柴油车尾气排放污染现状和控制技术

贺泓1翁端2资新运31中国科学院生态环境研究中心2清华大学3解放军军事交通学院柴油车尾气排放污染现状和控制技术报告内容报告内容引言——柴油车产业发展的必要性柴油车尾气排放污染现状柴油车尾气排放污染控制技术¾¾柴油机机内净化柴油机机内净化¾¾柴油车尾气后处理技术柴油车尾气后处理技术展望上世纪70年代，欧洲和日本基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化；目前，欧洲轿车年产量中40%已采用柴油发动机，在法国、西班牙等国家高达50%以上；据预测，2001－2014年，全球汽车销量将增长39％，其中汽油车增长23％，柴油车增长97％。国外：存在车用动力柴油机化的态势柴油车产业发展的必要性(1)柴油机是环境友好的发动机减少对石油进口的依赖，减少CO2排放，建立能源节约型社会；现状：2004年国内共销售柴油轿车12654辆，仅占所有轿车销量225万辆的约0.6%；《中国柴油技术和柴油车发展政策研究执行报告》建议，柴油轿车的比例上升至2020年的30%。国内：呼吁环境友好的柴油机技术柴油车产业发展的必要性(2)auto.tom.com/1440/1441/2006523-94279.html.报告内容报告内容引言——柴油车产业发展的必要性柴油车尾气排放污染现状柴油车尾气排放污染控制技术¾¾柴油机机内净化柴油机机内净化¾¾柴油车尾气后处理技术柴油车尾气后处理技术展望我国机动车污染的三大特征污染物排放量大2004年，全国机动车HC排放836.1万吨，CO：3639.8万吨，NOx：549.2万吨；污染物排放分担率高2004年，北京CO总量的92％，HC的51％，NOx的64％，可吸入颗粒物的23.3％源于机动车；单车排放量高为美国同类型在用车排放因子的8-10倍。按目前排放水平测算，至2010年，；城市机动车污染综合分担率将上升到79%。数据来源：国家环保总局污染控制司城市大气污染发生演变从以SO2为特征的煤烟型污染转向以NOx为特征的光化学烟雾型（机动车尾气型）。广州二沙岛，2004.12.8北京，2004.11上海，2004.11柴油车尾气NOx浓度与汽油车相当，颗粒物是汽油车的几十倍；汽油车：三效催化剂的广泛使用，大幅度地削减了其主要污染物HC、CO、NOx；柴油车：至今还没有成熟的后处理技术广泛应用；柴油车排放已成为城市大气中NOx和PM排放的主要源头之一。柴油车尾气污染控制现状我国第Ⅲ、Ⅳ阶段轻型汽车排放限值限值项目CO(g/km)HC(g/km)NOX（g/km）HC+NOx(g/km)PM(g/km)阶段类别基准质量级别汽油柴油汽油汽油柴油柴油柴油第一类车--2.30.640.20.150.50.560.05Ⅰ2.30.640.20.150.50.560.05Ⅱ4.170.80.250.180.650.720.07Ⅲ5.220.950.290.210.780.860.10第一类车--10.50.10.080.250.30.025Ⅰ10.50.10.080.250.30.025Ⅱ1.810.630.130.10.330.390.04Ⅲ2.270.740.160.110.390.460.06第二类车Ⅳ第二类车Ⅲ柴油车NOx/HC+NOx排放国III、国IV限值大大高于同类汽油车柴油机尾气污染物排放特性和欧洲排放标准报告内容报告内容引言——柴油车产业发展的必要性柴油车尾气排放污染现状柴油车尾气排放污染控制技术¾¾柴油机机内净化柴油机机内净化¾¾柴油车尾气后处理技术柴油车尾气后处理技术展望柴油机尾气排放污染控制技术废气再循环高压燃油喷射技术技术进气涡轮增压技术进气中冷推迟喷油提前角内燃机技术低硫或无硫柴油燃油品质机外排放控制技术氧化型催化剂颗粒物过滤器及再生技术氨选择性催化还原NOxNOx储存－催化还原NOx与PM同时去除四效催化剂HC选择性催化还原NOx控制柴油的十六烷值均质混合压燃技术燃油高压喷射技术燃油喷射系统是柴油机的心脏，也是发展最快的系统降低颗粒物（PM）排放燃油高压喷射共轨系统(轻型车)、单体泵和泵喷嘴(重型车)地位目的核心实现方式组合技术电控高压直喷技术;采用多次喷射技术的共轨喷射系统燃油高压喷射系统进气涡轮增压技术现代柴油机的代表性技术发动机轻量化、提高输出功率降低PM排放；但高温富氧导致NOx排放增加进气增压，进一步提高空燃比可变截面涡轮增压地位目的核心实现方式组合技术组合以增压中冷技术，可以同时降低NOx废气再循环（EGR）提高废气再循环率对减少氮氧化物（NOx）的排放有积极的影响。原理：将部分发动机废气再次送回燃烧室进行二次燃烧，以达到减少氮氧化物排放的技术。匀质混合压缩点火式燃烧技术（HCCI）最显著特点是可同时降低柴油机的颗粒物和NOx排放，可使柴油机在仅使用氧化型催化剂的情况下满足非常严格的排放限值。柴油机机内净化效果和欧洲排放标准报告内容报告内容引言——柴油车产业发展的必要性柴油车尾气排放污染现状柴油车尾气排放污染控制技术¾¾柴油机机内净化柴油机机内净化¾¾柴油车尾气后处理技术柴油车尾气后处理技术展望柴油机尾气排放污染控制技术废气再循环高压燃油喷射技术技术进气涡轮增压技术进气中冷推迟喷油提前角内燃机技术低硫或无硫柴油燃油品质机外排放控制技术氧化型催化剂颗粒物过滤器及再生技术氨选择性催化还原NOxNOx储存－催化还原NOx与PM同时去除四效催化剂HC选择性催化还原NOx控制柴油的十六烷值均质混合压燃技术氧化催化剂（DOC）最早得到应用的柴油机排气后处理技术；处理排气中的HC、CO和颗粒物中的可溶有机物（SOF）。一般由Pt、Pd等贵重金属组成，并浸于表面载体。催化剂种类、载体、发动机工况、燃油的含硫量、排气温度与流速。地位作用组成性能影响应用前景柴油车欧IV达标必选；广泛用于DPF的再生、De-NOx防还原剂泄漏。颗粒物捕集器（DPF）过滤材料¾金属过滤体¾堇青石过滤体¾碳化硅过滤体¾钛酸铝过滤体过滤方式壁流式DPF再生技术DPF再生技术主动再生被动再生利用外部热源再生利用发动机热源再生非加热机械式再生降低微粒活化能再生电加热再生喷油助燃再生微波加热再生进气节流再生排气节流再生后燃再生逆向喷气再生机械振动再生催化燃烧再生连续再生添加剂再生NOxNOx和和PMPM组合净化技术与四效催化剂组合净化技术与四效催化剂DPNR(DPF+NSR)催化剂结构图示丰田公司柴油机尾气排放污染控制技术废气再循环高压燃油喷射技术技术进气涡轮增压技术进气中冷推迟喷油提前角内燃机技术低硫或无硫柴油燃油品质机外排放控制技术氧化型催化剂颗粒物过滤器及再生技术氨选择性催化还原NOxNOx储存－催化还原NOx与PM同时去除四效催化剂HC选择性催化还原NOx控制柴油的十六烷值均质混合压燃技术NOx贮存－还原（NSR）技术NOx贮存－还原（NSR）技术柴油机尾气排放污染控制技术废气再循环高压燃油喷射技术技术进气涡轮增压技术进气中冷推迟喷油提前角内燃机技术低硫或无硫柴油燃油品质机外排放控制技术氧化型催化剂颗粒物过滤器及再生技术氨选择性催化还原NOxNOx储存－催化还原NOx与PM同时去除四效催化剂HC选择性催化还原NOx控制柴油的十六烷值均质混合压燃技术热点、世界性难题:柴油机排气NOx消除稀燃区三效催化剂作用窗口NOx氨选择性催化还原(NH3–SCR)NOxB.Speronello,J.Chen,R.Heck,85thAnnualAWMAMeeting,KansasCity,Mo,21–26JuneV2O5-WO3/TiO2,V2O5-MoO3/TiO2催化剂选择Urea－SCR还原NOx体系获得最高的NOx去除率和最小的NH3泄露率ControlofNH3injectionatDeNOxplantNH3的喷射添加:低于化学计量NOxconversionNOxconversionNH3:NOx=1:1NH3/NOxNH3slip-0.2-0-0.4NH3slip/InletNOxUrea－SCR集成及匹配控制系统欧洲“AdBlue”计划Dieselfuelnews,July7,2003能源公司汽车与发动机生产商催化剂公司尿素生产商在欧洲推广Urea－SCR尿素添加设施建设Urea－SCR气候适应性研究车辆示范性应用AdBule计划:32.5％尿素水溶液为还原剂报告内容报告内容引言——柴油车产业发展的必要性柴油车尾气排放污染现状柴油车尾气排放污染控制技术¾¾柴油机机内净化柴油机机内净化¾¾柴油车尾气后处理技术柴油车尾气后处理技术展望HCHC--SCRSCR技术技术银银//氧化铝催化剂氧化铝催化剂--乙醇组合乙醇组合Ag/Al2O3-乙醇组合体系具有应用的潜力Ag/Al2O3-乙醇组合选择性催化还原（SCR）NOx有高活性和高选择性¾Ag/Al2O3-乙醇组合对SO2有很强的抵抗力。¾Ag/Al2O3-乙醇组合有利于富含水蒸气的气氛¾Ag/Al2O3-乙醇组合体系高效特性的微观机制中国科学院生态环境研究中心（十五863）Ag/Al2O3催化乙醇选择性还原NOx反应机理EtOH+NO+O2RCH=CH-O-NO2,NO3-NO2,NO3-CH3COO-RNO2RONONCOH2ONO+O2N2+CO2CO2+H2OH2O中国科学院生态环境研究中心（杰出青年科学基金，百人计划）020406080100150250350450550650Temperature(℃)NOxconversion(%)丙烯乙醇Ag/Al2O3-乙醇组合体系有利于富含水蒸气的气氛加水加水0246810020406080100乙醇乙醛异丙醇丙酮丙烯NOConversion(%)Timeonstream/h+SO2673KAg/Al2O3-乙醇组合体系对SO2有很强的抵抗力400ºcNOx催化净化技术优劣对比Urea－SCRHC-SCRNSRNOx净化效率85-95％85％80-95％燃油经济性损失3%1.5-1.8％5-7％优势活性好、耐硫性高活性好、耐硫性高活性高；低温存贮NOx缺点成本高；基础设施投资大；氨的腐蚀与泄漏；暂时失活低温活性有待提高；耐久性有待考证燃油经济性损失大，耐硫性差适用范围重型柴油车重型柴油车轻型柴油车首选，重型车技术成熟度示范应用（奔驰公司）台架试验示范应用（丰田公司）中国科学院生态环境研究中心，清华大学汽车系CatalyticconverterEthanolDieselengine应用应用银银//氧化铝催化剂氧化铝催化剂--乙醇组合乙醇组合欧欧22标准的柴油发动机达到欧标准的柴油发动机达到欧33标准（十五标准（十五863863））技术储备：技术储备：柴油机柴油机NOxNOx催化转化器催化转化器再现了实验室的研究结果再现了实验室的研究结果（十五（十五863863））020406080100250300350400450500柴油机排气温度(℃)NOCconversion(%)30，00050，00080，000020406080100250300350400450500柴油机排气温度(℃)NOCconversion(%)30，00050，00080，000柴油机柴油机NOxNOx催化转化器排放达到欧催化转化器排放达到欧33标准标准柴油机原机柴油机原机催化器出口催化器出口欧3限值欧4限值NONOXX加权排放量加权排放量g/kW.hg/kW.h（（稳态）稳态）5.825.821.741.745.03.5NONOXX加权排放量加权排放量g/kW.hg/kW.h（（瞬态）瞬态）6.026.022.672.675.03.500.20.40.60.8112345678910111213OperatiingconditionsnunmberNOxemissionsg/kWhoutletinletSCR及匹配的氧化催化剂可使NOx、THC、CO同时达到欧3排放标准02004006008001000120014001600180005001000150020002500NOx/ppmTime/S原机催化剂后处理NOxTHCCO2.10.410.34欧Ⅲ排放标