低溫型車用尿素溶液的研究及應用

李海平，劉泉山，謝建海

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060)

1 國內外低溫型車用尿素溶液研究現狀

隨著國家排放法規的日益嚴格，SCR(選擇性催化還原)技術在車用柴油機上得到越來越廣泛的應用，與此同時，車用尿素溶液AUS 32的需求量也逐年上升。眾所周知，AUS 32的冰點為-11℃，而中國北方地區的冬季氣溫通常低于-11℃，且低溫天氣持續時間長，導致 AUS 32的使用和存儲不便。因此，低冰點的低溫型車用尿素溶液有一定的市場需求。

近年來，國內眾多車用尿素溶液廠家已經研發出低溫型車用尿素溶液并推廣應用，但由于低溫型車用尿素溶液還沒有國家標準和行業標準，各企業在產品生產和銷售中均執行各自的企業標準。如江蘇可蘭素汽車環保科技有限公司推出的-20℃、-25℃、30℃、35℃"冰暢"系列低溫型車用尿素溶液，執行標準為Q/3200 KLS 05。遼寧潤迪汽車環保科技股份有限公司推出的-25℃和-35℃兩種低溫型車用尿素溶液，執行標準為Q/CAM-267-2010。通過文獻及專利調研發現[1-3]，低溫型車用尿素溶液所用的冰點改性劑主要為銨類、酰胺類、以及小分子醇類化合物，通過一種或幾種改性劑復配來降低尿素溶液的冰點。

低溫型車用尿素溶液最早在歐洲開始研究，歐洲在優化尿素水溶液的低溫穩定性時試驗了很多抗結冰添加劑，例如典型的發動機防凍液添加劑：乙醇、丙二醇和甲醇，但發現冰點下降的幅度不理想。芬蘭Kemira公司曾研發了商品名稱為“DenoxiumTM”的低溫型車用尿素溶液產品，包括Denoxium-20和Denoxium-30兩種。“DenoxiumTM”產品與AUS 32產品的理化性質如下表1所示。從表1可以看出，使用低溫改性劑后，兩種低溫型車用尿素溶液的理化性質發生變化，但NH3含量與AUS 32相同。

表1 DenoxiumTM產品及AUS 32產品理化性質Tab.1 Physicochemical property of DenoxiumTM and AUS 32

一直以來，低溫型車用尿素溶液的推廣應用具有一定爭議。主要爭議點在于使用低溫型車用尿素溶液的必要性:首先，柴油車SCR系統本身具有加熱功能，可以不用成本較高的低溫型車用尿素溶液；此外，有學者認為低溫型車用尿素溶液會造成如有毒的非常規污染物排放，以及對SCR系統的腐蝕性。出于技術研究目的，本文通過配方篩選，研制了冰點為分別為-25℃和-35℃的兩種低溫型車用尿素溶液，通過理化分析和行車試驗考察了產品性能。

2 試驗試劑和方法

2.1 試驗試劑

試驗中所用的原材料包括生產車用尿素溶液所用的尿素和純水，以及A,B,C,D四種低溫改性劑(兩種銨類，兩種酰胺類)。尿素和純水質量指標如下表2和表3所示。四種低溫改性劑均為含量98.0%以上的工業品。

表2 專用尿素質量指標Tab.2 Quality indicators of urea

表3 純水質量指標Tab.3 Quality indicators of pure water

2.2 試驗方法

試驗中所用的理化分析方法如表4所示。

表4試驗方法Tab.4 The test method

3 低溫型車用尿素溶液配方考察

對于常溫型車用尿素溶液而言，尿素濃度直接影響NOx轉化效率。由于采用SCR技術的發動機和汽車制造商已經在32.5%尿素溶液作為NOx還原劑的問題上達成一致，所以制造商都用32.5%的尿素濃度來標定SCR系統，以保證NOx降低水平滿足排放標準要求。隨著尿素濃度的降低，NOx轉化率也隨之降低，當低于28%時一般就會造成NOx排放超標[4]。對于低溫型車用尿素溶液而言，加入低溫改性劑使得尿素含量相應減少，為保證還原效率不受影響，應保持NH3的總量不變。從尿素與銨類以及酰胺類低溫改性劑的化學結構對比可知，1mol尿素可產生2mol NH3，而1mol低溫改性劑只產生1mol的NH3。因此，通過摩爾質量換算可得到低溫改性劑添加量與AUS 32中尿素減少量的重量比關系，以保證低溫型車用尿素溶液中的NH3含量不變。

在低溫型車用尿素溶液配方研制過程中，首先進行了低溫改性劑篩選。在尿素含量、改性劑含量、以及純水含量均相同的情況下，對比了四種改性劑降低冰點的性能大小，結果如下圖1所示。從圖1可以看出，四種低溫改性劑在一定添加量下均可降低尿素溶液冰點，其中改性劑A在同等加量下降低冰點的性能最好。

圖1 四種低溫改性劑降低冰點性能大小Fig.1 The performance of reducing freezing point

以車用尿素溶液AUS 32(尿素含量以32.5%計算)為基礎，尿素與改性劑A在不同質量配比時，混合溶液的冰點值如下表5所示，表5中冰點變化曲線如下圖2所示。

表5 尿素-改性劑A混合溶液冰點考察Tab.5 The freezing point of urea-modifier A mixture

注：8組溶液的理論氨含量相同。

圖2 尿素-改性劑A混合溶液冰點變化趨勢Fig.2 The freezing point trend of urea-modifier A mixture

從表5和圖2中冰點變化趨勢可以看出，4號樣和6號樣可以滿足-25℃和-35℃兩種低溫型車用尿素溶液冰點要求，因此，將4號樣的比例確定為-25℃低溫型車用尿素溶液的配方體系，將6號樣的比例確定為-35℃低溫型車用尿素溶液的配方體系。

4 低溫型車用尿素溶液的理化性質

兩種低溫型車用尿素溶液樣品的理化性質考察如下表6所示，從理化結果可以看出，兩種低溫型車用尿素溶液均滿足指標要求。

表6 兩種低溫型車用尿素溶液理化性質考察Tab.6 Physicochemical property of two freezing point aqueous urea solution

5 低溫型車用尿素溶液行車試驗

兩種低溫型車用尿素溶液在東北地區物流公司開展了冬季行車試驗，并與常溫型車用尿素溶液AUS 32進行了對比考察，試驗車輛如下圖2所示。使用-25℃低溫型車用尿素溶液的行車路線為大慶-杭州-海拉爾，全程高速路況，時速80～100km/h，載重8～31噸。使用-35℃低溫型車用尿素溶液的行車路線為大慶-伊春，全程高速路況，時速80～90km/h，載重10～18噸。行車試驗統計數據如下表7所示。

圖3 行車試驗車輛Fig.3 The running test cars

表7 低溫型車用尿素溶液及AUS 32行車試驗統計數據Tab.7 Statistical data of running test

從表7統計數據可以看出，使用低溫型車用尿素溶液時，車輛平均油耗及平均尿素消耗都略低于使用AUS 32，而且據司機反饋，使用低溫型車用尿素溶液時無需等待SCR系統解凍尿素箱，使用過程中SCR系統也未出現堵塞、結晶等報警信號，感受性良好。

6 結論

通過添加低溫改性劑A可以得到符合指標要求的兩種低溫型車用尿素溶液，且低溫型車用尿素溶液的NH3含量與AUS 32相同。兩種低溫型車用尿素溶液在行車試驗中的實際使用性能表現良好，車輛平均油耗和平均尿素消耗均低于AUS 32。目前，低溫型車用尿素溶液還需更加深入、系統的研究，并形成統一的標準，才能作為成熟的產品推向市場滿足需求。