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清潔燃料

是指燃燒時(shí)不產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有害的物質(zhì),或有害物質(zhì)十分微量,如天然氣、液化石油氣、煤氣、酒精、無(wú)鉛汽油、核燃料等。

   與之相反的不清潔燃料是煤炭、石煤、含鉛汽油、柴油等,燃燒量產(chǎn)生大量二氧化硫、鉛蒸汽、碳黑等有害物質(zhì),要盡量限制使用或轉(zhuǎn)化為清潔燃料后使用,如將煤炭轉(zhuǎn)化為煤氣后使用。

  交通工具所消耗的能源占總能源消耗的比例是相當(dāng)大的。國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展,帶動(dòng)了汽車工業(yè)的快速發(fā)展,同時(shí)也帶來(lái)了汽車尾氣污染等問(wèn)題,汽車排放的污染物對(duì)人類的身體健康造成很大危害。著名的美國(guó)洛杉磯光化學(xué)煙霧污染事件,就是由于汽車尾氣和工業(yè)廢氣排放造成的。我國(guó)城市的大氣污染也日趨嚴(yán)重,煤煙、工業(yè)揚(yáng)塵、汽車有害物的排放是危害大氣的三大污染源。其中大約63%的一氧化碳、50%的氮氧化物、73%的烴類(包括有機(jī)揮發(fā)物VOC)、80%的鉛(烷基鉛)來(lái)自于汽車尾氣排放,汽車排放污染已成為城市大氣的主要污染源之一。

  (1)清潔汽油

  汽油是汽車最常用的燃料。汽油和空氣混合后被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中,通過(guò)壓縮使氣體混合物升壓,達(dá)到一定程度后點(diǎn)火便會(huì)劇烈燃燒,但一部分汽油不等點(diǎn)火就超前發(fā)生了爆炸式燃燒,這種不能控制的燃燒過(guò)程稱為爆震。汽油的爆震既損失能量、浪費(fèi)燃料,又損壞汽缸。爆震現(xiàn)象與汽油的化學(xué)組成有關(guān),汽油中直鏈烷烴在燃燒時(shí)發(fā)生的爆震程度比較大,而芳香烴和帶有支鏈的烷烴則不易發(fā)生爆震。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn),汽油中以正庚烷的爆震程度最大,而異辛烷的爆震程度最小。人們把衡量爆震程度大小的標(biāo)準(zhǔn)叫做辛烷值,把正庚烷的辛烷值定為0,異辛烷的辛烷值定為100。汽油的辛烷值越高,汽油的抗爆震性能越好。

  辛烷值是車用汽油最重要的質(zhì)量指標(biāo),采用抗爆震劑是提高車用汽油辛烷值的重要手段。四乙基鉛

  〔Pb(C2H5)4〕是最常用的汽油抗爆震劑,只要少量的四乙基鉛就能大大提高汽油的辛烷值。從1921年起,四乙基鉛作為有效而又經(jīng)濟(jì)的汽油抗爆震劑被廣泛使用。四乙基鉛是一種帶有水果味、具有毒性的油狀液體,它的毒性要比鉛及鉛的化合物大100倍。由于汽油中添加了四乙基鉛,導(dǎo)致鉛隨汽車尾氣被排放到大氣中。當(dāng)人長(zhǎng)期通過(guò)呼吸或食物攝入有機(jī)鉛時(shí),就會(huì)在體內(nèi)蓄積,鉛是唯一的人體不需要的微量元素,它幾乎對(duì)人體的所有器官都能造成損害。此外,鉛的存在還可使汽車尾氣凈化裝置中的催化劑“中毒”而失去凈化效果。因此,早在1972年12月,美國(guó)宣布逐步淘汰含鉛汽油,到1996年1月1日,美國(guó)已實(shí)現(xiàn)全面禁止含鉛汽油。日本1985年也實(shí)現(xiàn)了普通汽油無(wú)鉛化。我國(guó)從1990年起,在北京、上海、廣州等少數(shù)大城市首先使用無(wú)鉛汽油,并于2000年1月1日開(kāi)始執(zhí)行實(shí)施新的汽車排放污染物控制標(biāo)準(zhǔn)(GB14761—1999),規(guī)定2000年7月1日起全國(guó)范圍內(nèi)停止生產(chǎn)、使用和銷售含鉛汽油。

  所謂無(wú)鉛汽油,是指提煉過(guò)程中沒(méi)有添加含鉛抗爆震劑的汽油,而是添加甲基叔丁基醚(MTBE)作為高辛烷值組分。這種組分沸點(diǎn)低,可以改善汽油的蒸發(fā)性能,對(duì)汽車的啟動(dòng)、加速以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有利。無(wú)鉛汽油還可以減少汽車廢氣中的一氧化碳和氮氧化物的含量,大大減輕了對(duì)環(huán)境的污染。無(wú)鉛汽油在燃燒時(shí)仍可能排放有害氣體、顆粒物和冷凝物三大物質(zhì),對(duì)環(huán)境、人體健康的危害依然存在。其中,有害氣體以一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸餅橹鳌nw粒物以聚合的碳粒為核心,可長(zhǎng)期懸浮于空氣中,易被人體吸入。冷凝物指尾氣中的一些有機(jī)物,包括未燃油、醛類、苯、多環(huán)芳烴、苯并[α]芘等多種污染物,在高溫尾氣中呈氣態(tài),遇外界冷空氣可凝結(jié),通常吸附在顆粒物上,可隨顆粒物吸入到人體肺臟深處長(zhǎng)期滯留,具有一定的致癌性。其次,為了保持去鉛后汽油辛烷值的穩(wěn)定,需對(duì)原油進(jìn)行催化裂化、烷基化等精煉,由此又不可避免地造成烯烴、芳烴類物質(zhì)含量的增加,從而增加了尾氣中烯烴、甲醛、苯及苯環(huán)類物質(zhì)的排放。芳烴燃燒時(shí)產(chǎn)生較高的溫度,不僅增加了尾氣中的氮氧化物,還可使汽油燃燒不完全。

  當(dāng)前世界各國(guó)非常重視提高燃料的質(zhì)量,推薦使用清潔汽油。中國(guó)國(guó)家環(huán)??偩忠延?999年頒布了《車用汽油有害物質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)》,該標(biāo)準(zhǔn)要求氧含量不小于2.7%;硫含量不大于0.08%,苯含量不大于2.5%(體積分?jǐn)?shù)),芳烴含量不大于40%(體積分?jǐn)?shù)),烯烴含量不大于35%(體積分?jǐn)?shù))。新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行將使我國(guó)汽車尾氣污染大幅度下降。配合采用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)(電子控制汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī))和三元催化裝置,將使燃油更充分的燃燒,可使尾氣污染減少。

  (2)天然氣及液化石油氣

  利用天然氣、液化石油氣代替汽油作為機(jī)動(dòng)車燃料具有以下優(yōu)點(diǎn)。

 ?、儋Y源豐富、污染小。據(jù)統(tǒng)計(jì),1994年底,全世界可開(kāi)采的天然氣儲(chǔ)量為140萬(wàn)億立方米,我國(guó)已探明的儲(chǔ)量為1.53萬(wàn)億立方米。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),有充足的能源保障。同時(shí),天然氣或液化石油氣以氣態(tài)方式進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī),能與空氣完全混合,從而使燃燒充分,大大降低廢氣排放。與汽油相比,其碳?xì)浠衔锏呐欧趴上陆?0%左右,CO下降80%,NOx下降40%,且無(wú)鉛污染,是一種理想的清潔能源。

 ?、诳贡鹦阅芎?,燃料經(jīng)濟(jì)。天然氣、液化石油氣辛烷值大于100,高于汽油5%~10%,具有很強(qiáng)的抗爆震性。天然氣儲(chǔ)量豐富,開(kāi)采運(yùn)輸方便,相同發(fā)熱量情況下天然氣、液化石油氣價(jià)格低于汽油價(jià)格,比燃油汽車可節(jié)約燃料費(fèi)約50%。

 ?、奂夹g(shù)成熟。天然氣、液化石油氣汽車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)幅度不大,技術(shù)已基本成熟。

 ?、苁褂冒踩?。汽油具有很大的揮發(fā)性,隨著氣溫升高揮發(fā)性加強(qiáng),而汽車燃料系統(tǒng)從構(gòu)造上并沒(méi)有十分嚴(yán)密的封閉措施,因此汽車在發(fā)生交通事故或漏油后極易引發(fā)火災(zāi)。而天然氣、液化石油氣被壓縮儲(chǔ)存在經(jīng)專門設(shè)計(jì)加工的高強(qiáng)度的氣瓶?jī)?nèi),傳輸和加注均是在嚴(yán)格封閉的管道中進(jìn)行的,比較安全。即使發(fā)生漏氣現(xiàn)象,由于天然氣的密度小于空氣,在空氣中遇風(fēng)而被驅(qū)散,加上天然氣燃點(diǎn)高(537℃以上),不易形成可燃性混合氣,所以天然氣汽車一般不易發(fā)生火災(zāi)。

 ?、萜嚢l(fā)動(dòng)機(jī)壽命延長(zhǎng)。由于天然氣、液化石油氣燃燒比較完全,汽缸不積炭,可減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損,從而節(jié)約維修費(fèi)用,延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

  目前天然氣的儲(chǔ)存方法應(yīng)用最廣的是壓縮天然氣(CNG)技術(shù),它是將天然氣壓縮至儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi),其壓力大約為20MPa,在汽車上經(jīng)過(guò)減壓設(shè)備減壓后供內(nèi)燃機(jī)燃燒。另一種大有前途的天然氣的儲(chǔ)存技術(shù)是吸附天然氣(ANG),它是在氣瓶?jī)?nèi)加入特殊的吸附劑,可在較低的壓力下存儲(chǔ)天然氣,存儲(chǔ)密度與CNG相當(dāng),目前優(yōu)良的吸附劑還有待開(kāi)發(fā)。

  利用天然氣作為汽車燃料的主要不足是動(dòng)力性低、燃料容器耐壓性、密封性等要求高,加氣站建設(shè)投資大,發(fā)動(dòng)機(jī)混合與控制技術(shù)要求高等缺點(diǎn)。

 ?。?)二甲醚

  二甲醚(DME)也是一種比較理想的汽車代用燃料。二甲醚的分子式為CH3OCH3,在常溫、常壓下為無(wú)色、無(wú)味氣體。常溫下蒸氣壓為0.5MPa,在同等溫度下,二甲醚的飽和蒸氣壓低于液化氣,極易壓縮液化,儲(chǔ)存運(yùn)輸比液化石油氣更安全。

  目前二甲醚主要用作溶劑、制冷劑、拋射劑和合成其他化工產(chǎn)品的中間體。由于二甲醚分子中自身含氧,組分單一,因此燃燒性能好,熱效率高,燃燒過(guò)程中無(wú)殘留物、無(wú)黑煙,CO、NOx排量低,是公認(rèn)的清潔能源。近年來(lái),許多國(guó)家已將二甲醚作為代替柴油、液化石油氣的潛在能源來(lái)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

  ①替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。

  使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車的主要問(wèn)題是尾氣氮氧化物的排放和顆粒物質(zhì)黑煙的生成。研究表明,二甲醚是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)理想的替代燃料。二甲醚十六烷值大于55,具有優(yōu)良的壓縮性,非常適合于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī),可用作柴油機(jī)的代用燃料。研究表明,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改用二甲醚后,發(fā)動(dòng)機(jī)完全消除了黑煙排放,氮氧化物排放降低50%~70%,未燃碳?xì)浠衔锱欧沤档?0%,CO排放降低20%,排放指標(biāo)不僅滿足歐洲Ⅱ和Ⅲ號(hào)標(biāo)準(zhǔn),而且接近歐洲于2005年實(shí)施的排放標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)加州的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

 ?、谔娲夯蜌庾髅裼们鍧嵢剂稀?/p>

  二甲醚的物理性質(zhì)與液化石油氣相似,可替代液化石油氣作為民用清潔燃料。其特點(diǎn)一是可燃性好,二甲醚本身就是含氧燃料添加劑,其燃燒充分、完全,無(wú)碳析出,幾乎無(wú)殘留物,廢氣無(wú)毒,符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn);二是液化壓力低,常溫下二甲醚的蒸氣壓低于液化氣和天然氣,在室溫下即可壓縮成液體,可用液化氣儲(chǔ)罐灌裝,能確保運(yùn)輸安全。同時(shí)因其常溫下為氣體,不需預(yù)熱,隨用隨開(kāi),快捷方便;三是無(wú)毒性,二甲醚對(duì)人體呼吸道、皮膚有輕微刺激作用,但對(duì)人體無(wú)毒性反應(yīng);四是安全可以控制,其爆炸下限比液化氣高1.3倍,爆炸隱患大大縮小;五是燃燒值高。

 ?。?)燃料乙醇

  燃料乙醇是用糧食或植物生產(chǎn)的可加入汽油中的品質(zhì)改善劑。車用乙醇汽油中,乙醇既是一種能源,又是一種良好的汽油增氧劑和高辛烷值調(diào)和組分,用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚。用乙醇作增氧劑,可顯著降低汽車尾氣中的有害物質(zhì),可以降低一氧化碳排放量約30%~38%,起到凈化空氣的作用。更重要的是乙醇是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式,在整個(gè)自然界這個(gè)大系統(tǒng)中,乙醇的整個(gè)生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程可形成無(wú)污染和非常清潔的閉路循環(huán)過(guò)程,是一種非常理想的綠色能源。

  將剩余糧食轉(zhuǎn)化為燃料乙醇,是解決當(dāng)前糧食問(wèn)題及國(guó)家石油短缺、環(huán)境惡化的較好的解決方案,而且對(duì)于農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)保、交通等方面將起到積極的推動(dòng)作用。2000年在河南天冠集團(tuán)投產(chǎn)的年產(chǎn)20萬(wàn)噸變性燃料乙醇項(xiàng)目,標(biāo)志著我國(guó)燃料乙醇作為汽車動(dòng)力燃料之一的開(kāi)始。

  (5)生物柴油

  所謂生物柴油就是利用含油植物或動(dòng)物油脂作為原料,經(jīng)反應(yīng)改性成為可供內(nèi)燃機(jī)使用的一種燃料,是典型的綠色能源。生物柴油是優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。它和傳統(tǒng)的柴油相比,具有潤(rùn)滑性能好,儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用安全,抗爆震性好,燃燒充分,環(huán)保及可再生性等優(yōu)良性能。目前世界各國(guó)大多使用20%生物柴油與80%石油柴油混配,可用于任何柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和直接利用現(xiàn)有的油品儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分銷設(shè)施。使用生物柴油,可使柴油車尾氣中有毒有機(jī)物排放量減小90%,顆粒物減小80%,無(wú)SO2和有機(jī)鉛排放,CO2和CO排放量?jī)H為使用傳統(tǒng)柴油的10%。以生物柴油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī),其廢氣排放指標(biāo)不僅可滿足歐洲Ⅱ號(hào)標(biāo)準(zhǔn),而且可滿足更加嚴(yán)格的歐洲Ⅲ號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。

  柴油分子是由15個(gè)左右的碳鏈組成的,研究發(fā)現(xiàn)植物油分子則一般由14~18個(gè)碳鏈組成,與柴油分子的組成相近。按化學(xué)成分分析,生物柴油燃料是一種高級(jí)脂肪酸甲酯,它是通過(guò)以不飽和油酸C18為主要成分的甘油酯分解而獲得的。

  目前生物柴油主要用化學(xué)法生產(chǎn),主要原料為菜子油和豆油等植物油或動(dòng)物油脂、廢餐飲油等,與甲醇或乙醇在酸或堿性催化劑和230~250℃下進(jìn)行酯化反應(yīng),生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯,再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生產(chǎn)過(guò)程中可循環(huán)使用,生產(chǎn)設(shè)備與一般制油設(shè)備相同,生產(chǎn)過(guò)程中還可產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油。

  化學(xué)法生產(chǎn)生物柴油的主要問(wèn)題是生產(chǎn)成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì),生物柴油制備成本的75%是原料成本。因此,采用廉價(jià)原料及提高轉(zhuǎn)化從而降低成本是生物柴油能否實(shí)用化的關(guān)鍵。美國(guó)已開(kāi)始通過(guò)基因工程方法研究含油量高的植物,日本采用工業(yè)廢油和廢煎炸油,歐洲是在不適合種植糧食的土地上種植富油脂的農(nóng)作物。

  化學(xué)法合成生物柴油有以下缺點(diǎn):工藝復(fù)雜、醇必須過(guò)量,后續(xù)工藝必須有相應(yīng)的醇回收裝置,能耗高;色澤深,由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì);酯化產(chǎn)物難于回收,成本高;生產(chǎn)過(guò)程有廢堿液排放。

  為解決上述問(wèn)題,人們開(kāi)始研究用生物酶法合成生物柴油,即用動(dòng)物油脂和低碳醇通過(guò)脂肪酶進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng),制備相應(yīng)的脂肪酸甲酯或乙酯。酶法合成生物柴油具有條件溫和、醇用量小、無(wú)污染排放的優(yōu)點(diǎn)。但目前主要問(wèn)題有:對(duì)甲醇及乙醇的轉(zhuǎn)化率低,一般僅為40%~60%;短鏈醇對(duì)酶有一定毒性,酶的使用壽命短;副產(chǎn)物甘油和水難于回收,不但對(duì)產(chǎn)物形成抑制,而且甘油對(duì)固定化酶有毒性,使固定化酶的使用壽命縮短。


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