柴油車尾氣處理液應用展望

朱宗敏，楊晏泉，孫 杰

（1. 天津悅泰石化科技有限公司，天津 300384；2. 中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

柴油車尾氣中所排放的氮氧化物（NOx）及顆粒物（PM）已成為大氣污染的主要成分，其中NOx的排放量約占人為總排放量的40%［1-3］。由于NOx可引起光化學煙霧、灰霾、酸雨等嚴重環境問題并對人體健康造成嚴重危害，針對柴油車NOx排放，我國制定了嚴格的法規及標準。2011年，原國家環保部發布《關于實施國家第四階段車用壓燃式發動機與汽車污染物排放標準的公告》，要求所有生產、進口、銷售和注冊登記的車用壓燃式發動機與汽車必須符合國Ⅳ標準。

近十年來，諸多機內凈化技術和尾氣后處理技術得以發展并應用，為減少柴油車尾氣NOx排放做出了重要貢獻。其中，選擇性催化還原（SCR）技術是當前柴油車控制NOx排放達到國Ⅳ或國Ⅴ標準的主要技術手段［4］。尾氣處理液是SCR技術中必需的還原劑，它可與NOx發生催化反應并將之轉化為N2，從而減少NOx排放。

本文針對尾氣處理液的研究現狀和應用情況開展分析，特別是對尾氣處理液在我國柴油車中應用的效果及發展趨勢進行評價。同時，根據相關法規、標準及柴油車的發展趨勢，對尾氣處理液未來的應用前景進行展望。

1 柴油車尾氣處理液研究現狀

1.1 SCR技術及尾氣處理液簡介

柴油機相較于汽油機具有熱效率更高、扭矩特性更好、CO2排放量更低等優勢，但其NOx及PM排放量遠高于汽油機［5］。原因在于柴油機有別于汽油機，采用壓燃的燃燒方式，通過將柴油噴入高溫壓縮空氣形成可燃混合氣，氣缸內同時存在霧化、蒸發、混合、氧化燃燒過程，因此柴油機的油氣混合均勻度低于汽油機，在局部會形成更多的NOx［6］。燃燒溫度較低時，NOx產生較少，但PM產生較多。為確保缸內充分燃燒，減少PM的產生，需盡可能提高燃燒溫度，由此產生較多NOx。國Ⅳ標準實行后，原先減少NOx排放所使用的控制燃燒技術已無法滿足更嚴格標準的要求，因此以SCR技術為代表的一系列減排技術得以發展應用。

SCR技術最早應用于火電廠煙氣脫硝，近年來逐漸應用到汽車及船舶柴油機尾氣處理領域。SCR技術的主要原理是以NH3為還原劑，在催化劑作用條件下，與尾氣中NOx發生反應使之轉化為N2，從而減少NOx排放。在柴油機用SCR技術中，由于液氨具有較大危險性，一般以尿素溶液作為NH3的來源，尿素分解產生NH3，與NOx反應，因此稱為“尾氣處理液”。在實際應用中，尾氣處理液儲存于車載儲罐中，通過泵噴向溫度為300～500 ℃的柴油機尾氣，尾氣處理液氣化后分解產生NH3，與尾氣中的NOx在SCR催化反應器中反應，轉化為N2和H2O。在230～500 ℃范圍內，NOx的轉化效率可達40%～85%［7］。尾氣處理液是SCR技術中不可或缺的消耗品，其使用情況直接決定了SCR系統是否可完全發揮作用。如果SCR系統失效，國Ⅴ標準的重型柴油車NOx排放量可達正常排放量的6～7倍［2］。

1.2 尾氣處理液研究現狀

尿素作為還原劑在SCR技術中的大規模應用始于20世紀70年代，在石油燃燒和鍋爐尾氣方面實現商業運營［8］。經過歐美公司大量的研究探索，尾氣處理液研究已較為成熟，目前國際及國內均已出臺相關標準規范。尾氣處理液的技術要求主要分為以下三類［9］：

1）尿素含量。理想狀態的尾氣處理液由質量分數為32.5%的高純尿素和67.5%的去離子水組成。尿素含量直接影響尾氣處理液的結晶點。尾氣處理液結晶點與尿素質量分數的關系見圖1［7］。由圖1可見，尿素質量分數為32.5%時，尾氣處理液結晶點最低，為-11 ℃，便于低溫使用及儲存。尿素含量是決定NOx處理效果的關鍵因素之一，過高或過低的尿素含量不僅無法提高NOx的轉化率，反而會造成NH3逃逸，產生二次污染［5］。根據臺架試驗結果擬合，尾氣處理液尿素質量分數對NOx去除率的影響見圖2［10］。由圖2可見，尾氣處理液尿素質量分數在32.5%以下時，其與NOx去除率基本呈線性關系。

2）雜質元素含量。尾氣處理液中雜質元素的含量對SCR催化劑活性具有較大的影響，K，Ca，Mg，Zn，P等元素所形成的離子可占據催化劑表面活性中心，造成催化劑中毒失活［11-12］。圖3所示為SCR催化劑被摩爾分數為0.4%的不同雜質元素污染時，NOx去除率在不同反應溫度下的變化情況［11］。由圖3可見，催化劑即使在較輕微的污染情況下，也會造成NOx去除率的顯著下降［11］。其中，K對催化劑活性影響最嚴重，可使得NOx去除率直接降至5%以下。

圖1 尾氣處理液結晶點與尿素質量分數的關系

圖2 尾氣處理液尿素質量分數對NOx去除率的影響

圖3 SCR催化劑被雜質元素污染時NOx去除率的變化

3）其他雜質含量。尾氣處理液在生產過程中會產生縮二脲、醛及不溶物等雜質。縮二脲易縮聚生成三聚氰酸，亦易與醛聚合生成易結晶析出的高分子產物。以上物質均易造成SCR系統堵塞，且會覆蓋在催化劑活性中心上使之失活［5，9］。

2 柴油車尾氣處理液應用現狀

2.1 尾氣處理液應用效果

尾氣處理液作為NOx的還原劑，對SCR系統不可或缺。相關研究針對重型柴油機進行不同工況下尾氣處理液的NOx減排測試。不同工況下尾氣處理液對NOx排放量的影響見圖4［7］。由圖4可見：在沒有尾氣處理液噴入尾氣的情況下，SCR催化劑對NOx的排放量無顯著影響；而當尾氣處理液噴入尾氣后，不同柴油機工況下的NOx排放量均產生了顯著下降，下降幅度為26%～54%。

圖4 不同工況下尾氣處理液對NOx排放量的影響

針對重型柴油機在燃用國Ⅳ標準柴油的條件下進行歐洲穩態測試循環（ESC）測試，相關研究表明，SCR系統生效前后的NOx排放量見圖5。

圖5 SCR系統生效前后的NOx排放量

由圖5可見：尾氣在通過不加入尾氣處理液的SCR系統前后NOx濃度無明顯變化；而尾氣在通過加入尾氣處理液的SCR系統后，即SCR系統生效后，NOx排放量則由9.91 g/（kW·h）降至3.31 g/（kW·h）［7］，降幅達66%，且符合國Ⅳ排放標準。

2.2 尾氣處理液應用現狀

隨著公路交通事業的發展，我國柴油車保有量在波動中不斷增長。2011～2018年我國新增柴油車保有量達5.297×106輛，增幅達33.7%。我國柴油車NOx總排放量在2013年達到峰值（4.048×106t）后呈下降趨勢，但其占汽車NOx總排放量的比例仍維持在70%左右，未明顯下降，減排形勢不容樂觀。國家《大氣污染防治行動計劃》中明確提出“加快柴油車車用尿素供應體系建設”，治理柴油車尾氣污染物排放仍是完成“行動計劃”的重要任務。

2018年，我國尾氣處理液應用量約1.50×106t，基本均用于重型柴油車中。2020年我國開始全面實施國Ⅵa標準，為尾氣處理液的應用提供了前所未有的機遇。然而，目前尾氣處理液的應用量與需求量仍存在較大差距。下面以兩種方法對此進行估算。

1）按車用柴油消費量估算。2018年我國柴油消費量為1.6×108t，其中車用柴油消費約占65%，為1.04×108t。按照柴油車尾氣處理液平均使用量一般為柴油消耗量的6.5%估算［10］，2018年尾氣處理液的需求量為6.76×106t。

2）按國Ⅳ標準以上重型車數量估算。我國車用柴油消費主要集中在貨車領域。公路貨運占我國整體貨運量近80%，是物流運輸中最主要的運輸方式［13］。貨車中符合國Ⅳ及以上標準的重型柴油車已強制安裝SCR裝置。2018年，我國柴油貨車保有量為1.818×107輛，其中重型柴油貨車占37.7%，約6.854×106輛。國Ⅳ標準以上重型柴油車占全部重型柴油車的42.5%，約2.913×106輛。按照每車消耗尾氣處理液2 t/a估算［14］，2018年尾氣處理液的需求量為5.82×106t。

在生產能力方面，至2019年底，我國尾氣處理液產能總計約8.6×106t/a，可完全滿足國內需求。

2018年我國尾氣處理液的應用量與需求量見圖6。由圖6可見，2018年我國柴油車尾氣處理液的應用量遠不及需求量，需求量為應用量的4倍左右。主要原因在于現階段對重型柴油車的NOx排放在線監測不到位，大量柴油車在運行時拆除車載自動診斷系統（OBD）在線監測儀器，甚至用水代替尾氣處理液。

圖6 2018年我國尾氣處理液的應用量與需求量

3 柴油車尾氣處理液應用展望

3.1 法規、監管發展趨勢

在法規層面，2023年7月起國Ⅵ排放標準將開始實施。國Ⅵ標準較國Ⅴ標準更加嚴格，其中，NOx排放限值降低42%，由2.0 g/（kW·h）降至0.4 g/（kW·h）。在監管層面，通過車載OBD系統可實時監測在途車輛尾氣排放情況。目前，國家已加強對柴油車OBD系統使用的監管力度。2018年底生態環境部、發展改革委等部門聯合發布《柴油貨車污染治理攻堅戰行動計劃》，要求全國各地加強柴油貨車超標排放治理。根據這一計劃，通過監管應實現全國在用柴油車監督抽檢排放合格率達到90%，重點區域達到95%以上。

3.2 柴油車發展趨勢

截至2019年，我國公路總里程達4.846 5×106km，高速公路達1.426×105km，居世界首位。國內交通基礎設施的建設進一步加快，公路通車里程將進一步延長，公路貨運量的絕對值仍將進一步增加。因此，我國柴油車保有量將在一段時間內持續增長。此外，執行較低排放標準的柴油車將加速淘汰。國Ⅲ及以下排放標準的重型貨車無SCR系統，是NOx排放的重要貢獻者。根據2018年中統計，全國約2.3×106輛國Ⅲ及以下排放標準重型貨車亟需淘汰。

3.3 尾氣處理液應用展望

排放標準的不斷升級是柴油車尾氣處理液持續推廣應用的最強推動力。隨著國Ⅵ標準的實施，尾氣處理液將在2020～2025年期間迎來新機遇。尾氣排放監管的不斷加強也將有助于尾氣處理液應用的增長。同時，公路運輸量的增長與柴油車的更新換代將使得我國SCR技術及尾氣處理液研發與應用繼續保持穩定發展。

尾氣處理液的應用目前亦面臨以下問題尚待解決：1）成本需進一步降低；2）推廣宣傳力度不足；3）執法與監管力度應進一步加強。

4 結語

尾氣處理液是柴油車SCR裝置中的重要消耗品，其研究與應用直接影響到SCR裝置對NOx的減排效果。在排放標準升級與柴油車保有量增長的背景下，尾氣處理液推廣應用潛力巨大，估算潛力應在1.5×106t以上，且正處于快速增長期。尾氣處理液的應用不僅有助于消化國內石化產品產能，對于環境保護亦具有重要的現實意義。