尿素水溶液（AUS32）生產中的質量控制

關鍵詞：車用尿素溶液，原材料，生產，檢驗，質量控制

0 引言

隨著我國汽車尾氣排放標準越來越嚴格，柴油發動機技術的發展遇到了瓶頸，經柴油發動機燃燒后的廢氣中污染物（一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物等）較高，直接排放無法達到標準要求。在這些污染物中，一氧化碳排放量占總量的18%，碳氫化合物排放量占總量的3%，氮氧化物（NOX）占排放總量的78%，顆粒物排放占總量的0.9%[1]。因此，氮氧化物處理成為柴油尾氣凈化的重中之重。目前一般采用的成熟尾氣處理技術是在發動機排氣孔加裝一套后處理系統。尾氣中的氮氧化物采用選擇性催化還原（SCR），利用尿素分解產生的NH3將NOX還原成N2和H2O[2]后再向大氣進行排放。

柴油發動機氮氧化物還原劑尿素水溶液（AUS32）（又稱為車用尿素水溶液、尿素水溶液、汽車尿素、柴油發動機尾氣處理液）是用不含其他任何添加物的高純尿素和純水一起配制的高純度透明溶液[3]，是一種高效的氮氧化物消除劑，用于柴油車SCR系統中還原柴油發動機車輛排放尾氣中的氮氧化合物，是柴油車達到國Ⅵ排放標準的必備產品[4]，該溶液中尿素含量目標值為32.5%（質量分數）。我國目前該產品執行標準為GB 29518—2013《柴油發動機氮氧化物還原劑 尿素水溶液（AUS 32）》，在該標準中不僅規定了尿素溶液含量、密度、折光率、一致性確認等指標，而且對雜質含量（堿度、縮二脲、醛類、不溶物、磷酸鹽以及鈣鐵等10種金屬離子）做出嚴格規定[5]，具體要求如下：縮二脲（≤0.3%）；醛類（≤5 mg·kg-1）；堿度（以NH3計）（≤0. 2%）；水不溶物（≤20 mg·kg-1）；磷酸鹽（以PO43-計）（≤0.5 mg·kg-1）；鈣、鐵、銅、鋁、鎂、鈉（≤0.5mg·kg-1）；銅、鋅、鉻、鎳（≤0.2 mg·kg-1）。

車用尿素水溶液為易耗品，平均消耗量一般為柴油使用量的3%～5%。車用尿素在與車用選擇性催化還原尾氣后處理系統（SCR系統）共同作用下，能減少柴油車尾氣中90%的氮氧化物和80%的顆粒物，優化發動機性能和燃料消耗，可以顯著降低柴油使用量，如國五柴油發動機可減少柴油消耗量4%～5%，國六柴油發動機減少柴油消耗量可達7%～8%。

車用尿素在現今環保形勢下已經成為柴油車輛的必需的消耗品，車用尿素質量好壞直接影響車輛的正常運行和污染物排放。尿素含量直接影響NOX的轉化效率[6]，過低（低于28%）將造成尾氣排放不達標，過高（高于35%）會造成NH3泄露，造成二次環境污染；堿度過高則會直接影響SCR系統的催化效率[7]；醛類物質和縮二脲則會發生聚合反應，生成高分子化合物，容易在管道內和催化劑骨架堆積，造成堵塞，影響催化劑活性[8]；不溶物過高則可能堵塞尿素噴嘴和管道，也可能造成催化劑骨架堵塞，影響催化效率，減少催化劑壽命；磷酸鹽則會造成催化劑的鈍化，影響催化活性；其他的金屬離子過量也會造成系統催化劑失活，影響系統轉化效率[8]。

根據國家信用系統查詢情況，我國車用尿素生產企業在市場監管總局登記的有2000余家，95%以上屬于小微型企業，由于車用尿素生產工藝相對簡單，門檻較低，我國車用尿素生產企業95%以上屬于小微型企業，企業自身檢驗能力薄弱。如何進行產品質量控制，保證車用尿素生產企業生產出符合國家標準要求的產品，是一項長期而艱巨的任務。本文就從車用尿素生產的全過程對其質量控制進行總結。

1 原材料

車用尿素溶液產品原材料主要涉及到三個部分，車用尿素顆粒、水和包裝桶。

1.1 車用尿素顆粒

目前我國尿素顆粒產品種類較多。所涉及的產品國家標準及行業標準有GB/T 2440—2017《尿素》、GB 7300.601—2020《飼料添加劑 第6部分：非蛋白氮 尿素》、GB/ T 29401—2020《硫包衣尿素》、HG/ T 5045—2016《含腐殖酸尿素》、HG/ T5049—2016《含海藻酸尿素》、HG/T 5517—2019《聚合物包膜尿素》、HG/T 5518—2019《聚合物硫包衣尿素》、HG/T 5559—2019《柴油發動機尾氣凈化液用尿素》等，同時一些尿素生產企業也有制定自己的車用尿素顆粒企業標準，比如青海云天化國際化肥有限公司的Q/QHYTH 10314—2021《車用尿素》。典型尿素產品標準如表1所示。

從表1可以發現，按照尿素顆粒與水1：2的配比生產車用尿素溶液，盡管各尿素標準中對車用尿素水溶液標準中部分項目進行了規定，能夠部分符合車用尿素溶液標準要求，但更多的情況是多數項目技術要求過低甚至是未作相關規定，利用該類標準產品生產出的尿素溶液產品不能完全滿足GB29518—2013的技術要求。因此，必須選用符合HG/T 5559—2019標準或比此HG/T 5559—2019標準更加嚴格企業標準的尿素顆粒。

在生產運輸過程中應避免新的污染物或異物（燃料、油污、油脂、清潔劑、灰塵或其他物質）造成的污染。

1.2 水的質量控制

生產企業通常以自來水或地下水為原料，經過水處理系統自己生產。典型水處理流程如圖1所示。

經過多重水處理裝置后，水中的懸浮物、微生物以及重金屬離子可得到有效去除。為保證純水質量，應加強純水電阻率或電導率的控制，定期更換耗材，保證純水電導率不大于0.08 μs/cm或電阻率不小于15 MΩ·cm。生產制造企業在凈水及用水過程中所用的設備、容器及水源不得含有任何異物（燃料、油污、油脂、清潔劑、灰塵或其他物質）。

1.3 包裝的質量控制

車用尿素包裝桶常見規格包括噸桶、20 kg、10kg等不同型號，通常為高密度聚乙烯（HDPE）或聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材質。我國現行包裝桶標準QB/T 2818—2006《聚烯烴注塑包裝桶》和GB4806.7—2016《食品安全國家標準 食品接觸用塑料材質及制品》，標準中除規定了涉及到使用性能指標（尺寸、外觀、物理力學性能等）外，也規定了與其接觸產品質量息息相關的技術指標，如感官、浸泡液、總遷移量、高錳酸鉀消耗量、重金屬、脫色試驗等。標準中未能明確鈉、鉀、鈣、鎂等非重金屬離子也有限量要求，但由于車用尿素溶液對鈉、鉀、鈣、鎂等非重金屬離子也有限量要求，因此與車用尿素溶液接觸的包裝桶在使用前也應注意這些非重金屬離子的含量。防止包裝桶生產企業加工包裝桶過程中添加增白劑母料，這些母料中可能含有超量非重金屬離子（鈉、鉀等），這些金屬離子在與車用尿素溶液接觸過程中會不斷遷移，從而可能導致尿素溶液存在金屬離子不合格的風險。

應及時向包裝桶生產企業索要產品合格證及出廠檢驗報告，并保存記錄。告知包裝桶生產企業不得使用回收料。盡量避免使用二次回收的包裝桶。若要回收使用，在使用前做好舊桶的清洗工作。

2 尿素溶液生產工藝

車用尿素溶液的生產工藝較為簡單，按照車用尿素顆粒330 kg和超純水670～675 kg的比例加入到反應釜中，攪拌至尿素顆粒完全溶解后，經后處理提純系統提純后進入成品罐，即可得到車用尿素溶液成品。在生產過程中建議邊攪拌邊加熱，顆粒攪拌溶解溫度控制在25℃～40℃。為確保溶液滿足國V及以上排放標準，建議終端過濾精度≤0.01微米。

在生產過程中，若涉及到流量計及臺秤等設備，建議定期進行計量校準。

3 產品質量檢驗

產品質量檢驗又分為過程檢驗和出廠檢驗。過程檢驗是在車用尿素溶液進入成品罐后對所生產尿素溶液進行檢驗。出廠檢驗是將尿素溶液產品灌裝到包裝桶后再次對成品進行檢驗。

按照車用尿素溶液產品質量標準GB 29518—2013的要求，標準中共涉及尿素含量、密度、折光率、堿度、縮二脲、醛類、不溶物、磷酸鹽、鈣、鐵、銅、鋅、鉻、鎳、鋁、鎂、鈉、鉀、一致性確認等19個項目，檢驗設備主要包括杜馬斯定氮儀、密度計、折光儀、電子天平、酸度計、紫外可見分光光度計、污染物測定儀、電熱鼓風干燥箱、電子天平、馬弗爐、電感耦合等離子體發射光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀等。但對于大部分尿素生產企業而言，檢驗設備投資巨大，無力承擔，基本上小微企業具備的檢驗設備只有折光儀。針對此種情況，生產企業需要首先保證已有檢驗設備計量準確，定期用標準溶液對設備進行校準，做好尿素溶液產品的批次檢驗及記錄。另外應定期對自身無法檢測的項目送到具有檢驗資質的第三方檢驗機構檢驗。

4 管理

生產企業應建立完備的臺賬制度，保存好相關的原材料（尿素顆粒進貨臺賬、尿素顆粒檢驗報告單、超純水生產臺賬、電導率數據、耗材更換記錄、包裝桶進貨記錄、包裝桶檢驗報告單等），做好生產記錄、檢驗記錄數據的保存。

生產企業應建立完備的產品生產工藝文件和操作規范，做好相關培訓，保證操作人員按照相關的制度進行生產加工。

對生產操作人員、質檢人員和售后服務人員進行崗位專業培訓，包括產品技術要求、工藝技術要求和操作工序之間的關系，預防缺陷和質控控制的方法等，讓每個人都樹立質量意識。

5 結語

車用尿素溶液的質量不僅關系到SCR系統的使用壽命，而且關系到氮氧化物的轉化效率，從而對尾氣排放產生影響。本文從車用尿素水溶液生產的原料、生產過程、檢驗、管理等方面進行了總結，希望以此為生產企業提供參考，促使車用尿素水溶液產品質量的不斷得到提升。