燃?xì)庾鳛槠?chē)替代燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

吉林建筑工程學(xué)院 朱傳芝

四川科宏石油天然氣工程有限公司 殷武松

哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院 王海超

0 引言

2009年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量均突破1 300萬(wàn)輛，首次躍居全球第一，2010年產(chǎn)銷(xiāo)則雙雙突破了1 800萬(wàn)輛，目前保有量已增至約7 500萬(wàn)輛，僅次于美國(guó)，但每千人汽車(chē)保有量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，因此，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的汽車(chē)保有量還會(huì)以較高的速度增長(zhǎng)。

汽車(chē)保有量的增長(zhǎng)帶來(lái)了燃油消耗總量的快速增加和嚴(yán)重的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染問(wèn)題，更加劇了我國(guó)石油的供需矛盾。若不發(fā)展新型汽車(chē)燃料則將來(lái)會(huì)給國(guó)家能源安全以及環(huán)境保護(hù)帶來(lái)極大的壓力。因此除了采取政策與技術(shù)措施大幅度節(jié)約燃料消耗外，開(kāi)發(fā)應(yīng)用各種新型汽車(chē)替代燃料是大勢(shì)所趨，更是一項(xiàng)關(guān)系我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康、持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。

從車(chē)輛應(yīng)用角度來(lái)看，車(chē)用代用燃料主要有以下幾類(lèi)：氣體燃料、含氧燃料(醇、醚、酯)、合成油(BTL、CTL、GTL等)、太陽(yáng)能和電能。而世界能源專(zhuān)家普遍認(rèn)為21世紀(jì)是天然氣的世紀(jì)，約在2040年，世界天然氣供應(yīng)量將超過(guò)石油和煤炭，天然氣在一次能源中所占比例將從現(xiàn)在的 24.5%增加到51%。

本文主要討論燃?xì)饣蚩梢杂萌細(xì)鉃樵虾铣傻男滦推?chē)燃料。

1 新型汽車(chē)燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

新型汽車(chē)燃料主要包括壓縮天然氣(CNG)、液化石油氣(LPG)、液化天然氣(LPG)、含氧燃料合成甲醇和二甲醚(DME)以及天然氣合成柴油(GTL)等。

1.1 LNG

目前來(lái)說(shuō)CNG和LPG是很好的汽車(chē)替代燃料，而且已經(jīng)得到較多的應(yīng)用，不論是從技術(shù)上還是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上都沒(méi)有太大的問(wèn)題，但是卻存在續(xù)航里程偏短的棘手問(wèn)題。液化天然氣汽車(chē)(LNGV)則克服了CNGV的缺點(diǎn)，它具有汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程長(zhǎng)、加氣站建站不受天然氣管網(wǎng)制約、占地少、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低等突出優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。

LNGV在國(guó)外有大量的實(shí)際應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，國(guó)內(nèi)在90年代開(kāi)始進(jìn)行LNGV技術(shù)的研究，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。中國(guó)科學(xué)院低溫實(shí)驗(yàn)中心分別與吉林油田和四川綿陽(yáng)燃?xì)饧瘓F(tuán)公司合作研制了一套500 l/h和300 l/h的LNG-20型LNG裝置，并開(kāi)始使用。綿陽(yáng)市有LNGV在行駛，北京也已經(jīng)有LNG燃料公交車(chē)輛通行；2005年我國(guó)東風(fēng)汽車(chē)有限公司首批投放全國(guó)市場(chǎng)的50輛LNG客車(chē)，在長(zhǎng)沙經(jīng)過(guò) 20多天的營(yíng)運(yùn)，情況良好。新疆土哈油田和河南中原油田分別建成了 150萬(wàn) m3/d和15萬(wàn)m3/d的LNG工廠(chǎng)。在湖南、上海、廣東、天津、山東、福建等地已建成或正在建設(shè)大型LNG儲(chǔ)存基地。在北京、烏魯木齊、長(zhǎng)沙分別有數(shù)十輛LNG公交汽車(chē)在開(kāi)展示范運(yùn)行，其數(shù)據(jù)顯示出良好的經(jīng)濟(jì)性與排放狀況。

目前 LNG汽車(chē)的發(fā)展已經(jīng)引起許多地方的重視，相信未來(lái)幾年將是我國(guó) LNG汽車(chē)快速發(fā)展的時(shí)期，我國(guó)有可能成為世界上開(kāi)發(fā)與應(yīng)用LNG汽車(chē)領(lǐng)先的國(guó)家。但是LNG替代燃料存在的問(wèn)題主要有：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。雖然LNG具有較高的辛烷值，但是目前為了兼顧使用汽油的需要，壓縮比提高較小或者沒(méi)有提高。因此天然氣高抗爆性的特性并未得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

(2)LNG自氣化問(wèn)題。盡管LNG車(chē)用儲(chǔ)罐是絕熱的，卻不是絕對(duì)的。因此會(huì)有蒸發(fā)現(xiàn)象存在，一旦汽車(chē)遇到事故停止前進(jìn)，就會(huì)造成容器內(nèi)壓升高，而低溫容器一般不耐壓或者耐壓能力低，這樣就有可能發(fā)生事故。

(3)LNGV改裝件的價(jià)格較高。因此，進(jìn)一步降低LNGV改裝件的價(jià)格仍將是LNGV實(shí)際應(yīng)用中必須面對(duì)的難題。

(4)LNGV應(yīng)用中的安全問(wèn)題。

(5)LNG的生產(chǎn)以及充灌、計(jì)量、儲(chǔ)運(yùn)等配套設(shè)施和相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)不完善。

1.2 含氧燃料

1.2.1 甲醇

甲醇是有機(jī)可燃化合物，可由天然氣或煤炭經(jīng)合成氣采用銅基催化劑制備。其性質(zhì)很適合于單獨(dú)作為汽車(chē)燃料或按一定比例與汽油摻混作汽車(chē)燃料。車(chē)用甲醇燃料主要有M85和M100兩種品種，M85含甲醇 85%(體積比)，其余為汽油和少量添加劑，M100不含汽油。

甲醇用作車(chē)用清潔燃料近年引起人們的興趣。山西省“清潔汽車(chē)工程”(煤制甲醇清潔燃料汽車(chē)項(xiàng)目)已由試驗(yàn)示范階段轉(zhuǎn)入產(chǎn)業(yè)化示范階段。2001~2002年，山西省的甲醇汽車(chē)已由原100多輛增至1 000輛，示范車(chē)單車(chē)行駛里程突破20萬(wàn)km。此外，大同汽車(chē)制造廠(chǎng)試制成功全甲醇(M100)清潔燃料燃燒裝置。

國(guó)際上甲醇燃料的應(yīng)用研究也已有幾十年的歷史。美國(guó)、德國(guó)都進(jìn)行過(guò)較大規(guī)模的運(yùn)行試驗(yàn)。至20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)已有17 000余輛M85汽車(chē)投入運(yùn)行。這些技術(shù)主要是在汽油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放也低于相類(lèi)似的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。后來(lái)美國(guó)的甲醇車(chē)沒(méi)有繼續(xù)發(fā)展下去。主要原因是基礎(chǔ)設(shè)施和制造成本問(wèn)題。

在甲醇燃料的實(shí)際使用中，如何預(yù)防甲醇中毒是最受關(guān)注的問(wèn)題之一，甲醇毒性問(wèn)題也是其不被一些國(guó)家選用作汽車(chē)燃料的重要原因。據(jù)殼牌公司的報(bào)告，高劑量甲醇的攝入會(huì)引起人體中毒，其毒性約為汽油的25倍，公認(rèn)的死亡劑量是25~90 ml。因此必須制定和實(shí)施嚴(yán)格的管理法規(guī)和技術(shù)措施，防止誤飲，減少甲醇暴露，減少蒸汽吸入和皮膚接觸，以及預(yù)防因甲醇泄漏造成地下水源的污染。但是，當(dāng)作為汽車(chē)燃料大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)的情況下，是否能夠確保管理措施有效實(shí)施；一旦發(fā)生中毒事故，如何解決產(chǎn)品法律責(zé)任，也是制定有關(guān)甲醇燃料標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會(huì)遇到的最大麻煩。

1.2.2 DME

DME可以由煤和天然氣制取獲得，具有優(yōu)良的燃燒性能，清潔，十六烷值高，動(dòng)力性能好，污染少，稍加壓即為液體易于儲(chǔ)存，作為車(chē)用替代燃料，具有天然氣、甲醇、丙烷、丁烷、柴油等不可比擬的綜合優(yōu)勢(shì)。常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料如：LPG、天然氣、甲醇等的十六烷值都小于10，只適用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。DME的十六烷值(55~60)甚至高于柴油(40~55)，具有優(yōu)良的壓縮性，非常適合于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)理想的替代燃料。

使用DME燃料，尾氣無(wú)需催化轉(zhuǎn)化處理，氮氧化物及黑煙微粒排放就能滿(mǎn)足汽車(chē)超低排放尾氣要求。丹麥托普索公司從環(huán)保角度進(jìn)行了 DME燃料在中型汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的尾氣排放試驗(yàn)，結(jié)果一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸锖颗c美國(guó)加州頒布的中小汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)相比，分別降低55%、83%和4%。說(shuō)明使用DME作汽車(chē)燃料，廢氣污染明顯低于目前的優(yōu)質(zhì)汽油。西安交通大學(xué)也進(jìn)行了DME作柴油代用燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究，使用DME可使發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高 10%~15%，熱效率提高 2%~3%，噪音降低10%~15%，可達(dá)到歐洲Ⅲ級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

1997年之后，我國(guó)很多科研院校都系統(tǒng)地開(kāi)展了DME發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車(chē)的研究工作，該項(xiàng)目已受到國(guó)家科技部的重視。2003年設(shè)立“十五”國(guó)家清潔汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究開(kāi)發(fā)及示范應(yīng)用項(xiàng)目。實(shí)踐表明，DME是柴油機(jī)優(yōu)良的代用燃料，它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒，超低排放，而且價(jià)格便宜，原料充足，可為中國(guó)50年甚至100年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供能源保障。

DME不存在市場(chǎng)需求問(wèn)題，關(guān)鍵在于成本的控制。近幾年來(lái)，我國(guó)在DME的研制開(kāi)發(fā)方面,技術(shù)及生產(chǎn)工藝不斷成熟完善，一些高校和企業(yè)已具有一定的生產(chǎn)能力。DME燃料使用中，還有機(jī)件磨損、腐蝕等可靠性問(wèn)題，還要解決降低生產(chǎn)成本問(wèn)題。DME燃料的推廣也會(huì)遇到與LPG類(lèi)似的問(wèn)題，即加氣站的建設(shè)和專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)，這些因素會(huì)增加DME大量推廣應(yīng)用的難度。但是我們可以預(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，DME汽車(chē)將以其高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐漸替代原有的柴油機(jī)汽車(chē)。隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的增加，DME作為汽車(chē)燃料替代柴油的市場(chǎng)前景極其廣闊。

1.3 GTL

GTL方案正成為天然氣高效利用的途徑脫穎而出。當(dāng)前，世界煉油業(yè)正面臨生產(chǎn)低硫和超低硫汽、柴油以滿(mǎn)足日益苛刻的環(huán)境法規(guī)的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的費(fèi)—托法合成技術(shù)，使 GTL裝置投資和操作費(fèi)用大大降低，GTL的生產(chǎn)成本已可與原油的價(jià)格相競(jìng)爭(zhēng)，為建設(shè)天然氣煉油廠(chǎng)注入了新的活力。未來(lái)如果油價(jià)繼續(xù)維持在較高水平，那么建設(shè)GTL裝置將具有更大的吸引力。目前世界上許多國(guó)家都在建設(shè)大型 GTL裝置，如尼日利亞、南非、澳大利亞、委內(nèi)瑞拉等，GTL存在的最大問(wèn)題仍是成本問(wèn)題。

2 總結(jié)

隨著國(guó)際石油價(jià)格的上漲和我國(guó)能源安全的嚴(yán)峻性問(wèn)題日益突出，以及由汽車(chē)尾氣排放造成的環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重，對(duì)車(chē)用替代燃料的研究已經(jīng)顯得尤為重要，而 21世紀(jì)天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比例會(huì)逐漸上升，因此，采用燃?xì)庾鳛檐?chē)用替代能源具有很好的可行性。本文總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)車(chē)用替代燃料中DME是唯一能夠增加熱機(jī)效率、提高功率同時(shí)降低噪音的替代燃料，可以完全替代柴油作為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，同時(shí)DME具有廣泛的來(lái)源和巨大的市場(chǎng)需求量，因此，隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的增加，DME作為汽車(chē)燃料替代柴油的市場(chǎng)前景極其廣闊；此外，CNG和LPG作為汽車(chē)燃料的技術(shù)較為成熟，應(yīng)用也有很多，但是卻存在續(xù)航里程短的問(wèn)題，而 LNG雖解決了該問(wèn)題，但是也存在著自氣化和安全性問(wèn)題；而合成甲醇的毒性制約了其商業(yè)化推廣進(jìn)程。總而言之，所有這些替代燃料具有的共同點(diǎn)都是成本較高，距離真正的商業(yè)化應(yīng)用還存在一定的距離，需要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究，并總結(jié)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)，則燃?xì)馓娲?chē)用燃料的應(yīng)用將會(huì)取得進(jìn)一步的突破。