汽車代用燃料

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和汽車保有量的高速增長，正面臨汽車能源需求與環(huán)境保護(hù)的雙重巨大壓力。汽車行駛的主要燃料是從石油中提煉出來的柴油和汽油，據(jù)世界能源大會(huì)數(shù)據(jù)表明，我國的能源資源，煤的保有儲(chǔ)量約占世界的30％，可采年數(shù)達(dá)數(shù)百年，石油的保有儲(chǔ)量?jī)H占世界的2.4％。1993年起我國已成為石油純進(jìn)口國，2000年我國石油總需求的33％已從國外進(jìn)口，預(yù)測(cè)2010年我國石油總需求的47％需進(jìn)口，我國石油的供應(yīng)將嚴(yán)重不足。

　　在另一方面，我國的汽車排放已成為城市大氣環(huán)境的一個(gè)主要污染源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來上海城區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放的CO、HC和NOx已分別占總排污負(fù)荷的86％、90％和56％，北京在非采暖期，城區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放的CO、HC和NOx已分別占總排污負(fù)荷的60％、86.8％和54.7％。城市機(jī)動(dòng)車排放污染日趨嚴(yán)重。

　　因此如何在后石油時(shí)代，針對(duì)我國自然條件和能源資源特色，逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展汽車清潔代用燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)高效、低污染的燃燒，控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放對(duì)我國城市大氣質(zhì)量帶來的日趨嚴(yán)重的影響，已成為我國能源與環(huán)境研究中的一個(gè)十分重大和緊迫的研究課題。本文介紹了國內(nèi)外各種汽車清潔代用燃料及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

　　1．液化石油氣和天然氣

　　天然氣（NG）和液化石油氣（LPG）由于具有低的污染物排放被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)的較理想代用燃料，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于汽油機(jī)。

　　作為車用燃料LPG的主要成份是丙烷、丁烷和少量烯烴和戊烷。LPG辛烷值較高，燃料費(fèi)比酒精、汽油、柴油等便宜，CO、NOx等有害排放量低于汽油機(jī)排放，基本上消除黑煙和顆粒物(PM)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪音低。

　　天然氣的主要成份是甲烷(一般為83%～99%)及少量其他烴類和CO2等。天然氣具有較高的辛烷值，抗爆性能好，與汽油相比，燃燒更完全。

　　據(jù)美國EPA報(bào)告，天然氣汽車可以降低40%的HC排放，50%的CO排放，無碳煙排放，其中HC排放的90%為甲烷類物質(zhì)，光化學(xué)反應(yīng)低，采用缸內(nèi)直噴和稀薄燃燒技術(shù)可進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，降低污染物排放，符合各國有關(guān)的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。天然氣汽車因?yàn)槠淞己玫呐欧盘匦约柏S富的儲(chǔ)量而成為各種代用燃料汽車的首選。

　　天然氣的儲(chǔ)存方式主要有壓縮天然氣(CNG，15MPa～20MPa)、液化天然氣(LNG，沸點(diǎn)-162℃)和吸附天然氣(ANG)；CNG是目前車用天然氣燃料的主要儲(chǔ)存方式，CNG在汽車上使用的主要缺點(diǎn)是儲(chǔ)氣瓶重量重、占用體積大，與液體燃料相比，天然氣體積能量密度低，20Mpa壓力下的CNG燃料僅相當(dāng)于汽油能量密度的30％。

　　為克服CNG技術(shù)的上述缺陷，國際上天然氣另一儲(chǔ)存方式是液化天然氣，LNG是對(duì)地質(zhì)開采的天然氣氣體通過"三脫"凈化處理，實(shí)施低溫液化處理而成，液化后的體積僅是原氣態(tài)體積的1/625，LNG的能量密度是CNG的三倍多、能量密度大大提高。LNG的生產(chǎn)成本相對(duì)較高是制約其發(fā)展的因素。

　　吸附式儲(chǔ)存天然氣（ANG）技術(shù)是目前尚處研究階段的一種天然氣儲(chǔ)存方式，它用多孔吸附劑填充在儲(chǔ)存容器中，在中高壓（3.5Mpa左右）條件下，利用吸附劑對(duì)天然氣高的吸附容量來增加天然氣的儲(chǔ)存密度。ANG作為未來替代CNG的一項(xiàng)新技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景，但由于技術(shù)上的不少難點(diǎn)還有待解決，故在目前還尚難進(jìn)入實(shí)用化階段。

　　2．氫氣

　　氫氣(H2)長期來主要用作宇宙飛行器發(fā)射和推進(jìn)的燃料。作為汽車燃料，氫氣辛烷值高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高，發(fā)動(dòng)機(jī)可在空氣過量系數(shù)(λ)較大的范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒，點(diǎn)火能量低，不到汽油最低點(diǎn)火能量的1/10，且氫燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤蜏叵乱灼饎?dòng)，其燃燒生成物主要是水和NOx，不產(chǎn)生HC、CO和碳煙排放。 但在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用還有回火、早燃、燃燒控制等問題尚待解決。

　　氫的主要缺點(diǎn)是儲(chǔ)運(yùn)性能很差，氫的沸點(diǎn)為-253℃，以液態(tài)方式儲(chǔ)存時(shí)成本高，不適宜長期儲(chǔ)存。氫的制取原料有天然氣、煤、水。從水制取氫有電解法、熱化學(xué)法、光解法及微生物法。至今這些制氫方法的成本及能耗都較高、難以進(jìn)行大規(guī)模制氫用于車用燃料，因此氫氣必須在解決降低生產(chǎn)成本、儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)入y題后，才能走向?qū)嵱谩?/p>

　　3．醇類燃料

　　醇類燃料甲醇和乙醇，具有辛烷值高、汽化潛熱大、熱值較低等特點(diǎn)。作為汽車燃料，醇類燃料自身含氧，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中可提高氧燃比，CO和HC的排放較汽油和柴油的低，幾乎無碳煙排放；另外，由于汽化潛熱高，可降低進(jìn)氣溫度，提高充氣效率，使最高燃燒溫度低，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放較低。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)使用甲醇燃料，會(huì)產(chǎn)生有毒的醛類排放。此外甲醇對(duì)人體毒性較大，它對(duì)金屬有腐蝕作用，對(duì)橡膠皮革有溶漲作用，會(huì)使塑料提早老化，這些缺點(diǎn)使甲醇在實(shí)際應(yīng)用中受到了較大限制。

　　乙醇燃料以摻燒或純燒方式已成功地用于汽油機(jī)上，汽油醇（gasohol）混合燃料在巴西、美國已應(yīng)用許多年，技術(shù)上已十分成熟。乙醇在柴油機(jī)上應(yīng)用要遠(yuǎn)遜于在汽油機(jī)上的應(yīng)用，其主要原因是柴油與乙醇不能互溶，摻燒困難，此外乙醇燃料十六烷值低，在柴油機(jī)上需用柴油引燃或點(diǎn)火塞點(diǎn)燃，要對(duì)燃燒系統(tǒng)做較大改動(dòng)。

　　目前國內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)正在研制幫助乙醇與柴油互溶的助溶劑，生成柴油醇（diesohol），這樣可以在發(fā)動(dòng)機(jī)不作改動(dòng)或是很少改動(dòng)的情況下使用柴油醇燃料，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性和環(huán)保的要求。研究表明加入1％的助溶劑和10％－15％乙醇的柴油醇燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)微粒與一氧化碳排放顯著降低，發(fā)動(dòng)機(jī)500小時(shí)耐久性試驗(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油系統(tǒng)、機(jī)械磨損都正常，主要配合間隙沒有超差，柴油醇在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用將具有很大潛力。

　　醇類燃料甲醇可由一氧化碳和氫氣合成制得，因此它可從煤、天然氣和油頁巖制取。乙醇可利用發(fā)酵的方法，從甘蔗、玉米、薯類等農(nóng)作物及木質(zhì)纖維素中提取，這些原料不僅儲(chǔ)量大，而且大都可再生，是一種可再生能源。存在的問題是乙醇制取能耗較大、成本較高，約為汽油的兩倍，需在生產(chǎn)技術(shù)上尋求突破，降低能耗和成本，則乙醇燃料會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　4.二甲醚

　　二甲醚(Dimethyl ether)，簡(jiǎn)稱DME，是一種含氧燃料，它無毒性，常溫常壓下為氣態(tài)，常溫時(shí)可在五個(gè)大氣壓下液化，具有與液化石油氣相似的物性。二甲醚無C-C鏈，其十六烷值大于55，具有優(yōu)良的壓燃性，非常適合于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，用作為柴油機(jī)的代用燃料。

　　國內(nèi)外相關(guān)研究表明燃用二甲醚燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，在對(duì)原柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)進(jìn)行必要改造后，在保持原柴油機(jī)高熱效率前提下，可使氮氧化物有大幅度降低，碳煙排放為零，沒有任何加速煙度，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲可降低10dB(A)左右。使發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳?xì)浜腿╊愑泻ε欧啪哂羞_(dá)到世界上最嚴(yán)格的美國加州超低排放車(ULEV)標(biāo)準(zhǔn)的潛力。

　　顯示了二甲醚燃料可十分理想地作為潔凈代用燃料，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)汽車高效率、低噪聲、超低排放的前景。由于DME燃料的超低排放特性，二甲醚燃料汽車技術(shù)已引起到國內(nèi)外專家高度重視，各國紛紛開始研制開發(fā)燃用二甲醚燃料的車用柴油機(jī)和汽車。

　　同時(shí)從二甲醚燃料衍生或有關(guān)的具有較高沸點(diǎn)的含氧燃料，如 Dimethoxy methane (DMM),Diethylene glycol dimethyl ether (DGM), Diemethyl carbonate （DMC），Diethyl succinate (DES)等，近幾年也受到發(fā)動(dòng)機(jī)研究者的高度興趣和重視，利用上述含氧燃料與柴油制成混合燃料可顯著改善柴油機(jī)碳煙排放。為今后汽車燃料的設(shè)計(jì)與多樣性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料霧化、著火、燃燒和有害排放的控制提供了新途徑。

　　二甲醚燃料的制取可以煤、天然氣、生物有機(jī)物等為原料產(chǎn)生合成氣一氧化碳、二氧化碳和氫氣，然后常規(guī)通過二步法先制得甲醇，進(jìn)一步脫水制成二甲醚。近年來丹麥Topsoe公司等成功地開發(fā)出了以天然氣為原料產(chǎn)生合成氣，由合成氣一步法高效制備二甲醚的工藝，大大降低了二甲醚的生產(chǎn)成本。

　　5．生物燃料

　　地球變暖已引起世界各國的關(guān)注，人們正在開發(fā)來源廣泛的生物能源。生物燃料是指從農(nóng)作物或動(dòng)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、棕櫚油、豆油、甲醇酯混合油等。將植物油和動(dòng)物脂肪與酒精反應(yīng)，脫去甘油三酸脂轉(zhuǎn)變成甲酯或乙基酯之后就可以在柴油機(jī)上使用，這些酯類物被稱?quot;生物柴油"。

　　生物柴油中的富氧可以加快燃燒速度，減少CO、HC和微粒排放。一般的酯化燃料十六烷值較高，燃料的性質(zhì)與輕柴油接近，但發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)金屬會(huì)受到甲酯的腐蝕。生物燃料是一種可再生能源，特別在環(huán)境效益上，生物質(zhì)生產(chǎn)過程中會(huì)吸收大氣中的CO2，有助于減輕地球室溫效應(yīng)。

　　6．發(fā)展前景

　　為了確保國家能源安全，減輕對(duì)石油需求的壓力，我國加快了天然氣的開發(fā)利用，國家已開始大規(guī)模天然氣管網(wǎng)的建設(shè)，北方的陜京天然氣管線；中部的"西氣東輸"工程，長4200公里的管道從新疆塔里木盆地的出發(fā)，經(jīng)過甘肅、寧夏、陜西、山西、河南、安徽、江蘇到上海，2004年將建成送氣；南方的LNG接受站建設(shè)，可以預(yù)期天然氣作為汽車燃料在今后的數(shù)十年將有大發(fā)展。

　　此外，根據(jù)我國自然條件和"富煤貧油"能源資源特點(diǎn)，可從煤制取的二甲醚燃料和從生物質(zhì)木薯、秸稈、玉米等制取的乙醇燃料，將有潛力發(fā)展成為具有中國特色的汽車代用燃料。目前生產(chǎn)燃料乙醇的項(xiàng)目已列入國?quot;十五"示范工程重大項(xiàng)目，乙醇將有望作為汽油添加劑逐步取代MTBE，柴油醇燃料研究已實(shí)質(zhì)性啟動(dòng)。

　　2001年4月國家推廣應(yīng)用車用乙醇汽油試點(diǎn)項(xiàng)目之一-20萬噸變性燃料乙醇項(xiàng)目，在南陽天冠集團(tuán)公司正式投產(chǎn)，河南省政府在部分地區(qū)開始車用汽油醇應(yīng)用的示范。在長春一個(gè)用玉米為原料、年產(chǎn)60萬噸燃料乙醇工程已開工，這是我國目前最大的燃料乙醇生產(chǎn)項(xiàng)目，生產(chǎn)規(guī)模在世界范圍也位居前列。

　　在我國廣西壯族自治區(qū)出產(chǎn)一種易于種植的作物木薯，非常適合于生產(chǎn)酒精，目前自治區(qū)政府用木薯作為原料生產(chǎn)乙醇燃料的項(xiàng)目正計(jì)劃上馬。二甲醚燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上高效清潔利用研究已被列入國家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容。

　　以煤為原料生產(chǎn)二甲醚燃料，已經(jīng)引起有關(guān)部門的高度重視，我國將建設(shè)一批規(guī)模生產(chǎn)二甲醚的工廠，寧夏石化集團(tuán)與加拿大合資正在興建一個(gè)年產(chǎn)83萬噸二甲醚與10萬噸甲醇的工廠，此外陜西、四川等地也將上一批規(guī)模不等的二甲醚燃料項(xiàng)目。

　　7. 結(jié)論

　　針對(duì)我國自然條件和"富煤貧油"能源資源特點(diǎn)，加快天然氣的開發(fā)利用，同時(shí)發(fā)展可從煤、天然氣制取的二甲醚燃料和從生物質(zhì)木薯、秸稈、玉米等制得的乙醇燃料，形成適合中國國情、具有中國特色的汽車代用燃料體系，對(duì)逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu)，降低對(duì)石油燃料的依賴性，減輕對(duì)石油需求的壓力，保證我國能源安全，保護(hù)大氣環(huán)境具有重大戰(zhàn)略意義。