仲崇智,高 杰,張立雄
(1. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津 300300;2. 北京市環(huán)境保護(hù)局 北京 100048)
我國(guó)重型車保有量雖然僅占機(jī)動(dòng)車總保有量的5%,占汽車保有量的 15%,但其 NOx和 PM 的排放量卻占到總排放量的 74%和 86%,是我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放控制的重點(diǎn)。[1]國(guó)家環(huán)保部于2011年12月29日發(fā)布第 92號(hào)公告,指出我國(guó)重型車將于 2013年7月 1日起在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。目前,基于我國(guó)燃油資源匱乏、燃油品質(zhì)差和短時(shí)間內(nèi)無(wú)法提供達(dá)到國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)(50,mg/mL)的低硫燃油的國(guó)情,我國(guó)重型車將采用SCR后處理系統(tǒng)作為實(shí)施國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的主流技術(shù)方案。[2]
SCR后處理系統(tǒng)需要加注品質(zhì)合格的車用尿素溶液后才能正常有效工作。因此,如何保證品質(zhì)合格的車用尿素溶液的充足供應(yīng)是相關(guān)政府部門需要解決的重大關(guān)鍵問題,是我國(guó)重型車國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)能否有效實(shí)施的關(guān)鍵因素。
2013年7月1日,重型車國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的配套標(biāo)準(zhǔn)GB 29518-2013《柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物還原劑尿素水溶液(AUS 32)》開始實(shí)施。針對(duì)我國(guó)車用尿素的研究尚處于起步階段現(xiàn)狀的國(guó)情,本文對(duì)我國(guó)車用尿素的生產(chǎn)流程、反應(yīng)機(jī)理、需求與產(chǎn)能、成本與效益以及供應(yīng)方案進(jìn)行了闡述分析,以期為相關(guān)管理部門引導(dǎo)化工行業(yè)建立健全多級(jí)配套的車用尿素供應(yīng)體系提供決策依據(jù)。
采用NH3和CO2為原料,在高溫和高壓下進(jìn)行合成反應(yīng)制得尿素,反應(yīng)如(1)和(2)所示。
當(dāng)車用尿素溶液的市場(chǎng)需求達(dá)到一定規(guī)模后,生產(chǎn)供應(yīng)商(即大型化工企業(yè))生產(chǎn)車用尿素的工藝流程如圖1所示:
圖1 固體尿素原料生產(chǎn)流程Fig.1 Production flow chart of solid urea materials
國(guó)Ⅳ重型柴油車 SCR技術(shù)方案的減排機(jī)理是通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒來(lái)降低 PM 的排放,再通過SCR后處理系統(tǒng)來(lái)降低NOx的排放。在富氧、一定的催化劑和溫度條件下,NH3具有較好的選擇性,可以優(yōu)先與 NOx反應(yīng),生成 N2和 H2O,并且二者反應(yīng)要求的溫度約為 200,℃以上,一般工況下柴油機(jī)的排氣溫度大約為 300~500,℃,因此尿素溶液是理想的還原劑。
SCR后處理系統(tǒng)裝置示意圖,如圖2所示。
圖2 SCR系統(tǒng)后處理裝置示意圖Fig.2 Sketch map of aftertreatment device of the SCR system
在SCR后處理系統(tǒng)中,NOx主要發(fā)生以下幾個(gè)還原反應(yīng):[3-5]
反應(yīng)(3)稱為標(biāo)準(zhǔn) SCR反應(yīng),柴油機(jī)的 NOx排放中NO占90%以上,在溫度300~400,℃時(shí)有較高的反應(yīng)效率。反應(yīng)(4)稱為快速 SCR反應(yīng),此反應(yīng)可以在較低溫度下(低于 250,℃)進(jìn)行,且反應(yīng)速率是標(biāo)準(zhǔn) SCR反應(yīng)速率的 17倍。因此,提高 NOx中NO2的比例可以使 SCR系統(tǒng)在較低溫度下發(fā)生快速 SCR反應(yīng),有利于提高 NOx轉(zhuǎn)化率。根據(jù)反應(yīng)(4)可以看出 NO2與 NO的最佳比例為 1∶1,此時(shí)可以最大限度地發(fā)生快速SCR反應(yīng)。然而,當(dāng)NO2與 NO 的比例超過 1∶1時(shí),會(huì)發(fā)生反應(yīng)(5),其反應(yīng)速度最低,應(yīng)避免。因此應(yīng)使 NO2與 NO的比例接近 1∶1為最佳選擇。反應(yīng)(6)是在高溫時(shí)發(fā)生的NH3的氧化反應(yīng),即此時(shí) NH3失去了優(yōu)先與 NOx反應(yīng)的選擇性,因此應(yīng)該避免此反應(yīng)的發(fā)生。但是在排氣尾端可以在催化劑條件下利用此反應(yīng)對(duì)泄露的NH3進(jìn)行清除。
研究表明,[6-7]為滿足重型柴油車國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求,一般車用尿素溶液消耗量約占柴油機(jī)燃料消耗量的 5%(體積比)。按柴油密度為 0.84 kg/m3,車用尿素溶液密度為 1.087 kg/m3來(lái)計(jì)算兩者之間消耗量的質(zhì)量比,車用尿素溶液消耗量約占柴油機(jī)燃油消耗量的6.5%(質(zhì)量比)。
因此,根據(jù)柴油消耗量可以估算和預(yù)測(cè)出車用尿素溶液的消耗量。
單車車用尿素溶液年消耗總體積為:
單車車用尿素溶液年消耗總質(zhì)量為:
由于1 t固體尿素原料和2.08 t純水可以配制出3 t車用尿素溶液產(chǎn)品,因此,單車固體車用尿素原料年消耗總質(zhì)量為:
其中:V尿素溶液表示車用尿素溶液年消耗總體積,L;m尿素溶液表示車用尿素溶液年消耗總質(zhì)量,t;m固體尿素表示固體尿素原料年消耗總質(zhì)量,t;S表示重型柴油車年行駛里程,km;C表示重型柴油車百公里油耗,L/100 km;kv表示體積消耗比例,為5%;km表示質(zhì)量消耗比例,為6.5%;ρ柴油表示柴油密度,0.84 kg/m3。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,[8]假設(shè)每輛重型柴油車年行駛8萬(wàn) km,百公里油耗為 40 L。根據(jù)公式(7)、(8)和(9),可以計(jì)算出單車車用尿素溶液年消耗量和固體尿素原料年消耗量,如表1所示。
根據(jù)我國(guó)重型柴油車保有量現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)量,結(jié)合單車車用尿素溶液年消耗量,對(duì)未來(lái)我國(guó)國(guó)Ⅳ重型柴油車車用尿素的需求量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,結(jié)果如表2所示。
表1 車用尿素溶液與固體尿素原料年消耗量Tab.1 Annual consumption of both urea solution and solid urea materials
表2 我國(guó)車用尿素需求量預(yù)測(cè)分析Tab.2 Prediction of urea solution demand in China
據(jù)統(tǒng)計(jì),[9]2012年我國(guó)尿素產(chǎn)能達(dá)到6,800萬(wàn) t,但國(guó)內(nèi)工農(nóng)業(yè)需求只能達(dá)到 5,000萬(wàn) t,產(chǎn)能過剩1,800萬(wàn) t,我國(guó)尿素行業(yè)產(chǎn)能過剩局面將進(jìn)一步加劇。而按照車用尿素溶液2015年的需求情況分析(見表 2),配制車用尿素溶液所需固體尿素原料的需求量為 464萬(wàn) t,我國(guó)尿素產(chǎn)能能力完全能滿足需求。此外,由于尿素行業(yè)是一個(gè)高能耗行業(yè),出口尿素就相當(dāng)于出口資源,我國(guó)政府為了保障國(guó)內(nèi)尿素供給,對(duì)尿素出口采取了嚴(yán)格的緊縮措施。因此,未來(lái)車用尿素生產(chǎn)供應(yīng)商在生產(chǎn)能力上能夠保證固體尿素原料的充足供應(yīng)。
車用尿素溶液經(jīng)銷價(jià)格的定位直接關(guān)系著我國(guó)車用尿素供應(yīng)體系能否順利推行建立,從而影響著重型車國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)能否得到有效實(shí)施。產(chǎn)品的經(jīng)銷價(jià)格需要合理定位,一方面要考慮到生產(chǎn)供應(yīng)商的利潤(rùn)空間;另一方面要考慮到重型柴油車司機(jī)的切身利益。如果銷售價(jià)格偏低,利潤(rùn)空間小,生產(chǎn)供應(yīng)便會(huì)出現(xiàn)問題;如果銷售價(jià)格偏高,作為終端用戶的重型柴油車司機(jī)將要承擔(dān)這部分額外成本,司機(jī)必然會(huì)產(chǎn)生抵觸情緒,從而導(dǎo)致其在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過程中采取相應(yīng)的違規(guī)作弊行為(如不加注車用尿素溶液或加注品質(zhì)不合格的尿素溶液或自行配兌尿素水溶液等等),這些作弊行為會(huì)導(dǎo)致 SCR系統(tǒng)無(wú)法正常工作,從而導(dǎo)致重型車 NOx得不到有效控制。國(guó)內(nèi)外研究已表明,[10]國(guó)Ⅳ重型車在 SCR后處理系統(tǒng)失效,即 NOx控制措施不起作用的情況下,國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平還不如國(guó)Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)。所以,這種作弊行為會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)重型柴油車國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的有效實(shí)施。
根據(jù)相關(guān)車用尿素生產(chǎn)供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù),車用尿素溶液的生產(chǎn)成本分析如表3所示。
表3 車用尿素生產(chǎn)供應(yīng)的成本分析Tab.3 Cost analysis of both production and supply of urea solution
由表3可以看出,車用尿素溶液產(chǎn)品10 kg桶包裝零售價(jià)格水平大約為 45元,每噸車用尿素溶液產(chǎn)品的利潤(rùn)大約為240元。
隨著車用尿素溶液需求量的逐步增加,未來(lái)我國(guó)車用尿素溶液的銷售價(jià)格走勢(shì)將會(huì)呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。根據(jù)歐洲以往的經(jīng)驗(yàn),[11-12]車用尿素溶液的產(chǎn)品價(jià)格走勢(shì)如圖3所示。
根據(jù)歐美國(guó)家建立車用尿素溶液加注系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn),車用尿素溶液的銷售價(jià)格會(huì)隨著市場(chǎng)規(guī)模的形成而逐步降低。銷售價(jià)格降低的速度主要取決于以下因素:政府對(duì)重型車排放法規(guī)實(shí)施的進(jìn)度安排、購(gòu)車鼓勵(lì)政策(包括減免采用SCR系統(tǒng)新車的購(gòu)置稅額及財(cái)政補(bǔ)助、減免路橋費(fèi)等),針對(duì)車用尿素溶液生產(chǎn)供應(yīng)商的貸款優(yōu)惠政策和減稅政策(如車用尿素溶液生產(chǎn)供應(yīng)商外購(gòu)工業(yè)超純水的增值稅減免措施等)。[13]
圖3 產(chǎn)品零售價(jià)格伴隨銷售量的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of retail price along with sales volume variation
未來(lái)我國(guó)車用尿素溶液的經(jīng)銷加注方式主要有:柴油加油站的網(wǎng)點(diǎn)銷售、生產(chǎn)供應(yīng)商直接配送上門、汽車 4,S店銷售、汽車維修廠銷售、車用化工產(chǎn)品(如防凍液等)的經(jīng)銷網(wǎng)絡(luò)銷售、與汽車制造商合作開展銷售。結(jié)合歐美經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)國(guó)情,建議我國(guó)車用尿素溶液經(jīng)銷網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和加注供應(yīng)方案根據(jù)時(shí)間分成兩個(gè)階段,即“初期供應(yīng)階段”和“中后期供應(yīng)階段”。
本階段從 2013—2015年,主要以小包裝供應(yīng)方式(25,L以下桶裝)為主,其他供應(yīng)方式占 20%~30%。針對(duì)社會(huì)營(yíng)運(yùn)重型車,在汽車維修廠和柴油加油站以小包裝方式供應(yīng)。特別是,對(duì)于燃油銷售量達(dá)到1,000,t/月的柴油加油站,建議建立示范運(yùn)營(yíng)性質(zhì)的車用尿素溶液固定加注站或移動(dòng)撬樁站。針對(duì)特殊車隊(duì)(公交、郵政和環(huán)衛(wèi)),中小型車隊(duì)以小包裝、200,L可移動(dòng)式加注桶或 1,000,L IBC桶(Intermediate Bulk Container,集裝箱桶)的方式供應(yīng),超大型車隊(duì)以固定加注站方式供應(yīng)。
本階段從 2015—2018年,小包裝供應(yīng)方式占50%,其供應(yīng)方式占 50%。針對(duì)社會(huì)營(yíng)運(yùn)重型車,在汽車維修廠和柴油加油站仍以小包裝方式供應(yīng),其中少部分加油站采用 200,L可移動(dòng)式加注桶或1,000,L的 IBC桶供應(yīng)方式。大部分加油站采用固定加注站的供應(yīng)方式。針對(duì)特殊車隊(duì)(公交、郵政和環(huán)衛(wèi))來(lái)說(shuō),以固定加注站或移動(dòng)撬樁站進(jìn)行供應(yīng)。
此外,建議重型車生產(chǎn)制造商在新車出廠時(shí)一定要做到:為新車加滿車用尿素溶液,并配備一桶(10~25,L)車用尿素溶液,且需提供 SCR系統(tǒng)的說(shuō)明書、車用尿素溶液加注的相關(guān)知識(shí)手冊(cè)和車用尿素溶液市場(chǎng)供應(yīng)信息的宣傳手冊(cè)。
[1] 丁焰. 中國(guó)機(jī)動(dòng)車排放控制與減排目標(biāo)[R]. 環(huán)境保護(hù)部機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心,2010.
[2] 胡靜,趙彥光,陳婷,等. 重型柴油機(jī) SCR后處理系統(tǒng)尿素噴射電子控制單元開發(fā)[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程,2011,32(1):8-11.
[3] 樓狄明,張正興,譚丕強(qiáng),等. 車用柴油機(jī)選擇性催化還原技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,32(12):103-108.
[4] 管斌,周校平,林赫,等. NH3-SCR法降低柴油機(jī)NOx排放的研究進(jìn)展[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī),2007,175(5):1-7.
[5] 郭碧寶. 尿素-SCR對(duì)柴油機(jī)NOx排放控制原理分析[J]. 汽車維修,2008(8):4-6.
DGMK-Research Report 616-1.AdBlue as a Reducing Agent for the Decrease ofNOX Emissions from Diesel Engines of Commercial Vehicles[R]. German Society for Petroleum and Coal Science and Technology,2003.
[7] DGMK-Research Report 616-2.AdBlue as a Reducing Agent for the Decrease of NOX Emissions from Diesel Engines of Commercial Vehicles PartⅡ:Laboratory and Field Test Result of AdBlue Logitics[R]. German Society for Petroleum and Coal Science and Technology,2005.
[8] 朱向雷,許建昌,左培文,等. 機(jī)動(dòng)車國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前相關(guān)行業(yè)準(zhǔn)備狀況調(diào)研[R]. 中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)機(jī)動(dòng)車污染防治委員會(huì),2009.
[9] 中國(guó)產(chǎn)業(yè)安全指南網(wǎng).2012年前三季度我國(guó)尿素產(chǎn)能嚴(yán)重過剩[EB/OL]. 2012-11-19.
[10] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心. 《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載診斷系統(tǒng)(OBD)技術(shù)要求》編制說(shuō)明[R]. 2008.
[11] Engine Manufacturers Association Chicago,ExecutiveSummary for:SCR-Urea Infrastructure Implementation Study Final Report[R].2003-07-30.
[12] Integer.The Dutch government questions EuroⅤand SCR:America’s 2009,hangover[R]. AdBlue & DEF Monitor,2010.
[13] Michael D. Jackson,Scott Fable,Shyam Venkatesh.Viability of Urea Infrastructure for SCR Systems[R]. U.S. Environmental Protection Agency Clean Diesel Engine Implementation Workshop,2003.