醇醚替代燃料前景探討

王廉敏

(山西省焦炭集團有限責(zé)任公司,山西太原030024)

醇醚替代燃料前景探討

王廉敏

(山西省焦炭集團有限責(zé)任公司,山西太原030024)

分析了醇醚作為替代燃料的必要性,介紹了醇醚作為主要汽、柴油替代燃料的優(yōu)勢。通過對幾種車用燃料特性的評價,認(rèn)為甲醇作為車用燃料優(yōu)于其他燃料。

替代燃料;甲醇;節(jié)能減排;循環(huán)經(jīng)濟

1 尋求替代燃料的必要性

能源是經(jīng)濟增長的動力。世界經(jīng)濟的發(fā)展對能(資)源特別是石油的需求持續(xù)增長,石油供求矛盾日益突出。我國在1996年已成為石油凈進(jìn)口國; 2000年的進(jìn)口依存度達(dá)到36.6%,超過了警戒線; 2001年—2006年,我國石油進(jìn)口量平均增長率為17.3%,進(jìn)口額平均增長率為39.7%;之后,逐年提高。2005年,我國成為繼美國、日本之后的第3大石油進(jìn)口國,石油對外依存度達(dá)到43.0%;2006年,我國石油進(jìn)口量達(dá)1.81億t,進(jìn)口額819.52億美元,石油對外依存度上升到47.30%;到2009年,石油對外依存度突破50.00%,并成為繼美國之后的第2大石油進(jìn)口國。據(jù)預(yù)測,2020年,我國石油消費量將達(dá)到4.5億t～5.0億t,對外依存度將超過60.0%。

如何保障能源安全、穩(wěn)定供應(yīng)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,已引起我國政府的高度重視?！笆晃濉逼陂g,國家明確了“節(jié)約優(yōu)先,立足國內(nèi),煤為基礎(chǔ),多元發(fā)展”的能源工作方針,加快發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù),節(jié)約能源與尋求替代燃料油工作被列入議事日程,并著重在工業(yè)領(lǐng)域開展?！秶窠?jīng)濟和社會發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要》中再次要求,“優(yōu)化生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu),構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟、清潔、安全的能源供應(yīng)體系”。為貫徹落實“十一五”規(guī)劃,國家發(fā)展改革委員會出臺了“節(jié)能中長期專項規(guī)劃”,確定了“十一五”10大重點節(jié)能工程。其中,“節(jié)約和替代石油工程”提出發(fā)展石油替代產(chǎn)品,如發(fā)展醇醚燃料代油、推廣高比例甲醇催化燃燒技術(shù)和醇醚燃料尾氣凈化技術(shù)等?！笆濉币?guī)劃建議提出,未來5年,將加強現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)和綜合運輸體系建設(shè),推動能源生產(chǎn)和利用方式變革,構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系。

汽車是我國石油消費的重要用戶,車用燃料是我國石油消費增長的最大驅(qū)動力。2006年末,全國民用汽車保有量達(dá)到4 985萬輛(包括三輪汽車和低速貨車1 399萬輛),比2005年末增長15.2%。其中,私人汽車保有量2 925萬輛,增長23.7%。車用燃料消耗約占全國石油總消耗量的42.5%。之后幾年,我國汽車保有量均以2位數(shù)的幅度增長。據(jù)預(yù)測,到2020年,汽車保有量將增長到1.5億輛以上,汽車用燃料將占石油消費總量的50.0%以上。2007年—2020年,交通消耗油量將占全國石油總消耗增量的85.0%以上。因此,車用燃料替代是石油替代燃料最重要的內(nèi)容。

2 醇和醚作為主要替代燃料

2.1 醇和醚作為替代燃料的優(yōu)勢

甲醇是車用石油替代燃料最重要的品種之一。國內(nèi)外學(xué)者針對甲醇替代汽油和二甲醚替代柴油開展了大量的應(yīng)用研究工作,并取得了良好進(jìn)展。我國已在低比例[M15(甲醇摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,下同)]、高比例(M85、M100)甲醇燃料發(fā)動機研發(fā)和甲醇燃料儲存、防腐蝕、安全及甲醇汽車維修保養(yǎng)、試驗檢測等方面開展了長達(dá)20多年的研究工作,基本解決了甲醇汽油分層、腐蝕、溶脹、冷啟動等問題,并對甲醇的毒性和使用安全性進(jìn)行了一些技術(shù)評價。初步認(rèn)為,低比例(M15)和高比例(M85、M100)甲醇燃料作為車用替代燃料都沒有實質(zhì)性的技術(shù)障礙。

世界各國車用燃料呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢,大致有如下幾類:

1)氣體燃料,即天然氣、液化石油氣等。全球有40多個國家在使用氣體燃料,使用車輛達(dá)500萬輛以上。

2)生物質(zhì)燃料,即乙醇和生物柴油。主要在歐洲各國和美國等國使用,每年有近1 000萬t乙醇用作燃料,近300萬t生物柴油以5%～20%的比例與柴油摻用。

3)煤基液體燃料,主要是煤制甲醇、二甲醚和合成液化燃料。主要在歐洲各國和美國等國使用。美國在20世紀(jì)末就已投放6萬多輛甲醇車,年消耗甲醇100多萬t。二甲醚的使用以日本、瑞典為主,他們開發(fā)了二甲醚客車,目前,二甲醚客車生產(chǎn)已進(jìn)入商業(yè)化。合成液體燃料以南非為主,年產(chǎn)量在500萬t,采用間接液化方法制備;直接液化法以德國和日本為主,目前,仍處在中試階段,尚未工業(yè)化生產(chǎn)。

4)氫燃料。目前,主要在以美國為首的發(fā)達(dá)國家中組織技術(shù)攻關(guān),發(fā)展趨勢向好,但短期內(nèi)難于產(chǎn)業(yè)化。

諸多替代燃料中,結(jié)合中國國情,最佳的選擇是醇、醚燃料。理由如下:

一般認(rèn)為,發(fā)展汽車替代燃料至少要具備4個條件:1)資源能否穩(wěn)定長期供給;2)技術(shù)是否成熟可靠,能否和汽車技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展;3)和石油相比,經(jīng)濟性、環(huán)保性有無競爭力;4)生產(chǎn)過程中的能源利用效率和CO2排放情況。

分析以上4個方面原因,得出如下結(jié)論:

1)煤制甲醇可穩(wěn)定地長期供給。按專家預(yù)測, 6種主要能源中,風(fēng)能、生物能雖然可長期供給,但只能解決局部地區(qū)對能源的需求?；茉粗?只有煤的可開采時間最長,煤制液體燃料可滿足長期穩(wěn)定供給的條件。

2)甲醇作為替代汽車用燃料的相關(guān)技術(shù),國際上從20世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)開始研究,且已形成了一套完整適用的技術(shù),包括專用發(fā)動機及靈活燃料車的開發(fā)、摻燒技術(shù)的優(yōu)化和輸配系統(tǒng)的建設(shè)等。

3)醇、醚燃料的經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性與石化燃料有很強的相關(guān)性和競爭力,其排放情況和氣體燃料相當(dāng),是清潔燃料,經(jīng)濟性比目前使用的其他替代燃料都好。

4)在生產(chǎn)過程中,甲醇的分子轉(zhuǎn)化率最高,全過程的CO2排放量比石油低。

2.2 各種車用燃料性能對比

研究結(jié)果表明,甲醇燃料是目前最為潔凈的燃料。由于甲醇中的芳烴、烯烴含量比較低,所以其燃燒后尾氣排放的CO、CH化合物含量也很低。經(jīng)比較,甲醇車CO2的排放是汽油車的1/5,CH化合物排放是汽油車的1/10。實驗證明,當(dāng)甲醇汽油中甲醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)40%后,CO的排放基本為零。至于甲醛的排放,其實際情況是,傳統(tǒng)汽油燃燒產(chǎn)生的甲醛要比甲醇燃燒產(chǎn)生的甲醛多得多。甲醇還有一個重要特征就是燃燒期間的熱損耗較低。甲醇沒有碳—碳鏈,理論上講,燃燒時不會產(chǎn)生煤灰。因為碳粒是熱輻射的有生力量,所以熱輻射會明顯降低。甲醇發(fā)動機因混合氣體燃燒充分,其熱效率比汽油發(fā)動機提高30.0%。所以,按熱值計算,替代比可從2.1∶1降低到1.3∶1～1.6∶1。

我們采用單項10分制的辦法對車用燃料進(jìn)行了鑒別和評價,得出車用燃料特性評價結(jié)果(見第29頁表1)。

由表1可知,甲醇作為替代燃料具有以下特點: 1)含氧量高,空燃比低,燃燒時進(jìn)入氣缸空氣量小,氮氣量少,產(chǎn)生NOx少;2)相對分子質(zhì)量小,燃燒速度快,能充分燃燒,未燃?xì)埩粑锷?3)理論上,甲醇與汽油替代比為2.1∶1,但由于其熱效率高,所以實際的替代比為1.3∶1～1.6∶1。

甲醇可以單獨與汽油混合用于點燃式發(fā)動機中。按甲醇燃料與汽油的摻燒比例,可分為3類:甲醇摻燒量在10%以下的,稱為低比例摻燒;摻燒量在10%～30%的,稱為中比例摻燒;50%以上的,稱為高比例摻燒。目前,研究較多的是不同比例甲醇摻入汽油的使用情況,如M3～M5(甲醇摻入比例3%～5%,下同)、M15～M50、M85～M100的甲醇汽油。

低比例摻燒甲醇(M5～M10)可直接作汽油使用,其與汽油的能值替代比接近1∶1。它的使用可有效地提高甲醇汽油的辛烷值,具有良好的抗爆性,車輛尾氣排放物減少10%。中比例摻燒(M10～M50)的甲醇容易出現(xiàn)遇水分層乳化、高溫氣阻、腐蝕溶脹、動力下降、體積油耗增加等問題,因此這一比例的摻燒必須使用添加劑。國內(nèi)已開發(fā)了多種添加劑配方技術(shù),并取得了較好的應(yīng)用效果。高比例(M85)甲醇汽油和純甲醇(M100)不需使用添加劑,但需對發(fā)動機進(jìn)行改造。由于M85甲醇燃料具有易于冷啟動、易混溶、不分層和著火時有明火易被發(fā)現(xiàn)的特點,而且高比例甲醇燃料(主要是M85)可提高發(fā)動機的壓縮比,使發(fā)動機動力性、燃料經(jīng)濟性和減排效果明顯提高,因此,M85高比例甲醇摻燒的研究和應(yīng)用得到更多的關(guān)注。

表1 車用燃料特性評價結(jié)果

理論上,甲醇的動力性優(yōu)于汽、柴油,有關(guān)專家及科研部門也做了這方面實地試驗。山西省對M15、日本本田公司對M85、美國福特公司對M100等的不同比例甲醇摻燒的發(fā)動機進(jìn)行了試驗。結(jié)果證明,甲醇發(fā)動機同汽油發(fā)動機相比,功率相同或大于汽油發(fā)動機。美國福特公司對2.2 L M100發(fā)動機測試得出,汽油機功率在4 500 r下為92 k W/min,而甲醇發(fā)動機在5 000 r下為118 kW/min。綜合有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,與同型號普通汽車相比,甲醇汽車的動力性基本相當(dāng),排放較好,在高油價時期的燃料經(jīng)濟性較好。

3 結(jié)語

目前,我國甲醇原料結(jié)構(gòu)中,煤制甲醇約占總產(chǎn)能的61%,以天然氣為原料的甲醇約占總產(chǎn)能的29%,以焦?fàn)t煤氣為原料的甲醇約占總產(chǎn)能的10%。因此,就我國國情而言,在能源結(jié)構(gòu)多元化的前提下大力發(fā)展甲醇替代燃料具有較好的經(jīng)濟性、環(huán)保性和安全性。就山西省省情而言,發(fā)展以高硫煤、焦?fàn)t煤氣、煤層氣等為原料生產(chǎn)甲醇并帶動甲醇經(jīng)濟的發(fā)展,是山西省發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要選擇,是提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要途徑,是可持續(xù)發(fā)展的重大舉措,是調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要方面,具有很強的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

Abstract:It has been analyzed the necessity of alcohol ether fuel could be used as an alternative fuel.The contentmainly introduced the superiority of the alcohol ether as a main substitution fuel of the gasoline and the diesel oil.Meanwhile,through the advantage of vehicle fuel characteristics of several kinds ofmethanol used as evaluation,it has been testified that the methyl alcohol as the vehicle fuel is superior to other fuels.

Key words:alternative fuel;methanol;energy saving and pollutants reducing;circular economy

The prospect research of alcohol ether alternative fuel

WANG L ian-m in
(ShanxiCoke Group Co.,L td.,Ta iyuan Shanxi030024,China)

TQ51

A

1004-7050(2010)06-0027-03

2010-10-26

王廉敏,男,1963年出生,中國礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事企業(yè)經(jīng)營管理工作。