醇醚替代燃料前景探讨

王廉敏

(山西省焦炭集团有限责任公司,山西太原030024)

醇醚替代燃料前景探讨

王廉敏

(山西省焦炭集团有限责任公司,山西太原030024)

分析了醇醚作为替代燃料的必要性,介绍了醇醚作为主要汽、柴油替代燃料的优势。通过对几种车用燃料特性的评价,认为甲醇作为车用燃料优于其他燃料。

替代燃料;甲醇;节能减排;循环经济

1 寻求替代燃料的必要性

能源是经济增长的动力。世界经济的发展对能(资)源特别是石油的需求持续增长,石油供求矛盾日益突出。我国在1996年已成为石油净进口国; 2000年的进口依存度达到36.6%,超过了警戒线; 2001年—2006年,我国石油进口量平均增长率为17.3%,进口额平均增长率为39.7%;之后,逐年提高。2005年,我国成为继美国、日本之后的第3大石油进口国,石油对外依存度达到43.0%;2006年,我国石油进口量达1.81亿t,进口额819.52亿美元,石油对外依存度上升到47.30%;到2009年,石油对外依存度突破50.00%,并成为继美国之后的第2大石油进口国。据预测,2020年,我国石油消费量将达到4.5亿t～5.0亿t,对外依存度将超过60.0%。

如何保障能源安全、稳定供应和经济可持续发展,已引起我国政府的高度重视。“十一五”期间,国家明确了“节约优先,立足国内,煤为基础,多元发展”的能源工作方针,加快发展洁净煤技术,节约能源与寻求替代燃料油工作被列入议事日程,并着重在工业领域开展。《国民经济和社会发展“十一五”规划纲要》中再次要求,“优化生产和消费结构,构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系”。为贯彻落实“十一五”规划,国家发展改革委员会出台了“节能中长期专项规划”,确定了“十一五”10大重点节能工程。其中,“节约和替代石油工程”提出发展石油替代产品,如发展醇醚燃料代油、推广高比例甲醇催化燃烧技术和醇醚燃料尾气净化技术等。“十二五”规划建议提出,未来5年,将加强现代能源产业和综合运输体系建设,推动能源生产和利用方式变革,构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系。

汽车是我国石油消费的重要用户,车用燃料是我国石油消费增长的最大驱动力。2006年末,全国民用汽车保有量达到4 985万辆(包括三轮汽车和低速货车1 399万辆),比2005年末增长15.2%。其中,私人汽车保有量2 925万辆,增长23.7%。车用燃料消耗约占全国石油总消耗量的42.5%。之后几年,我国汽车保有量均以2位数的幅度增长。据预测,到2020年,汽车保有量将增长到1.5亿辆以上,汽车用燃料将占石油消费总量的50.0%以上。2007年—2020年,交通消耗油量将占全国石油总消耗增量的85.0%以上。因此,车用燃料替代是石油替代燃料最重要的内容。

2 醇和醚作为主要替代燃料

2.1 醇和醚作为替代燃料的优势

甲醇是车用石油替代燃料最重要的品种之一。国内外学者针对甲醇替代汽油和二甲醚替代柴油开展了大量的应用研究工作,并取得了良好进展。我国已在低比例[M15(甲醇掺入质量分数为15%,下同)]、高比例(M85、M100)甲醇燃料发动机研发和甲醇燃料储存、防腐蚀、安全及甲醇汽车维修保养、试验检测等方面开展了长达20多年的研究工作,基本解决了甲醇汽油分层、腐蚀、溶胀、冷启动等问题,并对甲醇的毒性和使用安全性进行了一些技术评价。初步认为,低比例(M15)和高比例(M85、M100)甲醇燃料作为车用替代燃料都没有实质性的技术障碍。

世界各国车用燃料呈现多样化的发展趋势,大致有如下几类:

1)气体燃料,即天然气、液化石油气等。全球有40多个国家在使用气体燃料,使用车辆达500万辆以上。

2)生物质燃料,即乙醇和生物柴油。主要在欧洲各国和美国等国使用,每年有近1 000万t乙醇用作燃料,近300万t生物柴油以5%～20%的比例与柴油掺用。

3)煤基液体燃料,主要是煤制甲醇、二甲醚和合成液化燃料。主要在欧洲各国和美国等国使用。美国在20世纪末就已投放6万多辆甲醇车,年消耗甲醇100多万t。二甲醚的使用以日本、瑞典为主,他们开发了二甲醚客车,目前,二甲醚客车生产已进入商业化。合成液体燃料以南非为主,年产量在500万t,采用间接液化方法制备;直接液化法以德国和日本为主,目前,仍处在中试阶段,尚未工业化生产。

4)氢燃料。目前,主要在以美国为首的发达国家中组织技术攻关,发展趋势向好,但短期内难于产业化。

诸多替代燃料中,结合中国国情,最佳的选择是醇、醚燃料。理由如下:

一般认为,发展汽车替代燃料至少要具备4个条件:1)资源能否稳定长期供给;2)技术是否成熟可靠,能否和汽车技术协调发展;3)和石油相比,经济性、环保性有无竞争力;4)生产过程中的能源利用效率和CO2排放情况。

分析以上4个方面原因,得出如下结论:

1)煤制甲醇可稳定地长期供给。按专家预测, 6种主要能源中,风能、生物能虽然可长期供给,但只能解决局部地区对能源的需求。化石能源中,只有煤的可开采时间最长,煤制液体燃料可满足长期稳定供给的条件。

2)甲醇作为替代汽车用燃料的相关技术,国际上从20世纪六七十年代就已经开始研究,且已形成了一套完整适用的技术,包括专用发动机及灵活燃料车的开发、掺烧技术的优化和输配系统的建设等。

3)醇、醚燃料的经济性、环保性、安全性与石化燃料有很强的相关性和竞争力,其排放情况和气体燃料相当,是清洁燃料,经济性比目前使用的其他替代燃料都好。

4)在生产过程中,甲醇的分子转化率最高,全过程的CO2排放量比石油低。

2.2 各种车用燃料性能对比

研究结果表明,甲醇燃料是目前最为洁净的燃料。由于甲醇中的芳烃、烯烃含量比较低,所以其燃烧后尾气排放的CO、CH化合物含量也很低。经比较,甲醇车CO2的排放是汽油车的1/5,CH化合物排放是汽油车的1/10。实验证明,当甲醇汽油中甲醇体积分数达40%后,CO的排放基本为零。至于甲醛的排放,其实际情况是,传统汽油燃烧产生的甲醛要比甲醇燃烧产生的甲醛多得多。甲醇还有一个重要特征就是燃烧期间的热损耗较低。甲醇没有碳—碳链,理论上讲,燃烧时不会产生煤灰。因为碳粒是热辐射的有生力量,所以热辐射会明显降低。甲醇发动机因混合气体燃烧充分,其热效率比汽油发动机提高30.0%。所以,按热值计算,替代比可从2.1∶1降低到1.3∶1～1.6∶1。

我们采用单项10分制的办法对车用燃料进行了鉴别和评价,得出车用燃料特性评价结果(见第29页表1)。

由表1可知,甲醇作为替代燃料具有以下特点: 1)含氧量高,空燃比低,燃烧时进入气缸空气量小,氮气量少,产生NOx少;2)相对分子质量小,燃烧速度快,能充分燃烧,未燃残留物少;3)理论上,甲醇与汽油替代比为2.1∶1,但由于其热效率高,所以实际的替代比为1.3∶1～1.6∶1。

甲醇可以单独与汽油混合用于点燃式发动机中。按甲醇燃料与汽油的掺烧比例,可分为3类:甲醇掺烧量在10%以下的,称为低比例掺烧;掺烧量在10%～30%的,称为中比例掺烧;50%以上的,称为高比例掺烧。目前,研究较多的是不同比例甲醇掺入汽油的使用情况,如M3～M5(甲醇掺入比例3%～5%,下同)、M15～M50、M85～M100的甲醇汽油。

低比例掺烧甲醇(M5～M10)可直接作汽油使用,其与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,车辆尾气排放物减少10%。中比例掺烧(M10～M50)的甲醇容易出现遇水分层乳化、高温气阻、腐蚀溶胀、动力下降、体积油耗增加等问题,因此这一比例的掺烧必须使用添加剂。国内已开发了多种添加剂配方技术,并取得了较好的应用效果。高比例(M85)甲醇汽油和纯甲醇(M100)不需使用添加剂,但需对发动机进行改造。由于M85甲醇燃料具有易于冷启动、易混溶、不分层和着火时有明火易被发现的特点,而且高比例甲醇燃料(主要是M85)可提高发动机的压缩比,使发动机动力性、燃料经济性和减排效果明显提高,因此,M85高比例甲醇掺烧的研究和应用得到更多的关注。

表1 车用燃料特性评价结果

理论上,甲醇的动力性优于汽、柴油,有关专家及科研部门也做了这方面实地试验。山西省对M15、日本本田公司对M85、美国福特公司对M100等的不同比例甲醇掺烧的发动机进行了试验。结果证明,甲醇发动机同汽油发动机相比,功率相同或大于汽油发动机。美国福特公司对2.2 L M100发动机测试得出,汽油机功率在4 500 r下为92 k W/min,而甲醇发动机在5 000 r下为118 kW/min。综合有关数据显示,与同型号普通汽车相比,甲醇汽车的动力性基本相当,排放较好,在高油价时期的燃料经济性较好。

3 结语

目前,我国甲醇原料结构中,煤制甲醇约占总产能的61%,以天然气为原料的甲醇约占总产能的29%,以焦炉煤气为原料的甲醇约占总产能的10%。因此,就我国国情而言,在能源结构多元化的前提下大力发展甲醇替代燃料具有较好的经济性、环保性和安全性。就山西省省情而言,发展以高硫煤、焦炉煤气、煤层气等为原料生产甲醇并带动甲醇经济的发展,是山西省发展循环经济的重要选择,是提升传统产业的重要途径,是可持续发展的重大举措,是调整产业结构的重要方面,具有很强的现实意义和深远的历史意义。

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,中国矿业大学在读硕士研究生,主要从事企业经营管理工作。