河南省在用超標車排放系統改造升級計劃初探

劉 煥

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

河南省在用超標車排放系統改造升級計劃初探

劉 煥

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

柴油車是城市大氣中氮氧化物、顆粒物排放的主要來源。文章針對性地介紹了在用車加裝SCR系統和EGR+DPF系統的改造技術方案，并從改造技術的可行性、改造費用、后期使用的經濟性、使用的有效性等方面進行對比，結果表明，EGR+DPF系統的改造技術方案有效可行。

排放法規；廢氣再循環；柴油顆粒過濾器；后處理技術

KCLC NO.:U461.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2017)03-80-03

1、在用車改造背景

1.1 我國機動車污染物排放問題

2016年6月2日環境保護部大氣環境管理司向媒體通報，環境保護部日前發布《2016年中國機動車環境管理年報》（以下簡稱“年報”），公布了2015年全國機動車環境管理情況。年報顯示，我國已連續七年成為世界機動車產銷第一大國，機動車污染已成為我國空氣污染的重要來源，是造成灰霾、光化學煙霧污染的重要原因，機動車污染防治的緊迫性日益凸顯。

統計顯示，2015年全國機動車排放污染物初步核算為4532.2萬噸，比2014年削減0.3%，其中氮氧化物（NOX） 584.9萬噸，碳氫化合物（HC）430.2萬噸，一氧化碳（CO）3461.1萬噸，顆粒物（PM）56.0萬噸。汽車是機動車污染物排放總量的主要貢獻者，其排放的NOX和PM超過90%，HC和CO超過80%。

1.2 《大氣法》相關規定

2015年8月29日，第十二屆全國人民代表大會常務委員會第十六次會議通過了新修訂《中華人民共和國大氣污染防治法》（自2016年1月1日起施行，簡稱“大氣法”），對機動車環境管理工作提出了更高要求。

大氣法中第五十九條規定在用重型柴油車、非道路移動機械未安裝污染控制裝置或者污染控制裝置不符合要求，不能達標排放的，應當加裝或者更換符合要求的污染控制裝置。

違反本法規定，在禁止使用高排放非道路移動機械的區域使用高排放非道路移動機械的，由城市人民政府環境保護等主管部門依法予以處罰。

1.3 各階段排放限值

柴油機法規限定排放物各階段的限值如表1 所示。

表1 各階段污染物限值

一般來說，在缸內直噴柴油機中，高溫高壓下由于缺氧會形成碳煙（Soot）粒子，且在降溫過程中吸附各種凝聚相物質[2]，形成柴油機重要的污染物微粒（PM）；在高溫高壓下由于氧氣富足，缸內的氮氣被氧化生成NO和NO2，從而形成了柴油機排放中的另一重要污染物——氮氧化物（NOX），控制柴油機有害排放物的重點在于控制PM和NOX。

2、常用后處理技術

2.1 EGR技術

廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）是指在保證發動機動力性不降低的前提下，將發動機排出的一部分廢氣送回排氣管，并與新鮮空氣或新鮮混合氣混合之后，再次進入氣缸參與燃燒[4]。運用EGR技術可減少本應進入氣缸的空氣量，使空燃比減小[6]。在汽油機高負荷時進入氣缸的EGR使燃氣的熱容量增加，相應的平均燃氣溫度降低；而在柴油機高負荷時，EGR引起的熱容量變化較小且空燃比減小使氧濃度降低，這是柴油機抑制 NOX生成的主要原因之一。

2.2 DPF技術

柴油機顆粒過濾器（DPF）一般由過濾裝置、再生裝置、控制裝置三部分組成，其關鍵技術之一是過濾體再生。柴油機顆粒捕集器的作用是將柴油機的尾氣引入專門的后處理裝置，將排氣中的顆粒捕捉、集中，不使其排出機外，并利用催化劑、燃燒器等進行分解、燃燒，清除其中的大部分微粒，從而減少顆粒排放，達到凈化尾氣的目的[10]。但由于日積月累，顆粒沉積在過濾體的微孔內，會使排氣阻力增加，導致發動機的性能惡化。為了顆粒捕集器不被堵死，正常工作，顆粒捕集器必須要定期清除顆粒，這就是再生。在再生過程中，顆粒捕集器收集的顆粒會被燃燒掉，故其技術的關鍵在于過濾材料的選取和再生技術。

被動再生是在排放顆粒在催化劑和發動機行駛本身產生高溫的情況下，自行轉換為NO2和CO2，這種過程發生得很慢；主動再生是通過發動機控制器，在拉升的排氣溫度條件下，讓顆粒進行燃燒。

2.3 SCR技術

SCR（Selective Catalytic Reduction）選擇性催化還原技術，其基本工作原理是將精確計量后的稀釋尿素噴入到燃燒廢氣中去，通過水解反應催化劑將尿素中的氨提煉出來[3]。SCR過程是利用氨作為還原劑注入到NOX的排氣系統中，NOX在以貴金屬、堿金屬氧化物或沸石等催化劑的作用下被還原為N2和H2O，反應適宜的溫度為285—400℃[5]。

SCR技術主要發生下列化學反應：

但是，當溫度過低（200℃以下）或溫度過高（450℃以上）時，SCR反應中還會伴隨一些副反應，造成NOX轉化率下降。

3、第三階段在用柴油車排放升級改造技術路線

3.1 EGR+DPF和DPF+SCR技術路線對比分析

DPF+SCR技術路線改造成本大，尿素罐加裝難度大，裝置本身不僅要增加約150～300kg的質量，另外還要增加1個AdBlue溶液箱。按100L尿素溶液運行7000km計算，一輛汽車損失的有效載荷在400kg左右。使用過程中需要定期添加尿素水溶液，而國內加注尿素液相關配套設施尚不完善。加裝DPF+SCR系統的機動車若不添加尿素液，并不會影響發動機正常運行，沒有相應的監控設備監控加裝DPF+SCR后的機動車排放是否達標。在運行過程中，若溫度較低，將導致尿素-水溶液會發生結晶，一旦發生結晶就需要將DPF+SCR系統整體更換。后期維護成本太大。

EGR+DPF技術路線改造成本低，一次性改造完成不增加后期的使用費用。在使用過程中，機械可靠性好，能適應發動機的各種運行工況。EGR+DPF系統帶有氮氧傳感器，能夠實時監控發動機的排放問題。

3.2 推薦使用技術路線

廢氣再循環技術（EGR）是現今降低柴油機NOX排放的有效方法之一，應用顆粒捕集器（DPF）可以有效的降低尾氣中顆粒的排放。

圖1 柴油機EGR和DPF系統結構簡圖

柴油機EGR和DPF系統結構簡圖如圖1所示，EGR的廢氣從渦輪增壓器前取氣，經EGR冷卻器和EGR閥后，與增壓后的空氣在文丘里管中混合，進入發動機燃燒室內燃燒。采用EGR冷卻，一方面保證氧傳感器的工作可靠性，另一方面降低由于進氣引起的溫度升高。在 EGR 率的控制方面，電控單元根據轉速、油門位置來判斷發動機工況，輸出控制信號，由步進電機來控制EGR閥的位置。此時氧傳感器將檢測到的空燃比反饋給控制單元，控制單元根據目標空燃比與實際空燃比進行校正，獲得 EGR閥位置的精確閉環控制。對于DPF，過濾時，三通閥處于中間位置，廢氣同時從兩個DPF中流過。若背壓達到預先確定的值時，則開始再生。一個再生時，另一個處于過濾狀態。再生過程分成兩個階段：加熱階段和燃燒階段。兩個階段加熱器始終處于加熱狀態。在加熱階段，三通閥關閉流經再生陶瓷的氣流，便于快速升溫。當再生陶瓷的前端溫度達到微粒的起燃溫度600℃時，三通閥開始動作使一定量的廢氣流經再生陶瓷，前端迅速燃燒，燃燒火焰向后傳播，很快將捕集在過濾器上的微粒全部燒掉，實現過濾器的再生。再生后三通閥又回到中間位置，整個再生過程中三通閥是由步進電機精確控制。

4、總結

環境保護部大氣顆粒物源解析結果顯示，機動車排放已成為我國城市空氣污染的主要來源，其中，河南省柴油車保有量22.8萬輛，如何控制柴油車排放，改善柴油車排放系統成為治理河南省大氣污染的首要問題，在用車改造工作勢在必行。

[1] 吉木色,郭秀銳,郎建壘.大城市機動車污染物排放與控制的情景預測［J］.環境科學研究,2013,26( 9) ∶ 919-928.

[2] 姚志良,張明輝,王新彤.中國典型城市機動車排放演變趨勢［J］.中國環境科學,2012,32( 9) ∶1565-1573.

[3] 佟德輝.降低車用柴油機NOX排放的SCR技術控制策略研究[D].濟南.山東大學,2009.

[4] 陳貴升,馬帥營,毛斌,王鑫,鄭尊清,堯命發,林鐵堅.基于EGR 技術的低排放重型柴油機燃燒系統開發[J].內燃機學報,2013,Vol.31. No.4∶31-49.

[5] 張紀元.重型柴油機SCR系統應用技術研究[D].濟南.山東大學,2013.

[6] 吳學松,詹樟松,尚宇,劉斌,胡鐵剛,裴毅強.外部EGR技術在高壓縮比米勒循環發動機上的試驗研究[J].內燃機工程,2015,Vol.36. No.4∶29-34.

Henan province with ChaoBiaoChe emissions system upgrade project

Liu Huan
( North China university of water conservancy and hydropower, Henan Zhengzhou 450045 )

Vehicle emissions have become the main source of urban air pollution in China, especially diesel vehicles are the main source of nitrogen oxides and particulate emissions in urban atmosphere. The paper introduces the technical scheme of the retrofit of SCR system and EGR+DPF system in the car, and from the transformation of technical feasibility, renovation costs, the late use of the economy, the effective use of aspects were compared, the results show that the EGR+DPF system modification technology scheme is effective and feasible.

emission regulation; exhaust gas recirculation; Diesel Particulate Filter; after treatment

U461.8

A

1671-7988(2017)03-80-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.030

劉煥（1991—），男，碩士研究生，華北水利水電大學研究生。