车用尿素水溶液产品质量分析

滕江波，杜伯会，白林智，邹惠玲，夏攀登

(山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250100)

0 引言

车用尿素水溶液，又名柴油发动机氮氧化物还原剂或柴油车尾气处理液，应用于柴油车选择性催化还原装置，如图1 所示，车用尿素在装置中遇热与水反应生成氨，使尾气中有害的氧化氮与氨气反应转化为无害的氮气和水，减少柴油车尾气中的氮氧化物污染，降低颗粒物排放，是柴油车尾气达到国五标准以上排放标准的必备产品。目前，此方法在氮氧化物减排方案中是比较经济的方法之一。我国车用尿素水溶液的生产厂家众多，由于投资成本低、生产工艺简单，生产企业主要以中小微型企业为主。随着国家大气污染防治力度的加大，车用尿素水溶液作为一种环保产品，以经济、环保等优点逐渐大面积应用于各种柴油车、船只等各类柴油发动机尾气处理领域，其使用程度日益增强，应用前景广阔。市场上销售的尿素水溶液仅有一个规格型号AUS32，表示尿素含量(质量分数)31.8%～33.2%，销售场所主要为汽配城、加油站和商店等。车用尿素水溶液的质量水平直接影响汽车尾气处理的效果，是重型卡车、客车等柴油车达到尾气排放标准的优选产品，对大气污染防治具有重要意义。

图1 柴油车选择性催化还原技术(SCR)工作原理图

1 质量整体概况

目前，由于生产工艺相对简单，市场上车用尿素水溶液品牌众多，但部分小微型企业缺少专业的生产设备和相应的技术，无法严格控制车用尿素水溶液产品质量，存在依靠低价吸引消费者的状况，质量管理程序不完善，质量参差不齐。从近年来国家和各省市监督抽查结果来看，该产品不合格项目主要为尿素含量、密度、折光率、杂质含量(醛类、钙、铜、镁、钠、钾)。车用尿素水溶液在生产和储存过程中的问题均会对产品质量造成影响，因此本文对GB 29518—2013《柴油发动机氮氧化物还原剂尿素水溶液》标准检测项目进行质量分析[1]，如表1 所示。同时从原材料采购和质量控制、净水效果、生产过程工艺控制、检验设备配备和检验检测人员操作及检验能力、运输及仓储条件等全链条影响因素进行综合分析[2]。

表1 检验项目及检验方法

2 各指标对产品质量的影响

2.1 尿素含量对产品质量的影响

尿素含量是车用尿素水溶液的关键性指标，会直接影响尿素水溶液的凝固点和氮氧化物的催化率。GB 29518—2013 标准中尿素含量标准要求为：31.8%～33.2%(质量分数)[1]。尿素水溶液的质量分数超过或低于标准要求都会影响柴油车尾气中氮氧化物的还原效率，标准要求的尿素含量是产品使用的最适宜浓度范围。尿素含量超标时，参加反应后剩余的尿素在高温情况下会生成二氧化碳和氨气；尿素含量不达标时，会降低催化系统的转化效率，造成剩余的氮氧化物在未还原成氮气的情况下，排放到大气环境中。另外，尿素含量会影响尿素水溶液的结晶点，经试验比对，质量分数为32.5%的尿素水溶液，测定结晶点为-11.5 ℃，尿素含量不合格会改变尿素水溶液的结晶点，气温低时极易出现结晶，造成尿素输液管道的堵塞，严重时甚至会造成发动机的损坏[3]。

造成尿素含量不合格的原因主要有：生产工艺控制不严，车用尿素与去离子水添加比例不合适，从而造成产品中尿素含量偏低或偏高；缺乏质量控制手段，生产企业的检测仪器不齐全，对标准中质量指标无法做到每批监测和有效控制；企业的质量意识薄弱，随着原材料价格不断上涨，为追求经济利润，可能存在偷工减料等现象；对检测技术和设备的投入较少，从而造成产品质量不合格[4]。

2.2 密度对产品质量的影响

密度是车用尿素水溶液的重要指标。GB 29518—2013中密度(20 ℃)标准要求为：1 087.0～1 093.0 kg/m3[1]。密度与尿素含量具有对应关系，尿素含量越高，则密度越大，尿素含量越低，则密度越小，其大小可以间接反映尿素含量的多少。

2.3 折光率对产品质量的影响

折光率可以间接反映尿素含量，密度、折光率和尿素含量三者在此产品中具有相关性。GB 29518—2013 中折光率20nD标准要求为：1.381 4～1.384 3[1]。折光率与尿素含量也具有对应关系，尿素含量越高，则折光率越大，尿素含量越低，则折光率越小，其大小同样间接反映了尿素含量的多少。

2.4 杂质含量对产品质量的影响

杂质含量主要包含碱度、缩二脲、醛类、不溶物、磷酸盐、钙、铁、铜、锌、铬、镍、铝、镁、钠、钾。

GB 29518—2013 中碱度(以NH3计)(质量分数)标准要求为不大于0.2%[1]。当车用尿素水溶液碱度过高时，车用尿素会水解生成氨，其原因是原料尿素不纯或已经发生分解，该项指标的制定目的是反映尿素中氨含量的高低。

GB 29518—2013 中缩二脲(质量分数)标准要求为不大于0.3%[1]。原材料尿素在生产过程中会产生缩二脲等副产物，醛类和缩二脲相遇极易发生聚合反应，生成大分子结构的物质，过多时会析出，堵塞尿素输送管等零部件[5]。

GB 29518—2013 中醛类(以HCHO计)标准要求为不大于5 mg/kg[1]。当醛类物质超过标准要求时，会对SCR 系统中催化剂涂层造成影响，而降低催化剂的使用寿命。造成醛类质量分数不合格的原因主要是在生产原料尿素的过程中，工艺最后形成尿素大颗粒的环节需用尿素溶液与甲醛混合，甲醛可以放缓尿素吸湿速度，防止尿素颗粒板结和粉化，有利于延长存放时间，但若生产工艺条件控制不好，极易导致尿素中出现甲醛含量过高的现象，进而将甲醛引入到后期车用尿素水溶液中。此外，在车用尿素水溶液生产和储存过程中的储罐及管道(含有塑料、胶黏剂的材料)中也有可能含有甲醛，同样会引入到尿素水溶液中，从而造成车用尿素水溶液产品醛类质量分数不合格。

GB 29518—2013 中不溶物标准要求为不大于20 mg/kg[1]。不溶物可能是各种不溶于水溶液的固体物质，不溶物含量超标会大大提高输送管路和喷嘴堵塞及梗塞的概率。

GB 29518—2013 中磷酸盐标准要求为不大于0.5 mg/kg[1]。磷酸盐含量超标，会造成柴油车SCR 系统中的催化剂中毒失活，影响尾气处理效果，需严加控制。

GB 29518—2013 中杂质含量标准要求中，镁、钠、钾、钙、铁、铝标准要求为不大于0.5 mg/kg，铬、镍、锌、铜标准要求为不大于0.2 mg/kg[1]。金属离子(钠、钾、钙、铜、镁等)超标会造成滤清器、输送管道和喷嘴的堵塞，降低SCR 系统催化作用，甚至还会造成仪器的损坏[6]。另外，金属离子还会增加车用尿素溶液的碱度，在加热高温情况下会生成氨气溢出，降低氮氧化物的转化率。造成金属离子不合格的主要原因有：企业在生产过程中对原材料水的处理能力不够，净水设备工艺设计不达标，导致金属离子引入最终产品中；储存或盛装容器材料本身含有易渗入尿素水溶液的金属杂质离子或分装前未按要求清洗容器(如直接用自来水或井水清洗，自来水或井水中含有钠等金属离子)[7-10]。

2.5 一致性确认对产品质量的影响

一致性确认是指通过红外光谱图定性分析有效成分是否为车用尿素，防止个别的生产企业使用其他含氮量高的化学品充当车用尿素。GB 29518—2013 中一致性确认标准要求为与参考谱图一致[1]。

3 车用尿素水溶液生产存在的问题

(1)车用尿素水溶液生产行业门槛低、投入少、生产工艺相对简单，以小型生产企业为主，企业往往存在技术力量薄弱、利润微薄等问题，为追求更大经济利润，存在偷工减料、以次充好的短期市场行为，造成车辆尾气处理系统损坏，无法达到尾气处理效果，对车主造成经济损失的同时也会污染环境，进而影响本产业的健康发展。

(2)部分企业质量意识不强，对质量把控不严，未按生产工艺和产品标准实施生产，常常仅对车用尿素原料添加量进行控制，而未对原料纯净水中杂质含量进行控制。车用尿素溶液生产工艺看似简单，但生产出合格的产品要对原材料质量、生产过程控制、包装运输控制和储存条件等方面进行严格管理。

(3)部分企业缺少相应的检验设备，无法对原材料及出厂产品进行检验，产品质量无法通过检验仪器进行表征。车用尿素水溶液产品的检测设备中，电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)需从国外进口，价格昂贵，再加上其他检测设备，投资超过200 万元，若全部采用国产设备，也需150 多万元，对一般规模和小型的车用尿素水溶液企业来说，投入成本过高。因此，企业实验设备配备不全，无法对产品质量的关键指标进行控制，导致车用尿素水溶液存在质量隐患。

4 对车用尿素水溶液生产的建议

(1)企业应加强对原材料的质量控制，严格把控车用尿素和水中杂质的含量，并加强对车用尿素水溶液产品生产过程的控制；加强对一线生产员工技术能力的培训，提高员工的生产工艺操作技能；增加必要的检测设备或委托第三方检测机构检验，确保出厂产品质量合格；在运输和储存过程中应防止长期光照和高温储存，适宜的储存温度在-5～25 ℃之间，夏季可对车用尿素水溶液进行降温处理。

(2)市场监管部门仍需加大对车用尿素水溶液产品的监督抽查力度，倒逼企业优化生产工艺、严格遵循生产流程、提高检测能力。同时对小微型企业提供技术帮扶，在生产技术、生产管理、质量控制手段方面给予指导帮助。例如，定期组织产品质量分析及相关关键技术会议，对企业进行检验方法的标准符合性核查，以提高企业的产品质量检验有效性，督促企业定期对杂质含量等不合格率高的项目进行检验，真正从生产、技术和质量上全面提升企业生产水平。

(3)企业采用车用尿素水溶液快速检测技术，在现场出具快速筛查结果，有效防止不合格产品流入市场。通过采用近红外光谱分析技术和折光率测试技术，能快速准确地对六个检测项目进行检测，大大缩短检测周期，施行快检、快查、快处置的全新产品质量检测模式[11-12]。例如，山东省目前已实施车用尿素水溶液快速检测质量监管方式，并制定颁布DB37/T 4118—2020《柴油发动机氮氧化物还原剂-尿素水溶液(AUS 32)的快速检测方法近红外光谱法》、DB37/T 4119—2020《柴油发动机氮氧化物还原剂-尿素水溶液(AUS 32)快速筛查技术规范》两个地方标准。