油品质量如何影响空气质量

    2017年，包括京津冀在内的重点区域将开始实施第五阶段的车用燃油标准和车用排放标准。同时，有媒体报道，被称为“世界最严”的北京市第六阶段机动车排放标准、油品标准相关草案也已基本制定完成。不少科学家认为，我国当前面临的两大空气质量问题——PM2.5（灰霾）污染和臭氧（O3）污染，都与机动车尾气排放密切相关，这也成为汽车限号等城市公共政策制定的依据。但公众对此仍有质疑。那么，我们对此究竟有没有定量的科学研究？中科院相关专家依托中科院B类先导专项“大气灰霾追因与控制”，对这一问题进行了长期的量化研究。本期，我们邀请项目的主要完成人、中科院广州地化所和中科院大连化物所的专家对研究成果作以简单介绍。

    A 车用油品质已成为我国机动车减排的瓶颈

    机动车尾气对PM2.5和臭氧污染“贡献”大。机动车排气管直接排放的污染物称为一次污染物，主要有细颗粒、氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOC）。这些一次排放污染物经过大气化学反应生成的产物，被称为二次污染物。其中NOx经过大气转化可生成PM2.5中的硝酸盐，VOC经过大气氧化可生成PM2.5中的二次有机气溶胶（SOA）。在我国重点城市群，机动车尾气对PM2.5的一次排放和二次生成总贡献达到30%左右。机动车尾气排放的NOx和VOC经光化学反应会形成以臭氧为特征污染物的“光化学烟雾”，这种污染因而常被称为尾气型污染。

    我们的研究显示，目前我国单辆车平均排放量高于欧美10年前水平。城区隧道车流量大，是一个机动车尾气排放占绝对优势的相对封闭环境，而国际上通常用隧道实验反映机动车的真实排放水平。广州市城区的珠江隧道，单侧平均车流量每天达4万辆以上，我们在此开展了测试。观测到的PM2.5排放水平，与澳大利亚布里斯班2014年同期的隧道测试结果比较，是其2倍左右；即使和欧美10余年前在隧道的测定结果相比较，广州市平均每公里每辆车PM2.5排放水平为其1.2～5倍。

    我们研究认为，车用油品质已成为我国机动车减排的瓶颈。当然，改进发动机设计和尾气净化，是实现机动车尾气减排的关键，但前提是要有品质与之相适应的车用油。如果油中的硫含量过高，会使尾气净化装置中的催化剂中毒，严重影响净化效果；汽油中如果烯烃含量过高，燃烧过程中易在发动机缸内和进气系统中造成积碳，影响发动机性能和尾气排放。所以，如果车用油品质不能与时俱进，先进的发动机技术和尾气净化装置难以正常发挥其作用与优势，机动车减排则无法从源头得到根本性好转。

    B 我国油品质量现状

    ◆我们在实验室采用烟雾箱模拟的方式，对中国机动车尾气排放进行了模拟，这种方式可直接观测与模拟机动车尾气排放和二次成粒的过程。结果发现，我国汽油车与柴油车尾气有不同之处：我国汽油车排放尾气二次成粒多，而柴油车直接排放的一次颗粒物多。我国汽油车二次有机气溶胶（SOA）生成量是一次有机气溶胶（POA）的46～259倍，而前期美国和瑞士烟雾箱模拟报道值仅为1～15倍。也就是说，我国汽油车尾气的主要问题不是其直接排放的颗粒物太多，而是排放后二次生成的颗粒物太多。因此其污染物排放控制的核心问题是如何降低尾气中生成SOA的气态前体物。而我国柴油车一次排放颗粒物高，二次生成的SOA少。因此柴油车尾气控制的关键问题是如何降低一次颗粒物排放。

    ◆实测油品品质参差不齐。本研究团队于2013年在全国选取8个代表性城市（北京、上海、广州、重庆、西安、武汉、长春、乌鲁木齐）抽检油样180个，测定了汽油和柴油主要环保指标，并与22个美国加州油样进行对比。结果发现，我国8个城市汽油的平均硫含量为61ppm，远高于加州汽油的平均含硫量（12ppm）；我国柴油的平均含硫量为93ppm，约为加州（12ppm）的8倍。

    因执行标准不同，城市间油品含硫量存在明显差异。北京当时执行京V标准，油品含硫量最低，汽油和柴油的平均含硫量均低于10ppm，达到了国V标准，也低于美国加州标准限值；上海汽油和柴油的平均含硫量分别为16ppm和14ppm，达到了国IV标准；广州汽油达到国IV标准，而柴油只有部分达到国IV标准。其他城市油品均未达到国IV标准。值得注意的是，在中石油和中石化的加油站所采集的油样，其硫含量均符合其标示的标准；但部分民营加油站硫含量超标，如在长春小型民营加油站采集的汽油样品，硫含量非常高，最高超过1500ppm，表明我国油品质量监控存在问题。烃类组成方面，汽油中烯烃含量普遍高于30%，最高可到50%以上。柴油中多环芳烃高达20%以上，达标率偏低。

    我国当前油品标准与欧美的巨大差异，主要源于烃类组成（主要是烯烃、芳烃）和添加剂方面，而硫含量限值与国外标准并无差异，甚至更为严格。

    我们以汽油为例。国IV标准中烯烃限值为28%，即使是国V标准，烯烃限值也仅降到24%，而国外最高上限为18%，美国加州这一限值更是低至4%。而我国汽油的芳烃标准限值为40%，美国加州只有22%。同时，我国汽油标准中允许使用含锰、铅的添加剂，而在美国这些添加剂均被禁止。

    高含量烯烃不仅易造成发动机结碳，影响性能，而且因烯烃的高反应活性，对PM2.5和O3生成起较大作用。我们在广州抽取6个加油站和2个大型油库进行采样，测定了加油过程中挥发的油蒸汽的组成，发现其烯烃占比是加州10倍以上，臭氧生成潜势约为美国10多年前报道值的2倍。

    而我国柴油标准与欧美主要差别为多环芳烃限值——我国为11%，远高于美国加州1.4%的限值。多环芳烃对一氧化碳、碳氢化合物和一次排放颗粒物的影响显著，多环芳香烃含量越高，十六烷值越低，发动机的燃烧和排放性能越差，燃烧过程中易产生碳烟颗粒排放，同时易导致较高的一氧化碳和未燃碳氢化合物排放；此外，由于芳香烃含碳原子数多，氢原子数少，会使发动机燃烧温度提高，在一定程度上导致氮氧化物（NOx）排放增加。

    导致这种差异的本质原因是炼油工艺技术的不同。目前我国汽油池中催化裂化汽油比例高达73.5%，重整汽油、烷基化汽油和异构化汽油比例低。这造成我国汽油组成结构不合理：烯烃含量偏高，占汽油烃组成30%以上；而烷烃含量偏低，占汽油烃组成40%以下，比欧盟和美国的50%以上值低很多。同样由于我国原油加工催化裂化装置比例大，加氢精制装置比例小，造成柴油中多环芳烃含量高，占11%以上，远高于《世界燃油规范》中规定的2%的标准（第四阶段）。此外，目前我国柴油以国III柴油为主，硫含量普遍高于100ppm。

    C 提升油品质量的政策建议

    首先，应重视油品升级的技术研发。对尾气污染控制而言，发动机、油品和尾气净化多个环节相互影响和制约，而油品是其中的关键环节。根据我国汽柴油的特点，可以明确升级的目标以及技术需求，在当前油价低位徘徊的有利时机加快我国炼油厂升级改造，同时带动产业链相关行业发展。

    汽油油品升级的主要目标在于降低硫含量，并在不降低辛烷值的前提下提高异构烷烃含量，减少烯烃芳烃含量。重要技术需求包括：催化裂化原料预处理加氢、催化裂化汽油改质、清洁高辛烷值汽油组分生产技术等。

    我国柴油油品升级的主要目标为：降低芳烃含量、降低硫含量。重要技术需求包括：加氢脱硫、加氢脱芳、加氢改质、清洁十六烷值柴油组分生产技术等。

    我们建议加强关键技术的研发和攻关，这对于实现控制目标至关重要。以柴油为例，目前我国自主柴油超深度加氢脱硫技术薄弱，尚未得到规模化应用。与此同时，我国柴油发动机生产技术薄弱，尚无自主技术生产适用于国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的高压共轨柴油发动机。如果不能在这类关键技术上取得突破，达到第四、五阶段机动车排放减排目标的难度很大。我国应在汽车尾气排放控制上制定高远目标，发挥体制优势，组织全国相关力量攻克技术难关，力争在较短时间内，使我国汽车尾气排放达到先进国家水平。

    其次，应加大对柴油车排放的研究和控制。我国一直把限制柴油车特定时段进入核心城区作为城区空气污染防治的重要手段。值得注意的是，由于汽油车排放是“一次少、二次多”，柴油车“一次多、二次少”，柴油车如果能把一次颗粒物排放降到比较低的水平，又能克服汽油车二次生成多、排放VOC对臭氧贡献大的缺点，从综合控制PM2.5和O3来说，倒不失为一个“清洁”的选择。国外特别是欧洲柴油车的比例比我国要高很多，但我国受柴油发动机技术水平等因素限制，同标准级柴油车排放对PM2.5的综合贡献达到欧洲6倍以上。虽然柴油机车的制造技术和柴油质量目前升级难度可能更大，但一旦获得突破，在空气质量改善方面意义重大。