车用尿素溶液业务的四个特点

杨俊杰 刘泉山 王永红

1 中国石油润滑油公司

2 中国石油润滑油公司产品设计中心

车用尿素溶液是柴油机尾气排放SCR（选择性催化还原）技术的必要处理剂。2015年我国国IV排放开始实施，2017年以后其快速增长成为汽车服务领域一大新兴业务。本文对其强制消费、化学组成简单、依赖加油站资源和物流要求严格等四个特点进行了分析解读，希望引起消费者和从业者的高度重视。

车用尿素溶液（也简称车用尿素）作为柴油机尾气排放SCR（选择性催化还原）技术的必要处理剂，欧洲从2005年开始应用，年消费超过200万t。我国国IV排放在2015年开始实施，主流重型商用车均需要采用SCR技术，从2017年开始车用尿素溶液就已经成为汽车服务领域一大新兴业务，预计到2020年及以后，需求会在400～700万t/a。它与其他汽车服务相比有四个鲜明的特点，应该予以重视。

强制消费的特点

国IV以后，重型柴油车和国VI以后包括部分轻型车，要满足排放要求，都必须使用车用尿素溶液降低NOx（氮氧化物）排放，所以将在相当时期内保持消费增长。

柴油机以其高压缩比而具有比汽油机更高的燃油效率，具有良好的燃油经济性、动力性、耐久性而广泛应用于客货车上。柴油发动机可使用稀燃配比和高压缩比，燃油效率高，HC、CO、CO2排放量比汽油发动机低，并能够作为生物柴油等新能源的使用平台；但是燃烧柴油排放的NOx和PM（颗粒物）远高于汽油，NOx和PM对人类健康及大气环境具有不容低估的危害作用，多数国家和地区重型柴油车排放在汽车对环境排放贡献度中达到70%左右，一直是大气排放控制领域的重点。各国都致力于减少这两项排放物，其途径包括提高燃油品质、实行机内净化技术和尾气后处理技术[1]。

PM主要由固态碳烟、可溶性有机物、硫酸盐等三部分组成，90%以上的颗粒小于1μm，悬浮于空气中，停留时间很长，增加了接触人体和在大气中参与其他化学反应的机会。其中，可溶性有机物具有诱变作用，90%以上是致癌物质，对人体呼吸系统有极大危害，可引起慢性肺病或致癌。NOx及硫化物，可形成有毒的光化学烟雾和具有腐蚀作用的酸雨[2]。

2005年欧洲实施欧Ⅳ排放法规，NOx排放限值从1985年的18.0 g/kW·h下降81%、到3.5 g/kW·h；PM排放限值从1990年的0.7 g/kW·h下降97%、到0.02 g/kW·h，机内净化技术已经不能满足要求，必须选择尾气后处理技术。

柴油车的尾气后处理主要有两条技术路线：一是EGR+DPF/DOC，也就是废气再循环系统+颗粒捕集器/氧化型催化转化器的路线，即先通过废气再循环降低燃烧过程中NOx的生成量，再通过颗粒捕集器捕集因EGR技术而增加的颗粒物，使用氧化型催化转化器定期再生颗粒捕集器；二是优化燃烧+SCR路线，即是先通过优化燃烧降低颗粒物排放，允许NOx生成量有所增加，然后通过SCR来降低产生的NOx排放量。其中，SCR技术路线综合较为省油，欧洲柴油昂贵，普遍采用SCR技术[1]。2种尾气后处理技术路线的比较见表1。

SCR还原剂主要有烃类及其衍生物、氨气和车用尿素溶液等三类。烃类及其衍生物价廉易得、但所使用催化剂为比较昂贵的金属催化剂，易受硫含量影响而引起催化剂中毒，活性温度范围窄，还原效率不高，易造成二次污染；氨气及尿素不但还原效率高，活性温度宽，对硫含量也没有特别严格的要求；尿素又具有无毒、便于运输等优点，更适合作为车用SCR技术的还原剂。

表1 2种尾气后处理技术路线的比较

车用尿素溶液是指尿素浓度为32.5%（质量分数）的纯水溶液，欧洲在车用尿素溶液监管方面主要依赖诚信体系，一旦被发现没有按要求添加车用尿素溶液将会面临严厉处罚，全面建立了从车用尿素溶液、加注系统、储运标准，专用名称“AdBlue”为达到欧Ⅳ排放标准柴油车使用车用尿素溶液的注册商标。日本于2005年实施了新尾气排放法规后，几乎所有的重型柴油车均采用了SCR尾气处理系统。美国环保局实施EPA2010排放标准后，SCR技术也成为大多数卡车生产商的选择[3]。

SCR技术也是我国柴油机减排的最优选择方案，一般比EGR技术节油5%～7%，扣除车用尿素溶液增加的费用，还有2%～3%的成本优势，而且对燃料硫含量耐受性好，发动机改动小，可以顺利延伸到国V、国VI（与DPF并用），SCR是适合我国国情的重型柴油机节能减排技术路线[4]。柴油国标GB19147要求国III柴油的含硫量小于350 mg/kg，SCR技术可以耐受；而EGR-DOC技术要求油品含硫量在10 mg/kg以下。

SCR系统从尿素罐中吸取32.5%的尿素水溶液，经过一个保温的管道，通过压缩空气使之均匀吹入尾气，车用尿素溶液被气化并释放出氨气，在催化器（钒镍钨氧化物）中使NOx快速转换成纯净的氮气和水，基本化学反应方程式是：先尿素热解与水解 (NH2)2CO+H2O—CO2+2NH3；再NOx转 换4NO+4NH3+O2—CO2+2NH3和 6NO2+8NH3—7N2+12H2O。其反应原理如图1所示；博世SCR-NOx- NH3催化转换器组成如图2所示。

化学组成简单

国内外车用尿素溶液质量指标和生产技术基本一致，其化学组成简单透明，产品的核心差别在于以纯净度为主的全过程质量保证。

世界各国在推行柴油车排放新指标的同时，配套制定了车用尿素溶液标准。从最早颁布的德国标准DIN 70070—2005《柴油机 NOx还原剂车用尿素溶液 质量要求》，到国际标准ISO 22241—2006《柴油发动机.车用尿素溶液型NOx还原剂》，都要求32.5%左右的尿素含量，同时控制缩二脲小于0.3%，并严格控制醛、不溶物和十种金属含量等。美国将车用尿素溶液的专用名称叫做 DEF（Diesel Exhaust Fluid），所有者为美国环保局EPA；日本也发展了其车用尿素溶液产品质量标准JIS K2247—2005《柴油发动机—车用尿素溶液/消减NOx添加剂》[3]。

我国国家标准GB 29518—2013《柴油发动机氮氧化合物还原剂 尿素水溶液(AUS32》于2013年5月7日发布，同年7月1日实施；与ISO 22241标准的主要指标要求一致，要求检测的指标包括尿素含量、密度、折光率、碱度、缩二脲、甲醛、不溶物、磷酸盐、铁、铝、钙、镁、钾、钠，铬、铜、镍、锌、红外定性等共计19项。国内外车用尿素溶液标准对比见表2。

车用尿素溶液生产，最好是尿素生产厂直接生产车用尿素稀释而成；其次，可以在尿素生产厂生产车用尿素颗粒，在尿素液生产厂再溶解生产车用尿素液产品；万不得已，也可采用工业尿素（杂质含量低于农用尿素）进行提纯，在70～75 ℃时将尿素溶在水中，在30 ℃以下尿素重新从水溶液中结晶出来，水解再结晶可以大幅提高尿素的纯度。SCR催化剂载体极易发生金属离子中毒从而失去催化效果，必须使用纯水，其质量的核心是纯净度，主要以电导率≤0.5 mS/m和各类杂质含量为控制指标[4]。

表2 车用尿素溶液的国内外标准

尿素溶解是一个吸热过程，所以调合设备应具有加热设施；尿素水溶液会在-11 ℃下开始结冰，-20 ℃完全上冻，这是车用尿素溶液产品在使用过程当中的一个比较大的限制。在北美和欧洲市场，有一些供应商推出了能够在更低的温度条件下使用的车用尿素溶液产品，但更多还是采取加热保温手段，避免外加降低冰点的物质，给系统带来不能预知的风险。

低温车用尿素溶液必须在合适的还原剂中选择，主要是-25 ℃和-35 ℃两种产品。主要是通过一些低温的氨类化合物来达到低温的效果，低碳酸铵盐是非常理想的物质，关键是须满足在SCR系统中的催化还原，一般SCR系统的催化温度在300 ℃～400 ℃，例如在V2O5-TiO2催化体系，要求必须保证其催化活性。利用乙醇来降低车用尿素溶液冰点，会导致车用尿素溶液的单位里程消耗量加大，不仅增加了费用，还大大增加了车用尿素溶液的加注次数[5]，不建议尝试。

车用尿素溶液生产中应注意4个方面：

◇溶解调合过程温度应严格控制在10℃～40 ℃之内，仓储应采取必要的温控措施，保持在-5℃～25 ℃范围。

◇溶解及包装所用材料应严格按照车用尿素溶液国家标准推荐，使用前应加入检验合格的车用尿素溶液产品进行储存试验，全项性能检测合格方可使用。

◇设备、容器和管路应专用，并保证清洗干净；灌装设备使用后应清空、清洗干净并密封，防止产品受到周围环境的污染，特别是软管，应该专用，每次用完后应盖上盖，存放在专用地点。

◇检测有任何项目不符合产品要求，或怀疑产品可能存在质量问题，如容器上无标签，产品变色或出现浑浊，散发不明气味，或储存时间超过了保质期等，应加注标签后单独储存，以备进一步调查。如果某一批次的车用尿素溶液产品被反复检测出存在同一缺陷，该批次产品应作召回处理。供应到市场上的产品，都应通过一个特定的批号可追溯到生产的批次。

严重依赖加油站资源

车用尿素液业务，无论中外，除了汽车生产厂装机和部分车队自己建设灌装加注条件，80%以上的消费都在加油站完成[6]。所以，在整个业务系统中的各个从业者，一定要认清楚自己的价值定位。

车用尿素溶液的典型加注方式有3种：

第一种设备相对而言比较简单，它其实就是一根导流管，用于10 L或20 L包装的车用尿素溶液产品。使用时首先打开车用尿素溶液包装桶口盖，并打开内扣密封盖；然后把导流管的一端与包装桶连接，另一端与储罐连接，就可以开始加注。加注完毕，要用干毛巾或者纸巾把加注口擦干。导流管的材料首先是不被车用尿素溶液所腐蚀，第二是不能含有微量金属，以免污染车用尿素溶液的产品品质，第三是必须能伸缩300次以上。

第二种设备是移动式200 L 桶或IBC吨箱加注系统，这个设备具有3个方面的优点：

◇它采用的是液压提桶系统，可以在只有一个人操作的情况下，非常轻松地进行大桶或吨箱车用尿素溶液产品的移动、升降；

◇这个设备的底部有可移动的车轮，使用方便；

◇移动式加注车采用了泵车一体化的设计，操作起来更加省力，主要适用对象是车队、公交公司等中小客户，它是通过加注枪把车用尿素溶液直接从桶内打到车辆的尿素溶液储罐里面去。其中，IBC吨箱的尿素加注一般使用220 V电动隔膜泵，加注枪的材质为不锈钢，能够记录单次加注数量和累计加注数量，如果现场没有电源，也可用气动加注泵。

第三种设备是车用尿素溶液站式加注系统，主要根据大型加油站和汽车集团需求开发；具有自动计量、溢满自动停止等，可以根据客户的需要加装流量计，可以像加油站加注汽柴油那样，实现总量控制、金额计算等等功能，从而能够满足终端用户的各种需求。

车用尿素溶液业务模式在欧洲经历了由零售点建立中型容器进行散装销售，逐渐向自建泵站销售方向的演变。在车用尿素溶液面市初期，出于对客户习惯与产品可获得性的考虑，车用尿素溶液销售商主要通过在加油站、合作汽车品牌的自有汽车修理店、普通汽修店设立10 L小包装、200 L桶装、1 000 L的IBC吨箱。加油站都可以方便买到10 L小包装产品，或用5 000～10 000 L灌装加注机型式供应。总体来说，散装占约60%、IBC和大小桶各占20%。

美国车用尿素溶液被称为柴油机尾气处理液，API建立了一个自愿性DEF产品进行认证和监测项目，生产商必须保证其产品满足ISO 22241标准的要求，并向API交付标识使用费，包括初次认证费、年费和每加仑DEF的标识使用费，API会通过第三方检测机构从市场上抽样分析，发现不合格产品，将面临API的处罚。

包装储运要求严格

为避免车用尿素溶液被污染和对容器、管道、阀门、连接件、密封垫等的腐蚀，在生产、处理、运输、储存和采样的各个环节都要保证车用尿素溶液与直接接触的材料兼容。在车用尿素溶液国家标准GB 29518—2013的附录J中，包装材料要求“塑料中的添加剂要特别注意，可能会溶解在车用尿素溶液中，对于含有添加剂的塑料，应进行仔细的测试。” 鉴于包装物单独检验的复杂程度，应按照国标要求，严谨选择包装物供应商，并做出相应的原材料及生产过程定制要求，以确保包装物与车用尿素溶液的兼容性[5]。产品灌装时应至少留有10%的体积空间，尿素溶液结晶点为-11℃，结成晶体的车用尿素溶液会比结晶前的液体体积增加7%，可能会导致产品溢出容器或容器胀裂。

为避免尿素分解和非密封容器中水的挥发，应避免长时间在高于25 ℃的条件下运输或储存，短时间暴露在稍高温度环境不会影响质量；应避免在-5 ℃以下的环境中储存，避免车用尿素溶液结冰，为此应要求运输车辆具有绝热或加热功能。如果在使用车用尿素溶液前发现已经结晶，可以在温度不高于30 ℃的情况下，小心加热至固体物质消失，避免加热温度太高和暴露在阳光下。为防止空气中的杂质污染，应使用密封的容器或在通风口安装过滤器。

所有与车用尿素溶液直接接触的表面不能有污染物质，包括燃油、机油、润滑脂、洗涤剂、灰尘等。为防止车用尿素溶液被微量元素、灰尘和杂质污染，非专用设备的表面应用蒸馏水或去离子水清洗，并在处理车用尿素溶液之前用车用尿素溶液做最后的冲洗。要判断储存和运输设备是否达到理想的清洗效果，对最后一次冲洗的车用尿素溶液按照GB 29518—2013标准验证。供应到市场上的每个容器中的车用尿素溶液都应通过一个特定的批号可追溯到生产的批次，批号中应包括原始生产时间或最后认证时间。

一次性非散装容器，每个容器应有识别标签或印章，从而保证可追溯到容器内车用尿素溶液产品的供应商的原始生产批次；为识别异物，如灰尘、昆虫或其他不溶物，在灌装前应目测检查容器内部；在灌装车用尿素溶液小包装时，应从第一个容器中取1 L作为保留样品；灌装好的产品应密封，除非包装物上有通风口设计。

专用设备散装的操作：所有的阀、盖子和软管都在密闭条件下正确操作而没有受到污染。所有的产品装卸操作应按操作说明书操作，应有装卸清单来规范装卸程序，有负责产品装卸和运输的人员签字，交由装卸负责人保存。在装卸之前，应进行至少以下检查，并有书面记录：

◇检查设备清洁确认证书，第一次使用的车用尿素溶液专用散装容器，应彻底清洗干净，在洁净确认证书上记录清洗过程和洁净度，在装货点灌装前出示；

◇前次完成装卸后各种阀门和开关是否关闭合适；

◇散装运输和储存设备、装卸设备、附属设备和清洁系统的视觉检查；

◇从灌装的第一个容器中取车用尿素溶液样品分析，确认各项指标符合GB29518—2013质量指标要求；

◇交货清单核对装卸产品。如果在装卸过程中发生异常情况，装卸应立即停止，从已灌装容器中采样分析，查明问题，根据获得的分析结果采取进一步的措施。

取样应采用适当的容器，样品分析前应没有受到任何污染，既不污染样品（特别是痕量元素），又能最大程度避免藻类和细菌的生长。污染可能主要来自：采样瓶生产过程的添加剂残留；采样瓶空置保存期间沉积在瓶内的杂质；采样过程中，周围空气中的灰尘或其他杂质；用于清洗采样仪器和瓶子的洗涤剂残留；燃油。