根据我国能源资源状况,并结合现有车用燃料特性,指出寻求并确定符合我国能源特点的石油替代燃料已是当务之急。通过对几种主要替代燃料的分析研究表明:醇类燃料尤其是甲醇是最理想的替代燃料。开展甲醇作为车用燃料的系统研究与应用对于我国能源及汽车工业实现可持续发展至关重要。
作者简介：姚春德,教授,男,1955年6月出生。现任天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任、中国工程热物理学会常务理事。主要研究方向为内燃机工作过程及其废气净化。;
收稿日期：2003-09-22
According to the state of petroleum resources of our country and considering the characteristic of the fuelscurrently used, the author point out that searching and confirming the substitute for petroleum fuel according to the state ofour resources are the urgent issues. Research on several important alternative fuels shows that methanol and ethanol, espe-cially methanol is the best alternative fuel. Therefore, it is very important to choose methanol as vehicle fuel for the sustain-able development of the automobile industry in the future.
Received： 2003-09-22
我国车用石油能源后备资源状况以及由此引起的能源安全问题已引起国家的高度重视,每年大量增加的进口石油数量已经直接影响到国民经济的发展,国家已为此着手建立石油战略储备体系。随着国民经济的进一步发展,为确保我国汽车能源的安全性,在建立石油储备体系的同时,寻找合适的石油替代燃料成为能源研究的重要课题。
中国能源的后备资源严重短缺是一个毋庸讳言的事实。我国人均占有的石油、天然气储量在世界上分别位于第34位和第66位。1999年《中国新能源与可再生能源》白皮书称:“根据国际上通行的能源预测,石油将在40年内枯竭,天然气将在60年内用光,煤炭也只能再用220年”。从1993年开始,我国成为石油净进口国。近三年来我国每年进口石油都达到7000万吨左右,耗资数百亿美元,估计到2005年内石油年缺口将达1亿吨。有关专家认为,当国家石油进口量超过年消耗量的三分之一时,国际油价将会影响国民经济。2000年因石油涨价使我国GDP少增1%。根据国际权威组织预测,全球石油储量和产量在2020年前稍有增长,从2020年开始减少,40年后趋于枯竭[1]。2003年新的海湾战争一方面使得国际原油价格急剧波动,另一方面形成了新的国际政治环境,加剧了中东地区的局势不稳,也对世界原油价格构成很大的影响。我国石油总进口量的一半以上来自中东地区,大量进口石油,对我国未来能源安全构成了极大的威胁。为此已引起我国政府的高度关注,制定了我国可持续发展油气战略研究的重点,其中就包括有关油气资源节约和替代等有关政策措施。
我国目前汽车用汽油约占汽油总消耗量的85%,柴油占20%,随着国民经济的发展,以及汽车进入家庭速度的加快,我国能源供求矛盾将更加突出,寻求车用石油替代燃料的工作已经越来越引起国家的重视,这是国家实施能源可持续发展战略的重点之一。
对车用替代燃料的主要要求为:一,能够持续使用几十年;二,供应量要足够大;三,供应必须稳定,否则会给汽车工业的持续发展造成巨大困难,也不利于消费;四,使用新能源的汽车行驶半径要达到几百乃至上千公里;五,要符合我国少油气多煤炭的能源结构;六,燃料的使用必须洁净、方便,价格合理;七,燃料的携带输送必须方便。有些燃料如煤粉、煤焦油等,未经特殊处理,不能作为洁净替代燃料使用。根据目前的研究结果表明:甲醇、乙醇、液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)、二甲醚(DME)和氢气均可以作为车用石油替代燃料。
表1 几种车用燃料及主要替代燃料的物理化学性质 下载原图
如表1所示,气体代用燃料的分子量比汽油、柴油的小得多,这对燃料的混合、燃烧、抑制微粒排放有很大好处。使用天然气和液化石油气的汽车尾气排放较干净,是很好的洁净代用燃料。但是用压缩天然气作为汽车代用燃料的最大缺点是,需要输气管网,建站费用很高,约400~800万人民币;高压储气罐大而重,受汽车使用空间的限制,汽车的行驶半径小。液化石油气(LPG)可以在压力下以液态存储,体积小,行驶半径大,建站费用也低,约80~90万元人民币,但是国内资源少,炼油厂裂化生产的LPG含烯烃较多(60%),不宜用作车辆燃料,因而需要大量进口,上海的LPG站供应的液化石油气大部分是进口的。另外,燃用气体燃料后,由于要克服发动机气门及气门座磨损加剧等问题,须对发动机做调整,使发动机的制造成本也大幅度增加。
醇类作为液体燃料,其储运、携带、使用都和传统的汽油、柴油差不多。生产乙醇燃料的原料主要来自农作物,属可再生能源,用生物技术路线取代化学技术路线进行生物燃料的生产,已成为全球各国能源规划的核心内容。燃用乙醇燃料可以减少大气中CO2排放,因此为履行《京都议定书》的承诺,许多国家如日本规定在汽油中掺烧部分乙醇,日本将在今年推出汽油掺烧10%乙醇的试用车,并将于2008年普及[2]。乙醇作为车用燃料在美国和巴西的应用已经由来已久。我国从去年起在河南等省利用陈化粮食等发酵、蒸馏、脱水制得乙醇,与汽油按1:9兑和使用。作为由生物制得的燃料,从长远来讲乙醇是最有利于实现可持续发展的。但是由于目前仅依靠粮食作原料,其产量难以满足数量巨大的机动车需求。另外,由粮食生产的燃料乙醇价格居高不下(4000元/吨~5000元/吨),也成为推广燃料乙醇的巨大障碍[3,4]。
甲醇的生产技术成熟、资源丰富、价格便宜,如采用煤合成氨联产获得的甲醇不仅生产成本低(一般低于1000元/吨,而利用高硫煤“多联供”生产甲醇单位产品成本仅为744元/吨),而且环境效益好,非常有利于用作汽车燃料[5]。国际能源组织IEA曾组织芬兰、美国、加拿大和荷兰等8个国家,在芬兰技术研究中心VTT对各国生产的14辆使用不同燃料(新配方汽油、柴油、M85、LPG和CNG等)的汽车,按FTP工况法进行排放评估,结果是使用未经三元催化的汽油车辆排放性能最差,经过三元催化后有很大改观,但仍不如未经三元催化的M85好。说明M85甲醇是比较清洁的燃料。柴油的未燃碳氢(HC)、一氧化碳(CO)排放值较低,但其氮氧化物(NOx)值却是最高的,M85的NOx值是除氢以外燃料中最低的,如表2所示[4]。因此,将甲醇作为超低排放的燃料在国外已经得到一些应用。如自1998年起,美国便在排放要求最严的洛杉矶等地的公交车和校车上使用甲醇燃料。试验测试的结果表明,一辆公交车使用甲醇为燃料时每小时NOx排放量为1.7克,乙醇燃料为3.2克,纯柴油却为4.0克。使用甲醇微粒排放每小时为0.03克,乙醇为0.06克,柴油则为0.17~0.25克[6]。德国大众汽车公司也采用类似方法开发出燃用纯甲醇的四冲程轿车发动机样机。其排放品质与燃用柴油时相比,NOx排放不到后者的三分之一,微粒排放不到后者的五分之一[7]。因此,甲醇作为车用燃料其排放性能较好,属于对环境友好的清洁燃料。
表2 几种燃料常规排放物最低/最高值(20℃FTP程序) 下载原图
*为不带三元催化转换器
氢燃烧后只生成水,并且氢在自然界中的含量非常大。综合经济成本和环境成本,氢能的燃料经济性是最好的。但是,氢的制取以及储运非常困难,氢气必须加压降温至5000k Pa、-253℃才能储存于容器供汽车使用。即使使用最新隔热技术制成的低温罐,每天仍需排除2%体积的氢以降低由于温度升高而引起的蒸汽压力上升。由于以上因素,行驶同样的里程,液态氢的成本是汽油的28倍。综合上述分析,甲醇是比较合适的汽车代用燃料。
甲醇辛烷值(RON 106~115)远高于汽油,抗爆性能良好,汽油机压缩比可相应增大。同时,甲醇的汽化潜热大于汽油,可以吸收部分燃烧室壁和进气系统的热量,这些都有利于提高汽油机热效率;甲醇的粘度及其随温度变化趋势与汽油非常接近;甲醇的密度与汽油也非常接近,其在汽油中的溶解度很大;甲醇燃料的挥发性较好,火焰传播速度快,有利于混合气的着火燃烧,降低有害气体的排放[3]。
除美国在洛杉矶等地的超低排放公交车和校车上大量使用之外,德国早在上世纪70年代便在全国建立了大量的加醇站与汽油、柴油加油站一起使用。我国从上世纪80年代由国家科委和中科院组织一批高校及研究单位对燃用甲醇进行研究,取得很好效果[3]。目前,我国部分省份已成功地开发了加醇的汽油混合燃料,含甲醇比例为3%~15%,甚至已有含甲醇比例高达50%,即M50的醇汽油,在车辆上成功使用。研究已经表明,对发动机做一定的改动,就可燃用M85~M100的醇燃料,目前燃用M85~M100的汽车发动机已研制成功,正在各种车辆上使用,取得较好效果[8]。研究结果表明,燃用M100燃料的汽车,即便是化油器型,其排放也能够达到欧Ⅰ标准,电喷车能够达到欧Ⅱ标准。目前,供甲醇使用的三元催化转换器已经在试制中,在不久的将来,我国的甲醇汽车排放可以达到更高的标准。
甲醇的沸点低于柴油的沸点,使得混合气形成较快,且比较均匀,有利于完全燃烧;由于甲醇中氧的含量占50%,所以其燃烧速度快,不利于后燃期碳核的形成,有利于降低排烟,增加柴油机的冒烟极限功率。再者,由于其含氧特性,燃用甲醇对高原用柴油机的功率恢复也起到非常重要的作用。在海拔1800m左右的地区,柴油发动机燃用甲醇可以不采用任何其他技术措施,使发动机的功率不下降。由于甲醇汽化潜热较大,在形成混合气时,会产生冷却效应,使进气温度降低,从而提高充气系数,在一定程度上可使发动机的燃烧情况得到改善,使燃烧过程变得柔和。另外,燃烧甲醇的分子变更系数μ0也大于燃用柴油的情况,这使其热效率提高;同时,其蒸发汽化使压缩终了温度降低较多,可以抑制NOx和碳烟的形成,这在热负荷高的增压柴油机上的效果更为明显[9,10,11]。甲醇用于柴油机上存在的主要问题是:十六烷值低,着火能力差;具有腐蚀性,润滑性较差;汽化潜热大、热值低,燃烧的传质驱动力较高。
使用10%~20%甲醇柴油不需改动柴油机,可直接用在柴油车上;M90甲醇柴油,需调整柴油机的喷嘴后再用;M100甲醇柴油,需加入3%~5%的助燃剂、润滑剂,来解决柴油机的压燃点火及油路润滑问题。将甲醇用于柴油机上的主要方法有:利用热面助燃法在发动机上实现纯甲醇压燃燃烧;甲醇和柴油的乳化油压燃燃烧;柴油引燃进气吸入甲醇的压燃技术;甲醇掺加着火改进剂直接喷入气缸的压燃燃烧。目前真正能够直接用于压燃式车辆的甲醇燃烧技术尚有待于进一步研究,才能满足对车辆排放及动力性等性能的要求。
除了将甲醇作为汽油、柴油的直接替代燃料外,甲醇还可以通过其它途径成为汽车的驱动能源。如甲醇裂解成富氢气、制造二甲醇(D M E)和燃料电池等。
我国煤的储量为45 000亿吨,已探明储量10 000亿吨。10 000亿吨煤相当于石油和天然气总量的10多倍,按照国民经济增长率和能源弹性系数测算,我国煤炭可用百年。如果预计2050年我国汽车保有量达到3亿辆以后稍有增长。每年每辆汽车用2吨汽柴油,甲醇车每年用4吨甲醇。每吨甲醇用煤1.5吨,则每辆车用煤6吨,燃料电池车为一半,用3吨。100年共计用煤1000多亿吨,占煤总储量的10%多[1]。
2002年6月,国家化工行业及中国石油和化学工业协会联合主办了“加快煤炭资源转化、发展中小型化肥企业、生产燃料甲醇”技术交流合作洽谈会。与会专家经过技术论证,认为从国家能源安全角度出发,我国今后需要大范围推广添加一定比例甲醇的汽油和或完全使用甲醇代替现用车用燃料,改变中国的汽车能源结构;通过利用丰富的煤炭资源转化为汽车燃料-甲醇、二甲醚,提高煤炭企业的效益;通过简化工艺流程,生产汽车专用燃料甲醇,降低甲醇生产成本,并以燃料甲醇为突破口,加快化肥企业转产改造过程。专家们指出,21世纪将是煤的世纪,煤制醇、醚将成为汽车百年的新能源[3]。
由于石油资源的日渐减少和我国大量新的天然气资源的发现,用天然气转化成的甲醇、DME和液态烃等液体产品来取代部分石油资源,是我国能源结构调整的重要战略目标。我国天然气资源约33~51万亿m3,保守的估计可开采100 000m3,按每年开采1000m3亿计算,可用100年以上,因此,天然气的开发和利用就显得非常重要。以天然气为原料大规模生产甲醇,是国际公认的建设投资少、成本低、最具竞争力的原料路线。从表3可看出,以天然气为原料生产甲醇的成本最低。目前全球甲醇年产量已超过2000万吨,采用天然气路线的甲醇装置能力占甲醇总能力的80%以上[15]。
表3 国外不同原料生产甲醇成本比较 下载原图
采用低压法以天然气为原料生产甲醇工艺技术的主要有德国的Lurgi公司和英国的ICI公司。用这两种工艺生产的甲醇约占世界甲醇总产量的80%以上。但由于我国天然气资源分布不均,非产气区的天然气价格较贵,大约0.8元/m3,制造一吨甲醇大概需要天然气1000m3,原料费需要800元。且我国的天然气合成甲醇装置都属于中、小型规模,目前最大规模的甲醇装置为10万吨/年(世界上最大的甲醇单套装置生产能力已达到9 0万吨/年),装置的能耗居高不下,因此,我国目前用天然气制甲醇所占比例不大(20%左右)[16,17]。不过可以在四川、新疆等天然气资源丰富的地区,靠近天然气田的地方,建设大型甲醇生产厂,以减少天然气的远距离输送费用,降低甲醇的制造能耗和成本。
我国原有1000多家小氮肥厂和50多家中型氮肥厂。近几年,由于产品装备落后,产品单一,致使产品成本高(每吨尿素生产成本都在1100元左右),难于适应市场的激烈竞争。大约有一半的小型氮肥厂和个别中型氮肥厂关闭和停产,不少坚持生产的企业效益也不甚理想。为了适应化工企业发展的趋势,提高企业经济效益,中小氮肥厂势必要进行结构调整,走产品多元化的道路。从合成氨制取合成气出发,由于合成氨仅需要合成气组分中的H2和N2,其他组分如CO、CO2会造成氨触媒中毒而失去活性,必须除掉。而CO是生产甲醇的基本原料,CO2是生产尿素的原料,这样可以做到物尽其用,既能增加产品品种和产量,提高企业经济效益,又免除CO2的排放。利用合成氨制取合成气进行联产甲醇,可做到投资最省,效益最好,并可推动氮肥工业生产由亏损型向效益型转化,以增强其生命力。在现有合成氨生产厂进行合成氨联产甲醇改造,从而发展成为集化肥与燃料生产为一体的特大型产业,在国民经济中将举足轻重[18,19]。
另外,城市在引入天然气作为燃料之后,原有的煤气生产厂的设备也可以转产甲醇,不仅可以创造大量的就业机会,而且可以减少投资,实现多快好省的目标。
通过对目前国内车用替代燃料天然气、液化石油气、乙醇、甲醇及氢的生产、替代燃油的难度、使用对环境的影响等因素的比较与分析可见:甲醇、乙醇作为替代燃料最符合我国资源特点,也是在未来根本解决我国机动车燃料的最有前景、也是最现实的方案,应该给以足够的重视。尽快对其燃烧技术进行研究与开发,真正实现高效、低污染燃烧。
使用甲醇作为燃料还可以利用丰富的煤炭资源。天然气储量大的地区可以利用地理优势通过天然气制取甲醇,缓解当地的石油短缺问题。此外,合成氨联产甲醇是我国中小化肥厂扩产、增效的有力途径。乙醇燃料则可以发展从包括粮食在内的生物中制得。不仅可以减少CO2排放和缓解全球温室效应,而且可以实现可持续发展。
发展醇类燃料以逐步替代石油燃料,对减少我国燃油对国际进口尤其是从中东地区进口数量的依赖、平抑国际市场油价、实现可持续发展、保障我国能源安全具有难以估量战略意义。
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