車用尿素溶液業務的四個特點

楊俊杰 劉泉山 王永紅

1 中國石油潤滑油公司

2 中國石油潤滑油公司產品設計中心

車用尿素溶液是柴油機尾氣排放SCR（選擇性催化還原）技術的必要處理劑。2015年我國國IV排放開始實施，2017年以后其快速增長成為汽車服務領域一大新興業務。本文對其強制消費、化學組成簡單、依賴加油站資源和物流要求嚴格等四個特點進行了分析解讀，希望引起消費者和從業者的高度重視。

車用尿素溶液（也簡稱車用尿素）作為柴油機尾氣排放SCR（選擇性催化還原）技術的必要處理劑，歐洲從2005年開始應用，年消費超過200萬t。我國國IV排放在2015年開始實施，主流重型商用車均需要采用SCR技術，從2017年開始車用尿素溶液就已經成為汽車服務領域一大新興業務，預計到2020年及以后，需求會在400～700萬t/a。它與其他汽車服務相比有四個鮮明的特點，應該予以重視。

強制消費的特點

國IV以后，重型柴油車和國VI以后包括部分輕型車，要滿足排放要求，都必須使用車用尿素溶液降低NOx（氮氧化物）排放，所以將在相當時期內保持消費增長。

柴油機以其高壓縮比而具有比汽油機更高的燃油效率，具有良好的燃油經濟性、動力性、耐久性而廣泛應用于客貨車上。柴油發動機可使用稀燃配比和高壓縮比，燃油效率高，HC、CO、CO2排放量比汽油發動機低，并能夠作為生物柴油等新能源的使用平臺；但是燃燒柴油排放的NOx和PM（顆粒物）遠高于汽油，NOx和PM對人類健康及大氣環境具有不容低估的危害作用，多數國家和地區重型柴油車排放在汽車對環境排放貢獻度中達到70%左右，一直是大氣排放控制領域的重點。各國都致力于減少這兩項排放物，其途徑包括提高燃油品質、實行機內凈化技術和尾氣后處理技術[1]。

PM主要由固態碳煙、可溶性有機物、硫酸鹽等三部分組成，90%以上的顆粒小于1μm，懸浮于空氣中，停留時間很長，增加了接觸人體和在大氣中參與其他化學反應的機會。其中，可溶性有機物具有誘變作用，90%以上是致癌物質，對人體呼吸系統有極大危害，可引起慢性肺病或致癌。NOx及硫化物，可形成有毒的光化學煙霧和具有腐蝕作用的酸雨[2]。

2005年歐洲實施歐Ⅳ排放法規，NOx排放限值從1985年的18.0 g/kW·h下降81%、到3.5 g/kW·h；PM排放限值從1990年的0.7 g/kW·h下降97%、到0.02 g/kW·h，機內凈化技術已經不能滿足要求，必須選擇尾氣后處理技術。

柴油車的尾氣后處理主要有兩條技術路線：一是EGR+DPF/DOC，也就是廢氣再循環系統+顆粒捕集器/氧化型催化轉化器的路線，即先通過廢氣再循環降低燃燒過程中NOx的生成量，再通過顆粒捕集器捕集因EGR技術而增加的顆粒物，使用氧化型催化轉化器定期再生顆粒捕集器；二是優化燃燒+SCR路線，即是先通過優化燃燒降低顆粒物排放，允許NOx生成量有所增加，然后通過SCR來降低產生的NOx排放量。其中，SCR技術路線綜合較為省油，歐洲柴油昂貴，普遍采用SCR技術[1]。2種尾氣后處理技術路線的比較見表1。

SCR還原劑主要有烴類及其衍生物、氨氣和車用尿素溶液等三類。烴類及其衍生物價廉易得、但所使用催化劑為比較昂貴的金屬催化劑，易受硫含量影響而引起催化劑中毒，活性溫度范圍窄，還原效率不高，易造成二次污染；氨氣及尿素不但還原效率高，活性溫度寬，對硫含量也沒有特別嚴格的要求；尿素又具有無毒、便于運輸等優點，更適合作為車用SCR技術的還原劑。

表1 2種尾氣后處理技術路線的比較

車用尿素溶液是指尿素濃度為32.5%（質量分數）的純水溶液，歐洲在車用尿素溶液監管方面主要依賴誠信體系，一旦被發現沒有按要求添加車用尿素溶液將會面臨嚴厲處罰，全面建立了從車用尿素溶液、加注系統、儲運標準，專用名稱“AdBlue”為達到歐Ⅳ排放標準柴油車使用車用尿素溶液的注冊商標。日本于2005年實施了新尾氣排放法規后，幾乎所有的重型柴油車均采用了SCR尾氣處理系統。美國環保局實施EPA2010排放標準后，SCR技術也成為大多數卡車生產商的選擇[3]。

SCR技術也是我國柴油機減排的最優選擇方案，一般比EGR技術節油5%～7%，扣除車用尿素溶液增加的費用，還有2%～3%的成本優勢，而且對燃料硫含量耐受性好，發動機改動小，可以順利延伸到國V、國VI（與DPF并用），SCR是適合我國國情的重型柴油機節能減排技術路線[4]。柴油國標GB19147要求國III柴油的含硫量小于350 mg/kg，SCR技術可以耐受；而EGR-DOC技術要求油品含硫量在10 mg/kg以下。

SCR系統從尿素罐中吸取32.5%的尿素水溶液，經過一個保溫的管道，通過壓縮空氣使之均勻吹入尾氣，車用尿素溶液被氣化并釋放出氨氣，在催化器（釩鎳鎢氧化物）中使NOx快速轉換成純凈的氮氣和水，基本化學反應方程式是：先尿素熱解與水解 (NH2)2CO+H2O—CO2+2NH3；再NOx轉 換4NO+4NH3+O2—CO2+2NH3和 6NO2+8NH3—7N2+12H2O。其反應原理如圖1所示；博世SCR-NOx- NH3催化轉換器組成如圖2所示。

化學組成簡單

國內外車用尿素溶液質量指標和生產技術基本一致，其化學組成簡單透明，產品的核心差別在于以純凈度為主的全過程質量保證。

世界各國在推行柴油車排放新指標的同時，配套制定了車用尿素溶液標準。從最早頒布的德國標準DIN 70070—2005《柴油機 NOx還原劑車用尿素溶液 質量要求》，到國際標準ISO 22241—2006《柴油發動機.車用尿素溶液型NOx還原劑》，都要求32.5%左右的尿素含量，同時控制縮二脲小于0.3%，并嚴格控制醛、不溶物和十種金屬含量等。美國將車用尿素溶液的專用名稱叫做 DEF（Diesel Exhaust Fluid），所有者為美國環保局EPA；日本也發展了其車用尿素溶液產品質量標準JIS K2247—2005《柴油發動機—車用尿素溶液/消減NOx添加劑》[3]。

我國國家標準GB 29518—2013《柴油發動機氮氧化合物還原劑 尿素水溶液(AUS32》于2013年5月7日發布，同年7月1日實施；與ISO 22241標準的主要指標要求一致，要求檢測的指標包括尿素含量、密度、折光率、堿度、縮二脲、甲醛、不溶物、磷酸鹽、鐵、鋁、鈣、鎂、鉀、鈉，鉻、銅、鎳、鋅、紅外定性等共計19項。國內外車用尿素溶液標準對比見表2。

車用尿素溶液生產，最好是尿素生產廠直接生產車用尿素稀釋而成；其次，可以在尿素生產廠生產車用尿素顆粒，在尿素液生產廠再溶解生產車用尿素液產品；萬不得已，也可采用工業尿素（雜質含量低于農用尿素）進行提純，在70～75 ℃時將尿素溶在水中，在30 ℃以下尿素重新從水溶液中結晶出來，水解再結晶可以大幅提高尿素的純度。SCR催化劑載體極易發生金屬離子中毒從而失去催化效果，必須使用純水，其質量的核心是純凈度，主要以電導率≤0.5 mS/m和各類雜質含量為控制指標[4]。

表2 車用尿素溶液的國內外標準

尿素溶解是一個吸熱過程，所以調合設備應具有加熱設施；尿素水溶液會在-11 ℃下開始結冰，-20 ℃完全上凍，這是車用尿素溶液產品在使用過程當中的一個比較大的限制。在北美和歐洲市場，有一些供應商推出了能夠在更低的溫度條件下使用的車用尿素溶液產品，但更多還是采取加熱保溫手段，避免外加降低冰點的物質，給系統帶來不能預知的風險。

低溫車用尿素溶液必須在合適的還原劑中選擇，主要是-25 ℃和-35 ℃兩種產品。主要是通過一些低溫的氨類化合物來達到低溫的效果，低碳酸銨鹽是非常理想的物質，關鍵是須滿足在SCR系統中的催化還原，一般SCR系統的催化溫度在300 ℃～400 ℃，例如在V2O5-TiO2催化體系，要求必須保證其催化活性。利用乙醇來降低車用尿素溶液冰點，會導致車用尿素溶液的單位里程消耗量加大，不僅增加了費用，還大大增加了車用尿素溶液的加注次數[5]，不建議嘗試。

車用尿素溶液生產中應注意4個方面：

◇溶解調合過程溫度應嚴格控制在10℃～40 ℃之內，倉儲應采取必要的溫控措施，保持在-5℃～25 ℃范圍。

◇溶解及包裝所用材料應嚴格按照車用尿素溶液國家標準推薦，使用前應加入檢驗合格的車用尿素溶液產品進行儲存試驗，全項性能檢測合格方可使用。

◇設備、容器和管路應專用，并保證清洗干凈；灌裝設備使用后應清空、清洗干凈并密封，防止產品受到周圍環境的污染，特別是軟管，應該專用，每次用完后應蓋上蓋，存放在專用地點。

◇檢測有任何項目不符合產品要求，或懷疑產品可能存在質量問題，如容器上無標簽，產品變色或出現渾濁，散發不明氣味，或儲存時間超過了保質期等，應加注標簽后單獨儲存，以備進一步調查。如果某一批次的車用尿素溶液產品被反復檢測出存在同一缺陷，該批次產品應作召回處理。供應到市場上的產品，都應通過一個特定的批號可追溯到生產的批次。

嚴重依賴加油站資源

車用尿素液業務，無論中外，除了汽車生產廠裝機和部分車隊自己建設灌裝加注條件，80%以上的消費都在加油站完成[6]。所以，在整個業務系統中的各個從業者，一定要認清楚自己的價值定位。

車用尿素溶液的典型加注方式有3種：

第一種設備相對而言比較簡單，它其實就是一根導流管，用于10 L或20 L包裝的車用尿素溶液產品。使用時首先打開車用尿素溶液包裝桶口蓋，并打開內扣密封蓋；然后把導流管的一端與包裝桶連接，另一端與儲罐連接，就可以開始加注。加注完畢，要用干毛巾或者紙巾把加注口擦干。導流管的材料首先是不被車用尿素溶液所腐蝕，第二是不能含有微量金屬，以免污染車用尿素溶液的產品品質，第三是必須能伸縮300次以上。

第二種設備是移動式200 L 桶或IBC噸箱加注系統，這個設備具有3個方面的優點：

◇它采用的是液壓提桶系統，可以在只有一個人操作的情況下，非常輕松地進行大桶或噸箱車用尿素溶液產品的移動、升降；

◇這個設備的底部有可移動的車輪，使用方便；

◇移動式加注車采用了泵車一體化的設計，操作起來更加省力，主要適用對象是車隊、公交公司等中小客戶，它是通過加注槍把車用尿素溶液直接從桶內打到車輛的尿素溶液儲罐里面去。其中，IBC噸箱的尿素加注一般使用220 V電動隔膜泵，加注槍的材質為不銹鋼，能夠記錄單次加注數量和累計加注數量，如果現場沒有電源，也可用氣動加注泵。

第三種設備是車用尿素溶液站式加注系統，主要根據大型加油站和汽車集團需求開發；具有自動計量、溢滿自動停止等，可以根據客戶的需要加裝流量計，可以像加油站加注汽柴油那樣，實現總量控制、金額計算等等功能，從而能夠滿足終端用戶的各種需求。

車用尿素溶液業務模式在歐洲經歷了由零售點建立中型容器進行散裝銷售，逐漸向自建泵站銷售方向的演變。在車用尿素溶液面市初期，出于對客戶習慣與產品可獲得性的考慮，車用尿素溶液銷售商主要通過在加油站、合作汽車品牌的自有汽車修理店、普通汽修店設立10 L小包裝、200 L桶裝、1 000 L的IBC噸箱。加油站都可以方便買到10 L小包裝產品，或用5 000～10 000 L灌裝加注機型式供應。總體來說，散裝占約60%、IBC和大小桶各占20%。

美國車用尿素溶液被稱為柴油機尾氣處理液，API建立了一個自愿性DEF產品進行認證和監測項目，生產商必須保證其產品滿足ISO 22241標準的要求，并向API交付標識使用費，包括初次認證費、年費和每加侖DEF的標識使用費，API會通過第三方檢測機構從市場上抽樣分析，發現不合格產品，將面臨API的處罰。

包裝儲運要求嚴格

為避免車用尿素溶液被污染和對容器、管道、閥門、連接件、密封墊等的腐蝕，在生產、處理、運輸、儲存和采樣的各個環節都要保證車用尿素溶液與直接接觸的材料兼容。在車用尿素溶液國家標準GB 29518—2013的附錄J中，包裝材料要求“塑料中的添加劑要特別注意，可能會溶解在車用尿素溶液中，對于含有添加劑的塑料，應進行仔細的測試。” 鑒于包裝物單獨檢驗的復雜程度，應按照國標要求，嚴謹選擇包裝物供應商，并做出相應的原材料及生產過程定制要求，以確保包裝物與車用尿素溶液的兼容性[5]。產品灌裝時應至少留有10%的體積空間，尿素溶液結晶點為-11℃，結成晶體的車用尿素溶液會比結晶前的液體體積增加7%，可能會導致產品溢出容器或容器脹裂。

為避免尿素分解和非密封容器中水的揮發，應避免長時間在高于25 ℃的條件下運輸或儲存，短時間暴露在稍高溫度環境不會影響質量；應避免在-5 ℃以下的環境中儲存，避免車用尿素溶液結冰，為此應要求運輸車輛具有絕熱或加熱功能。如果在使用車用尿素溶液前發現已經結晶，可以在溫度不高于30 ℃的情況下，小心加熱至固體物質消失，避免加熱溫度太高和暴露在陽光下。為防止空氣中的雜質污染，應使用密封的容器或在通風口安裝過濾器。

所有與車用尿素溶液直接接觸的表面不能有污染物質，包括燃油、機油、潤滑脂、洗滌劑、灰塵等。為防止車用尿素溶液被微量元素、灰塵和雜質污染，非專用設備的表面應用蒸餾水或去離子水清洗，并在處理車用尿素溶液之前用車用尿素溶液做最后的沖洗。要判斷儲存和運輸設備是否達到理想的清洗效果，對最后一次沖洗的車用尿素溶液按照GB 29518—2013標準驗證。供應到市場上的每個容器中的車用尿素溶液都應通過一個特定的批號可追溯到生產的批次，批號中應包括原始生產時間或最后認證時間。

一次性非散裝容器，每個容器應有識別標簽或印章，從而保證可追溯到容器內車用尿素溶液產品的供應商的原始生產批次；為識別異物，如灰塵、昆蟲或其他不溶物，在灌裝前應目測檢查容器內部；在灌裝車用尿素溶液小包裝時，應從第一個容器中取1 L作為保留樣品；灌裝好的產品應密封，除非包裝物上有通風口設計。

專用設備散裝的操作：所有的閥、蓋子和軟管都在密閉條件下正確操作而沒有受到污染。所有的產品裝卸操作應按操作說明書操作，應有裝卸清單來規范裝卸程序，有負責產品裝卸和運輸的人員簽字，交由裝卸負責人保存。在裝卸之前，應進行至少以下檢查，并有書面記錄：

◇檢查設備清潔確認證書，第一次使用的車用尿素溶液專用散裝容器，應徹底清洗干凈，在潔凈確認證書上記錄清洗過程和潔凈度，在裝貨點灌裝前出示；

◇前次完成裝卸后各種閥門和開關是否關閉合適；

◇散裝運輸和儲存設備、裝卸設備、附屬設備和清潔系統的視覺檢查；

◇從灌裝的第一個容器中取車用尿素溶液樣品分析，確認各項指標符合GB29518—2013質量指標要求；

◇交貨清單核對裝卸產品。如果在裝卸過程中發生異常情況，裝卸應立即停止，從已灌裝容器中采樣分析，查明問題，根據獲得的分析結果采取進一步的措施。

取樣應采用適當的容器，樣品分析前應沒有受到任何污染，既不污染樣品（特別是痕量元素），又能最大程度避免藻類和細菌的生長。污染可能主要來自：采樣瓶生產過程的添加劑殘留；采樣瓶空置保存期間沉積在瓶內的雜質；采樣過程中，周圍空氣中的灰塵或其他雜質；用于清洗采樣儀器和瓶子的洗滌劑殘留；燃油。