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)世界能源大會數(shù)據(jù)表明，我國的能源資源，煤的保有儲量約占世界的30％，可采年數(shù)達(dá)數(shù)百年，石油的保有儲量僅占世界的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)境的一個主要污染源。據(jù)統(tǒng)計，近年來上海城區(qū)內(nèi)機(jī)動車排放的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)動車排放污染日趨嚴(yán)重。

　　因此如何在后石油時代，針對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)動機(jī)上實現(xiàn)高效、低污染的燃燒，控制汽車發(fā)動機(jī)有害排放對我國城市大氣質(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。

　　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)。天然氣汽車因為其良好的排放特性及豐富的儲量而成為各種代用燃料汽車的首選。

　　天然氣的儲存方式主要有壓縮天然氣(CNG，15MPa～20MPa)、液化天然氣(LNG，沸點-162℃)和吸附天然氣(ANG)；CNG是目前車用天然氣燃料的主要儲存方式，CNG在汽車上使用的主要缺點是儲氣瓶重量重、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存方式是液化天然氣，LNG是對地質(zhì)開采的天然氣氣體通過"三脫"凈化處理，實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)成本相對較高是制約其發(fā)展的因素。

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

　　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)動機(jī)熱效率高，發(fā)動機(jī)可在空氣過量系數(shù)(λ)較大的范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒，點火能量低，不到汽油最低點火能量的1/10，且氫燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，低溫下易起動，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。

　　氫的主要缺點是儲運(yùn)性能很差，氫的沸點為-253℃，以液態(tài)方式儲存時成本高，不適宜長期儲存。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。作為汽車燃料，醇類燃料自身含氧，在發(fā)動機(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)動機(jī)的NOx排放較低。

　　發(fā)動機(jī)使用甲醇燃料，會產(chǎn)生有毒的醛類排放。此外甲醇對人體毒性較大，它對金屬有腐蝕作用，對橡膠皮革有溶漲作用，會使塑料提早老化，這些缺點使甲醇在實際應(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火塞點燃，要對燃燒系統(tǒng)做較大改動。

　　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)動機(jī)不作改動或是很少改動的情況下使用柴油醇燃料，滿足發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性，動力性和環(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)動機(jī)微粒與一氧化碳排放顯著降低，發(fā)動機(jī)500小時耐久性試驗后，發(fā)動機(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，則乙醇燃料會有非常廣泛的應(yīng)用前景。

　　4.二甲醚

　　二甲醚(Dimethyl ether)，簡稱DME，是一種含氧燃料，它無毒性，常溫常壓下為氣態(tài)，常溫時可在五個大氣壓下液化，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)動機(jī)，在對原柴油機(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)動機(jī)燃燒噪聲可降低10dB(A)左右。使發(fā)動機(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。

　　同時從二甲醚燃料衍生或有關(guān)的具有較高沸點的含氧燃料，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)計與多樣性，進(jìn)而實現(xiàn)對燃料霧化、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)動機(jī)噴油系統(tǒng)金屬會受到甲酯的腐蝕。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，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)燃料乙醇的項目已列入國?quot;十五"示范工程重大項目，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質(zhì)性啟動。

　　2001年4月國家推廣應(yīng)用車用乙醇汽油試點項目之一-20萬噸變性燃料乙醇項目，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)乙醇燃料的項目正計劃上馬。二甲醚燃料在發(fā)動機(jī)上高效清潔利用研究已被列入國家973重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目的研究內(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目。

　　7. 結(jié)論

　　針對我國自然條件和"富煤貧油"能源資源特點，加快天然氣的開發(fā)利用，同時發(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，對逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu)，降低對石油燃料的依賴性，減輕對石油需求的壓力，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。