甲醇汽油的排放特性和毒性分析

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1、甲醇汽油的排放特性和毒性分析2015. 51前言随着我国国民经济的快速发展，能源需求量也迅速增加，目前我国已成为 仅次于美国的全球第二大能源消费国，石油对外依存度越来越大。2013年我 国进口原油2.82亿t,对外依存度逼近60%。据预测，到2020年我国石油对 外依存度将达到73%,未来石油供应安全形势不容乐观。我国能源资源禀赋的特点是富煤、缺油、少气，为此，以煤炭为原料生产 甲醇作为替代能源成为一个新亮点。我国的山西省、陕西省己颁布了甲醇汽油 标准，并大量推广使用甲醇汽油，国家标准化管理委员会也于2009年颁布了 车用甲醇汽油M85标准。但由于燃烧甲醇会增加甲醛之类的非常规排放以 及甲醇的

2、毒性，使甲醇汽油在我国的普遍使用遇到障碍。甲醇作为替代燃料的 废气排放，特别是非常规废气排放以及甲醇相对汽油的毒性到底如何，是影响甲醇汽油推广使用的关键，本文将对这两个问题进行专门的讨论。2甲醇汽油的排放甲醇汽油燃烧后排出的尾气中，除了含有CO、NOx、HC等常规排放物外, 还含有未燃烧的甲醇和甲醇在燃烧过程中产牛的醛类、酮类等非常规排放物。 甲醇含氧，甲醇汽油可以改变燃料燃烧时的局部富氧和局部缺氧的状况，使燃 料在燃烧室中燃烧得更加完全，从而减少废气排放。甲醇不含硫，故不会降低 三元尾气转换器的效果。2. 1甲醇汽油的常规排放针对甲醇汽油的常规排放已做过很多试验研究，但结果差距较大，有的甚

3、至出现相反的结论。不过多数试验表明，燃烧甲醇汽油产牛的CO、HC在各种 试验条件下均低于普通汽油。而对NOx的排放却有不同的结论，以下是一些试 验的结果。尹航等采用整车试验，对汽油车和不同掺混比例的甲醇燃料车的常规污染 物排放特性进行了研究。结果表明，甲醇燃料车的CO和HC排放较汽油车 低 但NOx排放却高于汽油车。C0的排放都比燃用纯汽油下降了 60%以上， HC的排放下降了 40%60%,而NOx排放却上升了 2& 91%91.94%。姚春德等人也在电喷汽油机上进行了 M15和M50甲醇 汽油排放的台架试 验研究。试验结果表明，M50的CO排放在2000r/min和3600r/min时分别

4、 为纯汽油的1/6和1/8, HC排放为纯汽油的1/2,远低于燃烧纯汽油的排 放。M50在中低负荷和高负荷时的NOx排放低于纯汽油，而在中高负荷时又 高于纯汽油。孙志春等在双怠速工况下对M15甲醇汽油和93号汽油的常规排放进行 对比试验。结 果表明,在900r/min工况下，M15甲醇汽油的CO和HC排 放量分别降低约30%和17%；在2000r/min工况下，C0和HC排放量分别下 降了 10%和 29% o曹杰等在电喷汽油机上对M15、M25甲醇汽油和93号汽油进行了对比试 验研究。结果表明，燃用甲醇汽油比燃用93号汽油C0排放稍有降低，HC排 放降低明显。NOx排放在中低负荷时有所改善，

5、大负荷时排放增加。曹国忠也对130、M50甲醇汽油进行了常规排放试验。结果为：在低转速 时，M30的HC排放高于93号汽油，M50的HC排放低于93号汽油；在 中高转速下，甲醇汽油M30、M50的HC排放较93号汽油减少10%30%, M50的HC排放降低更多一些，但CO排放比93号汽油仅降低了 0.7%。胡玉斌、王明清在4G15S汽油机上进行了 M15甲醇汽油常规排放的台架 试验。结果表明，在怠速（800r/min）工况下，燃用M15甲醇汽油的C0和 HC排放降低幅度很大；而在高怠速（1800r/min）工况下，燃用M15甲醇汽油的 C0和HC排放与燃用93号汽油的排放量基本相同。在文献的研

6、究中，汽车燃用甲醇燃料的CO、IIC、NOx三种排放都低于燃用 93号汽油的排放。而在文献的研究中，M15甲醇汽油的HC、C0排放降低至汽 油的约50%, NOx排放与纯汽油接近。国际能源机构（IEA）曾委托芬兰国家试验研究中心对汽油（包括无催化净化 和有催化净化两种情况）和M85甲醇汽油在-7C和20C下的常规排放进行试验 研究,试验采用FTP程序（federal test proce-dure，美国联邦实验程序）, 结果见表loK 1汽乍摘MU放料K低VUK鬲报八4 11COIIQ-7T：532/12.610 VIS 1I.O6/L4H1 ； .I 5门M2.13/2.70代沽化冷化）0.

7、R6/2 083.27/6.750.0S/0J90.34V0.50、p wn 2：5710.06/0.07M8$中辭理越0.20/1.42.56/4.190.03/0.060.59/0 K6丄tftz t10 rur(ri9 J由表1数据可以看出，M85甲醇汽油的常规排放，除了在-7C时HC的排 放高于有催化净化的汽油外，其余所有的常规废气排放均远低于无催化净化的 汽油，也低于有催化净化的汽油。2. 2甲醇汽油的非常规排放燃烧甲醇汽油会产生醛类、酮类、未燃甲醇等非常规排放。燃烧纯汽油也 有醛酮类等非常规排放，但相对燃烧甲醇汽油，特别是高比例的甲醇汽油来说 要低许多。燃烧甲醇汽油的非常规排放主要

8、是甲醛和甲醇，其他醛酮类很少。姚春德通过试验发现，随着掺醇比例的增加，不经三效催化转换器，甲 醛、甲醇排放量迅速上升，M50的甲醛排放量为纯汽油的4倍。但经三效催化 转换器后，甲醛、甲醇排放显著降低，基本上可实现零排放。但在文献的试验 中，M15甲 醇汽油和93号汽油 在各种负荷下的甲醛排放量均值分别为 0. 07mg/m3和0. 04mg/m3,二者相差不人。该试验采用甲醛分析仪作为室内空 气现场甲醛测定仪。马志义等使用两辆汽车分别燃用甲醇汽油和普通车用汽油，在环境温度较 低的情况下测量两种燃料的甲醛排放，发现在-2C吋燃用Ml5及M25甲醇汽 油的甲醛排放量与燃用93号汽油相比相差不大，但

9、燃用M85甲醇汽油的甲醛 排放量相对燃用纯汽油明显增加。在-6-8C时，燃用93号汽油和M15、 M25、M85的甲醛排放量完全一致，并且所有燃料在低怠速与高怠速时甲醛排放 都处于一个较低的数值，因此认为怠速工况下转速对甲醛排放没有影响。魏衍举等在一台JL368Q3汽油机上分别燃用普通车用汽油和M10甲醇汽 油，并利用气相色谱仪测试了甲醇和甲醛的排放特性。结果表明，甲醇排放量 随发动机转速和排气温度的升高而降低，甲醛排放量随发动机转速和排气温度 的升高而增加。在中、高负荷时，燃用M10甲醇汽油，甲醛排放量为燃用汽油 的1545倍，但随着发动机转速的提高，两种负荷下的甲醛排放量差距逐 步减小。王

10、真等人对某轻型汽油车燃用低比例甲醇的非常规排放进行了台架测试， 釆用纯汽油和MIO、M20、M30甲醇汽油作为燃料，采用Fourier变换红外光谱 仪测量非常规排放。结果表明，在25C和-7C冷启动条件下，随着甲醇掺混比 的增大，未燃甲醇和甲醛的排放浓度明显增加，但是当催化剂起作用后，对甲 醇、甲醛等的转化效率很高，尾气管的污染物排放接近于零。1987年，中科院牛态环境研究中心的赵瑞兰等针对M15甲醇汽油对环境的影响进行了试验研究。发现在燃料储罐周围、泵房、驾驶室和修理车间的甲 醇浓度为0. 040. 55 u g/g,甲醛浓度为0. 00390.0025 ug/g,低 于我国 居民区大气环境

11、允许的日平均浓度规定（甲醇lmg/m3,约0. 84ug/g；甲醛0. 05mg/m3,约0. 04 u g/g） o该项研究表明，在市区常速行驶下使用M15甲醇 燃料，即使距离公路仅5m处，甲醇、甲醛的浓度也只有0. 05 u g/g和0.005 ug/g,仍低于居民区的卫生标准。3甲醇汽油的污染物排放特性分析尽管对甲醇汽油的排放特性已进行了不少试验研究，但各种试验结果相差 较人，有的其至出现了相反的试验结果。究其原因，笔者认为是由多种因素造 成的，包括试验方法、试验设备、试验环境条件、试验检测仪器、试验操作人 员的熟练程度、所用汽油的组成等。3. 1试验及检测设备问题对甲醇汽油的排放试验，

12、各研究单位所用的手段和设备有较大差别，有些 采用的是发动机台架试验，有些采用的是行车试验，而且发动机台架试验的发 动机型号和用于行车试验的车辆也不一样。就分析仪器来说，采用的分析手段 也不尽相同，有的采用红外光谱法，有的采用色谱法，有的采用荧光光度法、 电化学法、化学发光法等等。多数试验研究采用的是能分析多种气体成分的分 析仪，其原理主要是采用红外光谱法。汽油机排放的尾气成分复杂，有的方法 对某种气体分析较为准确，而对另-种气体则无能为力，或分析误差很大。就 红外光谱分析仪来说，对NOx的分析就很粗糙，而采用电化学法和化学发光法 就更加准确。因此，汽车尾气分析采用单一的简单分析仪，其测试结果是

13、不完 全可靠的。现在市面上销售的各类气体检测仪很多，质量参差不齐，有的研究 单位采用的是自己研制的检测仪，故同样的试验由于检测仪器的差异会造成结 果大相径庭。3. 2试验方法及试验环境条件问题对甲醇汽油做排放试验，试验方法和环境影响也很重要，如采用怠速法、 双怠速法还是工况法其结果是有差别的。此外，试验是否需要对发动机的一些 参数进行调整，如空燃比、点火提前角、喷嘴流量、压缩比等，还有发动机的 工作条件如转速、负荷等这些参数的调整都会影响试验结果。试验时的环境条 件也对结果有大的影响，有的试验是发动机在室温下做的，有的试验却是在低 于摄氏零度的低温下做的，其结果当然不一样。在冬天和夏天进行场地

14、行车试 验，由于车辆的启动和燃料的挥发性受到温度影响，其试验结果也会不一样。33操作人员和油品的影响操作人员包括台架和行车试验人员以及分析检测人员。由于不同的人对设 备、车辆、分析仪器的操作熟练程度不一样，也会造成试验结果差别大。此 外，油品的疑类组成不同，非桂类化合物如含硫、氮、氧化合物的含量不同都 会影响试验结果。3. 4准确检测甲醇汽油污染物排放必须严格规范试验条件综上所述，笔者认为要准确检测甲醇汽油的污染物排放效果，必须规范其 试验条件，包括规定各类尾气排放的分析方法、检测仪器、台架试验的试验方 法、发动机规格型号等。场地行车试验必须统一车辆型号，并由有丰富操作经 验的人员驾驶。现用标

15、准GB 18352. 32005 GB 182852005规定了汽油车的常规排放 测量方法，这些方法可以作为检测甲醇汽油排放试验的参考标准，但毕竟这两 种方法是用于检测汽车排放性能，而不是检测燃料排放性能的，因此据此考察 燃料的排放性能就存在一些不足。GB 18352. 32005规定了试验用基准汽油技 术耍求，其中对汽油的馆程做了上下限规定，这就在一定程度上限制了汽油的 坯类组成，用于准确检测汽油发动机车辆的污染物排放是有益的，但是对汽油 芳桂和烯炷的含量只有上限而没有下限要求。GB 18352. 3-2005要求硫含量 为0.010%0. 015% ,而 最新颁布的GB 18352. 52

16、013要求硫含量不大于 10mg/kg（即不大于0.001%）。汽油的芳桂、烯桂含量对污染物特别是HC排放 有重要影响，硫含量影响三效尾气转换器功效，对所有污染物的排放都有影 响，故作为检测发动机的汽油最好对这儿项都有上下限的限值。GB 18352. 5 2013没有规定硫含量的下限，可能是考虑在硫含量很少的情况下对尾气排放 的影响已经很微弱了。以上两个国标是用于检测汽车发动机的污染物排放是否合格，因此对发动 机和车辆没有严格限制。如果要准确检测燃烧甲醇汽油的汽油机的污染物排 放，就必须严格规范试验条件，包括：规范试验方法（包括工况、发动机参数 的合理设定）；规范试验用的发动机及台架类型，以及行车