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

(中國石油化工集團有限公司，北京 100728)

我國提出碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)后，每個行業(yè)各個領(lǐng)域都在研究實現(xiàn)這一重大戰(zhàn)略目標(biāo)的措施。公路交通運輸?shù)亩趸寂欧帕考s占全國排放量的8.0%，是排放大戶。圍繞減少汽車碳排放，加快發(fā)展電動汽車、積極發(fā)展燃料電池汽車是重要的措施。發(fā)展電動乘用車相對容易，但重型貨車用新能源替代難度大，具有較大的不確定性；隨著電動汽車的快速發(fā)展，退役電池量迅速增加，廢電池處理過程的安全環(huán)境風(fēng)險進一步加大；我國生產(chǎn)動力電池需要的鋰、鈷等礦產(chǎn)資源高度依賴國際市場，全世界都加快發(fā)展，還將會面臨資源供應(yīng)短缺的挑戰(zhàn)；消費者的充電焦慮、電池的安全性和國人居住條件對發(fā)展電動車的制約也不容忽視。氫能還處于市場培育階段，產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟性是目前大規(guī)模推廣的最大挑戰(zhàn)。從現(xiàn)階段看，油電混合動力汽車的社會投入成本最低，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年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，意味著2035年我國不會全面停止銷售燃油車，燃油汽車在道路上消失至少會在2045年以后。因此，開發(fā)和推廣應(yīng)用新技術(shù)，進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 電動汽車在未來發(fā)展過程中面臨的主要挑戰(zhàn)

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

2014年起，在國家和地方政策支持下，電動汽車在我國開始爆發(fā)式增長。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。中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)顯示，2020年我國動力電池累計退役量約200 kt，2025年累計退役量將達到780 kt左右。招商證券前瞻產(chǎn)業(yè)研究院也預(yù)測了我國退役電池規(guī)模，如圖1所示。

圖1 中國動力鋰電池退役規(guī)模

當(dāng)前電動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溶劑，電極材料中還含有鈷、錳、鎳等重金屬元素，廢棄過程管控失當(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程的安全環(huán)境風(fēng)險，國家明確規(guī)定電動汽車生產(chǎn)企業(yè)負責(zé)回收處理，但是目前我國退役電池回收渠道不暢通，迄今為止還沒有形成材料回收率高、對生態(tài)環(huán)境影響小、成熟可靠經(jīng)濟性好的退役電池規(guī)?；厥绽眉夹g(shù)。爆發(fā)式增長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 電動汽車的充電焦慮、安全性和低溫條件下的使用性能都會影響消費者的購買意愿

我國14億人口集中居住在胡煥庸線(黑河-騰沖一線)東南部，在占全國面積43.8%的國土上居住著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、歐洲等國家居民住宅以獨立建筑為主，髙層和多宅建筑比例低。我國和美洲、歐洲等國相比，特殊國情造成的充電難題解決難度大。期望發(fā)展“快充”技術(shù)，破解電動汽車發(fā)展的“充電”瓶頸，一是充電過程引發(fā)火災(zāi)的危險性會顯著增大，二是對電網(wǎng)安全性的沖擊會隨充電速度加快而同步增加。

電動汽車的安全性問題尚未根本解決。據(jù)我國應(yīng)急管理部消防局的通報，2022年一季度全國發(fā)生新能源汽車火災(zāi)640起，電動自行車火災(zāi)3 777起，均高于交通工具火災(zāi)的平均水平。日本自動車研究所的試驗結(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，充電時間加長，電耗大，經(jīng)濟性變差，嚴(yán)重影響使用性能，改善動力電池低溫性能的技術(shù)雖有進展但效果尚不如人愿。冬季高寒的我國北方地區(qū)使用電動汽車?yán)щy大。

充電焦慮、安全性和低溫下的使用性能都會影響消費者的購買意愿。

1.3 電動汽車大規(guī)模推廣會導(dǎo)致使用材料的資源危機

有效載重量相當(dāng)時電動汽車的質(zhì)量比燃油車約高出40%左右，生產(chǎn)一輛電動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，我國電動汽車的產(chǎn)銷量快速增長，2021年產(chǎn)銷分別完成294.2萬輛和291.6萬輛，約占全球的53%。世界主要國家都在加快電動汽車發(fā)展，對上述金屬材料的需求在迅速增長。在資源供應(yīng)側(cè)，資源國對具有戰(zhàn)略意義的礦產(chǎn)資源的管控在加強。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車發(fā)展過程中，多次出現(xiàn)過需要的石油資源短缺引發(fā)石油危機的情況，未來生產(chǎn)電動汽車電池需要的礦產(chǎn)資源短缺，出現(xiàn)礦產(chǎn)資源危機是大概率事件。

世界知名咨詢機構(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。國際能源署2021年5月發(fā)布報告：各國轉(zhuǎn)向綠色能源，對銅、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。實現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》的目標(biāo)，估計到2040年，風(fēng)力渦輪機的年安裝量需要增加兩倍，同一時期電動汽車銷售量要增加24倍。礦產(chǎn)供應(yīng)短缺將是21世紀(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。資源的短缺造成價格上漲，電池成本大幅度上升，電動汽車售價同步大漲，消費者用車成本高企。

2 燃料電池汽車(FCEV)在未來發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

2.1 氫氣儲存運輸加注成本高

FCEV使用過程沒有污染物和碳排放，加氫時間僅需3 min左右，行駛里程長，對消費者而言，和傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，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)濟性的挑戰(zhàn)。FCEV都采用高壓壓縮氫，從供氫點到加氫站，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。氫氣運輸以長管拖車為主，壓縮氫氣密度低。使用20 MPa的8管管式拖車一次運輸氫氣280 kg左右。加氫站需采用高成本壓縮氫罐儲氫，配置小型高壓壓縮機，建設(shè)和設(shè)備的維護成本高，目前日加氫1 t左右的加氫站設(shè)備投資約需1 500萬元。上述因素導(dǎo)致FCEV使用的氫氣價格高，完全市場化會使消費者難以接受，長期由供氫方承擔(dān)，很難持續(xù)經(jīng)營。

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，目前我國采用的是壓力35 MPa儲氫瓶。為了提高行車?yán)锍?，采?0 MPa儲氫瓶是發(fā)展趨勢。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、無鉑催化劑和廉價電解質(zhì)膜，但低成本車用燃料電池的產(chǎn)業(yè)化短期內(nèi)難以實現(xiàn)。

3 油電混合動力汽車是我國推進碳達峰的現(xiàn)實、可行、見效快的選擇

3.1 混合動力汽車有顯著的減碳減污效果

油電混合動力汽車(HEV)采用內(nèi)燃機、發(fā)電機、電池及電動機的耦合集成(如圖2所示)，使內(nèi)燃機始終在高效率區(qū)運轉(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)展電動車要大量建設(shè)充電樁和進行電網(wǎng)改造，發(fā)展燃料電池車要建設(shè)加氫站，購置專門的運氫車輛，既要有大量的資金投入，還要耗用特種資源，按全壽命周期計算都會增加使用過程的碳排放。

圖2 油電混合動力汽車(HEV)動力系統(tǒng)示意

中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司(簡稱石科院)對混合動力汽車的污染物排放進行了檢測，結(jié)果如表1所示。由表1可見：混合動力汽車各種污染物排放顯著低于2023年即將在全國執(zhí)行的國ⅥB排放標(biāo)準(zhǔn)限值；對于污染物的排放，韓國現(xiàn)代伊蘭特汽車非甲烷總烴(NMHC)排放量僅為國ⅥB限值的32.5%，N2O排放量僅為國ⅥB限值的3.7%；日本豐田卡羅拉汽車NMHC排放量僅為國ⅥB限值的16.7%，N2O排放量僅為國ⅥB限值的1.9%?；旌蟿恿囄矚馀欧趴谟泻ξ镔|(zhì)的濃度顯著低于一級空氣質(zhì)量限值。

表1 混合動力汽車的污染物排放情況

3.2 發(fā)展混合動力汽車是實現(xiàn)碳達峰的現(xiàn)實、可行、見效快的選擇

目前車用發(fā)動機的熱效率快速提高，柴油機及汽油機熱效率已分別接近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)燃機界的短期奮斗目標(biāo)是有效熱效率達到60%，長期的“極限”是有效熱效率達到85%[2]，基于高效內(nèi)燃機的HEV全壽命周期碳排放有望進一步降低。

電動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，在我國電力結(jié)構(gòu)以煤電為主的情況下，電動汽車和高效燃油車相比，全壽命碳排放和污染物排放并沒有優(yōu)勢。還有研究認(rèn)為，由于電動汽車車重比內(nèi)燃機汽車大，電動汽車雖然沒有尾氣排放，但行駛時輪胎與路面的磨損、再浮懸造成的PM和內(nèi)燃機(包括汽油機和柴油機)行駛時尾氣排放、輪胎、剎車與道路的磨損和再浮懸造成的PM總量相當(dāng)[3]。在推進我國交通領(lǐng)域碳達峰、碳中和的進程中，油電混合動力汽車是實現(xiàn)碳達峰的現(xiàn)實、可行、見效快的選擇。中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》預(yù)計2035年新能源汽車與油電混合動力汽車將各占當(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

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

歐盟正式宣布2035年全面禁止銷售燃油車，2021年7月15日有報道稱法國已經(jīng)提出反對意見，一些組織認(rèn)為這與歐盟委員會的倡導(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現(xiàn)，挑戰(zhàn)巨大。但即使這個目標(biāo)實現(xiàn)了，道路上還會有相當(dāng)數(shù)量的存量燃油車在行駛，按車輛的使用壽命預(yù)測，燃油車在道路上消失要在2045年前后。

汽柴油能量密度高、易儲存、易運輸，內(nèi)燃機功率強勁、使用方便靈活，能適用于各種不同場景，其中有些場景是電動汽車無法企及的，如低溫環(huán)境和電網(wǎng)受損的自然災(zāi)害場景，重型柴油貨車以電代油困難也很大。李曉易等研究認(rèn)為，基于我國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀，若要實現(xiàn)交通領(lǐng)域碳排放2030年前達峰，重型貨車新能源替代量要接近100萬輛，以現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展趨勢來看，這一規(guī)模應(yīng)用存在很大不確定性[4]。仔細分析內(nèi)燃機動力、純電動、插電式混合動力、油電混合動力汽車的優(yōu)缺點，全面徹底禁用燃油車是不合適的。推進交通行業(yè)碳減排，對車輛動力，油、電、氫不能搞零和博弈、你死我活，而應(yīng)融合互補、互相促進。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，全國大規(guī)模推廣純電動和插電式混合動力車，到2030年新能源汽車產(chǎn)銷量達到2 000萬輛，市場占比為50%左右，占我國汽車總保有量的15%。2030年起全國大規(guī)模推廣氫燃料電池汽車，到2050年新能源汽車占我國汽車保有量的50%以上[5]。未來汽柴油的消費量將逐步減少，汽油消費量的下降會快于柴油。汽柴油在地面交通能源中從市場獨占向市場主體進而向市場次要地位轉(zhuǎn)變是大趨勢，但市場主體地位會延續(xù)較長一段時間。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年主持了中國工程院咨詢研究課題《我國煉油石化產(chǎn)品消費規(guī)律、產(chǎn)能發(fā)展規(guī)模及布局戰(zhàn)略研究》，在認(rèn)真分析我國汽車保有量及新能源汽車發(fā)展趨勢、技術(shù)進步對燃油車油耗的影響、交通運輸結(jié)構(gòu)變化趨勢等因素的基礎(chǔ)上，分基準(zhǔn)消費情景和約束消費情景預(yù)測了我國2025年、2030年、2035年的汽油、煤油、柴油消費量，結(jié)果見表2。

表2 我國未來汽油、煤油、柴油消費量預(yù)測

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)燃機中的燃燒行為。內(nèi)燃機的熱效率與燃料的性質(zhì)、燃燒行為和內(nèi)燃機的設(shè)計高度相關(guān)，還會影響內(nèi)燃機的污染物排放水平。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)上進一步降低汽油中的烯烴和芳烴含量，通過餾程指標(biāo)的調(diào)控，禁止將C9以上重芳烴(含C9，下同)調(diào)進汽油。為了證明這些控制和調(diào)整的必要性，國外汽車行業(yè)進行了大量試驗研究工作。

豐田汽車公司用低排放車(LEV)和超低排放車(ULEV)2種汽油車進行了汽油50%餾出溫度(T50)對尾氣中總碳氫化合物(THC)影響的研究，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)T50超過100 ℃時，THC排放量會顯著增加。

圖3 T50對THC排放量的影響

用汽油直噴發(fā)動機(V6，3.5 L)測試，在轉(zhuǎn)速為1 950 r/min、扭矩為130 N·m(發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)工況)、冷卻液溫度為65 ℃的條件下，汽油T50對發(fā)動機PM排放量的影響如圖4所示，汽油的T50在100 ℃以上時，PM排放量會迅速增長。

圖4 汽油T50對發(fā)動機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)測汽油組成與顆粒排放量關(guān)系的模型。用本田模型計算PMI過程繁雜，豐田汽車公司提出了根據(jù)餾程分析結(jié)果計算PMI的簡化模型，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(見圖6和圖7)。該式的正確性和科學(xué)性被多個汽車公司和從事內(nèi)燃機研究的知名大學(xué)的車油研究項目和小型專項試驗證明。

圖5 本田PMI與豐田PMI簡化模型

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)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，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

隨著汽油機技術(shù)的進步以及對爆震與汽油抗爆特性相關(guān)性研究的深入，為防止汽油機爆震，對汽油辛烷值的要求也有了新的認(rèn)識，現(xiàn)代高效內(nèi)燃機抗爆震要求的是汽油的研究法辛烷值(RON)，對馬達法辛烷值(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)中沒有MON限值的國家引入MON是一個倒退的政策[8]。

基于相關(guān)研究，2019年歐洲汽車制造商協(xié)會對未來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)會對未來汽油品質(zhì)主要指標(biāo)的建議

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

表4 世界燃油憲章委員會建議的汽油主要質(zhì)量指標(biāo)

我國煉油企業(yè)提高汽油辛烷值面臨的突出問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)過努力會進一步改善。

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；催化裂化裝置通過開發(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，我國纖維素乙醇產(chǎn)量可望迅速增長，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題，參照歐洲汽車工業(yè)協(xié)會的建議，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ⅥB的基礎(chǔ)上做如下提升。一是提高汽油牌號，淘汰89號、92號汽油，將98號汽油不再放在附錄中，形成95號、98號2個牌號，各個牌號汽油只設(shè)RON指標(biāo)，取消MON指標(biāo)。市場上銷售的汽油實現(xiàn)以95號為主，逐步過渡到98號為主，在標(biāo)準(zhǔn)附錄中引入101號汽油。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 ℃，汽油終餾點調(diào)整為不大于190 ℃。

5.2 車用柴油

新型柴油機和新型汽油機相比，熱效率約高出10百分點，柴油是一種節(jié)能型燃料。柴油機在使用過程中也可能發(fā)生爆震，為了防止爆震，要求柴油有合適的十六烷值。低速柴油機燃料滯燃期長，有充分的燃燒時間，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以上的高速柴油機要使用十六烷值為50～60的柴油。車用柴油機屬于高速柴油機，我國國Ⅴ、國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，但也有NOx、顆粒污染物排放高的明顯劣勢，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NOx排放量和多環(huán)芳烴對PM排放量影響的試驗結(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，輕、重負荷車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，輕、重負荷車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PM排放量的變化

該委員會建議在溫室氣體和污染物排放有嚴(yán)格控制的市場，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，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重型柴油機的不同油品PM及PN排放試驗結(jié)果■—WHTC冷態(tài); ●—WHTC熱態(tài); ▲—WHTC計算值; 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是從市場上購買的柴油。WHSC指全球統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)，WHTC指全球統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)。圖12同

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

2015年我國柴油消費量達到174 Mt的峰值后，連續(xù)5年下降，2021年消費量比受新冠疫情嚴(yán)重影響的2020年有所增長，也僅為141.7 Mt。柴油消費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 ℃，增加終餾點為不大于350 ℃。

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

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、燃燒動力學(xué)、燃燒中污染物產(chǎn)生機理，汽柴油組分分子結(jié)構(gòu)、燃燒特征和內(nèi)燃機新技術(shù)的匹配性，燃燒過程汽柴油組成與污染物排放的控制機制與應(yīng)對策略等研究。

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

長期以來，我國煉油企業(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、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，基本上通過強化催化裂化反應(yīng)過程中芳構(gòu)化反應(yīng)提高芳烴含量來實現(xiàn)辛烷值不降低甚至有所提高，也有通過催化裂化裝置副產(chǎn)的液化氣芳構(gòu)化來增加高辛烷值調(diào)合組分，還有通過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，爭取這3種高辛烷值調(diào)合組分在汽油池中的占比達到甚至超過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)。

進入21世紀(jì)以來，我國煉油行業(yè)為了適應(yīng)市場柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)提升的要求，持續(xù)進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Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)開始對柴油中多環(huán)芳烴含量提出限值，規(guī)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于11%，國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)進一步加嚴(yán)到不大于7%。在標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)向下，我國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。從2016年起，我國柴油消費量開始逐年遞減，面向未來還將繼續(xù)緩慢下降，從市場看，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)量升級看，進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)的推進策略

一是團體標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)。一步到位直接制定并實施高效高清潔汽柴油國家標(biāo)準(zhǔn)，讓全國所有煉油企業(yè)都同時執(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體標(biāo)準(zhǔn)和配套的機動車排放標(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動車排放標(biāo)準(zhǔn)。按制定和實施國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，先制定并實施指標(biāo)高于國ⅥB、低于本文建議的過渡性汽柴油標(biāo)準(zhǔn)，在過渡性標(biāo)準(zhǔn)實施3～4年后，正式實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)國家推進標(biāo)準(zhǔn)化制度改革的精神，筆者傾向于團體標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)的推進策略。

二是根據(jù)團體標(biāo)準(zhǔn)實施情況制定國家標(biāo)準(zhǔn)?？偨Y(jié)團體標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行中的經(jīng)驗和存在的問題，適時制定我國高效高清潔汽柴油國家標(biāo)準(zhǔn)和低碳污染物超低排放的機動車排放標(biāo)準(zhǔn)。

三是發(fā)揮國家政策推動作用。國家有關(guān)部門明確高效高清潔團體標(biāo)準(zhǔn)汽柴油允許優(yōu)質(zhì)優(yōu)價。執(zhí)行高效高清潔團體標(biāo)準(zhǔn)后機動車減少的碳排放，經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)核算后允許進行碳交易。

7 結(jié)束語

(1)實現(xiàn)碳達峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，以電動汽車為代表的新能源汽車將加快發(fā)展，但電動汽車和氫燃料電池汽車在未來的發(fā)展過程中存在諸多挑戰(zhàn)，汽車減碳要從實際出發(fā)，有序推進，油電混合動力汽車是汽車減碳過程中的合理選擇，在可以預(yù)期的較長時間內(nèi)，汽車動力是電、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)燃機實現(xiàn)碳減排和污染物近零排放。

(2)根據(jù)國際國內(nèi)有關(guān)油品質(zhì)量對污染物和碳排放影響的研究結(jié)果和汽車行業(yè)對未來汽柴油品質(zhì)的訴求，提出我國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，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)研究和實現(xiàn)汽柴油高效高清潔的生產(chǎn)技術(shù)研究，鑒于在全國同步實現(xiàn)高效高清潔汽柴油標(biāo)準(zhǔn)的困難，建議成立頂級油品創(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，在具備條件時轉(zhuǎn)化成國家標(biāo)準(zhǔn)。