采用汽油與甲醇燃料的C級(jí)車CO2排放對(duì)比分析

張仕鵬 何勛 王喜龍

摘要：隨著我國社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步與發(fā)展及汽車保有量的不斷增加，能源與環(huán)境等諸多問題日趨嚴(yán)峻。結(jié)合我國近幾年CO2排放量的變化趨勢，本文簡要分析了采用甲醇燃料和傳統(tǒng)汽油燃料對(duì)碳排放的影響。結(jié)果顯示：研究用某C級(jí)車消耗1L/100km甲醇燃料，產(chǎn)生尾氣中CO2為10.9g/km，消耗1L/100km汽油，產(chǎn)生尾氣中CO2為23g/km。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車，合理優(yōu)化車用能源結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低大氣中CO2具有十分重要的意義。

Abstract： With the development of the society and the increasing number of vehicles， the problems between energy and environment are getting worse. Based on the trend of CO2 production in China recently， this essay gave a brief analysis on the impact of traditional gasoline and methanol fuels on CO2 emission. The results showed that： when the study used C-class car to consume 1L/100 km of methanol fuels， it will produce 10.9g/km CO2 in the tail gas， when the study consuming 1L/100 km of gasoline， it will produce 23g/km CO2 in the tail gas. Compared with the traditional fuel car， reasonable optimize the energy structure for cars is meaningful to achieve energy conservation and emission reduction and reduce the CO2 in the air.

關(guān)鍵詞：能源結(jié)構(gòu);CO2排放;車輛工程;節(jié)能減排

Key words： energy structure;CO2 emission;vehicle engineering;energy conservation and emission reduction

中圖分類號(hào)：F407.471;X503.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0063-03

0 ?引言

隨著我國社主義市場經(jīng)濟(jì)和信息科技的進(jìn)步與飛速發(fā)展及我國汽車資源保有量的不斷提高和增加，嚴(yán)峻的清潔能源與環(huán)境問題正逐漸成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前全球大氣溫度和地區(qū)環(huán)境變化所可能帶來的多種問題，低碳交通無疑將是世界各國解決清潔能源與環(huán)境問題的重要途徑[1]。據(jù)中國公安部交通管理局統(tǒng)計(jì)，2020年，全國新增機(jī)動(dòng)車保有量已高達(dá)達(dá)3.72億輛，其中新增汽車2.81億輛[2]。報(bào)告顯示，2020年我國原油進(jìn)口量為1087萬桶/日（5.42億噸），石油對(duì)外依存度已經(jīng)高達(dá)73.5%[3]。此外，機(jī)動(dòng)車尾氣是組成霧霾的主要成分，汽車尾氣對(duì)于空氣污染的問題越來越嚴(yán)重。汽車尾氣中的一些化合物，例如顆粒物、氮氧化合物、SO3等不僅會(huì)對(duì)環(huán)境和空氣產(chǎn)生嚴(yán)重的污染破壞，而且還可能對(duì)人們的健康和生命產(chǎn)生較大的傷害[4-5]。優(yōu)化傳統(tǒng)燃料能夠有效改善汽車尾氣的排放，使用甲醇燃料一方面可以有效緩解我國石油能源短缺問題，另一方面減少了環(huán)境污染問題;推廣使用甲醇燃料對(duì)于提高農(nóng)民收入，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加就業(yè)機(jī)會(huì)等具有積極作用[6]。找到理想的燃料代替石油，推動(dòng)燃料的多樣化發(fā)展，是我國能源發(fā)展的基本策略，我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富，利用煤炭資源為原材料制造甲醇，尤其是針對(duì)無法成為動(dòng)力煤炭直接進(jìn)行燃燒的劣質(zhì)煤，能夠作為制備甲醇的重要原料加以清潔利用。使用甲醇代替汽油作車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料能夠有效減少我國對(duì)外國石油進(jìn)口的依賴，甲醇代替汽油的發(fā)展策略，對(duì)于改善我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與成品油消費(fèi)結(jié)構(gòu)有著很重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

本文采用文獻(xiàn)調(diào)查法，通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)采用傳統(tǒng)燃油及甲醇兩種不同燃料的排放物進(jìn)行對(duì)比，分析了采用該兩種不同能源對(duì)C級(jí)轎車排放物的影響。我國作為全球最大能源消費(fèi)國，碳排放量位居世界前列。圖1為我國近些年碳排放總量走向，通過分析數(shù)據(jù)庫中我國近些年碳排放總量?？梢钥闯隹偟内厔菔翘寂欧趴偭恳恢背尸F(xiàn)出遞增趨勢，但通過各種節(jié)能減排措施使得近十年內(nèi)我國碳排放的遞增趨勢變得比較平緩，證明了當(dāng)下采用的節(jié)能減排措施對(duì)減少CO2具有重要作用。

1 ? 研究方法

車用燃料是地殼資源經(jīng)過多重復(fù)雜的工業(yè)化處理流程制作出來，且不同原料最終制成車用燃料的流程不同，汽油由原油通過管道運(yùn)輸經(jīng)過蒸餾、分餾等流程最終到達(dá)加油站，而甲醇由煤款或天然氣經(jīng)過工業(yè)煉焦及三級(jí)轉(zhuǎn)換制成。采用汽油和甲醇燃料兩種能源傳遞形式有所不同，過程如圖2所示。

近些年隨著新能源汽車的出現(xiàn)，一定程度上緩解了能源緊張的局勢，最具代表性的就是電動(dòng)汽車的發(fā)展，但由于技術(shù)發(fā)展的不足，我國動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展遇到的瓶頸問題尚未突破，核心問題尚未解決，作為目前應(yīng)用最為廣泛的鋰離子電池組成后的能量密度也只有80wh/kg，動(dòng)力供給系統(tǒng)性能比較落后。中國雖然是生產(chǎn)電池的大國，全國動(dòng)力電池配套企業(yè)超過上百家，在全國各地都有生產(chǎn)商，但動(dòng)力電池的核心技術(shù)不具備競爭優(yōu)勢，生產(chǎn)動(dòng)力電池所需要的正負(fù)極材料技術(shù)專利長期被國外壟斷，隔膜、電解液等對(duì)外高度依賴，國內(nèi)電池生產(chǎn)工藝性能較差，動(dòng)力電池組成技術(shù)落后[7]。

雖然已經(jīng)出現(xiàn)以特斯拉等為主要代表的新能源汽車，有氫能源汽車、太陽能汽車和電汽車等，但由于目前核心技術(shù)發(fā)展不夠成熟，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高、電能供給效率低和不能達(dá)到理想的運(yùn)行情況，甚至?xí)霈F(xiàn)能耗更大的問題，進(jìn)而增大了推廣使用的難度。

目前一些發(fā)達(dá)國家都在加快推動(dòng)電動(dòng)汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，市場對(duì)電動(dòng)汽車的需求呈現(xiàn)出遞增趨勢，但我國電動(dòng)汽車目前仍處于培育發(fā)展階段，經(jīng)過近些年科技水平的發(fā)展，我們也在技術(shù)方面也有了一些突破，主要體現(xiàn)在電動(dòng)汽車和電動(dòng)乘用車技術(shù)性能、安全可靠性和使用壽命的提高。國內(nèi)一些新能源汽車企業(yè)先后推出了一系列不同款式的新能源汽車，但車型主要集中在電動(dòng)客車領(lǐng)域。主要以原有車型改裝為主，未能達(dá)到批量定型生產(chǎn)，而且私人乘車乘用車領(lǐng)域原型研發(fā)的量產(chǎn)車型很少，可供消費(fèi)者選擇的不多。

而且大部分城市缺少可操作的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，特別是充電樁等公共區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施布局受到落點(diǎn)選取等諸多因素的限制，不利于構(gòu)建電動(dòng)汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系。充換電基礎(chǔ)服務(wù)建設(shè)投資巨大且回收周期過長，再加上國家、地方政府對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的補(bǔ)貼力度相對(duì)不足，在充換電設(shè)施運(yùn)營方面也沒有相應(yīng)的配套扶持政策，社會(huì)資本積極性不夠高，很少有企業(yè)愿意冒這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)去嘗試這方面的發(fā)展。充電設(shè)施技術(shù)體系不夠完善，國家層面有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也較為落后，電網(wǎng)能源儲(chǔ)備不足、動(dòng)力電池利用與回收技術(shù)未能解決等種種原因使得電汽車和充換電基礎(chǔ)設(shè)施之間缺少相互操作認(rèn)證。

就目前的發(fā)展趨勢而言，合理優(yōu)化車用發(fā)動(dòng)機(jī)的能源結(jié)構(gòu)對(duì)減少能耗和應(yīng)對(duì)環(huán)境問題具有積極意義。

本研究通過對(duì)比采用兩種不同能源后某國產(chǎn)車排放尾氣中CO2含量的情況，分析具體采用哪種能源形勢，車輛的CO2排放更少。簡要的研究技術(shù)路線如圖3所示。

通過分析采用不同能源時(shí)，對(duì)C級(jí)車排放的尾氣中CO2含量的相對(duì)多少來進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而確定采用甲醇和汽油哪種能源下燃燒后的產(chǎn)物是相對(duì)比較清潔的，最后得出結(jié)論，確定更清潔的能源。

2 ?采用不同燃料的汽車CO2排放對(duì)比分析

根據(jù)前文所寫的具體研究路徑，本文將通過對(duì)比兩種不同燃料的C級(jí)轎車CO2排放，研究理想狀態(tài)下，每1mol燃料完全燃燒后產(chǎn)生的CO2排放量，具體研究如下。

2.1 燃油車流通過程中CO2排放

機(jī)動(dòng)車規(guī)模的不斷增長正在加速全球能源消耗與溫室效應(yīng)。目前，汽車節(jié)能減排問題已成世界多個(gè)領(lǐng)域探討的熱門話題[8]。為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與溫室效應(yīng)帶來的挑戰(zhàn)，許多國家已經(jīng)相繼推出了傳統(tǒng)汽車戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的措施。

根據(jù)全球經(jīng)濟(jì)庫數(shù)據(jù)，燃料的總體熱值大小指的是1kg燃料全部充分進(jìn)行燃燒后所產(chǎn)生的總體熱量，作為一種燃料，汽油的總體熱值大約為44000kJ/kg。汽油的主要成分辛烷（C8H18）燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程為[9]：

2C8H18+25O2 = 16CO2+18H2O

根據(jù)原子守恒計(jì)算可得，假設(shè)完全燃燒1mol辛烷產(chǎn)生的CO2為8mol，理想狀態(tài)：2C8H18+25O2 = 16CO2+18H2O，計(jì)算產(chǎn)生的CO2為2300g。

即汽車每燃燒1L/100km汽油產(chǎn)生的CO2約為M1=23.0g/km。

2.2 甲醇汽車流通過程CO2排放

以甲醇作為主要燃料的汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車的最大不同之處為動(dòng)力來源，而甲醇可以通過煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)能等方式合成制造。

甲醇燃料的化學(xué)熱值約為1111kJ/kg，其分子式定義為CH4O，結(jié)構(gòu)最簡單的飽和一元醇。甲醇在燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程定義為：

2CH4O+3O2=2CO2+4H2O

根據(jù)原子守恒計(jì)算可得，假設(shè)完全燃燒1mol甲醇產(chǎn)生的CO2為1mol，理想狀態(tài)1L的甲醇密度按0.791kg/L進(jìn)行計(jì)算得：汽車每燃燒1L/100km甲醇產(chǎn)生的CO2約為M2=10.9g/km。通過以上簡要分析使用兩種能源時(shí)CO2排放量如圖4所示。

相比于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在采用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)輸出功率可以提高8～12%，同時(shí)轉(zhuǎn)矩也可以提高12～16%，從而表現(xiàn)出了優(yōu)異的空氣動(dòng)力性[8]。甲醇易溶于水，易降解，且不會(huì)對(duì)土壤、水流等環(huán)境造成污染破壞，且常溫下為液體狀態(tài)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此運(yùn)輸和儲(chǔ)存都比較方便。甲醇作為一種含氧化合物，可以充分燃燒，而且燃燒速度比汽油快，燃燒的定容性較好，燃燒持續(xù)時(shí)間較短，蒸發(fā)潛熱大，因此可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。甲醇自身含氧量高達(dá)50%，在燃燒過程中還會(huì)發(fā)生自供氧效應(yīng)，從而降低了燃燒過程中缺氧的幾率，有利于燃料的充分燃燒，也有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)凈化和降低CO、HC和NOX等常規(guī)氣體的生成，甲醇的辛烷值約為110，較汽油高，體現(xiàn)出更好的抗爆性，從而有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，能量利用效率優(yōu)于傳統(tǒng)汽油，有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

盡管采用甲醇燃料有著一定的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際使用過程中也會(huì)出現(xiàn)一些問題：甲醇燃料的腐蝕性和溶脹性、甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)較難等問題，而上述問題也是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)。

甲醇燃料所具有的熱效率高、熱效率強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)性好、啟動(dòng)功能良好和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，對(duì)于減少污染、節(jié)省石油、安全方便等都具有重要意義。使用甲醇作為燃料時(shí)，可把點(diǎn)火提前角和噴油提前角調(diào)整到最佳的角度，以便獲得更高的熱效率和更大的輸出功率。由于甲醇的含碳量較汽油低，所以在氣缸中充分燃燒后產(chǎn)生的廢氣中的主要成分是水蒸氣和CO2，不含有硫化物，從而大大減少了碳粒和CO的排放，對(duì)環(huán)境影響較小，而且甲醇的制造過程中可以通過糧食作物來提煉，同時(shí)又可以推動(dòng)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

3 ?結(jié)論

通過以上簡要分析，主要結(jié)論如下：

①車輛消耗甲醇率為1L/100km，產(chǎn)生尾氣中CO2為10.9g/100km，汽油消耗率為1L/100km，產(chǎn)生尾氣中CO2為23g/100km。

②采用甲醇燃料時(shí)，尾氣中CO2排放較傳統(tǒng)燃油車少，環(huán)保清潔，可以使車用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放整體得到改善。

③相比于傳統(tǒng)燃油汽車，合理的選擇不同的能源結(jié)構(gòu)，減少汽油的使用量對(duì)于降低CO2排放有更積極的意義。

④甲醇的含碳量為37.5%，密度為0.79kg/L，化學(xué)熱值約為1111kJ/kg，汽油含碳量為86.6%，密度為0.742kg/L，化學(xué)熱值約為44000kJ/kg。因此單位熱值燃料的含碳量，甲醇低于汽油。

縱觀整個(gè)甲醇汽車的發(fā)展歷程，商業(yè)模式對(duì)于甲醇汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展顯得尤為重要。需要對(duì)甲醇車輛的應(yīng)用進(jìn)行全面且系統(tǒng)的研究分析，才能讓更多的資本進(jìn)駐到該領(lǐng)域的研發(fā)當(dāng)中。同時(shí)，發(fā)展甲醇燃料可以有效緩解我國能源緊張的局勢，同時(shí)也是一個(gè)維護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的有效途徑。采用甲醇作為燃料，對(duì)于改善我國的能源結(jié)構(gòu)和降低碳排放都有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靖添，馬曉明.低碳交通研究進(jìn)展與啟示[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2021，37（5）：57-64.

[2]陳秀娟.全國汽車保有量達(dá)2.81億輛[J].汽車觀察，2021（01）：7.

[3]徐倩.進(jìn)口原油運(yùn)輸損耗成因分析[J].化學(xué)工程與技術(shù)， 2021，11（2）：82-87.

[4]柴競，彭草.霧霾形成的原因及其對(duì)人體健康的影響[J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘，2017，17（81）：128-129.

[5]陳艷艷，秦偉玲，李曉祎，等.貨運(yùn)場站機(jī)動(dòng)車污染物排放監(jiān)測及污染特征研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018， 37（09）：60-65.

[6]朱靈峰，范彩玲，梁庚白，等.生物質(zhì)合成氣制甲醇的研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2004（3）.GB/T 19233-2020，輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法[S].

[7]湯泉，王天一.電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用問題及對(duì)策研究[J].管理觀察，2015（019）：86-88.

[8]何立強(qiáng).中國機(jī)動(dòng)車溫室效應(yīng)污染物排放清單及其削減潛力研究[D].中國環(huán)境科學(xué)研究院，2014.

[9]李敏達(dá).新能源汽車甲醇燃料分析與研究[J].中國設(shè)備工程（20）：2.