支持燃油汽車低碳和污染物超低排放的高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)

曹 湘 洪

(中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司，北京 100728)

我國(guó)提出碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)后，每個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域都在研究實(shí)現(xiàn)這一重大戰(zhàn)略目標(biāo)的措施。公路交通運(yùn)輸?shù)亩趸寂欧帕考s占全國(guó)排放量的8.0%，是排放大戶。圍繞減少汽車碳排放，加快發(fā)展電動(dòng)汽車、積極發(fā)展燃料電池汽車是重要的措施。發(fā)展電動(dòng)乘用車相對(duì)容易，但重型貨車用新能源替代難度大，具有較大的不確定性；隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，退役電池量迅速增加，廢電池處理過(guò)程的安全環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大；我國(guó)生產(chǎn)動(dòng)力電池需要的鋰、鈷等礦產(chǎn)資源高度依賴國(guó)際市場(chǎng)，全世界都加快發(fā)展，還將會(huì)面臨資源供應(yīng)短缺的挑戰(zhàn)；消費(fèi)者的充電焦慮、電池的安全性和國(guó)人居住條件對(duì)發(fā)展電動(dòng)車的制約也不容忽視。氫能還處于市場(chǎng)培育階段，產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟(jì)性是目前大規(guī)模推廣的最大挑戰(zhàn)。從現(xiàn)階段看，油電混合動(dòng)力汽車的社會(huì)投入成本最低，而且能很快顯現(xiàn)出減碳和減少污染物排放的效果。2020年國(guó)家發(fā)布的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)提出，到2035年純電動(dòng)汽車成為新銷售車輛的主流，意味著2035年我國(guó)不會(huì)全面停止銷售燃油車，燃油汽車在道路上消失至少會(huì)在2045年以后。因此，開發(fā)和推廣應(yīng)用新技術(shù)，進(jìn)一步提高汽柴油品質(zhì)，減少污染物和碳排放，必須引起煉油行業(yè)的高度重視。

1 電動(dòng)汽車在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中面臨的主要挑戰(zhàn)

1.1 電池退役規(guī)模高速增長(zhǎng)，回收利用中存在很大安全環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

2014年起，在國(guó)家和地方政策支持下，電動(dòng)汽車在我國(guó)開始爆發(fā)式增長(zhǎng)。受電池使用壽命所限，從2020年起，退役電池量相應(yīng)開始爆發(fā)式增長(zhǎng)。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)動(dòng)力電池累計(jì)退役量約200 kt，2025年累計(jì)退役量將達(dá)到780 kt左右。招商證券前瞻產(chǎn)業(yè)研究院也預(yù)測(cè)了我國(guó)退役電池規(guī)模，如圖1所示。

圖1 中國(guó)動(dòng)力鋰電池退役規(guī)模

當(dāng)前電動(dòng)汽車采用的電池主要有磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰三元鋰電池兩大類。鋰電池的電解液使用了易燃易爆的有機(jī)溶劑，電極材料中還含有鈷、錳、鎳等重金屬元素，廢棄過(guò)程管控失當(dāng)極易污染環(huán)境，也很容易產(chǎn)生著火爆炸事故。為了防控退役電池回收利用過(guò)程的安全環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)家明確規(guī)定電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)回收處理，但是目前我國(guó)退役電池回收渠道不暢通，迄今為止還沒(méi)有形成材料回收率高、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小、成熟可靠經(jīng)濟(jì)性好的退役電池規(guī)模化回收利用技術(shù)。爆發(fā)式增長(zhǎng)的退役電池回收利用面臨很大的安全性和環(huán)境友好性挑戰(zhàn)。

1.2 電動(dòng)汽車的充電焦慮、安全性和低溫條件下的使用性能都會(huì)影響消費(fèi)者的購(gòu)買意愿

我國(guó)14億人口集中居住在胡煥庸線(黑河-騰沖一線)東南部，在占全國(guó)面積43.8%的國(guó)土上居住著94.1%的人口。在人口集中的東南部大中小城市，住房大都以高層住宅為主，擁有家庭轎車的居民停車難的問(wèn)題存在一定普遍性，就近建設(shè)充電設(shè)施需要足夠面積的停車場(chǎng)和大規(guī)模電網(wǎng)系統(tǒng)的改造，獲取土地資源難度大，城網(wǎng)改造投資大。美洲、歐洲等國(guó)家居民住宅以獨(dú)立建筑為主，髙層和多宅建筑比例低。我國(guó)和美洲、歐洲等國(guó)相比，特殊國(guó)情造成的充電難題解決難度大。期望發(fā)展“快充”技術(shù)，破解電動(dòng)汽車發(fā)展的“充電”瓶頸，一是充電過(guò)程引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)性會(huì)顯著增大，二是對(duì)電網(wǎng)安全性的沖擊會(huì)隨充電速度加快而同步增加。

電動(dòng)汽車的安全性問(wèn)題尚未根本解決。據(jù)我國(guó)應(yīng)急管理部消防局的通報(bào)，2022年一季度全國(guó)發(fā)生新能源汽車火災(zāi)640起，電動(dòng)自行車火災(zāi)3 777起，均高于交通工具火災(zāi)的平均水平。日本自動(dòng)車研究所的試驗(yàn)結(jié)果表明，一旦發(fā)生火災(zāi)，很難用現(xiàn)有的消防手段撲滅，只能燒盡為止。

低溫下電動(dòng)汽車電池的充放電容量顯著縮小，造成行車?yán)锍潭?，充電頻繁，充電時(shí)間加長(zhǎng)，電耗大，經(jīng)濟(jì)性變差，嚴(yán)重影響使用性能，改善動(dòng)力電池低溫性能的技術(shù)雖有進(jìn)展但效果尚不如人愿。冬季高寒的我國(guó)北方地區(qū)使用電動(dòng)汽車?yán)щy大。

充電焦慮、安全性和低溫下的使用性能都會(huì)影響消費(fèi)者的購(gòu)買意愿。

1.3 電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣會(huì)導(dǎo)致使用材料的資源危機(jī)

有效載重量相當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車的質(zhì)量比燃油車約高出40%左右，生產(chǎn)一輛電動(dòng)汽車的電池需要的礦產(chǎn)資源約是生產(chǎn)一輛傳統(tǒng)燃油汽車的6倍，主要是銅、鋰、鎳、鈷、錳、鏑、釹等資源。2014年以來(lái)，我國(guó)電動(dòng)汽車的產(chǎn)銷量快速增長(zhǎng)，2021年產(chǎn)銷分別完成294.2萬(wàn)輛和291.6萬(wàn)輛，約占全球的53%。世界主要國(guó)家都在加快電動(dòng)汽車發(fā)展，對(duì)上述金屬材料的需求在迅速增長(zhǎng)。在資源供應(yīng)側(cè)，資源國(guó)對(duì)具有戰(zhàn)略意義的礦產(chǎn)資源的管控在加強(qiáng)。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車發(fā)展過(guò)程中，多次出現(xiàn)過(guò)需要的石油資源短缺引發(fā)石油危機(jī)的情況，未來(lái)生產(chǎn)電動(dòng)汽車電池需要的礦產(chǎn)資源短缺，出現(xiàn)礦產(chǎn)資源危機(jī)是大概率事件。

世界知名咨詢機(jī)構(gòu)——伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)電池研究總監(jiān)加文·蒙哥馬利2019年7月發(fā)表的研究報(bào)告提出，到21世紀(jì)20年代中期，電池原料可能面臨供應(yīng)短缺。國(guó)際能源署2021年5月發(fā)布報(bào)告：各國(guó)轉(zhuǎn)向綠色能源，對(duì)銅、鋰、鎳、鈷和稀土元素鏑、釹的需求急增，可供開采礦藏的質(zhì)量下降。實(shí)現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》的目標(biāo)，估計(jì)到2040年，風(fēng)力渦輪機(jī)的年安裝量需要增加兩倍，同一時(shí)期電動(dòng)汽車銷售量要增加24倍。礦產(chǎn)供應(yīng)短缺將是21世紀(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。資源的短缺造成價(jià)格上漲，電池成本大幅度上升，電動(dòng)汽車售價(jià)同步大漲，消費(fèi)者用車成本高企。

2 燃料電池汽車(FCEV)在未來(lái)發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

2.1 氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸加注成本高

FCEV使用過(guò)程沒(méi)有污染物和碳排放，加氫時(shí)間僅需3 min左右，行駛里程長(zhǎng)，對(duì)消費(fèi)者而言，和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，僅是加油變成了加氫，使用方便，尤其適合替代重負(fù)荷的柴油車。氫氣用綠電電解水獲取或用生物質(zhì)制氫，全生命周期減少二氧化碳排放的效果顯著，但推廣應(yīng)用面臨經(jīng)濟(jì)性的挑戰(zhàn)。FCEV都采用高壓壓縮氫，從供氫點(diǎn)到加氫站，使用高性能碳纖維復(fù)合材料制造的高壓氣瓶，氣瓶的制造成本高。氫氣運(yùn)輸以長(zhǎng)管拖車為主，壓縮氫氣密度低。使用20 MPa的8管管式拖車一次運(yùn)輸氫氣280 kg左右。加氫站需采用高成本壓縮氫罐儲(chǔ)氫，配置小型高壓壓縮機(jī)，建設(shè)和設(shè)備的維護(hù)成本高，目前日加氫1 t左右的加氫站設(shè)備投資約需1 500萬(wàn)元。上述因素導(dǎo)致FCEV使用的氫氣價(jià)格高，完全市場(chǎng)化會(huì)使消費(fèi)者難以接受，長(zhǎng)期由供氫方承擔(dān)，很難持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

2.2 FCEV制造成本高

FCEV都配置高成本的復(fù)合材料高壓氣瓶，受制瓶材料和技術(shù)水平限制，目前我國(guó)采用的是壓力35 MPa儲(chǔ)氫瓶。為了提高行車?yán)锍?，采?0 MPa儲(chǔ)氫瓶是發(fā)展趨勢(shì)。FCEV的電池要采用鉑催化劑和全氟磺酸樹脂膜做電解質(zhì)，造價(jià)高，為了降低電池制造成本，世界科技人員正在開發(fā)低鉑、無(wú)鉑催化劑和廉價(jià)電解質(zhì)膜，但低成本車用燃料電池的產(chǎn)業(yè)化短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。

3 油電混合動(dòng)力汽車是我國(guó)推進(jìn)碳達(dá)峰的現(xiàn)實(shí)、可行、見效快的選擇

3.1 混合動(dòng)力汽車有顯著的減碳減污效果

油電混合動(dòng)力汽車(HEV)采用內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池及電動(dòng)機(jī)的耦合集成(如圖2所示)，使內(nèi)燃機(jī)始終在高效率區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)油30%～50%，尤其適合城市路況行駛，減碳效果顯著。HEV只加油不充電，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施完全可以滿足要求，而發(fā)展電動(dòng)車要大量建設(shè)充電樁和進(jìn)行電網(wǎng)改造，發(fā)展燃料電池車要建設(shè)加氫站，購(gòu)置專門的運(yùn)氫車輛，既要有大量的資金投入，還要耗用特種資源，按全壽命周期計(jì)算都會(huì)增加使用過(guò)程的碳排放。

圖2 油電混合動(dòng)力汽車(HEV)動(dòng)力系統(tǒng)示意

中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司(簡(jiǎn)稱石科院)對(duì)混合動(dòng)力汽車的污染物排放進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。由表1可見：混合動(dòng)力汽車各種污染物排放顯著低于2023年即將在全國(guó)執(zhí)行的國(guó)ⅥB排放標(biāo)準(zhǔn)限值；對(duì)于污染物的排放，韓國(guó)現(xiàn)代伊蘭特汽車非甲烷總烴(NMHC)排放量?jī)H為國(guó)ⅥB限值的32.5%，N2O排放量?jī)H為國(guó)ⅥB限值的3.7%；日本豐田卡羅拉汽車NMHC排放量?jī)H為國(guó)ⅥB限值的16.7%，N2O排放量?jī)H為國(guó)ⅥB限值的1.9%?；旌蟿?dòng)力車尾氣排放口有害物質(zhì)的濃度顯著低于一級(jí)空氣質(zhì)量限值。

表1 混合動(dòng)力汽車的污染物排放情況

3.2 發(fā)展混合動(dòng)力汽車是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的現(xiàn)實(shí)、可行、見效快的選擇

目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率快速提高，柴油機(jī)及汽油機(jī)熱效率已分別接近55%和45%[1]，污染物排放濃度顯著低于空氣質(zhì)量限值指標(biāo)，內(nèi)燃機(jī)界的短期奮斗目標(biāo)是有效熱效率達(dá)到60%，長(zhǎng)期的“極限”是有效熱效率達(dá)到85%[2]，基于高效內(nèi)燃機(jī)的HEV全壽命周期碳排放有望進(jìn)一步降低。

電動(dòng)汽車電池中使用的鋰、鎳、鈷、銅等金屬及金屬鏑、釹等稀有元素在天然礦產(chǎn)中含量均較低，提煉過(guò)程能耗、污染物排放、碳排放均較高。從礦井到車輪的全壽命周期，在我國(guó)電力結(jié)構(gòu)以煤電為主的情況下，電動(dòng)汽車和高效燃油車相比，全壽命碳排放和污染物排放并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。還有研究認(rèn)為，由于電動(dòng)汽車車重比內(nèi)燃機(jī)汽車大，電動(dòng)汽車雖然沒(méi)有尾氣排放，但行駛時(shí)輪胎與路面的磨損、再浮懸造成的PM和內(nèi)燃機(jī)(包括汽油機(jī)和柴油機(jī))行駛時(shí)尾氣排放、輪胎、剎車與道路的磨損和再浮懸造成的PM總量相當(dāng)[3]。在推進(jìn)我國(guó)交通領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和的進(jìn)程中，油電混合動(dòng)力汽車是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的現(xiàn)實(shí)、可行、見效快的選擇。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》預(yù)計(jì)2035年新能源汽車與油電混合動(dòng)力汽車將各占當(dāng)年新車銷量的50%。

4 為燃油車提供高效高清潔汽柴油是煉油行業(yè)應(yīng)盡的責(zé)任

4.1 地面交通能源不宜完全禁用汽柴油

為了推進(jìn)交通領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和，不少國(guó)家提出了停止銷售內(nèi)燃機(jī)汽車的時(shí)間表，該時(shí)間表能否實(shí)現(xiàn)還存在不少難以預(yù)見的不確定因素，而且這些國(guó)家把混合動(dòng)力汽車都定義為新能源汽車，沒(méi)有明確區(qū)分插電式混合和油電混合兩類混合動(dòng)力車輛。

歐盟正式宣布2035年全面禁止銷售燃油車，2021年7月15日有報(bào)道稱法國(guó)已經(jīng)提出反對(duì)意見，一些組織認(rèn)為這與歐盟委員會(huì)的倡導(dǎo)與技術(shù)的開放性相悖。全面禁止銷售燃油車這一美好的愿望能否實(shí)現(xiàn)，挑戰(zhàn)巨大。但即使這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了，道路上還會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的存量燃油車在行駛，按車輛的使用壽命預(yù)測(cè)，燃油車在道路上消失要在2045年前后。

汽柴油能量密度高、易儲(chǔ)存、易運(yùn)輸，內(nèi)燃機(jī)功率強(qiáng)勁、使用方便靈活，能適用于各種不同場(chǎng)景，其中有些場(chǎng)景是電動(dòng)汽車無(wú)法企及的，如低溫環(huán)境和電網(wǎng)受損的自然災(zāi)害場(chǎng)景，重型柴油貨車以電代油困難也很大。李曉易等研究認(rèn)為，基于我國(guó)新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀，若要實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域碳排放2030年前達(dá)峰，重型貨車新能源替代量要接近100萬(wàn)輛，以現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，這一規(guī)模應(yīng)用存在很大不確定性[4]。仔細(xì)分析內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力、純電動(dòng)、插電式混合動(dòng)力、油電混合動(dòng)力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)，全面徹底禁用燃油車是不合適的。推進(jìn)交通行業(yè)碳減排，對(duì)車輛動(dòng)力，油、電、氫不能搞零和博弈、你死我活，而應(yīng)融合互補(bǔ)、互相促進(jìn)。陳清泉等研究提出了新能源汽車發(fā)展的基本技術(shù)路線：從2020年起，全國(guó)大規(guī)模推廣純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力車，到2030年新能源汽車產(chǎn)銷量達(dá)到2 000萬(wàn)輛，市場(chǎng)占比為50%左右，占我國(guó)汽車總保有量的15%。2030年起全國(guó)大規(guī)模推廣氫燃料電池汽車，到2050年新能源汽車占我國(guó)汽車保有量的50%以上[5]。未來(lái)汽柴油的消費(fèi)量將逐步減少，汽油消費(fèi)量的下降會(huì)快于柴油。汽柴油在地面交通能源中從市場(chǎng)獨(dú)占向市場(chǎng)主體進(jìn)而向市場(chǎng)次要地位轉(zhuǎn)變是大趨勢(shì)，但市場(chǎng)主體地位會(huì)延續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間。到2050年，燃油車保有量在汽車保有量中仍有可能占主體地位。

筆者在2021年主持了中國(guó)工程院咨詢研究課題《我國(guó)煉油石化產(chǎn)品消費(fèi)規(guī)律、產(chǎn)能發(fā)展規(guī)模及布局戰(zhàn)略研究》，在認(rèn)真分析我國(guó)汽車保有量及新能源汽車發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)進(jìn)步對(duì)燃油車油耗的影響、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)等因素的基礎(chǔ)上，分基準(zhǔn)消費(fèi)情景和約束消費(fèi)情景預(yù)測(cè)了我國(guó)2025年、2030年、2035年的汽油、煤油、柴油消費(fèi)量，結(jié)果見表2。

表2 我國(guó)未來(lái)汽油、煤油、柴油消費(fèi)量預(yù)測(cè)

4.2 煉油行業(yè)要為燃油車提供高效高清潔汽柴油

汽柴油是種類繁多不同結(jié)構(gòu)烴分子的混合物，混合物中烴分子的結(jié)構(gòu)決定其物理化學(xué)性質(zhì)，影響其在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒行為。內(nèi)燃機(jī)的熱效率與燃料的性質(zhì)、燃燒行為和內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)高度相關(guān)，還會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)的污染物排放水平。優(yōu)化汽柴油中烴分子結(jié)構(gòu)，尋找合適的添加物，生產(chǎn)高效高清潔油品，煉油企業(yè)要主動(dòng)擔(dān)當(dāng)、有所作為。煉油行業(yè)與汽車行業(yè)技術(shù)專家要圍繞燃油汽車高效率即低碳排放、高清潔即污染物超低排放(車輛排出口單位氣體中污染物濃度顯著低于空氣質(zhì)量限值)緊密合作，協(xié)同創(chuàng)新。生產(chǎn)高效高清潔汽柴油要成為煉油行業(yè)新的追求。

5 高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)

5.1 汽油

提高汽油的辛烷值，為油耗低的高壓縮比汽油內(nèi)燃機(jī)提供匹配的汽油，一直是汽車行業(yè)的殷切期盼。汽油高清潔的關(guān)鍵是在控烯、控芳、超低硫化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低汽油中的烯烴和芳烴含量，通過(guò)餾程指標(biāo)的調(diào)控，禁止將C9以上重芳烴(含C9，下同)調(diào)進(jìn)汽油。為了證明這些控制和調(diào)整的必要性，國(guó)外汽車行業(yè)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作。

豐田汽車公司用低排放車(LEV)和超低排放車(ULEV)2種汽油車進(jìn)行了汽油50%餾出溫度(T50)對(duì)尾氣中總碳?xì)浠衔?THC)影響的研究，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)T50超過(guò)100 ℃時(shí)，THC排放量會(huì)顯著增加。

圖3 T50對(duì)THC排放量的影響

用汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)(V6，3.5 L)測(cè)試，在轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、扭矩為130 N·m(發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架穩(wěn)態(tài)工況)、冷卻液溫度為65 ℃的條件下，汽油T50對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放量的影響如圖4所示，汽油的T50在100 ℃以上時(shí)，PM排放量會(huì)迅速增長(zhǎng)。

圖4 汽油T50對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放量的影響

2010年日本本田汽車公司提出了PMI(PM指數(shù))的概念[6]，建立了預(yù)測(cè)汽油組成與顆粒排放量關(guān)系的模型。用本田模型計(jì)算PMI過(guò)程繁雜，豐田汽車公司提出了根據(jù)餾程分析結(jié)果計(jì)算PMI的簡(jiǎn)化模型，如圖5所示。汽油中C9以上重芳烴含量升高，PMI值升高，PM與PN排放量呈線性增加趨勢(shì)(見圖6和圖7)。該式的正確性和科學(xué)性被多個(gè)汽車公司和從事內(nèi)燃機(jī)研究的知名大學(xué)的車油研究項(xiàng)目和小型專項(xiàng)試驗(yàn)證明。

圖5 本田PMI與豐田PMI簡(jiǎn)化模型

圖6 PMI與PM排放量的關(guān)系

圖7 PMI與PN的關(guān)系

羅伯特博世公司的Wolfram Wiese等和殼牌研究有限公司(英國(guó))的Felix Balthasar等研究認(rèn)為PN排放與蒸餾曲線的E150 ℃(150 ℃餾出體積分?jǐn)?shù))有很好的關(guān)聯(lián)性，E150 ℃是影響PN與PM排放量的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)E150 ℃在85%以上時(shí)，汽油中造成PN與PM排放的C9以上芳烴將被排除在外[7](如圖8所示)。

圖8 汽油中C9以上芳烴含量與E150 ℃的關(guān)系

隨著汽油機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)爆震與汽油抗爆特性相關(guān)性研究的深入，為防止汽油機(jī)爆震，對(duì)汽油辛烷值的要求也有了新的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)代高效內(nèi)燃機(jī)抗爆震要求的是汽油的研究法辛烷值(RON)，對(duì)馬達(dá)法辛烷值(MON)的要求可以放寬，允許使用敏感性高(即RON與MON差值大于10)的汽油，并認(rèn)為在汽油標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有MON限值的國(guó)家引入MON是一個(gè)倒退的政策[8]。

基于相關(guān)研究，2019年歐洲汽車制造商協(xié)會(huì)對(duì)未來(lái)汽油的性能提出了如表3所示的要求[7]。

表3 歐洲汽車制造商協(xié)會(huì)對(duì)未來(lái)汽油品質(zhì)主要指標(biāo)的建議

對(duì)溫室氣體排放和燃料效率有高水平要求的市場(chǎng)，2019年世界燃油憲章委員會(huì)建議汽油采用表4所列的指標(biāo)[9]。

表4 世界燃油憲章委員會(huì)建議的汽油主要質(zhì)量指標(biāo)

我國(guó)煉油企業(yè)提高汽油辛烷值面臨的突出問(wèn)題是高辛烷值汽油調(diào)合組分的資源不足。降低汽油中烯烴和芳烴含量，優(yōu)化餾程，禁止造成PM與PN排放的C9以上芳烴調(diào)入汽油，都造成汽油辛烷值降低。但是提高汽油辛烷值的資源條件正在改善，經(jīng)過(guò)努力會(huì)進(jìn)一步改善。

隨著天然氣供應(yīng)量增加，民用燃料轉(zhuǎn)向天然氣，用于民用燃料的液化氣中碳四可以逐步被替代出來(lái)；催化裂化裝置通過(guò)開發(fā)新催化劑、開發(fā)新結(jié)構(gòu)反應(yīng)器和優(yōu)化工藝條件，有大幅增加碳四產(chǎn)量的潛力，建設(shè)碳四烷基化裝置，增產(chǎn)RON大于96的烷基化油資源條件越來(lái)越好。加工霉變糧食和重金屬污染糧食的生物乙醇產(chǎn)能和產(chǎn)量在增加。纖維素乙醇技術(shù)已有工業(yè)示范裝置，隨著技術(shù)成熟和推廣應(yīng)用，我國(guó)纖維素乙醇產(chǎn)量可望迅速增長(zhǎng)，放寬汽油中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)限值到不大于3.7%，將為全面推廣E10乙醇汽油創(chuàng)造條件。為了解決汽油中生物乙醇含量增加后蒸氣壓升高的問(wèn)題，參照歐洲汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的建議，添加生物乙醇可變成添加用生物乙醇生產(chǎn)的乙基叔丁基醚(ETBE)。

根據(jù)汽車行業(yè)的要求和期望，結(jié)合資源條件，提出高效高清潔汽油的主要質(zhì)量指標(biāo)在國(guó)ⅥB的基礎(chǔ)上做如下提升。一是提高汽油牌號(hào)，淘汰89號(hào)、92號(hào)汽油，將98號(hào)汽油不再放在附錄中，形成95號(hào)、98號(hào)2個(gè)牌號(hào)，各個(gè)牌號(hào)汽油只設(shè)RON指標(biāo)，取消MON指標(biāo)。市場(chǎng)上銷售的汽油實(shí)現(xiàn)以95號(hào)為主，逐步過(guò)渡到98號(hào)為主，在標(biāo)準(zhǔn)附錄中引入101號(hào)汽油。二是改變汽油組成，將汽油中烯烴含量限值控制在體積分?jǐn)?shù)不大于10%，芳烴含量最高限值控制在體積分?jǐn)?shù)不大于30%，C9以上芳烴體積分?jǐn)?shù)不大于1.5%。三是改進(jìn)汽油餾程，T50降低到不大于100 ℃，增設(shè)T70不大于140 ℃，汽油終餾點(diǎn)調(diào)整為不大于190 ℃。

5.2 車用柴油

新型柴油機(jī)和新型汽油機(jī)相比，熱效率約高出10百分點(diǎn)，柴油是一種節(jié)能型燃料。柴油機(jī)在使用過(guò)程中也可能發(fā)生爆震，為了防止爆震，要求柴油有合適的十六烷值。低速柴油機(jī)燃料滯燃期長(zhǎng)，有充分的燃燒時(shí)間，允許使用十六烷值較低的柴油，如400～800 r/min的低速柴油機(jī)可使用十六烷值為30～50的柴油，1 500 r/min以上的高速柴油機(jī)要使用十六烷值為50～60的柴油。車用柴油機(jī)屬于高速柴油機(jī)，我國(guó)國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅵ車用柴油都規(guī)定十六烷值不小于51。

柴油車和汽油車相比有油耗和碳排放低的突出優(yōu)勢(shì)，但也有NOx、顆粒污染物排放高的明顯劣勢(shì)，高效高清潔柴油要把減少顆粒物及NOx排放放在首要位置。研究認(rèn)為，柴油車使用高十六烷值柴油可以減少PM，NOx，HC，CO的排放，柴油中總芳烴和多環(huán)芳烴含量是NOx、PM排放的主要影響因素。世界燃油憲章委員會(huì)2019年5月發(fā)布的世界燃料章程中收集的關(guān)于柴油中總芳烴對(duì)NOx排放量和多環(huán)芳烴對(duì)PM排放量影響的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9和圖10所示[9]。圖9表明當(dāng)柴油中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%降低到10%時(shí)，輕、重負(fù)荷車NOx排放量均明顯降低；圖10表明當(dāng)柴油中多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)從9%降低到1%時(shí)，輕、重負(fù)荷車PM排放量均顯著降低。

圖9 柴油中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%降低到10%時(shí)NOx排放量的變化

圖10 柴油中多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)從9%降低到1%時(shí)PM排放量的變化

該委員會(huì)建議在溫室氣體和污染物排放有嚴(yán)格控制的市場(chǎng)，柴油的主要質(zhì)量指標(biāo)采用如表5所示的限值[9]。

表5 世界燃油憲章委員會(huì)建議的柴油主要質(zhì)量指標(biāo)

石科院開展了柴油中多環(huán)芳烴含量對(duì)柴油車PM，THC，CO，NOx排放量影響的研究，結(jié)果如圖11和圖12所示。圖11表明柴油中多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低時(shí)，PM排放量與PN顯著降低；圖12表明控制柴油中多環(huán)芳烴含量對(duì)減少THC與NOx的排放量有利。柴油中的多環(huán)芳烴含量與柴油的餾程和密度高度相關(guān)，降低50%，90%，95%餾出溫度，控制柴油的餾程、終餾點(diǎn)和密度都需要減少柴油中芳烴及多環(huán)芳烴含量。

圖11 基于濰柴WP12重型柴油機(jī)的不同油品PM及PN排放試驗(yàn)結(jié)果■—WHTC冷態(tài); ●—WHTC熱態(tài); ▲—WHTC計(jì)算值; 注：WC-1，WC-2，WC-3，WC-4，WC-5，WC-6分別是多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.7%，5.2%，4.3%，3.6%，2.8%，1.8%的柴油；WC-7和WC-8是從市場(chǎng)上購(gòu)買的柴油。WHSC指全球統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)，WHTC指全球統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)。圖12同

圖12 基于濰柴WP12重型柴油機(jī)的不同油品THC，CO，NOx排放試驗(yàn)結(jié)果

2015年我國(guó)柴油消費(fèi)量達(dá)到174 Mt的峰值后，連續(xù)5年下降，2021年消費(fèi)量比受新冠疫情嚴(yán)重影響的2020年有所增長(zhǎng)，也僅為141.7 Mt。柴油消費(fèi)量的下降允許減少甚至取消在柴油中加入高芳烴含量的改質(zhì)催化裂化柴油等二次加工柴油，也減少了生產(chǎn)高效高清潔柴油的技術(shù)難度。

根據(jù)上述研究結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)柴油的有利條件，提出高效高清潔柴油主要質(zhì)量指標(biāo)在國(guó)Ⅵ柴油標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上做如下提升。十六烷值由不小于51修改為不小于55，密度(20 ℃)由810～845 kg/m3修改為810～840 kg/m3，增加總芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15%，多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7%修改為不大于3%，50%回收溫度修改為不大于290 ℃，90%回收溫度由不大于355 ℃修改為不大于330 ℃，95%回收溫度由不大于365 ℃修改為不大于340 ℃，增加終餾點(diǎn)為不大于350 ℃。

6 制定和實(shí)施構(gòu)想的高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)策

6.1 開展高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)研究

一是開展制定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)研究，包括汽柴油中典型組分燃燒反應(yīng)路徑、燃燒動(dòng)力學(xué)、燃燒中污染物產(chǎn)生機(jī)理，汽柴油組分分子結(jié)構(gòu)、燃燒特征和內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)的匹配性，燃燒過(guò)程汽柴油組成與污染物排放的控制機(jī)制與應(yīng)對(duì)策略等研究。

二是進(jìn)行制定標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)研究：包括汽油中乙醇和ETBE不同比例混合添加對(duì)汽油RON、餾程、蒸氣壓的相關(guān)性研究及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)材料相容性研究；汽柴油主要質(zhì)量指標(biāo)與發(fā)動(dòng)機(jī)/整車污染物排放及碳排放試驗(yàn)；高效高清潔汽柴油中清凈劑類型和添加量與發(fā)動(dòng)機(jī)/整車污染物、碳排放試驗(yàn)；高效高清潔汽柴油配套的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油與配方研究。

6.2 高效高清潔汽柴油生產(chǎn)技術(shù)研究

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煉油企業(yè)生產(chǎn)的汽油以催化裂化汽油為主要調(diào)合組分。針對(duì)催化裂化汽油烯烴含量高，不能滿足汽油標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)升級(jí)、烯烴含量限值不斷降低的要求，開發(fā)了多種催化裂化汽油降烯烴技術(shù)。催化裂化汽油降烯烴后造成辛烷值損失，基本上通過(guò)強(qiáng)化催化裂化反應(yīng)過(guò)程中芳構(gòu)化反應(yīng)提高芳烴含量來(lái)實(shí)現(xiàn)辛烷值不降低甚至有所提高，也有通過(guò)催化裂化裝置副產(chǎn)的液化氣芳構(gòu)化來(lái)增加高辛烷值調(diào)合組分，還有通過(guò)催化裂化柴油加氫后作為催化裂化原料讓其轉(zhuǎn)化成汽油組分。高清潔汽油要求限制汽油的C9以上芳烴體積分?jǐn)?shù)小于1.5%，上述技術(shù)很難支持，必須在改變汽油調(diào)合組分的結(jié)構(gòu)，降低催化裂化汽油占比，提高其他高辛烷值組分調(diào)合比例上下功夫。一是增加汽油池中包括烷基化油和異構(gòu)化油的高辛烷值異構(gòu)烴組分，二是增加苯和C9以上芳烴含量很低的催化重整生成油，三是充分利用汽油中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2.7%提高到3.7%后氧含量的增加空間推廣E10生物基乙醇汽油或生物基乙醇合成的ETBE，爭(zhēng)取這3種高辛烷值調(diào)合組分在汽油池中的占比達(dá)到甚至超過(guò)45%，將催化裂化汽油的占比降低到55%以下。

生產(chǎn)高效高清潔汽油要從改變汽油池調(diào)合組分結(jié)構(gòu)的總體思路出發(fā)，高效高清潔汽油生產(chǎn)技術(shù)研究與開發(fā)有如下重點(diǎn)課題：開發(fā)高液化氣收率的新型催化裂化催化劑和新結(jié)構(gòu)反應(yīng)器技術(shù)，優(yōu)化工藝條件，力爭(zhēng)將催化裂化裝置的液化氣收率提高到25%左右甚至更高的水平，為建設(shè)碳四烷基化裝置提供更多的原料；合理控制催化裂化汽油中烯烴含量和提高異構(gòu)烷烴含量的選擇性催化裂化技術(shù)，催化裂化汽油中烯烴異構(gòu)加氫技術(shù)；適用不同碳四烷基化工藝的原料質(zhì)量指標(biāo)及控制技術(shù)，能耗低、廢酸生成少、產(chǎn)品RON高的硫酸法碳四烷基化微界面反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)；能耗低、固渣生成少、產(chǎn)品RON高的離子液體碳四烷基化微界面反應(yīng)強(qiáng)化及固渣循環(huán)利用技術(shù)；全餾分石腦油臨氫異構(gòu)化技術(shù)，基于新催化劑的低能耗碳五/碳六輕石腦油異構(gòu)化技術(shù)；基于糖平臺(tái)的農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)生物乙醇技術(shù)，農(nóng)林廢棄物氣化-合成氣厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇技術(shù)，廢棄高分子材料氣化-合成氣厭氧發(fā)酵生產(chǎn)綠色乙醇技術(shù)；基于新催化劑的高清潔汽油型催化重整技術(shù)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)煉油行業(yè)為了適應(yīng)市場(chǎng)柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)提升的要求，持續(xù)進(jìn)行柴油加氫精制技術(shù)開發(fā)，并得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。但柴油加氫精制裝置的原料基本都是摻煉30%以下催化裂化柴油和焦化柴油的直餾柴油。從國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)開始對(duì)柴油中多環(huán)芳烴含量提出限值，規(guī)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于11%，國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步加嚴(yán)到不大于7%。在標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)向下，我國(guó)的柴油加氫催化劑和工藝技術(shù)開發(fā)持續(xù)取得突破，有力支持了柴油質(zhì)量升級(jí)。從2016年起，我國(guó)柴油消費(fèi)量開始逐年遞減，面向未來(lái)還將繼續(xù)緩慢下降，從市場(chǎng)看，劣質(zhì)的二次加工柴油可以從柴油加氫精制裝置中逐步退出；從碳減排看，在進(jìn)料中減少二次加工劣質(zhì)柴油能減少氫氣消耗，有明顯的減碳效果；從質(zhì)量升級(jí)看，進(jìn)料中減少二次加工的催化裂化柴油能顯著減小質(zhì)量升級(jí)的難度，但二次加工的劣質(zhì)柴油必須開發(fā)新的用途。因此，生產(chǎn)總芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15%、多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3%的高效高清潔柴油要從優(yōu)化柴油加氫精制原料和開發(fā)更高效的芳烴飽和催化劑及工藝入手，要研究開發(fā)的主要技術(shù)有：高芳烴含量柴油吸附分離或萃取分離抽出芳烴技術(shù)，柴油加氫生產(chǎn)低芳烴超低多環(huán)芳烴柴油的新型催化劑及工藝技術(shù)；蠟油加氫裂化直接生產(chǎn)低芳烴超低多環(huán)芳烴柴油技術(shù)；微界面?zhèn)髻|(zhì)強(qiáng)化在低芳烴超低多環(huán)芳烴柴油生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用技術(shù)；二次加工劣質(zhì)柴油生產(chǎn)對(duì)二甲苯等化工原料技術(shù)。

6.3 高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)策略

一是團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)。一步到位直接制定并實(shí)施高效高清潔汽柴油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，讓全國(guó)所有煉油企業(yè)都同時(shí)執(zhí)行有很大難度?？煽紤]成立煉油企業(yè)和汽車生產(chǎn)企業(yè)作為主要成員的高效高清潔汽柴油創(chuàng)新聯(lián)盟，研究制定高效高清潔汽柴油團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和配套的機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)；參加創(chuàng)新聯(lián)盟的煉油企業(yè)執(zhí)行高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)，參加創(chuàng)新聯(lián)盟的汽車企業(yè)執(zhí)行配套的低碳污染物近零排放機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)。按制定和實(shí)施國(guó)Ⅵ汽柴油標(biāo)準(zhǔn)的做法分兩步走，研究制定本文建議的高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，先制定并實(shí)施指標(biāo)高于國(guó)ⅥB、低于本文建議的過(guò)渡性汽柴油標(biāo)準(zhǔn)，在過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施3～4年后，正式實(shí)施髙效髙清潔汽柴怞標(biāo)準(zhǔn)也是一種可選擇的方案。根據(jù)國(guó)家推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化制度改革的精神，筆者傾向于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)的推進(jìn)策略。

二是根據(jù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施情況制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?？偨Y(jié)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行中的經(jīng)驗(yàn)和存在的問(wèn)題，適時(shí)制定我國(guó)高效高清潔汽柴油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和低碳污染物超低排放的機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)。

三是發(fā)揮國(guó)家政策推動(dòng)作用。國(guó)家有關(guān)部門明確高效高清潔團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)汽柴油允許優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。執(zhí)行高效高清潔團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)后機(jī)動(dòng)車減少的碳排放，經(jīng)過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)核算后允許進(jìn)行碳交易。

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車將加快發(fā)展，但電動(dòng)汽車和氫燃料電池汽車在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中存在諸多挑戰(zhàn)，汽車減碳要從實(shí)際出發(fā)，有序推進(jìn)，油電混合動(dòng)力汽車是汽車減碳過(guò)程中的合理選擇，在可以預(yù)期的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，汽車動(dòng)力是電、氫、油共存的格局。煉油企業(yè)要努力生產(chǎn)高效高清潔汽柴油，支持車用內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)碳減排和污染物近零排放。

(2)根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)有關(guān)油品質(zhì)量對(duì)污染物和碳排放影響的研究結(jié)果和汽車行業(yè)對(duì)未來(lái)汽柴油品質(zhì)的訴求，提出我國(guó)高效高清潔汽柴油的主要質(zhì)量指標(biāo)建議：①汽油RON為95～98，在附錄中增設(shè)RON大于101的汽油牌號(hào)，汽油中芳烴體積分?jǐn)?shù)不大于30%，C8以上芳烴體積分?jǐn)?shù)不大于1.5%，烯烴體積分?jǐn)?shù)不大于10%，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3.7%，T50不大于100 ℃，T70不大于140 ℃，終餾點(diǎn)不大于190 ℃；②柴油十六烷值不小于55，密度(20 ℃)為810～840 kg/m3，總芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15%，多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3%，T50，T90，T95分別不大于290，330，340 ℃，終餾點(diǎn)不大于350 ℃。

(3)要抓緊開展高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)研究和實(shí)現(xiàn)汽柴油高效高清潔的生產(chǎn)技術(shù)研究，鑒于在全國(guó)同步實(shí)現(xiàn)高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)的困難，建議成立頂級(jí)油品創(chuàng)新聯(lián)盟，將高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)作為創(chuàng)新聯(lián)盟的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，在加入聯(lián)盟的煉油企業(yè)中率先執(zhí)行，在具備條件時(shí)轉(zhuǎn)化成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。