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国家能源安全与汽车清洁代用燃料技术
作者/来源:黄震教授   日期: 2009-03-17   点击率:2582
      随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长,正面临汽车能源需求与环境保护的双重巨大压力。汽车行驶的主要燃料是从石油中提炼出来的柴油和汽油,据世界能源大会数据表明,我国的能源资源,煤的保有储量约占世界的30%,可采年数达数百年,石油的保有储量仅占世界的2.4%。1993年起我国已成为石油纯进口国,2000年我国石油总需求的33%已从国外进口,预测2010年我国石油总需求的47%需进口,我国石油的供应将严重不足。
  在另一方面,我国的汽车排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。据统计,近年来上海城区内机动车排放的CO、HC和NOx已分别占总排污负荷的86%、90%和56%,北京在非采暖期,城区内机动车排放的CO、HC和NOx已分别占总排污负荷的60%、86.8%和54.7%。城市机动车排放污染日趋严重。
  因此如何在后石油时代,针对我国自然条件和能源资源特色,逐步改变汽车能源结构,发展汽车清洁代用燃料,在发动机上实现高效、低污染的燃烧,控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响,已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题。本文介绍了国内外各种汽车清洁代用燃料及其技术发展趋势。

  1.液化石油气和天然气
  天然气(NG)和液化石油气(LPG)由于具有低的污染物排放被认为是内燃机的较理想代用燃料,已经被成功地应用于汽油机。
  作为车用燃料LPG的主要成份是丙烷、丁烷和少量烯烃和戊烷。LPG辛烷值较高,燃料费比酒精、汽油、柴油等便宜,CO、NOx等有害排放量低于汽油机排放,基本上消除黑烟和颗粒物(PM),发动机工作噪音低。
  天然气的主要成份是甲烷(一般为83%~99%)及少量其他烃类和CO2等。天然气具有较高的辛烷值,抗爆性能好,与汽油相比,燃烧更完全。据美国EPA报告,天然气汽车可以降低40%的HC排放,50%的CO排放,无碳烟排放,其中HC排放的90%为甲烷类物质,光化学反应低,采用缸内直喷和稀薄燃烧技术可进一步提高发动机效率,降低污染物排放,符合各国有关的环境排放标准。天然气汽车因为其良好的排放特性及丰富的储量而成为各种代用燃料汽车的首选。
  天然气的储存方式主要有压缩天然气(CNG,15MPa~20MPa)、液化天然气(LNG,沸点-162℃)和吸附天然气(ANG);CNG是目前车用天然气燃料的主要储存方式,CNG在汽车上使用的主要缺点是储气瓶重量重、占用体积大,与液体燃料相比,天然气体积能量密度低,20Mpa压力下的CNG燃料仅相当于汽油能量密度的30%。为克服CNG技术的上述缺陷,国际上天然气另一储存方式是液化天然气,LNG是对地质开采的天然气气体通过“三脱”净化处理,实施低温液化处理而成,液化后的体积仅是原气态体积的1/625,LNG的能量密度是CNG的三倍多、能量密度大大提高,但LNG的生产成本相对较高,储存容器的绝热性要求高,这些是制约其发展的因素。 吸附式储存天然气(ANG)技术是目前尚处研究阶段的一种天然气储存方式,它用多孔吸附剂填充在储存容器中,在中高压(3.5Mpa左右)条件下,利用吸附剂对天然气高的吸附容量来增加天然气的储存密度。ANG作为未来替代CNG的一项新技术将有广阔的发展前景,但由于技术上的不少难点还有待解决,故在目前还尚难进入实用化阶段。

  2.氢气
  氢气(H2)长期来主要用作宇宙飞行器发射和推进的燃料。作为汽车燃料,氢气辛烷值高,发动机热效率高,发动机可在空气过量系数(λ)较大的范围内稳定燃烧,点火能量低,不到汽油最低点火能量的1/10,且氢燃料的火焰传播速度快,低温下易起动,其燃烧生成物主要是水和NOx,不产生HC、CO和碳烟排放。 但在发动机上使用还有回火、早燃、燃烧控制等问题尚待解决。氢的主要缺点是储运性能很差,氢的沸点为-253℃,以液态方式储存时成本高,不适宜长期储存。氢的制取原料有天然气、煤、水。从水制取氢有电解法、热化学法、光解法及微生物法。至今这些制氢方法的成本及能耗都较高、难以进行大规模制氢用于车用燃料,因此氢气必须在解决降低生产成本、储存运输等难题后,才能走向实用。

  3.醇类燃料
  醇类燃料甲醇和乙醇,具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点。作为汽车燃料,醇类燃料自身含氧,在发动机燃烧中可提高氧燃比,CO和HC的排放较汽油和柴油的低,几乎无碳烟排放;另外,由于汽化潜热高,可降低进气温度,提高充气效率,使最高燃烧温度低,发动机的NOx排放较低。
发动机使用甲醇燃料,会产生有毒的醛类排放。此外甲醇对人体毒性较大,它对金属有腐蚀作用,对橡胶皮革有溶涨作用,会使塑料提早老化,这些缺点使甲醇在实际应用中受到了较大限制。
  乙醇燃料以掺烧或纯烧方式已成功地用于汽油机上,汽油醇(gasohol)混合燃料在巴西、美国已应用许多年,技术上已十分成熟。乙醇在柴油机上应用要远逊于在汽油机上的应用,其主要原因是柴油与乙醇不能互溶,掺烧困难,此外乙醇燃料十六烷值低,在柴油机上需用柴油引燃或点火塞点燃,要对燃烧系统做较大改动。目前国内外有关机构正在研制帮助乙醇与柴油互溶的助溶剂,生成柴油醇(diesohol),这样可以在发动机不作改动或是很少改动的情况下使用柴油醇燃料,满足发动机经济性,动力性和环保的要求。研究表明加入1%的助溶剂和10%-15%乙醇的柴油醇燃料,发动机微粒与一氧化碳排放显著降低,发动机500小时耐久性试验后,发动机的燃油系统、机械磨损都正常,主要配合间隙没有超差,柴油醇在发动机上的应用将具有很大潜力。
  醇类燃料甲醇可由一氧化碳和氢气合成制得,因此它可从煤、天然气和油页岩制取。乙醇可利用发酵的方法,从甘蔗、玉米、薯类等农作物及木质纤维素中提取,这些原料不仅储量大,而且大都可再生,是一种可再生能源。存在的问题是乙醇制取能耗较大、成本较高,约为汽油的两倍,需在生产技术上寻求突破,降低能耗和成本,则乙醇燃料会有非常广泛的应用前景。

  4.二甲醚
  二甲醚(Dimethyl ether),简称DME,是一种含氧燃料,它无毒性,常温常压下为气态,常温时可在五个大气压下液化,具有与液化石油气相似的物性。二甲醚无C-C链,其十六烷值大于55,具有优良的压燃性,非常适合于压燃式发动机,用作为柴油机的代用燃料。
  国内外相关研究表明燃用二甲醚燃料的发动机,在对原柴油机的燃油系统进行必要改造后,在保持原柴油机高热效率前提下,可使氮氧化物有大幅度降低,碳烟排放为零,没有任何加速烟度,发动机燃烧噪声可降低10dB(A)左右。使发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放具有达到世界上最严格的美国加州超低排放车(ULEV)标准的潜力。显示了二甲醚燃料可十分理想地作为洁净代用燃料,实现柴油机汽车高效率、低噪声、超低排放的前景。由于DME燃料的超低排放特性,二甲醚燃料汽车技术已引起到国内外专家高度重视,各国纷纷开始研制开发燃用二甲醚燃料的车用柴油机和汽车。同时从二甲醚燃料衍生或有关的具有较高沸点的含氧燃料,如 Dimethoxy methane (DMM),Diethylene glycol dimethyl ether (DGM), Diemethyl carbonate (DMC),Diethyl succinate (DES)等,近几年也受到发动机研究者的高度兴趣和重视,利用上述含氧燃料与柴油制成混合燃料可显著改善柴油机碳烟排放。为今后汽车燃料的设计与多样性,进而实现对燃料雾化、着火、燃烧和有害排放的控制提供了新途径。
  二甲醚燃料的制取可以煤、天然气、生物有机物等为原料产生合成气一氧化碳、二氧化碳和氢气,然后常规通过二步法先制得甲醇,进一步脱水制成二甲醚。近年来丹麦Topsoe公司等成功地开发出了以天然气为原料产生合成气,由合成气一步法高效制备二甲醚的工艺,大大降低了二甲醚的生产成本。

  5.生物燃料
  全球变暖是不争的事实,人们正在开发来源广泛的生物能源。生物燃料是指从农作物或动物的脂肪中提取的可再生燃料。目前,已研制成功并投入使用的植物油型燃料有菜籽油、棉籽油、棕榈油、豆油、甲醇酯混合油等。将植物油和动物脂肪与酒精反应,脱去甘油三酸脂转变成甲酯或乙基酯之后就可以在柴油机上使用,这些酯类物被称为“生物柴油”。生物柴油中的富氧可以加快燃烧速度,减少CO、HC和微粒排放。一般的酯化燃料十六烷值较高,燃料的性质与轻柴油接近,但发动机喷油系统金属会受到甲酯的腐蚀。生物燃料是一种可再生能源,特别在环境效益上,生物质生产过程中会吸收大气中的CO2,有助于减轻地球室温效应。

  6.发展前景
  为了确保国家能源安全,减轻对石油需求的压力,我国加快了天然气的开发利用,国家已开始大规模天然气管网的建设,北方的陕京天然气管线;中部的“西气东输”工程, 长4200公里的管道从新疆塔里木盆地的出发,经过甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏到上海,2004年将建成送气;南方的LNG接受站建设,可以预期天然气作为汽车燃料在今后的数十年将有大发展。
  此外,根据我国自然条件和“富煤贫油”能源资源特点,可从煤制取的二甲醚燃料和从生物质木薯、秸秆、玉米等制取的乙醇燃料,将有潜力发展成为具有中国特色的汽车代用燃料。目前生产燃料乙醇的项目已列入国家"十五"示范工程重大项目,乙醇将有望作为汽油添加剂逐步取代MTBE,柴油醇燃料研究已实质性启动。 2001年4月国家推广应用车用乙醇汽油试点项目之一—20万吨变性燃料乙醇项目,在南阳天冠集团公司正式投产,河南省政府在部分地区开始车用汽油醇应用的示范。在长春一个用玉米为原料、年产60万吨燃料乙醇工程已开工,这是我国目前最大的燃料乙醇生产项目,生产规模在世界范围也位居前列。在我国广西壮族自治区出产一种易于种植的作物木薯,非常适合于生产酒精,目前自治区政府用木薯作为原料生产乙醇燃料的项目正计划上马。二甲醚燃料在发动机上高效清洁利用研究已被列入国家973重点基础研究发展规划项目的研究内容。以煤为原料生产二甲醚燃料,已经引起有关部门的高度重视,我国将建设一批规模生产二甲醚的工厂, 宁夏石化集团与加拿大合资正在兴建一个年产83万吨二甲醚与10万吨甲醇的工厂,此外陕西、四川等地也将上一批规模不等的二甲醚燃料项目。

  7. 结论
  针对我国自然条件和“富煤贫油”能源资源特点,加快天然气的开发利用,同时发展可从煤、天然气制取的二甲醚燃料和从生物质木薯、秸秆、玉米等制得的乙醇燃料,形成适合中国国情、具有中国特色的汽车代用燃料体系,对逐步改变汽车能源结构,降低对石油燃料的依赖性,减轻对石油需求的压力,保证我国能源安全,保护大气环境具有重大战略意义。

协办单位: 四川天一科技有限公司   云南高清能源开发有限公司   河南天一化工科技有限公司  
行业联盟: 中国城市燃气协会  中国二甲醚协会  中国二甲醚网  四川天一科技股份有限公司  托普索国际公司  清华大学  上海交通大学 
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