燃料乙醇在我国油品升级中的替代研究

刘钺，杜风光

（河南天冠企业集团有限公司，车用生物燃料技术国家重点实验室，河南南阳473000）

燃料乙醇在我国油品升级中的替代研究

刘钺，杜风光

（河南天冠企业集团有限公司，车用生物燃料技术国家重点实验室，河南南阳473000）

随着国内环境的日益恶化，政府针对治理空气污染PM2.5的政策频频出台，油品标准升级也越来越受到国家关注。近年来，我国油品质量升级步伐很快，但市场上高低标准油品并行现象较为普遍，油品升级困难重重。燃料乙醇既可以替代汽油，同时又是一种优良的汽油添加剂和油品高辛烷值组分，对于降低机动车排放、改善空气质量、消除雾霾天气起到了很好的作用。世界各国燃料乙醇的推广实践已经证明，汽油中添加乙醇是低成本且简单有效的油品升级之路。

燃料乙醇；油品升级

自2012年开始，随着国内环境的日益恶化，政府针对治理空气污染PM2.5的政策频频出台，而机动车排放是治理PM2.5的重中之重，因此油品标准升级也越来越受到国家关注。近年来，我国油品质量升级步伐很快，从2000年以来，车用汽柴油标准从国一升级到国五，汽油标准从2000年的硫含量不大于1000 ppm下降到国五的不大于10 ppm、下降99%。同期，中国石化持续加大投入，不断提升油品质量，中国石化《年报》显示，2000年至2014年累计向炼油板块投入2615亿元。今后，中国石化每年还要投入300亿元进行升级改造，为社会提供更多的优质资源，减少环境污染［1］。然而，油品升级“中国速度”下隐藏着诸多问题。多位业内人士表示，市场上高低标准油品并行现象较为普遍，甚至出现“劣币驱逐良币”的情况。而且各地对油品升级的执行力、监管力度不同，部分石油企业拖延置换，地炼企业压力大，难以全部按时完成升级，这些都让借油品升级治霾的效果大打折扣［2］。

燃料乙醇既可以替代汽油，同时又是一种优良的汽油添加剂和油品高辛烷值组分，对于降低机动车排放、改善空气质量、消除雾霾天气起到了很好的作用，为欧美各国实践所证实。汽油中添加乙醇是低成本且简单有效的油品升级之路——乙醇的含氧量高，燃烧均匀，热效率高，从而使发动机的动力性、经济性及排放性都可以得到改善；乙醇的研究法辛烷值较高，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽油的辛烷值，抵消油品升级带来的不利影响；燃料乙醇属于清洁、绿色、可再生能源，产品中不含硫，乙醇汽油的应用可以直接降低成品油中的硫含量，减少了脱硫的成本。

1　我国汽油油品升级的历史回顾

我国油品质量升级速度逐步加快，用10年左右的时间经历了欧美国家近20年的升级道路。

2003年1月，汽油质量升级为国标GB 17930—1999，汽油中硫含量由不大于1500 ppm降低至800 ppm以下。

2005年7月，升级为修订版国标GB 17930—1999，汽油中硫含量降低至500 ppm以下。

2010年5月，升级为国标GB 17930—2006，即国三汽油标准，汽油中硫含量降低至150 ppm以下。

从2014年1月1日起，升级为国标GB 17930—2011，即国四汽油标准，汽油中硫含量降低至50 ppm以下。

从2013年10月1日起，上海、江苏沿江8地市以及广东6地市开始置换国五标准汽油，其他省市开始置换国四汽油。

在2015年4月28日召开的国务院常务会上，确定了加强清洁油品生产供应，力争提前完成成品油质量升级任务：一是将2016年1月起供应国五标准车用汽、柴油的区域从原定的京津冀、长三角、珠三角等区域内重点城市扩大到整个东部地区11个省市全境；二是将全国供应国五标准车用汽柴油时间由原定的2018年1月提前至2017年1月；三是增加高标准普通柴油供应，分别从2017年7月和2018年1月起在全国供应国四和国五标准普通柴油。

国四标准升级为国五标准，重要的变化是硫含量、锰含量减少和烯烃含量降低。无论是硫还是锰的含量偏高，很容易造成烧不尽的情况，从而造成积累，对汽车的喷嘴、汽油尾气催化转换器等重要部件造成损害。一些产物如锰的氧化物还会以微粒形态排放到大气中，增加了空气中颗粒物的浓度。汽油质量由第三阶段升级至四、五阶段，从主要指标来看有几大变化：一是硫含量大幅度降低，由国三的150 ppm降到国四的50 ppm、国五的10 ppm；二是烯烃指标也有所下降，由国三的30%降到国四的28%、国五的25%；三是锰剂添加要从国三的0.016 g/L降低至国四的0.008 g/L［3］。

2　车用乙醇汽油可有效减少汽车尾气有害物的排放

使用乙醇混合燃料可以改进发动机的燃烧效果，减少一氧化碳、二氧化硫、未燃碳氢化合物和烟尘以及颗粒物的排放。乙醇的含氧量高，约为34.8%，在燃烧过程中有自供氧效应，这意味着同样质量的燃料完全燃烧所需的空气质量就相对较少，有利于高原地区的应用；同时也能比MTBE以更少的添加量加入汽油中。若在同样的进气条件下，乙醇由于自身含氧则使燃烧过程得到改善，燃烧较为均匀，局部富氧和局部缺氧的概率减少，热效率提高，则发动机的动力性、经济性及排放性都可以得到改善。

据法国研究部门测试，与使用普通汽油比较，使用含燃料乙醇5%～7%的汽油，汽车尾气中CO排放量下降15%～40%，NOX排放量下降50%～70%，未燃烧的碳氢化合物排放量下降2%～7%。美国橡树岭国家实验室研究报告显示，使用E10乙醇汽油尾气中NMHC（非甲烷总烃）减少20%，CO减少14%。据我国汽车研究中心对添加10%燃料乙醇的汽油和普通汽油进行的对比试验，由于增加了含氧量，汽车尾气中的CO和碳氢化合物排放量分别下降了30.8%和13.4%，同时使用车用乙醇汽油所产生的温室气体CO2要比使用普通汽油减少3.9%。我国广西环保监测中心站的数据显示，使用E10乙醇汽油后，汽车尾气中碳氢化合物浓度平均下降42.7%，CO浓度平均下降34.8%。中国交通汽车运输行业能源利用监测中心数据显示，使用E10乙醇汽油后汽车尾气中的CO排放量减少了19.7%，NMHC排放量减少了16.4%［4］。

3　汽油中添加乙醇可有效减少芳烃和烯烃的含量进一步改善排放

美国环保局（EPA）和加州理工学院的研究发现，汽油中的芳香族化合物会增加尾气中颗粒物（PM）的排放，同时也是形成二次细颗粒物PM2.5中有机物的主要成分。有研究显示，在-29%～24%范围内，颗粒物（PM）减排量和汽油中氧含量成正比例关系，与温度无关。乙醇汽油中含氧量明显高于普通汽油，非常有利于颗粒物（PM）的减排。因此，在乙醇和芳香族化合物均能增加汽油辛烷值的情况下，使用乙醇代替芳香族化合物作为汽油添加剂，可以有效地减少颗粒物（PM）的排放。Whitten博士在美国第九届国家乙醇大会上的报告《Air quality and ethanol in gasoline》中指出，使用乙醇汽油代替普通汽油，常规排量汽车的颗粒物（PM）减排量为36.0%，高排量汽车的颗粒物（PM）减排量可达64.6%。澳大利亚海洋与大气研究所的研究结果显示，E10乙醇汽油替代普通汽油后，细颗粒物（PM2.5）减排量为8.0%～52.0%。美国橡树岭国家实验室的研究表明，与普通汽油相比，E10乙醇汽油的颗粒物（PM）减排量为6%～6.6%，E20乙醇汽油的颗粒物（PM）减排量能达到29.4%～41.8%。北京理工大学汽车动力性及排放测试国家专业实验室和北京汽车研究所也发现，使用E10乙醇汽油可以比普通汽油减排33.2%的颗粒物［5-6］。

汽油产品质量升级，最重要的贡献就是减少汽车尾气对大气的污染，比如烯烃含量的降低，就有利于减少雾霾。烯烃是一种不饱和烃，虽然其辛烷值高，但是挥发到大气中则很容易形成雾霾。汽油中的烯烃、芳烃、异构烷烃是辛烷值的主要贡献者，催化汽油的硫含量由50 ppm降到10 ppm时，由于烯烃的饱和，产品的辛烷值会有较大的降低，尤其是采用加氢脱硫的工艺，产品的辛烷值损失平均能达到两个单位以上。乙醇的研究法辛烷值（RON）较高，为111，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽油的辛烷值。因此，使用乙醇汽油的发动机可适当提高压缩比来提高热效率，从而获得较好的动力性能和经济性能。

4　汽油中添加乙醇是低成本且简单有效的油品升级之路

对国内的炼化企业来说，由于催化汽油占汽油总量的70%～80%以上，导致国四、国五标准油品升级的主要工作都集中在催化汽油的脱硫上。国五标准中要求汽油的硫含量进一步降低到10 ppm，这就需要对原来设计目标为国四标准的催化汽油脱硫装置进行投资改造，以进一步提高脱硫的程度，同时生产能耗、氢耗也会有所增加，汽油的生产成本相应加大。

催化汽油加氢后辛烷值至少损失一个单位以上，而且锰剂添加量的减少也使汽油辛烷值降低，因此需要增加高辛烷值汽油组分，需要新建或改造催化重整装置和MTBE装置，明显降低企业高标号汽油的产量，对企业的经济效益将产生较大的影响。因此，如何解决催化汽油脱硫的同时维持产品的辛烷值少损失是炼化企业在国五标准升级上所需解决的经济和技术难题。

截至2015年底，全国机动车保有量达2.79亿辆，其中汽车1.72亿辆；机动车驾驶人3.27亿人，其中汽车驾驶人超过2.8亿人［7］。增加的速度和数量会导致城市汽车保有量的继续攀升，PM的排放下降困难。从长远讲，解决雾霾的根本措施是调整能源结构和合理的城市发展规划；从短期来讲，控制机动车的尾气排放质量和急剧增加的机动车数量是最可行的办法之一。然而控制机动车的数量和提高燃油的品质相对而言需要的时间和代价巨大，燃料乙醇对于降低机动车排放、改善空气质量、消除雾霾天气已经起到了很好的作用，这已被欧美各国实践所证实。

汽油中添加乙醇是低成本且简单有效的油品升级之路：

（1）在汽车尾气的污染物中，含硫排放物是主要成分，一旦燃油中的硫含量下降，油品质量得到提升，燃油燃烧更充分，就能直接减少尾气中的PM2.5排放。燃料乙醇属于清洁、绿色、可再生能源，产品中不含硫，乙醇汽油的应用可以直接降低成品油中的硫含量，减少了脱硫的成本。

（2）辛烷值是代表汽油抗爆性的指标，这是衡量汽油在汽缸中抗爆震燃烧能力的一种数字指标，其值高则表示抗爆性好。汽油的辛烷值高，抗爆性好，质量也好。不可忽视的是，国五汽油标准中的降低硫含量、禁止添加锰剂在一定程度上降低了辛烷值。在炼油企业无法完全弥补超低硫化带来的辛烷值损失的情况下，最终只能通过调整汽油牌号来解决这一问题。乙醇的研究法辛烷值较高，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽油的辛烷值，消除油品升级带来的不利影响。同时乙醇属于清洁燃料，对环境友好，无类似MTBE污染地下水的潜在威胁。

（3）对于油品升级，最大的障碍在于成本控制。有专家表示，国内汽油的升级为了与欧美等发达国家看齐，减排效果与支付的升级成本相对失衡。按中国石油年产3000万t汽油测算，由国四标准升级到国五标准，实际减少排放硫1200 t；中国石化按4000万t汽油产量折算减排的硫为1600 t，按煤炭的含硫1%计算，2家企业合计减排的硫仅相当于28万t煤燃烧的排放量，占2014年全国煤炭35亿t消费量的0.008%，不足万分之一。中国石油、中国石化在汽油国四标准到国五标准的升级中，需对现有工艺流程进行改造，投资有可能超过300～400亿元，相对减排的总硫来说投资巨大，这还不包括生产国五标准汽油的能耗、损失等方面的成本增加［8］。

5　小结

燃料乙醇属于可再生生物能源，原料来源广泛，取自自然、用于自然，既能实现能源替代，保障我国的能源安全，又能够增加农民收入，有利于促进农村城镇化建设。随着燃料乙醇生产技术的进步和循环经济产业链的发展，乙醇生产已可以不需要额外的化石能源，同时非粮原料的利用有力地保证了我国的粮食安全，汽油中添加乙醇是真正低成本且简单有效的油品升级之路。

［1］“三桶油”加速油品升级：国五油将全国普及［N］.证券日报，2015-12-03.

［2］王璐.国内迎油品升级大潮低品油退市难重挫治霾成效［N］.经济参考报，2015-12-02.

［3］中石油加快油品升级预计2016年底全部达国V标准［N］.新华能源，2015-06-02.

［4］冯文生，杜风光，游泳.燃料乙醇政策研究及定价机制探讨［J］.经济研究导刊，2015（9）：287-290.

［5］蔡庆丽.车用乙醇汽油与大气环境保护［J］.百色学院学报，2015，28（3）：120-125.

［6］苏会波，林海龙，李凡，等.乙醇汽油对减少机动车污染排放的机理研究与分析［J］.环境工程学报，2015，9（2）：823-828.

［7］公安部交管局：截至2015年底全国机动车保有量达2.79亿辆［EB/OL］.（2016-01-26）.http://www.122.cn/xwzx/jtyw/672430. shtml.

［8］第五阶段车用汽油国家标准带动油品质量升级采访记［N］.中国质量报，2014-01-23.

Replacement of Fuel Ethanol in Oil Products Upgrading in China

LIU Yue and DU Fengguang
（State Key Lab of Motor Vehicle Biofuel Technology，He'nan Tianguan Group Co.Ltd.，Nanyang，He'nan 473000，China）

With the increasing deterioration of domestic environment，the government has formulated a series of policies for the control of air pollution PM2.5 and oil standards upgrading has the focus nationwide.In recent years，a great accomplishment has been made in oil products upgrading，however，there are still low-standard oil products in the market.Fuel ethanol can replace gasoline and it is also an excellent additive in gasoline and one of the components of oil with high octane value.The use of fuel ethanol could reduce vehicle emissions，improve air quality，eliminate haze weather and so on.The use experience of fuel ethanol in other countries proved that adding ethanol in gasoline is a low-cost，simple and effective way for oil products upgrading.

fuel ethanol；oil products upgrading

TS262.2；TK6

A

1001-9286（2016）10-0037-03

10.13746/j.njkj.2016148

2016-04-28

刘钺（1977-），男，高级工程师，研究方向为生物能源与生物化工的实验室研发及产业化，E-mail：liuyue20021@126.com。

优先数字出版时间：2016-07-11；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160711.1353.011.html。