王新明等：油品質量如何影響空氣質量

　　2017年，包括京津冀在內的重點區域將開始實施第五階段的車用燃油標準和車用排放標準。同時，有媒體報道，被稱為“世界最嚴”的北京市第六階段機動車排放標準、油品標準相關草案也已基本制定完成。不少科學家認為，我國當前面臨的兩大空氣質量問題——PM2.5（灰霾）污染和臭氧（O3）污染，都與機動車尾氣排放密切相關，這也成為汽車限號等城市公共政策制定的依據。但公眾對此仍有質疑。那么，我們對此究竟有沒有定量的科學研究？中科院相關專家依托中科院B類先導專項“大氣灰霾追因與控制”，對這一問題進行了長期的量化研究。本期，我們邀請項目的主要完成人、中科院廣州地化所和中科院大連化物所的專家對研究成果作以簡單介紹。

　　A 車用油品質已成為我國機動車減排的瓶頸

　　機動車尾氣對PM2.5和臭氧污染“貢獻”大。機動車排氣管直接排放的污染物稱為一次污染物，主要有細顆粒、氮氧化物（NOx）和揮發性有機物（VOC）。這些一次排放污染物經過大氣化學反應生成的產物，被稱為二次污染物。其中NOx經過大氣轉化可生成PM2.5中的硝酸鹽，VOC經過大氣氧化可生成PM2.5中的二次有機氣溶膠（SOA）。在我國重點城市群，機動車尾氣對PM2.5的一次排放和二次生成總貢獻達到30%左右。機動車尾氣排放的NOx和VOC經光化學反應會形成以臭氧為特征污染物的“光化學煙霧”，這種污染因而常被稱為尾氣型污染。

　　我們的研究顯示，目前我國單輛車平均排放量高于歐美10年前水平。城區隧道車流量大，是一個機動車尾氣排放占絕對優勢的相對封閉環境，而國際上通常用隧道實驗反映機動車的真實排放水平。廣州市城區的珠江隧道，單側平均車流量每天達4萬輛以上，我們在此開展了測試。觀測到的PM2.5排放水平，與澳大利亞布里斯班2014年同期的隧道測試結果比較，是其2倍左右；即使和歐美10余年前在隧道的測定結果相比較，廣州市平均每公里每輛車PM2.5排放水平為其1.2～5倍。

　　我們研究認為，車用油品質已成為我國機動車減排的瓶頸。當然，改進發動機設計和尾氣凈化，是實現機動車尾氣減排的關鍵，但前提是要有品質與之相適應的車用油。如果油中的硫含量過高，會使尾氣凈化裝置中的催化劑中毒，嚴重影響凈化效果；汽油中如果烯烴含量過高，燃燒過程中易在發動機缸內和進氣系統中造成積碳，影響發動機性能和尾氣排放。所以，如果車用油品質不能與時俱進，先進的發動機技術和尾氣凈化裝置難以正常發揮其作用與優勢，機動車減排則無法從源頭得到根本性好轉。

　　B 我國油品質量現狀

　　◆我們在實驗室采用煙霧箱模擬的方式，對中國機動車尾氣排放進行了模擬，這種方式可直接觀測與模擬機動車尾氣排放和二次成粒的過程。結果發現，我國汽油車與柴油車尾氣有不同之處：我國汽油車排放尾氣二次成粒多，而柴油車直接排放的一次顆粒物多。我國汽油車二次有機氣溶膠（SOA）生成量是一次有機氣溶膠（POA）的46～259倍，而前期美國和瑞士煙霧箱模擬報道值僅為1～15倍。也就是說，我國汽油車尾氣的主要問題不是其直接排放的顆粒物太多，而是排放后二次生成的顆粒物太多。因此其污染物排放控制的核心問題是如何降低尾氣中生成SOA的氣態前體物。而我國柴油車一次排放顆粒物高，二次生成的SOA少。因此柴油車尾氣控制的關鍵問題是如何降低一次顆粒物排放。

　　◆實測油品品質參差不齊。本研究團隊于2013年在全國選取8個代表性城市（北京、上海、廣州、重慶、西安、武漢、長春、烏魯木齊）抽檢油樣180個，測定了汽油和柴油主要環保指標，并與22個美國加州油樣進行對比。結果發現，我國8個城市汽油的平均硫含量為61ppm，遠高于加州汽油的平均含硫量（12ppm）；我國柴油的平均含硫量為93ppm，約為加州（12ppm）的8倍。

　　因執行標準不同，城市間油品含硫量存在明顯差異。北京當時執行京V標準，油品含硫量最低，汽油和柴油的平均含硫量均低于10ppm，達到了國V標準，也低于美國加州標準限值；上海汽油和柴油的平均含硫量分別為16ppm和14ppm，達到了國IV標準；廣州汽油達到國IV標準，而柴油只有部分達到國IV標準。其他城市油品均未達到國IV標準。值得注意的是，在中石油和中石化的加油站所采集的油樣，其硫含量均符合其標示的標準；但部分民營加油站硫含量超標，如在長春小型民營加油站采集的汽油樣品，硫含量非常高，最高超過1500ppm，表明我國油品質量監控存在問題。烴類組成方面，汽油中烯烴含量普遍高于30%，最高可到50%以上。柴油中多環芳烴高達20%以上，達標率偏低。

　　我國當前油品標準與歐美的巨大差異，主要源于烴類組成（主要是烯烴、芳烴）和添加劑方面，而硫含量限值與國外標準并無差異，甚至更為嚴格。

　　我們以汽油為例。國IV標準中烯烴限值為28%，即使是國V標準，烯烴限值也僅降到24%，而國外最高上限為18%，美國加州這一限值更是低至4%。而我國汽油的芳烴標準限值為40%，美國加州只有22%。同時，我國汽油標準中允許使用含錳、鉛的添加劑，而在美國這些添加劑均被禁止。

　　高含量烯烴不僅易造成發動機結碳，影響性能，而且因烯烴的高反應活性，對PM2.5和O3生成起較大作用。我們在廣州抽取6個加油站和2個大型油庫進行采樣，測定了加油過程中揮發的油蒸汽的組成，發現其烯烴占比是加州10倍以上，臭氧生成潛勢約為美國10多年前報道值的2倍。

　　而我國柴油標準與歐美主要差別為多環芳烴限值——我國為11%，遠高于美國加州1.4%的限值。多環芳烴對一氧化碳、碳氫化合物和一次排放顆粒物的影響顯著，多環芳香烴含量越高，十六烷值越低，發動機的燃燒和排放性能越差，燃燒過程中易產生碳煙顆粒排放，同時易導致較高的一氧化碳和未燃碳氫化合物排放；此外，由于芳香烴含碳原子數多，氫原子數少，會使發動機燃燒溫度提高，在一定程度上導致氮氧化物（NOx）排放增加。

　　導致這種差異的本質原因是煉油工藝技術的不同。目前我國汽油池中催化裂化汽油比例高達73.5%，重整汽油、烷基化汽油和異構化汽油比例低。這造成我國汽油組成結構不合理：烯烴含量偏高，占汽油烴組成30%以上；而烷烴含量偏低，占汽油烴組成40%以下，比歐盟和美國的50%以上值低很多。同樣由于我國原油加工催化裂化裝置比例大，加氫精制裝置比例小，造成柴油中多環芳烴含量高，占11%以上，遠高于《世界燃油規范》中規定的2%的標準（第四階段）。此外，目前我國柴油以國III柴油為主，硫含量普遍高于100ppm。

　　C 提升油品質量的政策建議

　　首先，應重視油品升級的技術研發。對尾氣污染控制而言，發動機、油品和尾氣凈化多個環節相互影響和制約，而油品是其中的關鍵環節。根據我國汽柴油的特點，可以明確升級的目標以及技術需求，在當前油價低位徘徊的有利時機加快我國煉油廠升級改造，同時帶動產業鏈相關行業發展。

　　汽油油品升級的主要目標在于降低硫含量，并在不降低辛烷值的前提下提高異構烷烴含量，減少烯烴芳烴含量。重要技術需求包括：催化裂化原料預處理加氫、催化裂化汽油改質、清潔高辛烷值汽油組分生產技術等。

　　我國柴油油品升級的主要目標為：降低芳烴含量、降低硫含量。重要技術需求包括：加氫脫硫、加氫脫芳、加氫改質、清潔十六烷值柴油組分生產技術等。

　　我們建議加強關鍵技術的研發和攻關，這對于實現控制目標至關重要。以柴油為例，目前我國自主柴油超深度加氫脫硫技術薄弱，尚未得到規模化應用。與此同時，我國柴油發動機生產技術薄弱，尚無自主技術生產適用于國Ⅳ、國Ⅴ排放標準的高壓共軌柴油發動機。如果不能在這類關鍵技術上取得突破，達到第四、五階段機動車排放減排目標的難度很大。我國應在汽車尾氣排放控制上制定高遠目標，發揮體制優勢，組織全國相關力量攻克技術難關，力爭在較短時間內，使我國汽車尾氣排放達到先進國家水平。

　　其次，應加大對柴油車排放的研究和控制。我國一直把限制柴油車特定時段進入核心城區作為城區空氣污染防治的重要手段。值得注意的是，由于汽油車排放是“一次少、二次多”，柴油車“一次多、二次少”，柴油車如果能把一次顆粒物排放降到比較低的水平，又能克服汽油車二次生成多、排放VOC對臭氧貢獻大的缺點，從綜合控制PM2.5和O3來說，倒不失為一個“清潔”的選擇。國外特別是歐洲柴油車的比例比我國要高很多，但我國受柴油發動機技術水平等因素限制，同標準級柴油車排放對PM2.5的綜合貢獻達到歐洲6倍以上。雖然柴油機車的制造技術和柴油質量目前升級難度可能更大，但一旦獲得突破，在空氣質量改善方面意義重大。