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1、 我国的车用替代燃料我国的车用替代燃料 太原理工大学车辆系杨庆佛1. 我国车用燃料面临的问题。我国车用燃料面临的问题。1.1 目前驱动汽车的可用能源目前驱动汽车的可用能源.除汽油、柴油之外目前可驱动汽车的能源很多，示意如下：12 缺油、少气、相对富煤是我国能源结构的基本缺油、少气、相对富煤是我国能源结构的基本 情况情况. 缺油、少气、相对富煤是我国能源资源结构的基本情况，这就决定了我国能源安全的主要矛盾是石油、天燃气供给不足。2005年我国生产原油1.82亿吨(2010年前后维持在1.8-2.0亿吨，可稳定到2030年)，原油消费已达3亿吨，其中进口原油1.27亿吨，进口量约占43（2006年
2、进口原油达到 1.45亿吨，进口量超过占原油总消费量的44%）。目前我国己成为世界第二大能源消费国。预测到2020年，我国能源消费总量30 亿吨标准煤，其中石油需求约5 亿吨，石油对外进口依存度将达到6070，约需进口石油3亿多吨，那时中国消费的石油将占全球的十分之一 . 而世界石油的储藏与开采也不乐观（见下图）。末来石油将越来越难买，价格越来越高，目前在每桶100-110美元之间震荡，这将严重影响我国的可持续发展，必须尽快寻求石油替代能源，保障国家未来的石油供应安全和保持我国石油工业的可持续发展，以降低石油的对外依赖程度，缓解石油供应安全，这已成为国内外备受关注的问题。 世界石油储藏与开采趋
3、势 1.3我国汽车工业迅猛发展，使石油消耗大幅国汽车工业迅猛发展，使石油消耗大幅增长。增长。 近几年我国的汽车产销量年增长超过100万辆。产销量2000年超过200万辆。2002年汽车年产量为325万辆，世界第五。2003年超过400万辆,世界第四，2004年超过500万辆，2005年超过600万辆，2006年产量达到 727万辆，为世界第三汽车生产国。2007年800多万辆,2008年有可能达到1000万辆.汽车已进入高速发展期。汽车数量的快速增长必然常动石油消耗大幅增长。 2002年汽车保有量2000万辆，预计到2020 年，汽车保有量可能达到1.5 亿辆，交通耗油将占全国石油总耗量的50
4、%以上；20052020 年交通耗油增量将占全国石油总消耗增量近90%，可见车用燃料是石油消耗的主要行业。只有积极发展车用替代燃料，才能弥补快速扩大的石油供需缺口，保障经济和社会持续稳定发展和国家能源安全。 14 车用石油燃料使大气污染加重。车用石油燃料使大气污染加重。 我国大中城市大气污染物中有50%以上是来自汽车的尾气排放，使人们认识到汽、柴油不是一种清洁燃料，它们排放的有害气体及致癌物较多，而一些替代燃料如醇、醚、气体燃料却是较为清洁的燃料，其主要排放物CO、HC、NOx、微粒及致癌物等均优于汽柴油。141常规排放量。氢醚醇和天然气好，汽柴油最差。为了统一比较的基础，用统一试验方法和数据
5、，以国际能源机构IEA在1990-1995年组织8个国家，在转鼓试验台上试验的数据为基础。用国内外试验的数据，进行增补。对照欧洲排放标准，取得相对比较水平。石油由烷烃、烯烃、芳烃组成，还含硫,烯烃和芳烃，所以排放毒性和致癌物质较高。 下表是各种汽车燃料常规排放量比较(数据来自国际能源机构IEA。日本自动车年鉴手册等) +200C 上限值 g/km氢二甲醚甲醇M100天然气石油气 柴油 汽油有净化器汽油无净化器欧洲标准微IIIIIIIIIICO00.120.931.070.460.402.0812.6HC00.040.060.140.610.140.101.46NOX0.0370.200.150
6、.210.190.940.433.35 142 致癌度。非常规排放中醇醚氢没有致癌的苯，致癌度(含其他可疑致癌物)低。汽柴油含苯和二丁烯多，天然气和石油气也有苯。下表是各种汽车燃料非常规排放量比较+200C FTP程序g/km氢二甲醚甲醇M100天然气石油气 柴油 汽油有净化器汽油无净化器苯0000.6 0.51.54.7551.3二丁烯00 0.5 0.5 0.51.00.61.8甲醛005.8 2.0 2.0122.543甲醇007900000 综上所述，发展替代能源是国家的战略举综上所述，发展替代能源是国家的战略举措，我国只有发展替代能源才能保障国家措，我国只有发展替代能源才能保障国家能
7、源安全，实规科学发展、清洁发展、安能源安全，实规科学发展、清洁发展、安全发展和可持续发展。全发展和可持续发展。2国家关于发展替代能源的基本思路国家关于发展替代能源的基本思路 2.1 指导思想： 以邓小平理论和三个代表重要思想为指导，全面贯彻落实科学发展观和建设和谐社会两大战略，按照以新能源替代传统能源、新能源替代传统能源、优势能源替代稀缺能源、可再生能源替代优势能源替代稀缺能源、可再生能源替代化石能源化石能源的思路，以科技创新为动力，以制度创新为保障，加强国际合作，大力发展替代能源，逐步提高替代能源在能源结构中的比重。22 发展目标： 重点发展车用替代燃料和重点发展车用替代燃料和 替代石油产品
8、，替代石油产品，搞好煤炭液化，煤制醇醚、烯烃和煤基多搞好煤炭液化，煤制醇醚、烯烃和煤基多联产技术的试验示范和开发应用；积极发联产技术的试验示范和开发应用；积极发展非粮燃料乙醇和生物柴油。争取到展非粮燃料乙醇和生物柴油。争取到2020年，新能源和可再生能源占我国一次能源年，新能源和可再生能源占我国一次能源消费总量的消费总量的20%以上，石油对外依存度控以上，石油对外依存度控制在制在55%左右。左右。2.3 积极稳妥的发展煤基替代燃料和化工原料。在具备条件的地区继续稳妥开展甲醇燃料开展甲醇燃料的应用示范的应用示范，并加强甲醇燃料应用对人体和环境影响的跟踪研究。鼓励用二甲醚替代液化石油气民用，支持二
9、甲醚作为车用支持二甲醚作为车用燃料的示范及应用。燃料的示范及应用。加快自主知识产权煤炭液化工艺的开发和完善，稳妥推进煤炭液化商业化示范。以煤制甲醇为龙头，积极开展煤制烯烃等技术的研发及商业化示范，减少化工原料的用油。24 积极展生物质替代燃料。大力发展以甜高粱茎秆、甘蔗和木薯等为原料的非粮燃非粮燃料乙醇料乙醇，加强纤维素燃料乙醇的技术研发和示范。利用荒山荒坡等边际土地发展以发展以油料作物为原料的生物柴油。积极发展以油料作物为原料的生物柴油。积极发展以废弃动植物油脂为原料的生物柴油。废弃动植物油脂为原料的生物柴油。加强对生物质合成油和裂解油的技术研发和示范。25 要科学制定中长期发展规划、完善法
10、规和标准体系、发挥科技的支撑作用、制定相关政策、培育和规范市场、加強国际交流与合作、建立工作协调机制等，使替代能源能健康有序的发展。2. 6 山西省的相关精神：2007.5.18在全省节能减排工作会议上省长指出，要大力发展节能型交通工具和农业机械。开发和推广开发和推广清洁燃料汽车清洁燃料汽车和节能型农业械，优先发展节能型公共交通，稳步推进车用醇醚燃料，稳步推进车用醇醚燃料，天然气和煤层气等的生产和使用。天然气和煤层气等的生产和使用。这些精神和国家的思路完全是一致的。3.我国车用燃料的分析评价 3.1 传统车用燃料汽、柴油与主要替代燃料物化性质的比较。如下表所示。氢气二甲醚甲醇乙醇天然气煤层气石
11、油气汽油柴油辛烷值 RON 112103130112无抗爆剂90有抗爆剂100十六烷值 556045-55压缩比20-2212- 1610左右18-20净(低)热值 替代比1202. 8228. 40. 6719.70.4626. 80. 6347. 71. 12461.0842.5142.71空燃混合气热值 替代比23400. 8430671. 0526560. 9526700. 9625010. 8929091. 042786129111含氧量03550350000空燃比96. 4917.115.714 . 814 . 5分子量1. 02463246164599208燃烧速度29152 .
12、 337. 442 . 937.7 由表可以看出： * 甲醇、乙醇、天然气、石油气的辛烷值均高于汽油，在用于点燃式 发动机时可采用较高的压缩比从而可获得较高的热效率* 二甲醚的十六烷值高于柴油，很适合代替柴油用于压燃式发动机上；* 二甲醚、甲醇、乙醇都是含氧燃料，利于燃烧，改善排放；* 与汽油、柴油相比，二甲醚、甲醇、乙醇的热值低，但它们的空燃混合气热值却与汽油、柴油相近，由于内燃机是靠混合气在缸内燃烧作功的，内而使用二甲醚、甲醇、乙醇燃料时仍可获得与原机相当的动力；* 替代燃料的燃烧速度多高于汽油。 3.2 替代燃料的分析评价 3.2.1 氢燃料：大气中的氢极少，大量的氢存在于水中，石油、醇
13、类中也含有氢元素，大量制氢主要靠裂解水的方法。水在世界上是极其丰富的，化石能源消耗将尽时，氢将是主导能源。上世纪70年代以后，国内外对以氢作为汽车发动机燃料的研究己有很多。以氢作为内燃机燃料目前有三种燃烧方式：1) 在原汽油机送入少量氢进行掺烧，可改善发动机燃烧品质；2) 在机外将氢和空气混合送入气缸燃烧。由于容积效率低，发动机功率比原汽油机降低2030%；3) 将氢喷入燃烧室内在机内与空气混合燃烧由于容积效率提高，充量密度大，燃烧完善，所以发动机功率可提高15%左右。高纯度的氢在-252。6可以液化，成为象水一样的液氢，但液化氢要消耗的能量大约为氢热值的30%，成本很高。液氢要放在双层真空结
14、构的容器中，容器要用防冷脆的不锈钢或高级铝合金制造。液氢是火箭的燃料，作为内燃机燃料美、德、日作了研究，可改善燃烧，提高功率。作为民用目前还不现实。氢燃料的主要优点是资源丰富、燃烧清洁（只生成水、CO2和少量的NOx）.主要问题是成本很高、储存及输配困难，有专家予测30年后有可能实用。3.2.2天然气(煤层气)CNG。通常将气田和油田伴生气叫天然气,煤田伴生气叫煤层气。其主要成份90%以上是甲烷(CH4),其余是少量的丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)和CO2。由于天然气成本低、排放清洁、安全性好所以国内外都在广泛使用。天然气汽车发动机可以用汽油机(需要适当提高压缩比)也可以用柴油机(需要加装
15、一套点火系统并适当降低压缩比)。也可以在原汽油机和柴油机的基础上改装成双燃料汽车。天然气汽车的主要问题是：l由于是气体，发动机容积效率低且混合气热值也较低，所以功率要较原汽柴油机降低10%左右；l存气钢瓶内压力高达20MP以上，对钢瓶要求高，重量大。建加气站成本高，且要远离市区，输配不便，所以天然气汽车多用于有定点加气站的公交车和出租车。l我国天然气储量不多，而且民用及其它工业用气量也很大，所以天然气不可能成为车用主导能源，只能作为一种补充性或辅助性能源。天然气汽车如下图所示 3。2。3。液 化石油气(LPG) 。 液化石油气主要来自油田伴生气和炼油过程中的副产品。其主要成份是丙烷（C3H8）
16、、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)为主的一种混合物。油气田产的液化石油气主要由丙、丁烷构成可直接用作汽车燃料。炼油厂产的液化石油气，含有大量烯烃(不饱和烃)，燃烧后结胶、积碳，会损害气门、活塞环、火花塞，所以不适合在汽车上直接使用。液化石油气的在汽车上的使用方式及其优缺点和天然气类似，但液化石油气钢瓶内压力低（石油气在0。6MP时就液化），易输配。由于液化石油气和石油共生，资源缺乏，只能作为辅助性能源，目前多为民用和产气地区出租车使用。 3.2.4 甲醇（CH3OH）燃料. 又名木醇,可由煤、天然气、拉圾、木柴等为原料生产。其物化性能较适合点燃式发动机.由于其十六烷值很低
17、只有35，因而很难压燃式发动机上燃用，但如果能在压燃式发动机燃用则会具有很清洁排放和高的热效率，且代替柴油意义更大。目前甲醇燃料及甲醇汽车技术基本成熟，山西省己进行了十年的示范运行，奇瑞公司、吉利公司都开发出了甲醇汽车。国外德、美、日等国都有甲醇汽车产品。甲醇燃料在汽车上的使用有以下几种方式： 1) 在汽油中掺烧甲醇.常用的掺烧甲醇量为15%，这时汽车可不作任何变动直接使用。也有更高掺烧量的，但还不成熟.掺烧后车辆动力性、径济性变化不大，排放有所改善。目前M15甲醇汽油正在山西省推广应用；2) 将原汽油机压缩比提高(如HH465QM甲醇发动机的压缩比提高到11，而原汽油机的压缩比为9.2)，调
18、整点火时间，相关元件改为耐醇件，就可得到甲醇发动机，这种发动机可燃用M100或M85甲醇燃料。其边动力性、径济性和排放优于原汽油机；3) 甲醇汽油灵活燃料汽车.将原汽油机的压缩比适当提高，使其既能燃用纯汽油又能燃用任意比例的甲醇汽油混合燃料，这种发动机在其电控系统中还需增加燃料识别系统。这种发动机的性能与排放也较原汽油机好。 甲醇燃料的优势：甲醇可用我国优势能源煤生产，可在近30年内作为过渡性能源，部分替代石油，保证国家能源安全。排放较清洁，成本可降低，技术成熟，有推广基础； 甲醇燃料存在的问题：生产甲醇时CO2排放较多；甲醇对人体的影响的研究结论数据还不充分。 以下是我们为山西淮海发动机公司
19、开发的以下是我们为山西淮海发动机公司开发的HH465QMHH465QM甲醇甲醇- -汽油灵活燃料发动机汽油灵活燃料发动机的基础样机的性能与排放情况的基础样机的性能与排放情况转速(r/min)功率kW（M85)功率kW（汽油）500037.9936.7450038.0534.57400035.0335.03350031.5128.6300028.724.75250022.9220.06200017.8115.58150011.9910.9910007.986.65为汽油机及甲醇机外特性功率曲线的数据及对比情况为汽油机及甲醇机外特性扭矩曲线的数据及对比情况转速(r/min)转矩N.m（M85)转矩
20、N.m（汽油）500072.5570.11450080.473.37400084.2776.53350086.1178.05300087.3278.85250086.5176.61200083.3574.37150076.1269.89转速(r/min)燃油消耗率（M85）g/kW.h燃油消耗率（汽油）g/kW.h5000231.9 278.0 4500233.3 275.5 4000237.7 275.5 3500255.6 274.5 3000233.9 266.5 2500217.4 247.5 2000226.1 280.0 1500235.5 279.0 1000216.8 330.
21、0 汽油机与甲醇机外特性工况下燃油消耗率转速(r/min)NOx（M85) NOx（汽油）5000314137434500246132324000146921213500185417243000136725001808200013381500217010002095汽油机与甲醇机外特性工况下NOx排放曲线及数据对比情况转速(r/min)CO（M85) CO（汽油）50000.71.2645001.741.6540003.233.0735002.623.5130002.9825001.9620002.4115001.1410000.9 汽油机与甲醇机外特性工况下CO排放之比较转速(r/min)H
22、C（M85)HC（汽油）500014146450024255400027881350037110830001172500130200016515002221000262汽油机与甲醇机外特性工况下HC排放曲线3.2.5 二甲醚燃料. 二甲醚可二甲醚可由煤、煤层气（天然气）制取。可由一步法工艺直接合成或用二步法先生产出甲醇再经脱水催化获得二甲醚，是煤化工行业主导产品之一。 我省”十一五”规划中煤化工被列为重点发展的领域，省内众多的煤化工企正以较大规模投入或计划投入醇、醚燃料的生产. 二甲醚（CH3OCH3）是一种无色、具有轻微醚香味的气体，具有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒。在常温、常压下为无
23、色、无味、无臭气体；25下,二甲醚的饱和蒸汽压是6.1 大气压,容易加压液化；具有优良的混溶性，能同大多数极性和非极性有机溶剂混溶，且二甲醚易溶于汽油、柴油等多种有机溶剂. 国内外研究表明二甲醚燃料可实现清洁燃烧，实现柴油发动机超低排放，被称为21世纪柴油机十分理想的代用燃料。清华大学热能工程系倪维斗院士所讲的：“二甲醚燃料对于中国未来能源战略的重要意义，不仅仅在于它资源优势和环保特性，可以在保证我国能源安全的同时，将环境危害降到极低，二甲醚还是我国未来能源技术赶超世界先进水平，跨越式发展的最有前途的领域。” 二甲醚发动机与汽车技术国内外都在积极研发。目前存在的主要问题是： 1) 二甲醚粘度低
24、造成油泵的磨损与泄漏； 对一般橡胶、塑料有腐蚀性； 2) 目前二甲醚成本高，达不到商业运营的 水平； 3) 燃烧过程等基础性研究还不夠。 由于可用优势能源煤制造，代替柴油很理想，所以前景被看好。326 关于生物质燃料乙醇及生物柴油。 1）乙醇(C2H5OH).又名酒精，可由谷物类、薯类、单糖类(甘蔗、甜菜等)、及纤维类(秸秆、树枝等)等原料生产。它的物化性质和甲醇相近，它在汽车上的应用也和甲醇类似。乙醇的优势是可再生(本质是利用太阳能)、乙醇汽车技术成熟、排放较清洁。 乙醇燃料目前存在的主要问题是： A . 生产成本高，价格约是甲醇的一倍，热值和 甲醇相差无几，商业化运行有困难； B. 国家不
25、主张用粮食生产乙醇，用其它原料生产也存在这样那样的问题。2) 生物柴油. 生物柴油是一种可再生能源。是指以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料通过酯化反应而得到的由长链脂肪酸甲基酯组成的燃料，由于它的一些物化性质和柴油相近，可代替柴油在柴油机上燃烧，所以称它为生物柴油 生物柴油具有低硫量、低芳烃含量、极好的润滑性、可再生、对环境友好等优点，而备受关注。美国、欧盟、日本、加拿大、巴西、澳大利亚、印度等国都在积极发展生物柴油产业，欧、美还制定了相应标准和优惠政策鼓励使用生物柴油。我国90年代开始研究生物柴油，目前四川、福建、山东等
26、地都有研究生产和应用。山西也有小规模的生产和应用。 生物柴油的几个主要理化指标要注意：A. 十六烷值:生物柴油的十六烷值为5060，略高于柴油，因而着火、燃烧较好；B. 粘度.生物柴油的粘度比柴油高，不利于雾化燃烧；C. 凝点高于柴油，温度低于凝点时，生物柴油中的甲酯或乙酯就会结晶析出，这些晶体会堵塞输油管和过滤器，使燃料不能正常输送，发动机不能正常运转；D. 热值：生物柴油的热值较柴油约低10%，柴油机供油不调整加大供油时燃用生物柴油功率要降低。解决生物柴油使用中存在问题的方法通常是将生物柴油以一定的比例与矿物柴油混合后，使生物柴油被矿物柴油稀释，这样可以有效改善其低温流动性能，解决其在寒冷地区冬季使用的问题。生物柴油的主要优势是可再生、环境友好、可在柴油机上顺利掺用。生物柴油的主要问题是我国可用资源少，还没有形成可观的产业，目前生产成本高。3.2.7关于煤制油。煤制油也是不优良、不清洁、不廉价的汽车燃料。炼制过程中的氧没有利用，只利用部分炭和氢，煤利用率低，用煤量多。精制油工艺和设备复杂，投资巨大。同等煤价的成本和当量投资是甲醇的2倍多。与石油燃料一样是燃烧特性和环保性差的燃料。要大量生产还有不少技术工作要做，工程进展慢。神华集团规划到2020年形成 3000万吨生产能力，对短缺几亿吨石油的补充数量甚少。 谢谢谢谢
