柴油车尾气处理液应用展望

朱宗敏，杨晏泉，孙 杰

（1. 天津悦泰石化科技有限公司，天津 300384；2. 中国石化 北京化工研究院，北京 100013）

柴油车尾气中所排放的氮氧化物（NOx）及颗粒物（PM）已成为大气污染的主要成分，其中NOx的排放量约占人为总排放量的40%［1-3］。由于NOx可引起光化学烟雾、灰霾、酸雨等严重环境问题并对人体健康造成严重危害，针对柴油车NOx排放，我国制定了严格的法规及标准。2011年，原国家环保部发布《关于实施国家第四阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准的公告》，要求所有生产、进口、销售和注册登记的车用压燃式发动机与汽车必须符合国Ⅳ标准。

近十年来，诸多机内净化技术和尾气后处理技术得以发展并应用，为减少柴油车尾气NOx排放做出了重要贡献。其中，选择性催化还原（SCR）技术是当前柴油车控制NOx排放达到国Ⅳ或国Ⅴ标准的主要技术手段［4］。尾气处理液是SCR技术中必需的还原剂，它可与NOx发生催化反应并将之转化为N2，从而减少NOx排放。

本文针对尾气处理液的研究现状和应用情况开展分析，特别是对尾气处理液在我国柴油车中应用的效果及发展趋势进行评价。同时，根据相关法规、标准及柴油车的发展趋势，对尾气处理液未来的应用前景进行展望。

1 柴油车尾气处理液研究现状

1.1 SCR技术及尾气处理液简介

柴油机相较于汽油机具有热效率更高、扭矩特性更好、CO2排放量更低等优势，但其NOx及PM排放量远高于汽油机［5］。原因在于柴油机有别于汽油机，采用压燃的燃烧方式，通过将柴油喷入高温压缩空气形成可燃混合气，气缸内同时存在雾化、蒸发、混合、氧化燃烧过程，因此柴油机的油气混合均匀度低于汽油机，在局部会形成更多的NOx［6］。燃烧温度较低时，NOx产生较少，但PM产生较多。为确保缸内充分燃烧，减少PM的产生，需尽可能提高燃烧温度，由此产生较多NOx。国Ⅳ标准实行后，原先减少NOx排放所使用的控制燃烧技术已无法满足更严格标准的要求，因此以SCR技术为代表的一系列减排技术得以发展应用。

SCR技术最早应用于火电厂烟气脱硝，近年来逐渐应用到汽车及船舶柴油机尾气处理领域。SCR技术的主要原理是以NH3为还原剂，在催化剂作用条件下，与尾气中NOx发生反应使之转化为N2，从而减少NOx排放。在柴油机用SCR技术中，由于液氨具有较大危险性，一般以尿素溶液作为NH3的来源，尿素分解产生NH3，与NOx反应，因此称为“尾气处理液”。在实际应用中，尾气处理液储存于车载储罐中，通过泵喷向温度为300～500 ℃的柴油机尾气，尾气处理液气化后分解产生NH3，与尾气中的NOx在SCR催化反应器中反应，转化为N2和H2O。在230～500 ℃范围内，NOx的转化效率可达40%～85%［7］。尾气处理液是SCR技术中不可或缺的消耗品，其使用情况直接决定了SCR系统是否可完全发挥作用。如果SCR系统失效，国Ⅴ标准的重型柴油车NOx排放量可达正常排放量的6～7倍［2］。

1.2 尾气处理液研究现状

尿素作为还原剂在SCR技术中的大规模应用始于20世纪70年代，在石油燃烧和锅炉尾气方面实现商业运营［8］。经过欧美公司大量的研究探索，尾气处理液研究已较为成熟，目前国际及国内均已出台相关标准规范。尾气处理液的技术要求主要分为以下三类［9］：

1）尿素含量。理想状态的尾气处理液由质量分数为32.5%的高纯尿素和67.5%的去离子水组成。尿素含量直接影响尾气处理液的结晶点。尾气处理液结晶点与尿素质量分数的关系见图1［7］。由图1可见，尿素质量分数为32.5%时，尾气处理液结晶点最低，为-11 ℃，便于低温使用及储存。尿素含量是决定NOx处理效果的关键因素之一，过高或过低的尿素含量不仅无法提高NOx的转化率，反而会造成NH3逃逸，产生二次污染［5］。根据台架试验结果拟合，尾气处理液尿素质量分数对NOx去除率的影响见图2［10］。由图2可见，尾气处理液尿素质量分数在32.5%以下时，其与NOx去除率基本呈线性关系。

2）杂质元素含量。尾气处理液中杂质元素的含量对SCR催化剂活性具有较大的影响，K，Ca，Mg，Zn，P等元素所形成的离子可占据催化剂表面活性中心，造成催化剂中毒失活［11-12］。图3所示为SCR催化剂被摩尔分数为0.4%的不同杂质元素污染时，NOx去除率在不同反应温度下的变化情况［11］。由图3可见，催化剂即使在较轻微的污染情况下，也会造成NOx去除率的显著下降［11］。其中，K对催化剂活性影响最严重，可使得NOx去除率直接降至5%以下。

图1 尾气处理液结晶点与尿素质量分数的关系

图2 尾气处理液尿素质量分数对NOx去除率的影响

图3 SCR催化剂被杂质元素污染时NOx去除率的变化

3）其他杂质含量。尾气处理液在生产过程中会产生缩二脲、醛及不溶物等杂质。缩二脲易缩聚生成三聚氰酸，亦易与醛聚合生成易结晶析出的高分子产物。以上物质均易造成SCR系统堵塞，且会覆盖在催化剂活性中心上使之失活［5，9］。

2 柴油车尾气处理液应用现状

2.1 尾气处理液应用效果

尾气处理液作为NOx的还原剂，对SCR系统不可或缺。相关研究针对重型柴油机进行不同工况下尾气处理液的NOx减排测试。不同工况下尾气处理液对NOx排放量的影响见图4［7］。由图4可见：在没有尾气处理液喷入尾气的情况下，SCR催化剂对NOx的排放量无显著影响；而当尾气处理液喷入尾气后，不同柴油机工况下的NOx排放量均产生了显著下降，下降幅度为26%～54%。

图4 不同工况下尾气处理液对NOx排放量的影响

针对重型柴油机在燃用国Ⅳ标准柴油的条件下进行欧洲稳态测试循环（ESC）测试，相关研究表明，SCR系统生效前后的NOx排放量见图5。

图5 SCR系统生效前后的NOx排放量

由图5可见：尾气在通过不加入尾气处理液的SCR系统前后NOx浓度无明显变化；而尾气在通过加入尾气处理液的SCR系统后，即SCR系统生效后，NOx排放量则由9.91 g/（kW·h）降至3.31 g/（kW·h）［7］，降幅达66%，且符合国Ⅳ排放标准。

2.2 尾气处理液应用现状

随着公路交通事业的发展，我国柴油车保有量在波动中不断增长。2011～2018年我国新增柴油车保有量达5.297×106辆，增幅达33.7%。我国柴油车NOx总排放量在2013年达到峰值（4.048×106t）后呈下降趋势，但其占汽车NOx总排放量的比例仍维持在70%左右，未明显下降，减排形势不容乐观。国家《大气污染防治行动计划》中明确提出“加快柴油车车用尿素供应体系建设”，治理柴油车尾气污染物排放仍是完成“行动计划”的重要任务。

2018年，我国尾气处理液应用量约1.50×106t，基本均用于重型柴油车中。2020年我国开始全面实施国Ⅵa标准，为尾气处理液的应用提供了前所未有的机遇。然而，目前尾气处理液的应用量与需求量仍存在较大差距。下面以两种方法对此进行估算。

1）按车用柴油消费量估算。2018年我国柴油消费量为1.6×108t，其中车用柴油消费约占65%，为1.04×108t。按照柴油车尾气处理液平均使用量一般为柴油消耗量的6.5%估算［10］，2018年尾气处理液的需求量为6.76×106t。

2）按国Ⅳ标准以上重型车数量估算。我国车用柴油消费主要集中在货车领域。公路货运占我国整体货运量近80%，是物流运输中最主要的运输方式［13］。货车中符合国Ⅳ及以上标准的重型柴油车已强制安装SCR装置。2018年，我国柴油货车保有量为1.818×107辆，其中重型柴油货车占37.7%，约6.854×106辆。国Ⅳ标准以上重型柴油车占全部重型柴油车的42.5%，约2.913×106辆。按照每车消耗尾气处理液2 t/a估算［14］，2018年尾气处理液的需求量为5.82×106t。

在生产能力方面，至2019年底，我国尾气处理液产能总计约8.6×106t/a，可完全满足国内需求。

2018年我国尾气处理液的应用量与需求量见图6。由图6可见，2018年我国柴油车尾气处理液的应用量远不及需求量，需求量为应用量的4倍左右。主要原因在于现阶段对重型柴油车的NOx排放在线监测不到位，大量柴油车在运行时拆除车载自动诊断系统（OBD）在线监测仪器，甚至用水代替尾气处理液。

图6 2018年我国尾气处理液的应用量与需求量

3 柴油车尾气处理液应用展望

3.1 法规、监管发展趋势

在法规层面，2023年7月起国Ⅵ排放标准将开始实施。国Ⅵ标准较国Ⅴ标准更加严格，其中，NOx排放限值降低42%，由2.0 g/（kW·h）降至0.4 g/（kW·h）。在监管层面，通过车载OBD系统可实时监测在途车辆尾气排放情况。目前，国家已加强对柴油车OBD系统使用的监管力度。2018年底生态环境部、发展改革委等部门联合发布《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》，要求全国各地加强柴油货车超标排放治理。根据这一计划，通过监管应实现全国在用柴油车监督抽检排放合格率达到90%，重点区域达到95%以上。

3.2 柴油车发展趋势

截至2019年，我国公路总里程达4.846 5×106km，高速公路达1.426×105km，居世界首位。国内交通基础设施的建设进一步加快，公路通车里程将进一步延长，公路货运量的绝对值仍将进一步增加。因此，我国柴油车保有量将在一段时间内持续增长。此外，执行较低排放标准的柴油车将加速淘汰。国Ⅲ及以下排放标准的重型货车无SCR系统，是NOx排放的重要贡献者。根据2018年中统计，全国约2.3×106辆国Ⅲ及以下排放标准重型货车亟需淘汰。

3.3 尾气处理液应用展望

排放标准的不断升级是柴油车尾气处理液持续推广应用的最强推动力。随着国Ⅵ标准的实施，尾气处理液将在2020～2025年期间迎来新机遇。尾气排放监管的不断加强也将有助于尾气处理液应用的增长。同时，公路运输量的增长与柴油车的更新换代将使得我国SCR技术及尾气处理液研发与应用继续保持稳定发展。

尾气处理液的应用目前亦面临以下问题尚待解决：1）成本需进一步降低；2）推广宣传力度不足；3）执法与监管力度应进一步加强。

4 结语

尾气处理液是柴油车SCR装置中的重要消耗品，其研究与应用直接影响到SCR装置对NOx的减排效果。在排放标准升级与柴油车保有量增长的背景下，尾气处理液推广应用潜力巨大，估算潜力应在1.5×106t以上，且正处于快速增长期。尾气处理液的应用不仅有助于消化国内石化产品产能，对于环境保护亦具有重要的现实意义。