車用尿素水溶液產品質量分析

滕江波，杜伯會，白林智，鄒惠玲，夏攀登

(山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250100)

0 引言

車用尿素水溶液，又名柴油發動機氮氧化物還原劑或柴油車尾氣處理液，應用于柴油車選擇性催化還原裝置，如圖1 所示，車用尿素在裝置中遇熱與水反應生成氨，使尾氣中有害的氧化氮與氨氣反應轉化為無害的氮氣和水，減少柴油車尾氣中的氮氧化物污染，降低顆粒物排放，是柴油車尾氣達到國五標準以上排放標準的必備產品。目前，此方法在氮氧化物減排方案中是比較經濟的方法之一。我國車用尿素水溶液的生產廠家眾多，由于投資成本低、生產工藝簡單，生產企業主要以中小微型企業為主。隨著國家大氣污染防治力度的加大，車用尿素水溶液作為一種環保產品，以經濟、環保等優點逐漸大面積應用于各種柴油車、船只等各類柴油發動機尾氣處理領域，其使用程度日益增強，應用前景廣闊。市場上銷售的尿素水溶液僅有一個規格型號AUS32，表示尿素含量(質量分數)31.8%～33.2%，銷售場所主要為汽配城、加油站和商店等。車用尿素水溶液的質量水平直接影響汽車尾氣處理的效果，是重型卡車、客車等柴油車達到尾氣排放標準的優選產品，對大氣污染防治具有重要意義。

圖1 柴油車選擇性催化還原技術(SCR)工作原理圖

1 質量整體概況

目前，由于生產工藝相對簡單，市場上車用尿素水溶液品牌眾多，但部分小微型企業缺少專業的生產設備和相應的技術，無法嚴格控制車用尿素水溶液產品質量，存在依靠低價吸引消費者的狀況，質量管理程序不完善，質量參差不齊。從近年來國家和各省市監督抽查結果來看，該產品不合格項目主要為尿素含量、密度、折光率、雜質含量(醛類、鈣、銅、鎂、鈉、鉀)。車用尿素水溶液在生產和儲存過程中的問題均會對產品質量造成影響，因此本文對GB 29518—2013《柴油發動機氮氧化物還原劑尿素水溶液》標準檢測項目進行質量分析[1]，如表1 所示。同時從原材料采購和質量控制、凈水效果、生產過程工藝控制、檢驗設備配備和檢驗檢測人員操作及檢驗能力、運輸及倉儲條件等全鏈條影響因素進行綜合分析[2]。

表1 檢驗項目及檢驗方法

2 各指標對產品質量的影響

2.1 尿素含量對產品質量的影響

尿素含量是車用尿素水溶液的關鍵性指標，會直接影響尿素水溶液的凝固點和氮氧化物的催化率。GB 29518—2013 標準中尿素含量標準要求為：31.8%～33.2%(質量分數)[1]。尿素水溶液的質量分數超過或低于標準要求都會影響柴油車尾氣中氮氧化物的還原效率，標準要求的尿素含量是產品使用的最適宜濃度范圍。尿素含量超標時，參加反應后剩余的尿素在高溫情況下會生成二氧化碳和氨氣；尿素含量不達標時，會降低催化系統的轉化效率，造成剩余的氮氧化物在未還原成氮氣的情況下，排放到大氣環境中。另外，尿素含量會影響尿素水溶液的結晶點，經試驗比對，質量分數為32.5%的尿素水溶液，測定結晶點為-11.5 ℃，尿素含量不合格會改變尿素水溶液的結晶點，氣溫低時極易出現結晶，造成尿素輸液管道的堵塞，嚴重時甚至會造成發動機的損壞[3]。

造成尿素含量不合格的原因主要有：生產工藝控制不嚴，車用尿素與去離子水添加比例不合適，從而造成產品中尿素含量偏低或偏高；缺乏質量控制手段，生產企業的檢測儀器不齊全，對標準中質量指標無法做到每批監測和有效控制；企業的質量意識薄弱，隨著原材料價格不斷上漲，為追求經濟利潤，可能存在偷工減料等現象；對檢測技術和設備的投入較少，從而造成產品質量不合格[4]。

2.2 密度對產品質量的影響

密度是車用尿素水溶液的重要指標。GB 29518—2013中密度(20 ℃)標準要求為：1 087.0～1 093.0 kg/m3[1]。密度與尿素含量具有對應關系，尿素含量越高，則密度越大，尿素含量越低，則密度越小，其大小可以間接反映尿素含量的多少。

2.3 折光率對產品質量的影響

折光率可以間接反映尿素含量，密度、折光率和尿素含量三者在此產品中具有相關性。GB 29518—2013 中折光率20nD標準要求為：1.381 4～1.384 3[1]。折光率與尿素含量也具有對應關系，尿素含量越高，則折光率越大，尿素含量越低，則折光率越小，其大小同樣間接反映了尿素含量的多少。

2.4 雜質含量對產品質量的影響

雜質含量主要包含堿度、縮二脲、醛類、不溶物、磷酸鹽、鈣、鐵、銅、鋅、鉻、鎳、鋁、鎂、鈉、鉀。

GB 29518—2013 中堿度(以NH3計)(質量分數)標準要求為不大于0.2%[1]。當車用尿素水溶液堿度過高時，車用尿素會水解生成氨，其原因是原料尿素不純或已經發生分解，該項指標的制定目的是反映尿素中氨含量的高低。

GB 29518—2013 中縮二脲(質量分數)標準要求為不大于0.3%[1]。原材料尿素在生產過程中會產生縮二脲等副產物，醛類和縮二脲相遇極易發生聚合反應，生成大分子結構的物質，過多時會析出，堵塞尿素輸送管等零部件[5]。

GB 29518—2013 中醛類(以HCHO計)標準要求為不大于5 mg/kg[1]。當醛類物質超過標準要求時，會對SCR 系統中催化劑涂層造成影響，而降低催化劑的使用壽命。造成醛類質量分數不合格的原因主要是在生產原料尿素的過程中，工藝最后形成尿素大顆粒的環節需用尿素溶液與甲醛混合，甲醛可以放緩尿素吸濕速度，防止尿素顆粒板結和粉化，有利于延長存放時間，但若生產工藝條件控制不好，極易導致尿素中出現甲醛含量過高的現象，進而將甲醛引入到后期車用尿素水溶液中。此外，在車用尿素水溶液生產和儲存過程中的儲罐及管道(含有塑料、膠黏劑的材料)中也有可能含有甲醛，同樣會引入到尿素水溶液中，從而造成車用尿素水溶液產品醛類質量分數不合格。

GB 29518—2013 中不溶物標準要求為不大于20 mg/kg[1]。不溶物可能是各種不溶于水溶液的固體物質，不溶物含量超標會大大提高輸送管路和噴嘴堵塞及梗塞的概率。

GB 29518—2013 中磷酸鹽標準要求為不大于0.5 mg/kg[1]。磷酸鹽含量超標，會造成柴油車SCR 系統中的催化劑中毒失活，影響尾氣處理效果，需嚴加控制。

GB 29518—2013 中雜質含量標準要求中，鎂、鈉、鉀、鈣、鐵、鋁標準要求為不大于0.5 mg/kg，鉻、鎳、鋅、銅標準要求為不大于0.2 mg/kg[1]。金屬離子(鈉、鉀、鈣、銅、鎂等)超標會造成濾清器、輸送管道和噴嘴的堵塞，降低SCR 系統催化作用，甚至還會造成儀器的損壞[6]。另外，金屬離子還會增加車用尿素溶液的堿度，在加熱高溫情況下會生成氨氣溢出，降低氮氧化物的轉化率。造成金屬離子不合格的主要原因有：企業在生產過程中對原材料水的處理能力不夠，凈水設備工藝設計不達標，導致金屬離子引入最終產品中；儲存或盛裝容器材料本身含有易滲入尿素水溶液的金屬雜質離子或分裝前未按要求清洗容器(如直接用自來水或井水清洗，自來水或井水中含有鈉等金屬離子)[7-10]。

2.5 一致性確認對產品質量的影響

一致性確認是指通過紅外光譜圖定性分析有效成分是否為車用尿素，防止個別的生產企業使用其他含氮量高的化學品充當車用尿素。GB 29518—2013 中一致性確認標準要求為與參考譜圖一致[1]。

3 車用尿素水溶液生產存在的問題

(1)車用尿素水溶液生產行業門檻低、投入少、生產工藝相對簡單，以小型生產企業為主，企業往往存在技術力量薄弱、利潤微薄等問題，為追求更大經濟利潤，存在偷工減料、以次充好的短期市場行為，造成車輛尾氣處理系統損壞，無法達到尾氣處理效果，對車主造成經濟損失的同時也會污染環境，進而影響本產業的健康發展。

(2)部分企業質量意識不強，對質量把控不嚴，未按生產工藝和產品標準實施生產，常常僅對車用尿素原料添加量進行控制，而未對原料純凈水中雜質含量進行控制。車用尿素溶液生產工藝看似簡單，但生產出合格的產品要對原材料質量、生產過程控制、包裝運輸控制和儲存條件等方面進行嚴格管理。

(3)部分企業缺少相應的檢驗設備，無法對原材料及出廠產品進行檢驗，產品質量無法通過檢驗儀器進行表征。車用尿素水溶液產品的檢測設備中，電感耦合等離子發射光譜儀(ICP)需從國外進口，價格昂貴，再加上其他檢測設備，投資超過200 萬元，若全部采用國產設備，也需150 多萬元，對一般規模和小型的車用尿素水溶液企業來說，投入成本過高。因此，企業實驗設備配備不全，無法對產品質量的關鍵指標進行控制，導致車用尿素水溶液存在質量隱患。

4 對車用尿素水溶液生產的建議

(1)企業應加強對原材料的質量控制，嚴格把控車用尿素和水中雜質的含量，并加強對車用尿素水溶液產品生產過程的控制；加強對一線生產員工技術能力的培訓，提高員工的生產工藝操作技能；增加必要的檢測設備或委托第三方檢測機構檢驗，確保出廠產品質量合格；在運輸和儲存過程中應防止長期光照和高溫儲存，適宜的儲存溫度在-5～25 ℃之間，夏季可對車用尿素水溶液進行降溫處理。

(2)市場監管部門仍需加大對車用尿素水溶液產品的監督抽查力度，倒逼企業優化生產工藝、嚴格遵循生產流程、提高檢測能力。同時對小微型企業提供技術幫扶，在生產技術、生產管理、質量控制手段方面給予指導幫助。例如，定期組織產品質量分析及相關關鍵技術會議，對企業進行檢驗方法的標準符合性核查，以提高企業的產品質量檢驗有效性，督促企業定期對雜質含量等不合格率高的項目進行檢驗，真正從生產、技術和質量上全面提升企業生產水平。

(3)企業采用車用尿素水溶液快速檢測技術，在現場出具快速篩查結果，有效防止不合格產品流入市場。通過采用近紅外光譜分析技術和折光率測試技術，能快速準確地對六個檢測項目進行檢測，大大縮短檢測周期，施行快檢、快查、快處置的全新產品質量檢測模式[11-12]。例如，山東省目前已實施車用尿素水溶液快速檢測質量監管方式，并制定頒布DB37/T 4118—2020《柴油發動機氮氧化物還原劑-尿素水溶液(AUS 32)的快速檢測方法近紅外光譜法》、DB37/T 4119—2020《柴油發動機氮氧化物還原劑-尿素水溶液(AUS 32)快速篩查技術規范》兩個地方標準。