重型車(chē)車(chē)用尿素供應(yīng)體系研究

仲崇智，高 杰，張立雄

(1. 中國(guó)汽車(chē)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(chē)保有量雖然僅占機(jī)動(dòng)車(chē)總保有量的5%，占汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)用尿素溶液的充足供應(yīng)是相關(guān)政府部門(mén)需要解決的重大關(guān)鍵問(wèn)題，是我國(guó)重型車(chē)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(chē)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(kāi)始實(shí)施。針對(duì)我國(guó)車(chē)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(chē)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(mén)引導(dǎo)化工行業(yè)建立健全多級(jí)配套的車(chē)用尿素供應(yīng)體系提供決策依據(jù)。

1 生產(chǎn)流程和減排反應(yīng)機(jī)理

1.1 車(chē)用尿素的生產(chǎn)流程

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(chē)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(chē)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

1.2 車(chē)用尿素的減排反應(yīng)機(jī)理

國(guó)Ⅳ重型柴油車(chē) SCR技術(shù)方案的減排機(jī)理是通過(guò)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(guò)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?xún)?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(chēng)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(chēng)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(guò) 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。

2 需求與產(chǎn)能分析

2.1 我國(guó)車(chē)用尿素消耗量分析與預(yù)測(cè)

研究表明，[6-7]為滿(mǎn)足重型柴油車(chē)國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)用尿素溶液的消耗量。

單車(chē)車(chē)用尿素溶液年消耗總體積為：

單車(chē)車(chē)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(chē)用尿素溶液產(chǎn)品，因此，單車(chē)固體車(chē)用尿素原料年消耗總質(zhì)量為：

其中：V尿素溶液表示車(chē)用尿素溶液年消耗總體積，L；m尿素溶液表示車(chē)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(chē)年行駛里程，km；C表示重型柴油車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)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(chē)保有量現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)量，結(jié)合單車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(chē)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(chē)用尿素需求量預(yù)測(cè)分析Tab.2 Prediction of urea solution demand in China

2.2 我國(guó)車(chē)用尿素溶液的產(chǎn)能預(yù)測(cè)分析

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(guò)剩1,800萬(wàn) t，我國(guó)尿素行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩局面將進(jìn)一步加劇。而按照車(chē)用尿素溶液2015年的需求情況分析(見(jiàn)表 2)，配制車(chē)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(mǎn)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(chē)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)。

3 成本與效益分析

車(chē)用尿素溶液經(jīng)銷(xiāo)價(jià)格的定位直接關(guān)系著我國(guó)車(chē)用尿素供應(yīng)體系能否順利推行建立，從而影響著重型車(chē)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(xiāo)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(chē)司機(jī)的切身利益。如果銷(xiāo)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(wèn)題；如果銷(xiāo)售價(jià)格偏高，作為終端用戶(hù)的重型柴油車(chē)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(guò)程中采取相應(yīng)的違規(guī)作弊行為(如不加注車(chē)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(chē) 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(chē)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(chē)國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的有效實(shí)施。

3.1 車(chē)用尿素溶液的產(chǎn)品成本分析

根據(jù)相關(guān)車(chē)用尿素生產(chǎn)供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，車(chē)用尿素溶液的生產(chǎn)成本分析如表3所示。

表3 車(chē)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(chē)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(chē)用尿素溶液產(chǎn)品的利潤(rùn)大約為240元。

3.2 車(chē)用尿素溶液的逐年價(jià)格走勢(shì)分析

隨著車(chē)用尿素溶液需求量的逐步增加，未來(lái)我國(guó)車(chē)用尿素溶液的銷(xiāo)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(chē)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(chē)用尿素溶液加注系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，車(chē)用尿素溶液的銷(xiāo)售價(jià)格會(huì)隨著市場(chǎng)規(guī)模的形成而逐步降低。銷(xiāo)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(chē)排放法規(guī)實(shí)施的進(jìn)度安排、購(gòu)車(chē)鼓勵(lì)政策(包括減免采用SCR系統(tǒng)新車(chē)的購(gòu)置稅額及財(cái)政補(bǔ)助、減免路橋費(fèi)等)，針對(duì)車(chē)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(chē)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(xiāo)售量的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of retail price along with sales volume variation

4 供應(yīng)方案規(guī)劃建議

未來(lái)我國(guó)車(chē)用尿素溶液的經(jīng)銷(xiāo)加注方式主要有：柴油加油站的網(wǎng)點(diǎn)銷(xiāo)售、生產(chǎn)供應(yīng)商直接配送上門(mén)、汽車(chē) 4,S店銷(xiāo)售、汽車(chē)維修廠銷(xiāo)售、車(chē)用化工產(chǎn)品(如防凍液等)的經(jīng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)銷(xiāo)售、與汽車(chē)制造商合作開(kāi)展銷(xiāo)售。結(jié)合歐美經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)國(guó)情，建議我國(guó)車(chē)用尿素溶液經(jīng)銷(xiāo)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”。

4.1 車(chē)用尿素初期供應(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(chē)，在汽車(chē)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(xiāo)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(chē)用尿素溶液固定加注站或移動(dòng)撬樁站。針對(duì)特殊車(chē)隊(duì)(公交、郵政和環(huán)衛(wèi))，中小型車(chē)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(chē)隊(duì)以固定加注站方式供應(yīng)。

4.2 車(chē)用尿素中后期供應(yīng)階段

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(chē)，在汽車(chē)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(chē)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(chē)生產(chǎn)制造商在新車(chē)出廠時(shí)一定要做到：為新車(chē)加滿(mǎn)車(chē)用尿素溶液，并配備一桶(10～25,L)車(chē)用尿素溶液，且需提供 SCR系統(tǒng)的說(shuō)明書(shū)、車(chē)用尿素溶液加注的相關(guān)知識(shí)手冊(cè)和車(chē)用尿素溶液市場(chǎng)供應(yīng)信息的宣傳手冊(cè)。

5 結(jié) 論

［1］ 丁焰. 中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)排放控制與減排目標(biāo)[R]. 環(huán)境保護(hù)部機(jī)動(dòng)車(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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?chē)?yán)重過(guò)剩[EB/OL]. 2012-11-19.

［10］ 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心. 《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)車(chē)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.