中国机动车氮氧化物减排途径和技术

中国机动车氮氧化物减排途径和技术胡京南2010年4月1日，厦门环境高技术青年论坛“十二五”为什么要控制氮氧化物？当前我国最主要的大气环境问题是区域细粒子和臭氧污染，同时引发大气能见度下降（灰霾现象）我国氮氧化物排放现状2007年我国NOx约1800万吨，比2000年增长50%－80%电力行业、机动车尾气和非金属矿物制品业排放NOx占到总量的83%

单车排放较低，但保有量巨大，总排放仍占重要比例；NOx排放约占25~30%单车排放高，虽然保有量较小，但总排放占重要比例；NOx排放约占55~60%2008年我国民用汽车的构成中国机动车氮氧化物减排途径继续提高新生产机动车的排放控制水平加速淘汰高排放的在用机动车改善车用油品质量推广环境友好的新能源汽车鼓励国民的绿色出行继续提高新生产机动车排放控制水平

－“十二五”新车增长速率2011－2015年的新车排放水平将影响近8000万辆机动车的排放量！990001020304050607080910北京中国1阶段全国中国1阶段中国5阶段北京：计划2012年执行全国：原计划对重型柴油车2012年执行，有可能稍推迟中国2阶段中国3阶段中国4阶段中国2阶段中国3阶段中国4阶段继续提高新生产机动车排放控制水平

－目前的新车排放标准进程继续提高新生产机动车排放控制水平

－氮氧化物排放限值的变化加严重型柴油车（机）排放标准的影响最为显著！欧美重型柴油车排放控制路线的不同欧洲先SCR再DPF美国先DPF再SCR重型柴油机路线1：高压共轨＋电控喷射＋增压中冷，欧美主流的技术路线路线2：废气再循环（EGR）＋电控喷射＋增压中冷轻型汽油车电控喷射＋两级三元催化（TWC）满足欧Ⅲ/国三排放标准的技术路线重型柴油机路线1：选择性催化还原（SCR）＋高压共轨＋电控喷射＋增压中冷，欧洲主流的技术路线路线2：部分流颗粒物捕集器（PDPF）＋废气再循环（EGR）＋电控喷射＋增压中冷轻型汽油车电控喷射＋两级三元催化（TWC）满足欧Ⅳ/国四排放标准的技术路线SCR原理：

在尾气中喷入氨，尿素或者其它含氮化合物,使其中的NOx还原成N2和水。还原反应在较低的温度范围（315－400℃）内进行，需要催化剂，称之为选择性催化还原；

主要反应方程式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O满足欧Ⅳ、欧Ⅴ/国四、国五排放标准的技术路线SCR优点NOx还原效率高，超过90%SCR缺点需增加尿素供给和较为精准的控制系统，成本增加较多有起燃温度要求，已发现城市公交车在低负荷时SCR不起作用的情况对柴油硫含量提出了更高要求可能带来NH3和N2O的新问题，还需加强评估满足欧Ⅳ、欧Ⅴ/国四、国五排放标准的技术路线稀燃NOx捕集（LNT）或称为NOx储存还原（NSR）NOx在氧化性气氛中被氧化，与碱金属或碱土金属生产硝酸盐，释放CO2再生时，用HC或H在催化器中建立还原性氛围，硝酸盐转化为N2，碱金属或碱土金属与CO2生成碳酸盐，完成再生也可在天然气发动机

上应用满足欧Ⅳ、欧Ⅴ/国四、国五排放标准的技术路线LNT优点结构简单，成本较低可适用于双燃料LNT缺点对燃油硫含量有非常严格的要求再生过程需消耗燃料，增加油耗满足欧Ⅳ、欧Ⅴ/国四、国五排放标准的技术路线颗粒物捕集器排气中的颗粒物经过扩散、截留、惯性碰撞和重力沉降等原理，被DPF捕集捕集效率受粒径、过滤微孔孔径、气流速度和温度等的影响分为被动再生与主动再生两种满足欧Ⅵ/国六排放标准的技术路线DPF优点高效去除尾气中的颗粒物有效降低排气噪声DPF缺点被动再生需要改变发动机的运行状况主动再生需要增加喷油系统可能造成尾气中NO2/NOx大幅升高，也需加强评估满足欧Ⅵ/国六排放标准的技术路线DPNR（柴油机PM-NOx减排系统）催化装置：可同时降低PM和NOx排放稀燃时，NOx被氧化并储存，期间释放氧自由基；PM被氧自由基和尾气中过量的氧气氧化，但会有部分PM沉积通过喷油，使催化器内形成还原性气氛，储存的NOx被还原为N2，释放热量，沉积的PM被高温烧掉日本厂商已在商用车上对DPNR进行了较多的研究满足欧Ⅵ/国六排放标准的技术路线DPNR优点同时去除尾气中的NOx和PMDPNR缺点系统结构复杂需要精确控制喷油参数与节流阀的开启，只有两者高效配合才能达到预期效果体积较大，只适用于重型车满足欧Ⅵ/国六排放标准的技术路线美国环保局对100辆车，90种汽油，5000次试验的研究：硫含量对三元催化效率的影响显著汽油硫含量：340ppm

－>50ppmNOx排放：0.41g/km－>0.36g/km，下降11%低硫柴油：50ppm，SCR技术大规模应用的保障超低硫柴油：10－15ppm，DPF技术大规模应用的保障改善车用油品质量

－硫含量对尾气后处理装置的影响改善车用油品质量

－2008年中国车用汽油硫含量调查黄河三角洲地区汽油硫含量高！江淮地区汽油硫含量偏高硫含量主要与原油质量和炼厂的技术规模有关改善车用油品质量

－2008年中国车用柴油硫含量调查黄河三角洲地区柴油硫含量高！江淮地区柴油硫含量偏高环渤海个别地区柴油硫含量高！中国3阶段油品汽油硫含量150ppm以下，柴油硫含量350ppm以下汽油全国2010年起执行，柴油全国2011年起执行中国4阶段油品汽油和柴油硫含量均在50ppm以下北京2008年起执行，上海2009年10月起执行，广东2010年起执行改善车用油品质量

－中国车用油品改善的计划天然气车：采用合适的技术时，氮氧化物排放可达到欧Ⅴ标准，颗粒物通常极少，适合在城市公交上发展混合动力车：成熟的技术将同时降低油耗和排放纯电动车：减排效果取决于用电的排放，电厂采用脱硝技术时排放将大幅降低推广环境友好的新能源汽车重型柴油车使用中的排放超标在用达标检测：保证车辆使用过程中的低排放重型车：将发动机从车上拆下，装到实验室台架上，采用和法规认证时相同的的规程进行测试，难以操作上世纪九十年代，美国环保局调查发现，制造商使用控制软件非正常地降低发动机在高速路上行驶时的油耗（但同时NOx排放大幅升高），这些高排放通常在实验室里发现不了美国环保局认为这种发动机控制策略是不合法的“排放控制失效设备”美国交通领域的排放监管轻型车2阶段(1999)2007/2010重型车(2001)非道路柴油机(2004)火车/轮船(2007)机动车排放检测新技术便携式排放测试系统（PEMS）美国2007年开始监控NOx目前正在评估PM的监控欧洲正在开展和美国类似的工作机动车排放检测新技术机动车排放检测新技术轻型汽油车排放测试在北京选择了22辆出租车开展道路排放测试目的：研究轻型汽油车排放随里程增加的劣化趋势车辆登记日期：2000年12月－2008年7月里程表读数：6,375－816,580km车型：现代伊兰特和索纳塔，大众捷达，雪铁龙爱丽舍排量：1.4－2.0升出租车氮氧化物排放在行驶里程达到6.5万km后，有车辆出现NOx高排放现象（>0.3g/km）但也有车辆的行驶里程达到30万km时，NOx排放仍较低（<0.3g/km）耐久性要求：8万km轻型双燃料车排放测试在山东济南、河北廊坊和山西阳泉选择了22辆天然气－汽油双燃料出租车开展道路排放测试，包括14辆原装车和8辆改装车目的：研究轻型双燃料车使用天然气和汽油时的排放车辆登记时间：2002年4月－2009年7月里程：1万－63万km车型：大众桑塔纳和捷达，雪铁龙爱丽舍，起亚远舰等排量：1.5－1.8升使用天然气降低CO排放，增加THC排放改装车使用天然气增加NOx排放使用天然气比使用汽油减少了21-25%的CO2排放进一步的分析和相关研究表明，增加的总碳氢排放中绝大部分是甲烷；它对臭氧形成的贡献小，但是温室气体即使假设所有的总碳氢都是甲烷，使用天然气相比汽油仍然减少了15-16%的CO2当量排放车辆类型CO2（g/km）原装车－汽油209原装车－天然气165改装车－汽油

221改装车－天然气164温室气体排放重型柴油车排放测试对两辆重型柴油货车进行了道路排放测试目的：研究不同重型柴油车技术与排放的关系生产年份：均为2007年里程：200－2万km（基本新车）排量：均为9.7升车重：约24吨技术：高压共轨（HPCR）vs.废气再循环（EGR）废气再循环相比高压共轨技术，在各个车速区间的氮氧化物排放都较高汽车尾气颗粒物的在线检测？机动车尾气颗粒物的车载测试，在全球范围内仍处于探索阶段2004－2005年清华大学汽车尾气颗粒物的在线检测？2006－2007年美国环保局“重型柴油车在用排放检测技术研究”获得美国环保局2007年科学成果奖（工程领域），本人排名第4对下一步工作的建议从环境影响的各