非道路移動機械柴油車排氣污染治理技術(shù)及對策研究

吳姍姍

（無錫開放大學(xué)，江蘇無錫 214000）

1 引言

近年來我國非道路移動機械發(fā)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(shè)備，卻面臨著排放標準規(guī)章不健全、管理制度不規(guī)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(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及諸多方面以及排放治理方案、治理產(chǎn)品選擇與匹配、后期監(jiān)控等諸多環(huán)節(jié)，各相關(guān)方及環(huán)節(jié)均會對排放治理效果產(chǎn)生極大的影響［2］，特別是目前我國相關(guān)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(xiàn)階段排放限值已經(jīng)不能滿足行業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要和國家日益嚴格控制環(huán)境污染的政策要求，同時也面臨著現(xiàn)行標準缺失對機械排放的監(jiān)管等問題。

2 非道路移動機械柴油車排氣污染治理的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外研究發(fā)展現(xiàn)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(guī)定［3］。法規(guī)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(zhí)行，柴油機的各污染物排放數(shù)值按輸出功率大小進行了不同的限定。2016 年歐盟正式發(fā)布的非道路機械歐Ⅴ排放新法規(guī)EU2016/1628，規(guī)定了安裝或計劃安裝在非道路移動機械上的發(fā)動機的排放限制和型式認可程序并引入了顆粒數(shù)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(shè)定了執(zhí)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(tǒng)一的非道路移動機械排放法規(guī)是第11 號全球統(tǒng)一技術(shù)法規(guī)（Global Technical Regulation No.11），于2009年11 月12 日頒布。該法規(guī)沒有制定統(tǒng)一的排放限值要求，也沒有統(tǒng)一的實施日期，只規(guī)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(yīng)。

2.2 國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)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(fā)布了GB 20891—2014 中國第Ⅲ和第Ⅳ階段限值［4］。規(guī)章不健全、管理制度不規(guī)范、數(shù)據(jù)模糊難以統(tǒng)計是我國目前非道路移動機械污染防治的難點。針對現(xiàn)狀，2018 年生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)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(dǎo)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(tǒng)，但是也存在著人為屏蔽、系統(tǒng)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(wù)院制定了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，其中強調(diào)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(tài)環(huán)境等部門相合作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(guān)技術(shù)

3.1 SCR 系統(tǒng)

SCR 系統(tǒng)是一種機外凈化系統(tǒng)，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(tǒng)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(chǎn)公司的研究成果是在SCR 系統(tǒng)前加柴油氧化型催化器（DOC）用來產(chǎn)生NO2，使其與NO 的量一樣，這樣在低溫下與NH3反應(yīng)的效率更高。該系統(tǒng)的反應(yīng)如下：

3.2 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）

利用EGR 技術(shù)，可以將發(fā)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(shù)，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(guān)領(lǐng)域研究的主要方向就是提高柴油機的EGR 率，如果其再循環(huán)量提高，但是將沒有冷卻的廢氣直接加入進氣系統(tǒng)，會導(dǎo)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(tǒng)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(zhuǎn)化器，其使用的基礎(chǔ)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(yīng)以及柴油顆粒過濾器技術(shù)（DPF）再生提供支持［9］。

3.4 PM 控制技術(shù)——DPF 技術(shù)

控制PM 最有效的技術(shù)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(shù)。為了確保捕集效率以及背壓之間的平衡，在設(shè)計DPF 載體時，需要重點考慮高孔隙率以及非對稱結(jié)構(gòu)。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(nèi)，本身并不能清除微粒。微粒多了堵塞DPF，造成發(fā)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(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)就是DPF 的再生技術(shù)。

3.5 排放控制技術(shù)在非道路柴油機械上的應(yīng)用現(xiàn)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(tǒng)，從而對排放的物質(zhì)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(guān)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(shù)路線，一種是DPF 路線，另一種是選擇性催化還原技術(shù)（SCR）路線。在國際上，主要也是2 種技術(shù)路線，一種是優(yōu)化燃燒＋SCR 路線，其是提高發(fā)動機機內(nèi)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(shù)，能夠降低燃燒，從而減少發(fā)動機機內(nèi)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(nèi)后處理行業(yè)的調(diào)研及分析

4.1 行業(yè)主要企業(yè)發(fā)展概況

我國對機動車污染防治的重視拉動了機動車環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，截止到2017 年，我國有130 多家企業(yè)從事和環(huán)保產(chǎn)業(yè)相關(guān)的業(yè)務(wù)［11］。其中，有超過10家的企業(yè)從事載體生產(chǎn)，有不低于8 家的企業(yè)從事催化劑涂層，有超過4 家的企業(yè)從事隔熱襯墊。這

130 多家企業(yè)的地域分布如圖1 所示。國內(nèi)后處理行業(yè)中，有58%的企業(yè)其研發(fā)費用都超過了銷售額的10%，這說明該行業(yè)十分關(guān)注產(chǎn)品開發(fā)以及升級，但僅有23%的企業(yè)掌握了主要自主技術(shù)，有77%的企業(yè)所使用的技術(shù)來源于國外。這主要是和油品質(zhì)量、排放標準等因素有關(guān)系，所以，我國還需要進一步提高自主研發(fā)技術(shù)。

圖1 全國機動車排放后處理產(chǎn)業(yè)規(guī)模分布

4.2 調(diào)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(shù)及對策進行探索，選擇的國內(nèi)主流后處理企業(yè)調(diào)研對象如下：

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

（2）上海天納克研發(fā)中心，主營產(chǎn)品：催化轉(zhuǎn)化器、排氣消聲器、排氣歧管、柴油機后處理系統(tǒng)集成。

（3）浙江邦得利汽車環(huán)保技術(shù)有限公司，主營產(chǎn)品：三元催化轉(zhuǎn)化器、排氣歧管等。

（4）安徽艾可藍節(jié)能環(huán)保科技有限公司，主營產(chǎn)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(tǒng)（DCU）、主動再生式顆粒物捕集器系統(tǒng)（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(chǎn)品：柴油機顆粒捕集器系統(tǒng)。

（6）蘇州蓮池環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，主營產(chǎn)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(shè)備、云診修汽車診斷分析設(shè)備、云監(jiān)察尾氣執(zhí)法設(shè)備（在研項目）及滿足政府監(jiān)管需求的各類大數(shù)據(jù)平臺。

（7）優(yōu)美科汽車催化劑（蘇州）有限公司，主營產(chǎn)品：汽車尾氣凈化器的研發(fā)、設(shè)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(chǎn)品：機動車以及非道路機械排氣凈化催化劑、催化轉(zhuǎn)換器、其他工業(yè)廢棄的催化凈化裝置等。

（9）南京輝虎環(huán)保設(shè)備有限公司，主營產(chǎn)品：非道路機械等尾氣后處理設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計及生產(chǎn)。

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

各廠家所采用的具體技術(shù)及其優(yōu)缺點見表1。

表1 各廠家的技術(shù)對比

4.3 調(diào)研分析及結(jié)論

通過對以上10 家國內(nèi)主流后處理企業(yè)進行的技術(shù)路線及對應(yīng)優(yōu)缺點調(diào)研可知，SCR 系統(tǒng)作為行之有效的一種排氣后處理措施已得到廣泛應(yīng)用，但通過對比發(fā)現(xiàn)，各后處理企業(yè)主要通過2 種排放技術(shù)路線來實現(xiàn)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(fā)動機缸內(nèi)的燃燒過程進行優(yōu)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(tǒng)對發(fā)動機排出尾氣中含量較高的NOX進行技術(shù)處理，以滿足法規(guī)的相關(guān)要求。二是EGR＋DOC/DPF/POC（廢氣再循環(huán)＋柴油氧化催化器/柴油顆粒過濾器/顆粒氧化催化器）技術(shù)路線。在這一路線中，EGR＋DPF 的應(yīng)用最為廣泛，簡稱為EGR 路線，相較于SCR 路線在價格上處于優(yōu)勢，但EGR 對油品質(zhì)量要求較高，從長遠來看經(jīng)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(fā)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(qū)而言，其需要監(jiān)督檢查新車的準入管理、生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及銷售環(huán)節(jié)，要全面監(jiān)督柴油貨車的注冊、登記以及環(huán)保審核等，從而實現(xiàn)柴油車輛結(jié)構(gòu)的升級。

（2）提高用車監(jiān)管的力度。目前，國務(wù)院正在構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)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(guān)企業(yè)進行追溯監(jiān)督。

（3）加強油品質(zhì)量管理。需要在全國范圍內(nèi)供應(yīng)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(qū)域，應(yīng)提前實施國Ⅵ排放標準。

5.2 技術(shù)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(huán)保檢驗機構(gòu)（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(zhí)行柴油車NOX檢測和車載診斷系統(tǒng)（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(fù)檢。

（2）以O(shè)BD 檢查作為基礎(chǔ)，構(gòu)建排放監(jiān)管體系。GB 3847—2018 和GB 18285—2018 規(guī)定新生產(chǎn)汽柴油車下線檢驗、注冊登記檢驗和在用汽車檢驗等環(huán)節(jié)均要開展OBD 檢查工作，并要求各個環(huán)節(jié)OBD檢查等數(shù)據(jù)通過計算機系統(tǒng)實時自動檢測、記錄、傳輸、存儲，并依法報送生態(tài)環(huán)境部門。

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