非道路移动机械柴油车排气污染治理技术及对策研究

吴姗姗

（无锡开放大学，江苏无锡 214000）

1 引言

近年来我国非道路移动机械发展迅速，其污染物排放已呈快速上升之势，非道路移动机械柴油车作为主流非道路移动机械设备，却面临着排放标准规章不健全、管理制度不规范、污染物排放量大、使用范围广等问题［1］。而非道路移动机械柴油车排放治理作为一项复杂的系统工程，涉及诸多方面以及排放治理方案、治理产品选择与匹配、后期监控等诸多环节，各相关方及环节均会对排放治理效果产生极大的影响［2］，特别是目前我国相关排放标准越来越严格，也将会加大对非道路移动机械污染的管理。现阶段排放限值已经不能满足行业技术发展的需要和国家日益严格控制环境污染的政策要求，同时也面临着现行标准缺失对机械排放的监管等问题。

2 非道路移动机械柴油车排气污染治理的发展现状

2.1 国外研究发展现状

1998 年，欧盟就以立法的形式（97/68/EC 指令）对非道路移动机械用柴油机的排放进行了规定［3］。法规分2 个阶段实施，第I 阶段于1998 年实施，第II阶段于2001—2004 年执行，柴油机的各污染物排放数值按输出功率大小进行了不同的限定。2016 年欧盟正式发布的非道路机械欧Ⅴ排放新法规EU2016/1628，规定了安装或计划安装在非道路移动机械上的发动机的排放限制和型式认可程序并引入了颗粒数量的限值来减少排放，扩展了前指令（97/68/EC 指令）的适用范围并设定了执行时间表，对世界各国非道路机械排放标准的制定有良好的借鉴意义［3］。全球统一的非道路移动机械排放法规是第11 号全球统一技术法规（Global Technical Regulation No.11），于2009年11 月12 日颁布。该法规没有制定统一的排放限值要求，也没有统一的实施日期，只规定了排气污染物的测量方法，该方法直接与欧美第Ⅳ阶段测量方法的要求相对应。

2.2 国内研究发展现状

我国对非道路移动机械用柴油机排放标准出台较晚，2007 年才颁布实施了GB 20891—2007《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅰ、Ⅱ阶段）》。2007 年10 月1 日实施第I阶段排放要求，2009 年10 月1 日实施第Ⅱ阶段排放要求。2014 年对GB 20891—2007 标准进行了修订，发布了GB 20891—2014 中国第Ⅲ和第Ⅳ阶段限值［4］。规章不健全、管理制度不规范、数据模糊难以统计是我国目前非道路移动机械污染防治的难点。针对现状，2018 年生态环境部正式发布的GB 36886—2018《非道路移动柴油机械排气烟度限值及测量方法》，标志着国家正式对非道路移动柴油机械排气进行控制和管理，此时我国对机动车污染防治的重视程度已上升到前所未有的高度。近年来，我国柴油车国Ⅳ标准实施不断推迟，因此也导致大量的国Ⅲ柴油车没有安装后处理装置，加剧了污染物排放的比例。在我国国Ⅳ和国Ⅴ重型柴油车中，虽然使用了选择性催化还原（SCR）后处理系统，但是也存在着人为屏蔽、系统失效等不足，因此仍有不少的车辆排放超标。为了管控柴油车的污染问题，2018年的《政府工作报告》中提出通过专项治理的方式解决柴油货车超标排放的问题［5］。2019 年国务院制定了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，其中强调需要对老旧柴油车进行深度的治理，如果其满足基本的条件，则需要安装污染控制装备，并与生态环境等部门相合作，实现数据共享，从而对颗粒物（PM）以及NOX的排放进行有效的控制［6］。

3 非道路移动机械柴油车后处理相关技术

3.1 SCR 系统

SCR 系统是一种机外净化系统，在催化剂的作用下利用还原剂选择性地将NOX还原为N2，通过这种方式可以去除NOX［7］。在该系统中，其可以选择不同的还原剂将氨进行有针对性的催化还原。目前，日本日产公司的研究成果是在SCR 系统前加柴油氧化型催化器（DOC）用来产生NO2，使其与NO 的量一样，这样在低温下与NH3反应的效率更高。该系统的反应如下：

3.2 废气再循环系统（EGR）

利用EGR 技术，可以将发动机排出的一些废气再次送回进气管，然后这部分废气会和新鲜的混合气再次进入气缸中［8］。由于废气中含有大量的CO2等多原子气体，使气缸中混合气的最高燃烧温度降低，从而减少了NOX的生成量，分担部分负荷同时可提高燃料消费率。大部分汽车都开始使用EGR 技术，不仅可以减少火焰燃烧的温度，同时还可以降低NO 高温滞留的时间。目前，有关领域研究的主要方向就是提高柴油机的EGR 率，如果其再循环量提高，但是将没有冷却的废气直接加入进气系统，会导致柴油机的空燃比降低，提高了微粒排放。所以，如何冷却EGR 系统是目前急需解决的问题。

3.3 控制CO 和HC 排放的DOC

DOC 即为通流式催化转化器，其使用的基础负载催化剂是陶瓷蜂窝。通常情况下，会选择使用钯或者铂作为活性组分。DOC 通过使用活性组分的催化氧化作用，能够消除HC，CO 等污染物，同时还可以去除一些可溶性的有机物。利用DOC 能够氧化尾气中的NO，从而得到NO2，并为之后的SCR 反应以及柴油颗粒过滤器技术（DPF）再生提供支持［9］。

3.4 PM 控制技术——DPF 技术

控制PM 最有效的技术就是采用DPF 装置，所有的大功率DPF 是当前降低柴油车PM 排放最为有效的技术。为了确保捕集效率以及背压之间的平衡，在设计DPF 载体时，需要重点考虑高孔隙率以及非对称结构。柴油机必须安装DPF 装置。DPF 只能把微粒从柴油机的排气中过滤出来，沉积在滤芯内，本身并不能清除微粒。微粒多了堵塞DPF，造成发动机的排气背压升高，所以DPF 要有清除微粒的过程，这种过程叫DPF 的再生［10］。目前DPF 发展的关键技术就是DPF 的再生技术。

3.5 排放控制技术在非道路柴油机械上的应用现状

我国柴油车污染控制标准是以欧洲标准作为参考而制定的。从2015 年开始，我国就正式实施柴油车国Ⅳ标准［4，6］，这也意味着柴油机必须要使用后处理系统，从而对排放的物质进行控制。但是，柴油机尾气中主要有PM 和NOX2 种特征污染物，二者之间的关系是此升彼降。所以，在对国Ⅳ柴油车排放控制时，主要有2 种技术路线，一种是DPF 路线，另一种是选择性催化还原技术（SCR）路线。在国际上，主要也是2 种技术路线，一种是优化燃烧＋SCR 路线，其是提高发动机机内燃烧的程度从而减少微粒的排放，然后使用SCR 可以降低排放的NOX量；二是EGR＋DPF 路线，首先使用EGR 技术，能够降低燃烧，从而减少发动机机内NOX，然后利用DPF 捕集颗粒物，从而达到同时降低NOX和PM 的效果。

4 国内后处理行业的调研及分析

4.1 行业主要企业发展概况

我国对机动车污染防治的重视拉动了机动车环保产业的发展，截止到2017 年，我国有130 多家企业从事和环保产业相关的业务［11］。其中，有超过10家的企业从事载体生产，有不低于8 家的企业从事催化剂涂层，有超过4 家的企业从事隔热衬垫。这

130 多家企业的地域分布如图1 所示。国内后处理行业中，有58%的企业其研发费用都超过了销售额的10%，这说明该行业十分关注产品开发以及升级，但仅有23%的企业掌握了主要自主技术，有77%的企业所使用的技术来源于国外。这主要是和油品质量、排放标准等因素有关系，所以，我国还需要进一步提高自主研发技术。

图1 全国机动车排放后处理产业规模分布

4.2 调研对象说明

本文旨在对非道路移动机械柴油车排气污染治理技术及对策进行探索，选择的国内主流后处理企业调研对象如下：

（1）佛吉亚（中国）排放控制技术有限公司，主营产品：排气歧管、催化转换器、排气消声器、柴油后处理系统集成。

（2）上海天纳克研发中心，主营产品：催化转化器、排气消声器、排气歧管、柴油机后处理系统集成。

（3）浙江邦得利汽车环保技术有限公司，主营产品：三元催化转化器、排气歧管等。

（4）安徽艾可蓝节能环保科技有限公司，主营产品：三元净化器（TWC）、氧化催化净化器（DOC）、选择性催化还原器（SCR）及尿素喷射控制系统（DCU）、主动再生式颗粒物捕集器系统（DPF）和颗粒物氧化器（POC）。

（5）艾蓝腾新材料科技（上海）有限公司，主营产品：柴油机颗粒捕集器系统。

（6）苏州莲池环保科技发展有限公司，主营产品：汽油车三元催化总成、尾气净化类催化剂、柴油车尾气净化设备、云诊修汽车诊断分析设备、云监察尾气执法设备（在研项目）及满足政府监管需求的各类大数据平台。

（7）优美科汽车催化剂（苏州）有限公司，主营产品：汽车尾气净化器的研发、设计、测试、制造及销售。

（8）上海萨可秀净化科技有限公司，主营产品：机动车以及非道路机械排气净化催化剂、催化转换器、其他工业废弃的催化净化装置等。

（9）南京辉虎环保设备有限公司，主营产品：非道路机械等尾气后处理设备的开发、设计及生产。

（10）无锡威孚力达催化净化器有限责任公司，主营产品：机动车、非道路机械的尾气处理及工业废气净化等后处理系统和催化剂的生产、销售、技术服务。

各厂家所采用的具体技术及其优缺点见表1。

表1 各厂家的技术对比

4.3 调研分析及结论

通过对以上10 家国内主流后处理企业进行的技术路线及对应优缺点调研可知，SCR 系统作为行之有效的一种排气后处理措施已得到广泛应用，但通过对比发现，各后处理企业主要通过2 种排放技术路线来实现排气污染治理的目的：一是SCR 路线。这一路线工作的基本原理是对柴油发动机缸内的燃烧过程进行优化处理，使空气污染排放物的浓度降低至达标，再利用车载后处理系统对发动机排出尾气中含量较高的NOX进行技术处理，以满足法规的相关要求。二是EGR＋DOC/DPF/POC（废气再循环＋柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗粒氧化催化器）技术路线。在这一路线中，EGR＋DPF 的应用最为广泛，简称为EGR 路线，相较于SCR 路线在价格上处于优势，但EGR 对油品质量要求较高，从长远来看经济性较差，同时由于DPF 再生能力比较弱，必须采用高温加催化剂才能满足要求，无形中增加了发动机的油耗。

5 非道路移动机械柴油车排气污染治理的建议

5.1 对策研究方面

（1）对污染源头进行严格的控制。对于各个地区而言，其需要监督检查新车的准入管理、生产环节以及销售环节，要全面监督柴油货车的注册、登记以及环保审核等，从而实现柴油车辆结构的升级。

（2）提高用车监管的力度。目前，国务院正在构建相应的数据库来管理全国机动车超标排放的信息，对超标排放机动车的相关企业进行追溯监督。

（3）加强油品质量管理。需要在全国范围内供应符合国Ⅵ标准的车用柴油，禁售不符合标准的柴油，尤其是对于重点区域，应提前实施国Ⅵ排放标准。

5.2 技术方面

（1）对用车排放检测与维修体系进行完善。全国机动车环保检验机构（I 站）将按照GB 3847—2018和GB 18285—2018 标准全面升级。2019 年11 月1日起，正式执行柴油车NOX检测和车载诊断系统（OBD）检查。对于OBD、污染物排放检测等不达标的车辆，车主需要到维修站（M 站）对车辆进行维修后再进行复检。

（2）以OBD 检查作为基础，构建排放监管体系。GB 3847—2018 和GB 18285—2018 规定新生产汽柴油车下线检验、注册登记检验和在用汽车检验等环节均要开展OBD 检查工作，并要求各个环节OBD检查等数据通过计算机系统实时自动检测、记录、传输、存储，并依法报送生态环境部门。

（3）提高新车排放控制技术和监管能力。目前，在山东、河北、天津、北京等地区已开展此项工作。