Nghiên cứu đề xuất xây dựng các chỉ tiêu về khí thải phương tiện giao thông đường sắt của Việt Nam

TS. ĐẶNG VIỆT HÀ Cục Đăng kiểm Việt Nam

TÓM TẮT: Đầu máy diesel và toa xe phát điện sử dụng trên đường sắt Việt Nam khi vận hành thải ra lượng khí thải, khói bụi khá lớn ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Hiện nay, ở Việt Nam chưa xây dựng được tiêu chuẩn, quy chuẩn khí thải của phương tiện giao thông đường sắt (PTGTĐS) để quản lý theo Luật Bảo vệ Môi trường. Bài báo trình bày kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ GTVT, Mã số DT164043 đã được nghiệm thu năm 2017 về phương pháp, tiêu chuẩn, chỉ tiêu đánh giá khí thải đối với đầu máy diesel và toa xe phát điện đang sử dụng trên đường sắt quốc gia Việt Nam. Sản phẩm nghiên cứu của đề tài là cơ sở để xây dựng và ban hành tiêu chuẩn khí thải đối với PTGTĐS tại Việt Nam trong thời gian tới.

TỪ KHÓA: Khí thải, phương tiện giao thông đường sắt.

Abstract: Diesel locomotives and generator cars running on Viet Nam railway emit large amounts of gases and particulate, affecting the environment and public health. Currently in Viet Nam, standards, technical regulation on railway vehicles emission according to Law of Environment have not been developed. This paper presents the outputs of the research project governed by Ministry of Transport, code DT164043 delivered in 2017 on the testing methods, standards and criterion for acceptance of on gases and particulate emissions of diesel locomotives and generator running on Viet Nam railway. The project’s output can serve as a basis for developing regulations, standards on railway vehicles’ emission in Viet Nam in the future.

KeywordS: Exhaust emission, railway vehicles.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, công tác bảo vệ môi trường được các nước trên thế giới hết sức quan tâm. Trong những năm gần đây, hầu như các lĩnh vực đều đã chú trọng thực hiện Luật Bảo vệ Môi trường, riêng đối với PTGTĐS Việt Nam đang sử dụng các loại đầu máy, toa xe phát điện, phương tiện chuyên dùng lắp động cơ diesel. Phương tiện được chế tạo từ nhiều nước trên thế giới, có thời gian sử dụng bình quân trên 20 năm, các phương tiện này thường xuyên hoạt động trên các tuyến đường đi qua khu dân cư và phát thải đáng kể một lượng khí thải làm ô nhiễm môi trường. Các văn bản QPPL đã có đề cập đến vấn đề này nhưng hiện nay chưa có các tiêu chuẩn, quy chuẩn quy định về độ phát thải khí xả trên PTGTĐS. Để xem xét, đánh giá về vấn đề này cần thiết phải thực hiện đề tài nghiên cứu, khảo sát đánh giá độ phát thải khí xả của PTGTĐS đối với môi trường làm căn cứ xây dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải PTGTĐS. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, lựa chọn phương án, khảo sát độ phát thải khí xả của các loại đầu máy diesel, toa xe phát điện tại đường sắt quốc gia Việt Nam, từ đó xây dựng, đề xuất các chỉ tiêu về khí thải khi kiểm tra PTGTĐS và lộ trình áp dụng.

2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu khảo sát là các PTGTĐS gồm các loại đầu máy, toa xe phát điện cụ thể sau:

- Đầu máy D19E của Trung Quốc;

- Đầu máy D18E của Bỉ;

- Đầu máy D13E của Ấn Độ;

- Đầu máy D12E của Tiệp Khắc;

- Đầu máy D9E của Mỹ;

- Đầu máy D19Er và D14Er;

- Toa xe CV-PĐ.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu về phát thải khí xả của PTGTĐS tại Việt Nam dựa trên kinh nghiệm trong công tác quản lý khí thải các phương tiện cơ giới đường bộ và kinh nghiệm quản lý các loại phương tiện giao thông của các nước trên thế giới. Việc nghiên cứu sử dụng các phương pháp sau để thực hiện:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu, tiêu chuẩn, quy định trong nước và quốc tế làm cơ sở lựa chọn phương pháp đo khí thải thích hợp cho PTGTĐS tại Việt Nam;

- Phương pháp khảo sát, đo khí thải thực tế trên các đối tượng là các loại đầu máy, toa xe đã xác định trong phạm vi nghiên cứu của đề tài trên mạng lưới đường sắt quốc gia Việt Nam;

- Phương pháp phân tích, đánh giá, lựa chọn: Căn cứ vào kết quả đo đạc khảo sát khí thải thực tế trên các loại đầu máy, toa xe, căn cứ vào các yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật của tiêu chuẩn nước ngoài để lựa chọn, đề xuất tiêu chuẩn chỉ tiêu kỹ thuật và phương pháp đo khí thải đối với PTGTĐS tại Việt Nam; đề xuất lộ trình xây dựng và thực hiện các tiêu chuẩn, quy chuẩn về khí thải PTGTĐS tại Việt Nam.

3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1. Nghiên cứu tổng quan về phát thải khí xả của phương tiện giao thông

3.1.1. Thực trạng PTGTĐS tại Việt Nam

Về PTGTĐS gồm đầu máy và toa xe với thời gian sử dụng tính đến năm 2015 có số lượng như biểu đồ Hình 3.1.

Hình 3.1: Số lượng PTGTĐS (Nguồn: Cục Đăng kiểm Việt Nam tính đến ngày 5/5/2016)

 Theo số liệu ở Hình 3.1 thì số phương tiện có thời gian sử dụng trên 30 năm chiếm số lượng khá lớn (từ 38% đến 72%).

Hình 3.2: Tỷ lệ các PTGTĐS theo thời gian sử dụng

Xuất xứ phương tiện được chế tạo từ nhiều nước như: Nga, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Rumani, Đức, Nhật Bản, Ấn Độ, Tiệp Khắc và Việt Nam.

Về tình trạng kỹ thuật:

Hiện có 291/392 đầu máy chế tạo theo công nghệ lạc hậu, tiêu tốn nhiên liệu, độ phát thải cao ảnh hưởng tới môi trường, hiệu quả kinh tế thấp. Một số đầu máy sử dụng công nghệ cũ có tỷ lệ sự cố cao về hệ thống điện, hệ thống hãm, giá chuyển hướng và động cơ. Số lượng toa xe phát điện hiện có 75 chiếc sử dụng 150 cụm động cơ - máy phát điện. Động cơ diesel sử dụng trên các toa xe trên gồm nhiều kiểu loại, công suất khác nhau và được chế tạo từ nhiều hãng trên thế giới như: Wilson P200, Wilson P300, Cummin, Caterpilar... Thời gian sử dụng của các cụm động cơ - máy phát điện trên toa xe đã trên 10 năm nên chất lượng động cơ diesel đã suy giảm, ảnh hưởng đến môi trường khi vận chuyển hành khách.

3.1.2. Kinh nghiệm của các nước về quản lý phát thải của phương tiện giao thông

Hiện nay, tiêu chuẩn khí thải phương tiện cơ giới có hiệu lực ở tất cả các quốc gia công nghiệp phát triển và được áp dụng ở nhiều nước đang phát triển, đặc biệt ở những nước tăng trưởng kinh tế nhanh làm gia tăng mật độ phương tiện giao thông và ô nhiễm không khí như ở Brazil, Chile, Mexico, Hàn Quốc, Thái Lan.

Nghiên cứu kinh nghiệm của các nước trên thế giới như: Mỹ, Nhật, châu Âu, Hàn Quốc, Trung Quốc, Ấn Độ, Singapore… về biện pháp quản lý nhà nước đối với khí thải phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt, đường biển cụ thể các phương tiện sau: Xe máy, ô tô, phương tiện nông nghiệp, đầu máy diesel, tàu biển…

Hầu hết các nước trên thế giới đã áp dụng hệ thống tiêu chuẩn Mỹ Tier0, Tier1, Tier2, Tier3, Tier4 hoặc hệ thống tiêu chuẩn châu Âu Euro1, Euro2, Euro3, Euro4, Euro5, Euro6. Đặc biệt, một số nước xây dựng tiêu chuẩn khí thải riêng như Ấn Độ, Trung Quốc, tuy nhiên vẫn dựa trên tiêu chuẩn châu Âu hoặc Mỹ [1].

3.1.3. Tiêu chuẩn của các nước về khí thải trên PTGTĐS

* Tiêu chuẩn Mỹ

Bảng 3.1. Tiêu chuẩn khí thải đầu máy Tier 0-2 (g/bhp-hr)[2]

Bảng 3.2. Tiêu chuẩn đo độ khói đầu máy (%HSU) [3]

* Tiêu chuẩn Hiệp hội Đường sắt quốc tế UIC

Bảng 3.3. Tiêu chuẩn khí thải của UIC đối với đầu máy diesel [3]

* Tiêu chuẩn của Ấn Độ

Bảng 3.4. Giá trị giới hạn quy định trong Tiêu chuẩn EPA Tier1, khí thải từ đầu máy ALCO [3]

Bảng 3.5. Khí thải từ đầu máy công nghệ mới đầu máy GM [3]

3.2. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp đo phát thải khí thải đầu máy, toa xe phát điện tại Việt Nam

3.2.1. Phương pháp đo khí thải

Việc thử nghiệm đánh giá phát thải khí xả còn được áp dụng các đầu máy sản xuất lắp ráp mới bằng thiết bị đo phát thải di động (PEMS). Mỗi đầu máy được lắp đặt thiết bị đo áp suất ống nạp, số vòng quay động cơ RPM, nhiệt độ khí nạp, nồng độ khí và hạt bụi (PM) được lựa chọn để đo. Những dữ liệu này được sử dụng để định lượng khí thải và lưu lượng nhiên liệu. Nồng độ khí thải của khí NOx, CO, CO2, HC và các hạt bụi (PM) được đo. Thiết bị PEMS thực hiện đo ở từng mức tay ga. Việc sử dụng thiết bị PEMS để đo được dữ liệu hữu ích đối với đầu máy và được đánh giá tại chỗ. PEMS có thể được dễ dàng lắp đặt để đo ở trạng thái tĩnh tại đường sắt nhà xưởng, sân ga. Thiết bị PEMS đã được áp dụng rộng rãi để đo lượng khí thải trong sử dụng của xe ô tô, xe tải và phương tiện khác. Thiết bị PEMS được sử dụng là hệ thống Montana OEM-2100 được sản xuất bởi Clean Air Technologies International.

Hệ thống Montana bao gồm hai bộ phân tích năm chất khí song song, dạng hạt bụi (PM), hệ thống đo lường gồm một cảm biến động cơ và một máy tính trên tàu.

Các chất khí ô nhiễm cần đo bao gồm HC, CO, CO2, NOx và hạt bụi PM sử dụng các phương pháp phát hiện sau đây:

- HC, CO, CO2 và sử dụng tia hồng ngoại không phân tán;

- NOx đo sử dụng tế bào điện hóa. Đối với động cơ diesel, NOx gồm khoảng 92% khối lượng;

- PM được đo bằng tán xạ ánh sáng laser.

Đối với phương tiện sử dụng động cơ diesel đặc biệt chú ý đến thông số khí thải NOx và hạt bụi (PM) hoặc độ khói (HSU) là yếu tố chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

3.2.2. Phương pháp đo độ khói

Việc kiểm tra phát thải của đầu máy vận hành được thực hiện đo độ khói tại các nơi bảo trì sửa chữa đầu máy (depot). Thiết bị đo độ khói di động kiểu hấp thụ ánh sáng (opacity) đã được sử dụng phổ biến cho việc đo độ khói trên đầu máy. Quy trình kiểm tra độ khói thực hiện trên đầu máy ở trạng thái ổn định thường được đo tại mỗi vị trí tay ga của đầu máy khi động cơ ở trạng thái đã được hâm nóng đầy đủ.

Việc đo độ khói dạng điện tử sử dụng thiết bị đo dựa trên nguyên lý cản ánh sáng là công nghệ phổ biến. Các thiết bị và quy trình phân tích chi tiết tại 40 CFR Phần 86 - Subpart I đối với động cơ diesel hạng nặng (thử nghiệm khói liên bang).

Tiêu chuẩn ISO 8178-3 được áp dụng phương pháp đo độ khói cho đầu máy diesel. Thực tế hiện nay, báo cáo đo độ khói là kết quả đo độ khói ở trạng thái ổn định (%HSU) tại mỗi mức tay ga ở chế độ không tải đến mức tay ga số 8 trên một động cơ đầu máy đã được hâm nóng đầy đủ.

Đối với đầu máy đang vận hành các nước thường kiểm tra độ khói khí thải theo phương pháp đo độ khói bằng dụng cụ đo kiểu hấp thụ ánh sáng. Vì vậy, lựa chọn phương pháp này để đo khảo sát độ phát thải khí xả của phương tiện đầu máy diesel và toa xe phát điện tại Việt Nam.

3.2.3. Thiết bị đo độ khói đầu máy

Là thiết bị đo di động smokemeter kiểu loại MDO2-LON do Đức sản xuất, nguyên lý làm việc dựa trên đo độ mờ do hấp thụ ánh sáng.

Thiết bị đo độ khói này phù hợp động cơ diesel của đầu máy, toa xe phát điện có tốc độ vòng quay trung tốc từ 500 rpm đến 1800 rpm, gia tốc chậm.

Hình vẽ sơ đồ dưới đây mô tả thiết bị đo độ khói dựa trên nguyên lý đo độ suy giảm ánh sáng hệ thống quang học của thiết bị.

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo độ khói

Thông số kỹ thuật như sau:

- Nguồn điện, hệ thống nguồn 230 VAC/50 Hz;

- Nguồn điện, hệ thống cấp nguồn của xe 12 V/24 VDC;

- Nguyên tắc đo hấp thu quang học;

- Nguồn tiêu thụ trung bình: 100W, tối đa: 130W;

- Chiều dài buồng đo 430mm.

4. KẾT QUẢ ĐO ĐỘ KHÓI ĐẦU MÁY, TOA XE PHÁT ĐIỆN TẠI VIỆT NAM

Trên cơ sở khảo sát các loại đầu máy, toa xe thuộc đối tượng nghiên cứu được đề cập trong mục 2.1, kết quả khảo sát như sau:

Hình 4.1: Đồ thị đo độ khói trên màn hình thiết bị đo

Hình 4.2: Kết quả đo độ khói của đầu máy

Hình 4.3: Kết quả đo độ khói của toa xe phát điện

 

Hình 4.4: Tỷ lệ đầu máy đạt yêu cầu về khí thải

 

Hình 4.5: Tỷ lệ toa xe phát điện đạt yêu cầu về khí thải

 5. BÀN LUẬN

5.1. Phân tích, đánh giá kết quả đo khí thải

Dựa trên kết quả phân tích trên Hình 4.2, 4.3, 4.4 và 4.5 ta thấy rằng, đầu máy có lượng phát thải nhìn chung cao hơn so với toa xe phát điện. Tỷ lệ đầu máy đạt yêu cầu về khí thải mức Tirer 0 là cao nhất (95%) và mức Tirer 2 là thấp nhất (59%), tương tự đối với toa xe phát điện tỷ lệ này là 100% và 83%. Nguyên nhân do quy định mức khí thải Tirer 2 cao hơn Tirer 0. Các tỷ lệ đạt yêu cầu về các mức khí thải này sẽ là cơ sở để đề xuất các chỉ tiêu về khí thải cho PTGTĐS của Việt Nam. Nội dung đề xuất gồm có mức khí thải và lộ trình áp dụng, trong đó tập trung vào hai nhóm đối tượng là PTGTĐS sản xuất, lắp ráp nhập khẩu mới và PTGTĐS đang vận hành sử dụng.

5.2. Đề xuất tiêu chuẩn khí thải, lộ trình áp dụng cho PTGTĐS tại Việt Nam

5.2.1. Đối với PTGTĐS sản xuất, lắp ráp nhập khẩu mới

Bảng 5.1. Chỉ tiêu khí thải đầu máy sản xuất lắp ráp mới và nhập khẩu

Các chỉ tiêu về phát thải khí xả, phát thải hạt bụi PM sẽ được kiểm tra đánh giá ở trạng thái đầu máy có tải thử công suất trên thiết bị thử chuyên dùng.

5.2.2. Đối với PTGTĐS đang vận hành sử dụng

Bảng 5.2. Chỉ tiêu độ khói đầu máy, toa xe phát điện đang vận hành

5.3. Đề xuất lộ trình thực hiện

- Năm 2017 - 2018 xây dựng và ban hành Tiêu chuẩn TCVN PTGTĐS - Đầu máy diesel - Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp đo độ phát thải.

- Năm 2017 - 2019 khuyến nghị áp dụng tiêu chuẩn độ khói đối với các đầu máy, toa xe phát điện trong quá trình vận hành.

- Từ năm 2020 trở đi áp dụng bắt buộc đối với các đầu máy, toa xe phát điện khi kiểm tra định kỳ an toàn kỹ thuật và bảo vệ môi trường.

- Đối với PTGTĐS, động cơ diesel sử dụng cho đầu máy, toa xe phát điện nhập khẩu từ các nước về Việt Nam bắt buộc áp dụng tiêu chuẩn khí thải Tier 2.

6. KẾT LUẬN

Thực hiện Luật Bảo vệ Môi trường, việc nghiên cứu, khảo sát, đề xuất các chỉ tiêu khí thải của PTGTĐS là rất cần thiết.

Nghiên cứu về phát thải khí xả của PTGTĐS dựa trên kinh nghiệm quản lý khí thải phương tiện giao thông cơ giới của Việt Nam và các nước trên thế giới. Qua phân tích các tài liệu về khí thải của các nước, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương pháp đo phù hợp trong điều kiện nước ta; tiến hành khảo sát thực tế với đầy đủ tất cả các đối tượng; phân tích kết quả đo làm cơ sở đề xuất các chỉ tiêu khí thải và lộ trình áp dụng cho PTGTĐS của Việt Nam.

Kết quả đạt được như sau:

- Đã nghiên cứu luật, quy phạm, tiêu chuẩn, quy chuẩn, tài liệu kỹ thuật liên quan đến việc quản lý phát thải khí xả của phương tiện giao thông trong nước cũng như kinh nghiệm của các nước trên thế giới, đặc biệt là kinh nghiệm của Mỹ, châu Âu, Ấn Độ... về xây dựng tiêu chuẩn, phương pháp đo khí thải của động cơ diesel trên PTGTĐS;

- Đã nghiên cứu, đánh giá đầy đủ thực trạng kỹ thuật và công tác bảo vệ môi trường của các kiểu loại đầu máy, toa xe phát điện điển hình đang sử dụng trên đường sắt Việt Nam;

- Đã nghiên cứu, lựa chọn, tiêu chuẩn phương pháp kiểm tra, thiết bị đo khảo sát phù hợp với chủng loại phương tiện hiện có của đường sắt Việt Nam;

- Đã tiến hành thực hiện khảo sát đo độ khói của 7 kiểu loại đầu máy, toa xe phát điện điển hình đang sử dụng phổ biến trên đường sắt Việt Nam bao gồm: D19E, D19Er, D18E, D14E, D13E, D12E, D9E, toa xe phát điện;

- Đã phân tích, đánh giá kết quả đo khảo sát độ khói khí thải của đầu máy, toa xe phát điện dựa trên tiêu chuẩn khí thải của Mỹ, từ đó xem xét đề xuất tiêu chuẩn, phương pháp kiểm tra khí thải phù hợp đối với PTGTĐS tại Việt Nam;

- Đề xuất lộ trình thực hiện việc kiểm soát khí thải của PTGTĐS.

Tài liệu tham khảo

[1]. Control of Diesel engine exhaust emission in the workplace issues by HSE Health Safety Executive of UK.

[2]. Regulation No.49E/ECE/324/Rev.1/Add.48/Rev.6 United National, Uniform provisions concerning the measures to be takenagainst the emission of gaseous and particulate pollutantsfrom compression-ignition engines and positive ignitionengines for use in vehicles.

[3]. Emission frorm Diesel Locomotive-An overview. DK Soaf. ED (engine development) RDSO.