河南省在用超標(biāo)車排放系統(tǒng)改造升級(jí)計(jì)劃初探

劉 煥

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

河南省在用超標(biāo)車排放系統(tǒng)改造升級(jí)計(jì)劃初探

劉 煥

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

柴油車是城市大氣中氮氧化物、顆粒物排放的主要來(lái)源。文章針對(duì)性地介紹了在用車加裝SCR系統(tǒng)和EGR+DPF系統(tǒng)的改造技術(shù)方案，并從改造技術(shù)的可行性、改造費(fèi)用、后期使用的經(jīng)濟(jì)性、使用的有效性等方面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，EGR+DPF系統(tǒng)的改造技術(shù)方案有效可行。

排放法規(guī)；廢氣再循環(huán)；柴油顆粒過(guò)濾器；后處理技術(shù)

KCLC NO.:U461.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2017)03-80-03

1、在用車改造背景

1.1 我國(guó)機(jī)動(dòng)車污染物排放問(wèn)題

2016年6月2日環(huán)境保護(hù)部大氣環(huán)境管理司向媒體通報(bào)，環(huán)境保護(hù)部日前發(fā)布《2016年中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)》（以下簡(jiǎn)稱“年報(bào)”），公布了2015年全國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理情況。年報(bào)顯示，我國(guó)已連續(xù)七年成為世界機(jī)動(dòng)車產(chǎn)銷第一大國(guó)，機(jī)動(dòng)車污染已成為我國(guó)空氣污染的重要來(lái)源，是造成灰霾、光化學(xué)煙霧污染的重要原因，機(jī)動(dòng)車污染防治的緊迫性日益凸顯。

統(tǒng)計(jì)顯示，2015年全國(guó)機(jī)動(dòng)車排放污染物初步核算為4532.2萬(wàn)噸，比2014年削減0.3%，其中氮氧化物（NOX） 584.9萬(wàn)噸，碳?xì)浠衔铮℉C）430.2萬(wàn)噸，一氧化碳（CO）3461.1萬(wàn)噸，顆粒物（PM）56.0萬(wàn)噸。汽車是機(jī)動(dòng)車污染物排放總量的主要貢獻(xiàn)者，其排放的NOX和PM超過(guò)90%，HC和CO超過(guò)80%。

1.2 《大氣法》相關(guān)規(guī)定

2015年8月29日，第十二屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十六次會(huì)議通過(guò)了新修訂《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》（自2016年1月1日起施行，簡(jiǎn)稱“大氣法”），對(duì)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理工作提出了更高要求。

大氣法中第五十九條規(guī)定在用重型柴油車、非道路移動(dòng)機(jī)械未安裝污染控制裝置或者污染控制裝置不符合要求，不能達(dá)標(biāo)排放的，應(yīng)當(dāng)加裝或者更換符合要求的污染控制裝置。

違反本法規(guī)定，在禁止使用高排放非道路移動(dòng)機(jī)械的區(qū)域使用高排放非道路移動(dòng)機(jī)械的，由城市人民政府環(huán)境保護(hù)等主管部門依法予以處罰。

1.3 各階段排放限值

柴油機(jī)法規(guī)限定排放物各階段的限值如表1 所示。

表1 各階段污染物限值

一般來(lái)說(shuō)，在缸內(nèi)直噴柴油機(jī)中，高溫高壓下由于缺氧會(huì)形成碳煙（Soot）粒子，且在降溫過(guò)程中吸附各種凝聚相物質(zhì)[2]，形成柴油機(jī)重要的污染物微粒（PM）；在高溫高壓下由于氧氣富足，缸內(nèi)的氮?dú)獗谎趸蒒O和NO2，從而形成了柴油機(jī)排放中的另一重要污染物——氮氧化物（NOX），控制柴油機(jī)有害排放物的重點(diǎn)在于控制PM和NOX。

2、常用后處理技術(shù)

2.1 EGR技術(shù)

廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）是指在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不降低的前提下，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的一部分廢氣送回排氣管，并與新鮮空氣或新鮮混合氣混合之后，再次進(jìn)入氣缸參與燃燒[4]。運(yùn)用EGR技術(shù)可減少本應(yīng)進(jìn)入氣缸的空氣量，使空燃比減小[6]。在汽油機(jī)高負(fù)荷時(shí)進(jìn)入氣缸的EGR使燃?xì)獾臒崛萘吭黾?，相?yīng)的平均燃?xì)鉁囟冉档?；而在柴油機(jī)高負(fù)荷時(shí)，EGR引起的熱容量變化較小且空燃比減小使氧濃度降低，這是柴油機(jī)抑制 NOX生成的主要原因之一。

2.2 DPF技術(shù)

柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（DPF）一般由過(guò)濾裝置、再生裝置、控制裝置三部分組成，其關(guān)鍵技術(shù)之一是過(guò)濾體再生。柴油機(jī)顆粒捕集器的作用是將柴油機(jī)的尾氣引入專門的后處理裝置，將排氣中的顆粒捕捉、集中，不使其排出機(jī)外，并利用催化劑、燃燒器等進(jìn)行分解、燃燒，清除其中的大部分微粒，從而減少顆粒排放，達(dá)到凈化尾氣的目的[10]。但由于日積月累，顆粒沉積在過(guò)濾體的微孔內(nèi)，會(huì)使排氣阻力增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的性能惡化。為了顆粒捕集器不被堵死，正常工作，顆粒捕集器必須要定期清除顆粒，這就是再生。在再生過(guò)程中，顆粒捕集器收集的顆粒會(huì)被燃燒掉，故其技術(shù)的關(guān)鍵在于過(guò)濾材料的選取和再生技術(shù)。

被動(dòng)再生是在排放顆粒在催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)行駛本身產(chǎn)生高溫的情況下，自行轉(zhuǎn)換為NO2和CO2，這種過(guò)程發(fā)生得很慢；主動(dòng)再生是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，在拉升的排氣溫度條件下，讓顆粒進(jìn)行燃燒。

2.3 SCR技術(shù)

SCR（Selective Catalytic Reduction）選擇性催化還原技術(shù)，其基本工作原理是將精確計(jì)量后的稀釋尿素噴入到燃燒廢氣中去，通過(guò)水解反應(yīng)催化劑將尿素中的氨提煉出來(lái)[3]。SCR過(guò)程是利用氨作為還原劑注入到NOX的排氣系統(tǒng)中，NOX在以貴金屬、堿金屬氧化物或沸石等催化劑的作用下被還原為N2和H2O，反應(yīng)適宜的溫度為285—400℃[5]。

SCR技術(shù)主要發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

但是，當(dāng)溫度過(guò)低（200℃以下）或溫度過(guò)高（450℃以上）時(shí)，SCR反應(yīng)中還會(huì)伴隨一些副反應(yīng)，造成NOX轉(zhuǎn)化率下降。

3、第三階段在用柴油車排放升級(jí)改造技術(shù)路線

3.1 EGR+DPF和DPF+SCR技術(shù)路線對(duì)比分析

DPF+SCR技術(shù)路線改造成本大，尿素罐加裝難度大，裝置本身不僅要增加約150～300kg的質(zhì)量，另外還要增加1個(gè)AdBlue溶液箱。按100L尿素溶液運(yùn)行7000km計(jì)算，一輛汽車損失的有效載荷在400kg左右。使用過(guò)程中需要定期添加尿素水溶液，而國(guó)內(nèi)加注尿素液相關(guān)配套設(shè)施尚不完善。加裝DPF+SCR系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)車若不添加尿素液，并不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，沒(méi)有相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控加裝DPF+SCR后的機(jī)動(dòng)車排放是否達(dá)標(biāo)。在運(yùn)行過(guò)程中，若溫度較低，將導(dǎo)致尿素-水溶液會(huì)發(fā)生結(jié)晶，一旦發(fā)生結(jié)晶就需要將DPF+SCR系統(tǒng)整體更換。后期維護(hù)成本太大。

EGR+DPF技術(shù)路線改造成本低，一次性改造完成不增加后期的使用費(fèi)用。在使用過(guò)程中，機(jī)械可靠性好，能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行工況。EGR+DPF系統(tǒng)帶有氮氧傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問(wèn)題。

3.2 推薦使用技術(shù)路線

廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）是現(xiàn)今降低柴油機(jī)NOX排放的有效方法之一，應(yīng)用顆粒捕集器（DPF）可以有效的降低尾氣中顆粒的排放。

圖1 柴油機(jī)EGR和DPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

柴油機(jī)EGR和DPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，EGR的廢氣從渦輪增壓器前取氣，經(jīng)EGR冷卻器和EGR閥后，與增壓后的空氣在文丘里管中混合，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒。采用EGR冷卻，一方面保證氧傳感器的工作可靠性，另一方面降低由于進(jìn)氣引起的溫度升高。在 EGR 率的控制方面，電控單元根據(jù)轉(zhuǎn)速、油門位置來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工況，輸出控制信號(hào)，由步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制EGR閥的位置。此時(shí)氧傳感器將檢測(cè)到的空燃比反饋給控制單元，控制單元根據(jù)目標(biāo)空燃比與實(shí)際空燃比進(jìn)行校正，獲得 EGR閥位置的精確閉環(huán)控制。對(duì)于DPF，過(guò)濾時(shí)，三通閥處于中間位置，廢氣同時(shí)從兩個(gè)DPF中流過(guò)。若背壓達(dá)到預(yù)先確定的值時(shí)，則開(kāi)始再生。一個(gè)再生時(shí)，另一個(gè)處于過(guò)濾狀態(tài)。再生過(guò)程分成兩個(gè)階段：加熱階段和燃燒階段。兩個(gè)階段加熱器始終處于加熱狀態(tài)。在加熱階段，三通閥關(guān)閉流經(jīng)再生陶瓷的氣流，便于快速升溫。當(dāng)再生陶瓷的前端溫度達(dá)到微粒的起燃溫度600℃時(shí)，三通閥開(kāi)始動(dòng)作使一定量的廢氣流經(jīng)再生陶瓷，前端迅速燃燒，燃燒火焰向后傳播，很快將捕集在過(guò)濾器上的微粒全部燒掉，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器的再生。再生后三通閥又回到中間位置，整個(gè)再生過(guò)程中三通閥是由步進(jìn)電機(jī)精確控制。

4、總結(jié)

環(huán)境保護(hù)部大氣顆粒物源解析結(jié)果顯示，機(jī)動(dòng)車排放已成為我國(guó)城市空氣污染的主要來(lái)源，其中，河南省柴油車保有量22.8萬(wàn)輛，如何控制柴油車排放，改善柴油車排放系統(tǒng)成為治理河南省大氣污染的首要問(wèn)題，在用車改造工作勢(shì)在必行。

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[3] 佟德輝.降低車用柴油機(jī)NOX排放的SCR技術(shù)控制策略研究[D].濟(jì)南.山東大學(xué),2009.

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Henan province with ChaoBiaoChe emissions system upgrade project

Liu Huan
( North China university of water conservancy and hydropower, Henan Zhengzhou 450045 )

Vehicle emissions have become the main source of urban air pollution in China, especially diesel vehicles are the main source of nitrogen oxides and particulate emissions in urban atmosphere. The paper introduces the technical scheme of the retrofit of SCR system and EGR+DPF system in the car, and from the transformation of technical feasibility, renovation costs, the late use of the economy, the effective use of aspects were compared, the results show that the EGR+DPF system modification technology scheme is effective and feasible.

emission regulation; exhaust gas recirculation; Diesel Particulate Filter; after treatment

U461.8

A

1671-7988(2017)03-80-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.030

劉煥（1991—），男，碩士研究生，華北水利水電大學(xué)研究生。