专家观点|葛蕴珊、王欣：机动车氨排放及其控制研究
- 2022/12/7 7:30:00
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- 来源：清洁空气政策伙伴关系 葛蕴珊、王欣
- 关键词:氨减排尾气治理
氨(NH3)是二次无机气溶胶的重要前体物，对PM2.5污染、氮沉降和酸雨产生有着重要影响。
以往研究主要集中于农业源氨排放，而忽视了交通源的氨排放。研究指出，除重型车选择性催化还原(SCR)系统的氨逃逸外，机动车尾气也会排放氨，贡献了约10%的城市大气氨，其产生与三效催化剂(TWC)*有关。然而，目前针对机动车氨排放的研究尚少。因此，全面开展关于机动车氨排放的研究工作，加强尾气监测，提高测量准确性，加快控制技术的研发与应用，并制定相关排放标准，对解决移动源污染问题、改善城市空气质量具有积极意义。
*三效催化剂(TWC)指能同时净化汽车尾气中的碳氢化合物、一氧化碳及氮氧化合物三种污染物的催化剂。
一、汽油车氨排放产生机理和影响因素
研究团队证实了机动车尾气中含有氨，国六试验车的氨排放量在0.65-8.01mg/km之间，国五前在用车实际道路排放可达80mg/km以上，模拟计算结果显示氨的存在导致PM2.5浓度升高3-4倍。
采用囯内试验工况和试验车辆，研究团队针对轻型汽油车氨排放开展系统性研究，以揭示汽油车氨排放的生成机理。为保证测试结果的准确性，实验中需防止凝结水的存在。通过全球统一轻型车辆测试循环测试(WLTC)和新欧洲驾驶循环测试(NEDC)发现不同工况下，使用TWC后氨排放浓度均明显增加。氨是TWC还原NOx时的副产物，这与国际上的结论一致。氨的生成高度依赖H2的可用性(反应方程式a-b)。H2作为重要的反应物，主要由水煤气反应和重整反应生成(反应方程式c-d)。
催化剂起燃、浓混合气状态是生成氨的重要条件。发动机暖机过程形成“热催化器、浓混合气”的有利环境，是汽油车氨排放的主要来源，超过95%的氨排放出现在冷起动后的前400s。汽油车的氨排放量受到多种因素的影响。如较长的反应时间、过高(40℃)和过低(-7℃)的环境温度和催化剂超温保护措施(COP)等均会导致氨生成量增加。此外，驾驶行为也会对氨排放产生影响，持续剧烈加速更有利于氨的产生。实际驾驶氨排放测试得到了相同的结果(激烈驾驶和空调使用对氨排放的影响)。混合动力车(尤其是高里程在用车)在非空调开启工况下可能增加氨排放。燃料的选择也是一个重要因素，使用E10乙醇汽油将有利于控制氨的排放。
二、催化剂对氨排放的影响和控制措施
基于上述研究，研究团队以催化剂作为研究对象，采取小样实验模拟氨的生成。氨的生成量主要与以下四个因素有关：
(1)反应温度。在350-550℃范围内，氨的排放量更高。
(2)催化剂成分。相比于单钯和钯/铑催化剂，新鲜单铑催化剂在绝大多数温度区间，有利于汽油车氨排放的控制。当氮氧化物转化率达50%以上时，单铑催化剂的氨产生量最大为2%。对于混合氧化物催化剂，金属比例是重要的影响因素。较小的Pd/Rh比例，更有利于减少氨的生成。
(3)催化剂老化程度。氨的生成量与催化剂老化程度成正比。经高温(800℃/1000℃)处理以人工模拟催化剂老化状态，在300℃以上各催化剂的氨生成量遵循以下顺序：老化催化剂(1000℃)>老化催化剂(800℃)>新鲜催化剂；且氨生成量随循环使用次数的增加而升高。
(4)混合气浓度。较浓的混合气浓度下(λ=0.98)，氨的生成趋势较强。
总之，研发新型的汽油车催化剂，设计新的反应路径，开展实际道路测试，是控制氨排放的有效途径。
三、重型车的氨排放特点
除轻型车外，重型车(LNG车与柴油车)的氨排放情况也不容忽视。研究团队通过台架测试和实际道路测试均发现LNG车的氨排放量明显高于柴油车：
(1)台架测试：在实验室发动机台架上进行全球统一瞬态循环(WHTC)测试，天然气发动机和柴油发动机分别采用三效催化剂和尿素。结果显示，天然气发动机的氨排放峰值约为柴油发动机的两倍；氨排放量随柴油机后处理器的老化显著增加，与柴油机冷态/热态WHTC无明显关系。
(2)实际道路测试：研究团队对比了不同速度、加速度、排气温度、转速下，国六重型车在实际道路上的氨排放量。结果显示，国六LNG车的氨排放量远大于国六柴油车的氨排放量；在市区、市郊、高速不同工况下，氨排放量呈现相同规律。
研究证明，在三效催化剂作用下，汽油车/天然气汽车的尾气中均会排放氨，汽油车/天然气汽车排放的氨主要产生于混合气加浓过程。因此,优化三效催化剂配方或使用氨逃逸催化剂(ASC)是削减氨排放的有效策略。在实际道路上，国六LNG重型车的氨排放远高于柴油车，值得高度重视。建议应加强相关研究及技术开发，并在下阶段排放标准(国七)中应考虑汽油车/天然气汽车的氨排放控制有关内容。
葛蕴珊 北京理工大学 机械与车辆学院教授
王欣 北京理工大学 机械与车辆学院副教授
原标题：专家观点 | 葛蕴珊、王欣：机动车氨排放及其控制研究
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