行回归分析。将VMAS系统测得的第128~132 s (此时间段实验车辆处于减速阶段) 的CO浓度值作为因变量y, 将AVL排放分析仪测量的CO浓度值经过时延修正, 然后选取同一时间段的数据作为其中一个自变量x, 将x2, x3, x4作为其它自变量。x, y的数值如表1。

从表2可知自变量之间存在着强烈的相关性, 而理论上用LS多元线性回归时要求自变量之间是线性无关的。从而说明选择PLS建模的优越性。

SPSS软件安装pls插件后可以对数据进行PLS回归分析, 并能得到参数表和回归系数, 使用时操作方便。首先将自变量和因变量数据录入SPSS中的数据编辑器中, 然后就可以对其进行PLS分析。选择不同成分数和自变量数分别对其进行PLS分析时, SPSS返回表3。

由成分数的确定方法和比较表3中的数据可知当选取变量为x, x2, x3, 成分数为2时, 得到的PLS回归模型是最优的。此时, 转化为实际参数后的回归方程为 (16) 。

3.2.3 AVL排放分析仪回归模型的精度分析

常英杰等在分析线性回归时比较了PLS回归模型、普通最小二乘回归多项式模型和切比雪夫多项式模型的预测精度。得出前者比后两者预测精度分别提高29.1%~35.1%和23.5%~39.3%[8]。

y2与y1一次拟合后回归方程是:

方程 (17) 的斜率为0.999 62, 两者的相关系数为1.000, 表明回归模型 (16) 预测CO浓度值与VMAS系统测量CO浓度值吻合的非常好。

4结语

通过对实验数据结果的分析研究可知, 对用AVL分析仪测得的瞬态过程排放因子数据进行时延和幅值修正后, 其结果与VMAS系统得到的实验数据吻合很好 (两者一次拟合后得到方程的斜率为0.99962) 。提出的基于实验法的时延修正方法和基于PLS方法建立的幅值修正模型形式简单、实用性强、物理意义明确、精度高。利用整套方法修正后的排放因子数据完全可以用于现行国家标准下的汽油车瞬态排放测试。该研究拓展了AVL分析仪的应用空间, 具有较高的应用价值和推广前景。同时也为AVL分析仪用于汽油机瞬态排放的测试提供了实验和理论依据。

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