非道路移動機械柴油車排氣污染治理技術及對策研究

吳姍姍

（無錫開放大學，江蘇無錫 214000）

1 引言

近年來我國非道路移動機械發展迅速，其污染物排放已呈快速上升之勢，非道路移動機械柴油車作為主流非道路移動機械設備，卻面臨著排放標準規章不健全、管理制度不規范、污染物排放量大、使用范圍廣等問題［1］。而非道路移動機械柴油車排放治理作為一項復雜的系統工程，涉及諸多方面以及排放治理方案、治理產品選擇與匹配、后期監控等諸多環節，各相關方及環節均會對排放治理效果產生極大的影響［2］，特別是目前我國相關排放標準越來越嚴格，也將會加大對非道路移動機械污染的管理。現階段排放限值已經不能滿足行業技術發展的需要和國家日益嚴格控制環境污染的政策要求，同時也面臨著現行標準缺失對機械排放的監管等問題。

2 非道路移動機械柴油車排氣污染治理的發展現狀

2.1 國外研究發展現狀

1998 年，歐盟就以立法的形式（97/68/EC 指令）對非道路移動機械用柴油機的排放進行了規定［3］。法規分2 個階段實施，第I 階段于1998 年實施，第II階段于2001—2004 年執行，柴油機的各污染物排放數值按輸出功率大小進行了不同的限定。2016 年歐盟正式發布的非道路機械歐Ⅴ排放新法規EU2016/1628，規定了安裝或計劃安裝在非道路移動機械上的發動機的排放限制和型式認可程序并引入了顆粒數量的限值來減少排放，擴展了前指令（97/68/EC 指令）的適用范圍并設定了執行時間表，對世界各國非道路機械排放標準的制定有良好的借鑒意義［3］。全球統一的非道路移動機械排放法規是第11 號全球統一技術法規（Global Technical Regulation No.11），于2009年11 月12 日頒布。該法規沒有制定統一的排放限值要求，也沒有統一的實施日期，只規定了排氣污染物的測量方法，該方法直接與歐美第Ⅳ階段測量方法的要求相對應。

2.2 國內研究發展現狀

我國對非道路移動機械用柴油機排放標準出臺較晚，2007 年才頒布實施了GB 20891—2007《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）》。2007 年10 月1 日實施第I階段排放要求，2009 年10 月1 日實施第Ⅱ階段排放要求。2014 年對GB 20891—2007 標準進行了修訂，發布了GB 20891—2014 中國第Ⅲ和第Ⅳ階段限值［4］。規章不健全、管理制度不規范、數據模糊難以統計是我國目前非道路移動機械污染防治的難點。針對現狀，2018 年生態環境部正式發布的GB 36886—2018《非道路移動柴油機械排氣煙度限值及測量方法》，標志著國家正式對非道路移動柴油機械排氣進行控制和管理，此時我國對機動車污染防治的重視程度已上升到前所未有的高度。近年來，我國柴油車國Ⅳ標準實施不斷推遲，因此也導致大量的國Ⅲ柴油車沒有安裝后處理裝置，加劇了污染物排放的比例。在我國國Ⅳ和國Ⅴ重型柴油車中，雖然使用了選擇性催化還原（SCR）后處理系統，但是也存在著人為屏蔽、系統失效等不足，因此仍有不少的車輛排放超標。為了管控柴油車的污染問題，2018年的《政府工作報告》中提出通過專項治理的方式解決柴油貨車超標排放的問題［5］。2019 年國務院制定了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，其中強調需要對老舊柴油車進行深度的治理，如果其滿足基本的條件，則需要安裝污染控制裝備，并與生態環境等部門相合作，實現數據共享，從而對顆粒物（PM）以及NOX的排放進行有效的控制［6］。

3 非道路移動機械柴油車后處理相關技術

3.1 SCR 系統

SCR 系統是一種機外凈化系統，在催化劑的作用下利用還原劑選擇性地將NOX還原為N2，通過這種方式可以去除NOX［7］。在該系統中，其可以選擇不同的還原劑將氨進行有針對性的催化還原。目前，日本日產公司的研究成果是在SCR 系統前加柴油氧化型催化器（DOC）用來產生NO2，使其與NO 的量一樣，這樣在低溫下與NH3反應的效率更高。該系統的反應如下：

3.2 廢氣再循環系統（EGR）

利用EGR 技術，可以將發動機排出的一些廢氣再次送回進氣管，然后這部分廢氣會和新鮮的混合氣再次進入氣缸中［8］。由于廢氣中含有大量的CO2等多原子氣體，使氣缸中混合氣的最高燃燒溫度降低，從而減少了NOX的生成量，分擔部分負荷同時可提高燃料消費率。大部分汽車都開始使用EGR 技術，不僅可以減少火焰燃燒的溫度，同時還可以降低NO 高溫滯留的時間。目前，有關領域研究的主要方向就是提高柴油機的EGR 率，如果其再循環量提高，但是將沒有冷卻的廢氣直接加入進氣系統，會導致柴油機的空燃比降低，提高了微粒排放。所以，如何冷卻EGR 系統是目前急需解決的問題。

3.3 控制CO 和HC 排放的DOC

DOC 即為通流式催化轉化器，其使用的基礎負載催化劑是陶瓷蜂窩。通常情況下，會選擇使用鈀或者鉑作為活性組分。DOC 通過使用活性組分的催化氧化作用，能夠消除HC，CO 等污染物，同時還可以去除一些可溶性的有機物。利用DOC 能夠氧化尾氣中的NO，從而得到NO2，并為之后的SCR 反應以及柴油顆粒過濾器技術（DPF）再生提供支持［9］。

3.4 PM 控制技術——DPF 技術

控制PM 最有效的技術就是采用DPF 裝置，所有的大功率DPF 是當前降低柴油車PM 排放最為有效的技術。為了確保捕集效率以及背壓之間的平衡，在設計DPF 載體時，需要重點考慮高孔隙率以及非對稱結構。柴油機必須安裝DPF 裝置。DPF 只能把微粒從柴油機的排氣中過濾出來，沉積在濾芯內，本身并不能清除微粒。微粒多了堵塞DPF，造成發動機的排氣背壓升高，所以DPF 要有清除微粒的過程，這種過程叫DPF 的再生［10］。目前DPF 發展的關鍵技術就是DPF 的再生技術。

3.5 排放控制技術在非道路柴油機械上的應用現狀

我國柴油車污染控制標準是以歐洲標準作為參考而制定的。從2015 年開始，我國就正式實施柴油車國Ⅳ標準［4，6］，這也意味著柴油機必須要使用后處理系統，從而對排放的物質進行控制。但是，柴油機尾氣中主要有PM 和NOX2 種特征污染物，二者之間的關系是此升彼降。所以，在對國Ⅳ柴油車排放控制時，主要有2 種技術路線，一種是DPF 路線，另一種是選擇性催化還原技術（SCR）路線。在國際上，主要也是2 種技術路線，一種是優化燃燒＋SCR 路線，其是提高發動機機內燃燒的程度從而減少微粒的排放，然后使用SCR 可以降低排放的NOX量；二是EGR＋DPF 路線，首先使用EGR 技術，能夠降低燃燒，從而減少發動機機內NOX，然后利用DPF 捕集顆粒物，從而達到同時降低NOX和PM 的效果。

4 國內后處理行業的調研及分析

4.1 行業主要企業發展概況

我國對機動車污染防治的重視拉動了機動車環保產業的發展，截止到2017 年，我國有130 多家企業從事和環保產業相關的業務［11］。其中，有超過10家的企業從事載體生產，有不低于8 家的企業從事催化劑涂層，有超過4 家的企業從事隔熱襯墊。這

130 多家企業的地域分布如圖1 所示。國內后處理行業中，有58%的企業其研發費用都超過了銷售額的10%，這說明該行業十分關注產品開發以及升級，但僅有23%的企業掌握了主要自主技術，有77%的企業所使用的技術來源于國外。這主要是和油品質量、排放標準等因素有關系，所以，我國還需要進一步提高自主研發技術。

圖1 全國機動車排放后處理產業規模分布

4.2 調研對象說明

本文旨在對非道路移動機械柴油車排氣污染治理技術及對策進行探索，選擇的國內主流后處理企業調研對象如下：

（1）佛吉亞（中國）排放控制技術有限公司，主營產品：排氣歧管、催化轉換器、排氣消聲器、柴油后處理系統集成。

（2）上海天納克研發中心，主營產品：催化轉化器、排氣消聲器、排氣歧管、柴油機后處理系統集成。

（3）浙江邦得利汽車環保技術有限公司，主營產品：三元催化轉化器、排氣歧管等。

（4）安徽艾可藍節能環保科技有限公司，主營產品：三元凈化器（TWC）、氧化催化凈化器（DOC）、選擇性催化還原器（SCR）及尿素噴射控制系統（DCU）、主動再生式顆粒物捕集器系統（DPF）和顆粒物氧化器（POC）。

（5）艾藍騰新材料科技（上海）有限公司，主營產品：柴油機顆粒捕集器系統。

（6）蘇州蓮池環保科技發展有限公司，主營產品：汽油車三元催化總成、尾氣凈化類催化劑、柴油車尾氣凈化設備、云診修汽車診斷分析設備、云監察尾氣執法設備（在研項目）及滿足政府監管需求的各類大數據平臺。

（7）優美科汽車催化劑（蘇州）有限公司，主營產品：汽車尾氣凈化器的研發、設計、測試、制造及銷售。

（8）上海薩可秀凈化科技有限公司，主營產品：機動車以及非道路機械排氣凈化催化劑、催化轉換器、其他工業廢棄的催化凈化裝置等。

（9）南京輝虎環保設備有限公司，主營產品：非道路機械等尾氣后處理設備的開發、設計及生產。

（10）無錫威孚力達催化凈化器有限責任公司，主營產品：機動車、非道路機械的尾氣處理及工業廢氣凈化等后處理系統和催化劑的生產、銷售、技術服務。

各廠家所采用的具體技術及其優缺點見表1。

表1 各廠家的技術對比

4.3 調研分析及結論

通過對以上10 家國內主流后處理企業進行的技術路線及對應優缺點調研可知，SCR 系統作為行之有效的一種排氣后處理措施已得到廣泛應用，但通過對比發現，各后處理企業主要通過2 種排放技術路線來實現排氣污染治理的目的：一是SCR 路線。這一路線工作的基本原理是對柴油發動機缸內的燃燒過程進行優化處理，使空氣污染排放物的濃度降低至達標，再利用車載后處理系統對發動機排出尾氣中含量較高的NOX進行技術處理，以滿足法規的相關要求。二是EGR＋DOC/DPF/POC（廢氣再循環＋柴油氧化催化器/柴油顆粒過濾器/顆粒氧化催化器）技術路線。在這一路線中，EGR＋DPF 的應用最為廣泛，簡稱為EGR 路線，相較于SCR 路線在價格上處于優勢，但EGR 對油品質量要求較高，從長遠來看經濟性較差，同時由于DPF 再生能力比較弱，必須采用高溫加催化劑才能滿足要求，無形中增加了發動機的油耗。

5 非道路移動機械柴油車排氣污染治理的建議

5.1 對策研究方面

（1）對污染源頭進行嚴格的控制。對于各個地區而言，其需要監督檢查新車的準入管理、生產環節以及銷售環節，要全面監督柴油貨車的注冊、登記以及環保審核等，從而實現柴油車輛結構的升級。

（2）提高用車監管的力度。目前，國務院正在構建相應的數據庫來管理全國機動車超標排放的信息，對超標排放機動車的相關企業進行追溯監督。

（3）加強油品質量管理。需要在全國范圍內供應符合國Ⅵ標準的車用柴油，禁售不符合標準的柴油，尤其是對于重點區域，應提前實施國Ⅵ排放標準。

5.2 技術方面

（1）對用車排放檢測與維修體系進行完善。全國機動車環保檢驗機構（I 站）將按照GB 3847—2018和GB 18285—2018 標準全面升級。2019 年11 月1日起，正式執行柴油車NOX檢測和車載診斷系統（OBD）檢查。對于OBD、污染物排放檢測等不達標的車輛，車主需要到維修站（M 站）對車輛進行維修后再進行復檢。

（2）以OBD 檢查作為基礎，構建排放監管體系。GB 3847—2018 和GB 18285—2018 規定新生產汽柴油車下線檢驗、注冊登記檢驗和在用汽車檢驗等環節均要開展OBD 檢查工作，并要求各個環節OBD檢查等數據通過計算機系統實時自動檢測、記錄、傳輸、存儲，并依法報送生態環境部門。

（3）提高新車排放控制技術和監管能力。目前，在山東、河北、天津、北京等地區已開展此項工作。