生物柴油3E分析及汽车污染物扩散研究

摘要

随着我国经济的快速发展，汽车的保有量急速上升，高速增长的汽车保有量，在给人类带来经济繁荣和交通便利的同时，消耗着地球上有限的化石燃料并带来了不可忽视的城市大气污染，石油短缺和环境排放已经成为当前急需解决的两大难题。以此为依据，本文选择可再生能源生物柴油的生命周期分析以及城市街道峡谷内机动车排放污染物扩散特征作为研究对象。 第一部分研究车用生物柴油的能耗、排放及经济性研究，选择了两种不同原料制备的生物柴油，建立了适合我国国情的生物柴油全生命周期一次能源消耗和环境排放模型，分析我国生物柴油的全生命周期一次能源消耗、标准排放物和温室气体排放数量，将结果与柴油路线进行了对比，并对此两种不同原料制备的生物柴油进行了经济性评价。得到以下结论： (1)生物柴油全生命周期的总能耗只有柴油路线总能耗的38.6％，一次能源原煤、石油和天然消耗比例依次约75％、22％和3％，与我国一次能源消耗结构相似，非常适合我国国情；石油消耗只有柴油路线的8.8％，从一定程度上可以缓解我国对外的石油依赖程度，对于我国这样一个煤炭大国的能源安全问题具有重要意义。 (2)从各个阶段的能耗分析，生物柴油车辆运行阶段的化石能源消耗为零，其主要的能源消耗集中在燃料制取和原料生产阶段；原料生产阶段的能耗约为柴油的65.1％，燃料制取阶段是柴油的2.15倍，主要是其制取过程消耗的辅料和工艺燃料较多，能源转换效率较低造成的。 (3)从环境排放角度分析，生物柴油在原料种植过程中的CO2负排放大大降低了温室气体排放，麻疯树籽油和菜籽油制生物柴油与柴油路线相比，CO2排放分别下降了57.5％和48.0％；能源结构中原煤代替石油占据了主导，SO2排放小幅增加，CO排放下降了39.7％，PM基本不变；VOC、NOx和PM10等排放在车辆运行阶段的影响有所下降，集中到了上游阶段的燃料制取。 (4)从经济性角度分析，菜籽油制生物柴油的产业化发展已经具备了经济性基础，而麻疯树籽油制生物柴油的规模化生产，尚需要一段时间的推广与成本降低方面的研究：菜籽油制与麻疯树籽油制生物柴油项目的产品成本对原材料的价格都最为敏感：燃油税政策的实施将会对生物柴油的盈利性产生积极影响。 第二部分研究热效应对街道峡谷内气流运动与污染物传输影响，选择几种典型街道峡谷结构(IRF、WIF和SF)，结合热效应研究这几种街道峡谷结构在不同的表面受热情景(例如街道峡谷底部受热、底部和建筑物一侧壁面受热以及底部和建筑物两侧均受热等情景)下街道峡谷内气流运动以及污染物扩散特征，并将气流交换率(AirExchangeRate)AER的概念用于街道峡谷气流运动特征的研究。得出以下结论： (1)日光照射建筑物壁面或街道地面时，壁面附近的空气与街道峡谷内空气形成温差，温差产生很强的浮升力影响街道峡谷内的气流运动以及污染物扩散特征。SF(H/W=1和2)结构：H/W=1，街道峡谷内的顺时针漩涡被分裂为两个方向相反并列存在的漩涡结构；街道峡谷迎风面污染物浓度较高。H/W=2时，背风面和地面同时受热时，街道峡谷内流场结构为稳定的单漩涡结构，污染物在迎风面产生积累；其余受热条件下街道峡谷内度形成复杂的多漩涡结构，背风面污染物浓度高于迎风面，漩涡分离的位置湍动能较大。 (2)随着街道峡谷高宽比的减小，地面受热对于街道峡谷内气流运动以及污染物扩散特征影响愈加显著。WIF(H/W=0.5)结构时，峡谷内主漩涡扩张并挤压背风面一侧较弱漩涡直至消失，迎风面和地面受热以及三个表面同时受热时，街道峡谷内流场结构是迎风面一个扩张的小漩涡以及一个被挤压变形的主漩涡；峡谷内背风面附近污染物浓度较高。IRF(H/W=0.1)结构时，峡谷内靠近背风面一侧形成一个大的漩涡结构；污染物扩散表现出向迎风面一侧以及向上同时扩散的特征，街道峡谷内的污染物浓度分布为峡谷中间区域较大。 (3)H/W=1，接到地面受热时，街道峡谷内外气流交换率AER随着受热强度的增强而增加，随着Re数的增加而减小：垂直方向速度的脉动产生的气流交换率AERw.大于平均垂直速度产生的气流交换率AERw，二者之间的差别随着受热强度的增强而减小；AER和Gr/Re2之间的函数关系是Y=aX2+bX+c形式的二次多项式，这里a=-0.0001.，6=0.0117，c=0.0748。 (4)不同结构街道峡谷，H/W=1时街道峡谷气流交换率最小；H/W=2结构街道峡谷，背风面受热和迎风面受热两种条件下总的气流交换率几乎相同；H/W=0.5时，地面受热和背风面受热条件下AER,分量较大，但迎风面受热则不同，AERw.分量较大；H/W=0.1时，尤其是地面受热条件下的AER，几乎是,背风面和迎风面后热条件下的2到3倍，三种表面受热时，街道峡谷气流交换率AERw.分量较大；随着街道加宽，地面受热对街道峡谷气流运动影响越加显著，气流交换率AER增大。 综上所述，生物柴油的全生命周期分析表明，生命柴油不仅能够改善污染状况，而且能显著地减少石油的消耗，有效降低我国对进口石油的依赖，缓解能源供应、确保能源安全和减少温室气体排放。热效应对街道峡谷内气流运动与污染物传输影响研究结果为城市街道峡谷内气流运动特征及污染物的局部空间分布特征预测提供更加准确的方法，同时为城市大气污染监测、城市道路建设以及交通流量的控制提供了基础和依据，可广泛用于城市道路与建筑系统的规划、城市机动车大气环境质量检测与评价、交通控制系统优化等。

目录

文摘

英文文摘

第一部车用生物柴油的能耗、排放及经济性研究

第一章绪论

1.1引言

1.2生物柴油的研究和应用现状

1.3生命周期评价语相关研究进展

1.4主要研究内容

第二章生物柴油的生命周期能源消耗与环境排放分析模型

2.1系统以及相关分析指标的建立

2.2全生命周期各阶段的能耗及排放计算方法

2.3本章小结

第三章生物柴油生命周期上游的能源消耗与环境排放分析

3.1基础数据

3.2能源开采环节分析

3.3能源运输环节分析

3.4工艺燃料子系统分析

3.5生物柴油生产环节分析

3.6生物柴油生命周期上游阶段分析

3.7本章小结

第四章生物柴油全生命周期分析

4.1车辆运行阶段的能源消耗与环境排放

4.2全生命周期能源消耗与环境排放

4.3本章小结

第五章生物柴油的经济性分析

5.1经济性分析简介

5.2基础数据

5.3生物柴油经济性分析

5.4本章小结

第六章总结与工作展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

第二部热效应对街道峡谷内气流运动与污染物传输影响研究

第一章绪论

1.1引言

1.2城市街道峡谷内污染物扩散的研究进展

1.3论文研究的意义及主要工作内容

第二章数值计算方法简介

2.1街道峡谷内气流运动及污染物扩散模型

2.2湍流模型的优选

2.4本章小结

第三章多表面受热对街道峡谷中气流运动以及污染物扩散的影响

3.1街道峡谷内表面受热对SF结构影响

3.2街道峡谷内表面受热对WIF结构影响

3.3街道峡谷内表面受热对IRF结构影响

3.4本章小结

第四章街道峡谷内气流交换率研究

4.1气流交换率计算方法简介

4.2气流交换率影响因素分析

4.3气流交换率分析

4.4不同结构街道峡谷气流交换率研究

4.5本章小结

第五章全文总结与工作展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

博士后在站期间发表的主要学术论文和参加科研项目

致谢