重型车车用尿素供应体系研究

仲崇智，高 杰，张立雄

(1. 中国汽车技术研究中心 天津 300300；2. 北京市环境保护局 北京 100048)

我国重型车保有量虽然仅占机动车总保有量的5%，占汽车保有量的 15%，但其 NOx和 PM 的排放量却占到总排放量的 74%和 86%，是我国机动车排放控制的重点。[1]国家环保部于2011年12月29日发布第 92号公告，指出我国重型车将于 2013年7月 1日起在全国范围内实施国Ⅳ排放标准。目前，基于我国燃油资源匮乏、燃油品质差和短时间内无法提供达到国Ⅳ标准(50,mg/mL)的低硫燃油的国情，我国重型车将采用SCR后处理系统作为实施国Ⅳ排放标准的主流技术方案。[2]

SCR后处理系统需要加注品质合格的车用尿素溶液后才能正常有效工作。因此，如何保证品质合格的车用尿素溶液的充足供应是相关政府部门需要解决的重大关键问题，是我国重型车国Ⅳ排放标准能否有效实施的关键因素。

2013年7月1日，重型车国Ⅳ排放标准的配套标准GB 29518-2013《柴油发动机氮氧化物还原剂尿素水溶液(AUS 32)》开始实施。针对我国车用尿素的研究尚处于起步阶段现状的国情，本文对我国车用尿素的生产流程、反应机理、需求与产能、成本与效益以及供应方案进行了阐述分析，以期为相关管理部门引导化工行业建立健全多级配套的车用尿素供应体系提供决策依据。

1 生产流程和减排反应机理

1.1 车用尿素的生产流程

采用NH3和CO2为原料，在高温和高压下进行合成反应制得尿素，反应如(1)和(2)所示。

当车用尿素溶液的市场需求达到一定规模后，生产供应商(即大型化工企业)生产车用尿素的工艺流程如图1所示：

图1 固体尿素原料生产流程Fig.1 Production flow chart of solid urea materials

1.2 车用尿素的减排反应机理

国Ⅳ重型柴油车 SCR技术方案的减排机理是通过优化发动机缸内燃烧来降低 PM 的排放，再通过SCR后处理系统来降低NOx的排放。在富氧、一定的催化剂和温度条件下，NH3具有较好的选择性，可以优先与 NOx反应，生成 N2和 H2O，并且二者反应要求的温度约为 200,℃以上，一般工况下柴油机的排气温度大约为 300～500,℃，因此尿素溶液是理想的还原剂。

SCR后处理系统装置示意图，如图2所示。

图2 SCR系统后处理装置示意图Fig.2 Sketch map of aftertreatment device of the SCR system

在SCR后处理系统中，NOx主要发生以下几个还原反应：[3-5]

反应(3)称为标准 SCR反应，柴油机的 NOx排放中NO占90%以上，在温度300～400,℃时有较高的反应效率。反应(4)称为快速 SCR反应，此反应可以在较低温度下(低于 250,℃)进行，且反应速率是标准 SCR反应速率的 17倍。因此，提高 NOx中NO2的比例可以使 SCR系统在较低温度下发生快速 SCR反应，有利于提高 NOx转化率。根据反应(4)可以看出 NO2与 NO的最佳比例为 1∶1，此时可以最大限度地发生快速SCR反应。然而，当NO2与 NO 的比例超过 1∶1时，会发生反应(5)，其反应速度最低，应避免。因此应使 NO2与 NO的比例接近 1∶1为最佳选择。反应(6)是在高温时发生的NH3的氧化反应，即此时 NH3失去了优先与 NOx反应的选择性，因此应该避免此反应的发生。但是在排气尾端可以在催化剂条件下利用此反应对泄露的NH3进行清除。

2 需求与产能分析

2.1 我国车用尿素消耗量分析与预测

研究表明，[6-7]为满足重型柴油车国Ⅳ排放标准的要求，一般车用尿素溶液消耗量约占柴油机燃料消耗量的 5%(体积比)。按柴油密度为 0.84 kg/m3，车用尿素溶液密度为 1.087 kg/m3来计算两者之间消耗量的质量比，车用尿素溶液消耗量约占柴油机燃油消耗量的6.5%(质量比)。

因此，根据柴油消耗量可以估算和预测出车用尿素溶液的消耗量。

单车车用尿素溶液年消耗总体积为：

单车车用尿素溶液年消耗总质量为：

由于1 t固体尿素原料和2.08 t纯水可以配制出3 t车用尿素溶液产品，因此，单车固体车用尿素原料年消耗总质量为：

其中：V尿素溶液表示车用尿素溶液年消耗总体积，L；m尿素溶液表示车用尿素溶液年消耗总质量，t；m固体尿素表示固体尿素原料年消耗总质量，t；S表示重型柴油车年行驶里程，km；C表示重型柴油车百公里油耗，L/100 km；kv表示体积消耗比例，为5%；km表示质量消耗比例，为6.5%；ρ柴油表示柴油密度，0.84 kg/m3。

根据经验值，[8]假设每辆重型柴油车年行驶8万 km，百公里油耗为 40 L。根据公式(7)、(8)和(9)，可以计算出单车车用尿素溶液年消耗量和固体尿素原料年消耗量，如表1所示。

根据我国重型柴油车保有量现状及预测量，结合单车车用尿素溶液年消耗量，对未来我国国Ⅳ重型柴油车车用尿素的需求量进行预测分析，结果如表2所示。

表1 车用尿素溶液与固体尿素原料年消耗量Tab.1 Annual consumption of both urea solution and solid urea materials

表2 我国车用尿素需求量预测分析Tab.2 Prediction of urea solution demand in China

2.2 我国车用尿素溶液的产能预测分析

据统计，[9]2012年我国尿素产能达到6,800万 t，但国内工农业需求只能达到 5,000万 t，产能过剩1,800万 t，我国尿素行业产能过剩局面将进一步加剧。而按照车用尿素溶液2015年的需求情况分析(见表 2)，配制车用尿素溶液所需固体尿素原料的需求量为 464万 t，我国尿素产能能力完全能满足需求。此外，由于尿素行业是一个高能耗行业，出口尿素就相当于出口资源，我国政府为了保障国内尿素供给，对尿素出口采取了严格的紧缩措施。因此，未来车用尿素生产供应商在生产能力上能够保证固体尿素原料的充足供应。

3 成本与效益分析

车用尿素溶液经销价格的定位直接关系着我国车用尿素供应体系能否顺利推行建立，从而影响着重型车国Ⅳ排放标准能否得到有效实施。产品的经销价格需要合理定位，一方面要考虑到生产供应商的利润空间；另一方面要考虑到重型柴油车司机的切身利益。如果销售价格偏低，利润空间小，生产供应便会出现问题；如果销售价格偏高，作为终端用户的重型柴油车司机将要承担这部分额外成本，司机必然会产生抵触情绪，从而导致其在实际营运过程中采取相应的违规作弊行为(如不加注车用尿素溶液或加注品质不合格的尿素溶液或自行配兑尿素水溶液等等)，这些作弊行为会导致 SCR系统无法正常工作，从而导致重型车 NOx得不到有效控制。国内外研究已表明，[10]国Ⅳ重型车在 SCR后处理系统失效，即 NOx控制措施不起作用的情况下，国Ⅳ发动机的排放水平还不如国Ⅲ发动机。所以，这种作弊行为会严重影响我国重型柴油车国Ⅳ排放标准的有效实施。

3.1 车用尿素溶液的产品成本分析

根据相关车用尿素生产供应商提供的数据，车用尿素溶液的生产成本分析如表3所示。

表3 车用尿素生产供应的成本分析Tab.3 Cost analysis of both production and supply of urea solution

由表3可以看出，车用尿素溶液产品10 kg桶包装零售价格水平大约为 45元，每吨车用尿素溶液产品的利润大约为240元。

3.2 车用尿素溶液的逐年价格走势分析

随着车用尿素溶液需求量的逐步增加，未来我国车用尿素溶液的销售价格走势将会呈现递减的趋势。根据欧洲以往的经验，[11-12]车用尿素溶液的产品价格走势如图3所示。

根据欧美国家建立车用尿素溶液加注系统的经验，车用尿素溶液的销售价格会随着市场规模的形成而逐步降低。销售价格降低的速度主要取决于以下因素：政府对重型车排放法规实施的进度安排、购车鼓励政策(包括减免采用SCR系统新车的购置税额及财政补助、减免路桥费等)，针对车用尿素溶液生产供应商的贷款优惠政策和减税政策(如车用尿素溶液生产供应商外购工业超纯水的增值税减免措施等)。[13]

图3 产品零售价格伴随销售量的变化趋势Fig.3 Trend of retail price along with sales volume variation

4 供应方案规划建议

未来我国车用尿素溶液的经销加注方式主要有：柴油加油站的网点销售、生产供应商直接配送上门、汽车 4,S店销售、汽车维修厂销售、车用化工产品(如防冻液等)的经销网络销售、与汽车制造商合作开展销售。结合欧美经验和我国国情，建议我国车用尿素溶液经销网络的建设和加注供应方案根据时间分成两个阶段，即“初期供应阶段”和“中后期供应阶段”。

4.1 车用尿素初期供应阶段

本阶段从 2013—2015年，主要以小包装供应方式(25,L以下桶装)为主，其他供应方式占 20%～30%。针对社会营运重型车，在汽车维修厂和柴油加油站以小包装方式供应。特别是，对于燃油销售量达到1,000,t/月的柴油加油站，建议建立示范运营性质的车用尿素溶液固定加注站或移动撬桩站。针对特殊车队(公交、邮政和环卫)，中小型车队以小包装、200,L可移动式加注桶或 1,000,L IBC桶(Intermediate Bulk Container，集装箱桶)的方式供应，超大型车队以固定加注站方式供应。

4.2 车用尿素中后期供应阶段

本阶段从 2015—2018年，小包装供应方式占50%，其供应方式占 50%。针对社会营运重型车，在汽车维修厂和柴油加油站仍以小包装方式供应，其中少部分加油站采用 200,L可移动式加注桶或1,000,L的 IBC桶供应方式。大部分加油站采用固定加注站的供应方式。针对特殊车队(公交、邮政和环卫)来说，以固定加注站或移动撬桩站进行供应。

此外，建议重型车生产制造商在新车出厂时一定要做到：为新车加满车用尿素溶液，并配备一桶(10～25,L)车用尿素溶液，且需提供 SCR系统的说明书、车用尿素溶液加注的相关知识手册和车用尿素溶液市场供应信息的宣传手册。

5 结 论

［1］ 丁焰. 中国机动车排放控制与减排目标[R]. 环境保护部机动车排污监控中心，2010.

［2］ 胡静，赵彦光，陈婷，等. 重型柴油机 SCR后处理系统尿素喷射电子控制单元开发[J]. 内燃机工程，2011，32(1)：8-11.

［3］ 楼狄明，张正兴，谭丕强，等. 车用柴油机选择性催化还原技术研究进展[J]. 环境科学与技术，2009，32(12)：103-108.

［4］ 管斌，周校平，林赫，等. NH3-SCR法降低柴油机NOx排放的研究进展[J]. 车用发动机，2007，175(5)：1-7.

［5］ 郭碧宝. 尿素-SCR对柴油机NOx排放控制原理分析[J]. 汽车维修，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，许建昌，左培文，等. 机动车国Ⅳ标准实施前相关行业准备状况调研[R]. 中国环境保护产业协会机动车污染防治委员会，2009.

［9］ 中国产业安全指南网．2012年前三季度我国尿素产能严重过剩[EB/OL]. 2012-11-19.

［10］ 中国汽车技术研究中心. 《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断系统(OBD)技术要求》编制说明[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.