替代燃料问题

4.4　替代燃料问题

4.4.1　天然气和液化石油气等低碳轻烃化合物

天然气以压缩天然气CNG(compressed natural gas)、液化天然气LNG(liquefied natural gas)等方式应用，主要成分是甲烷CH₄，可能还有乙烷、丙烷等轻烃和H₂、N₂、CO₂、H₂ S等成分。我国天然气储量仅为世界总储量的1.2%，偏低，所以天然气作为内燃机替代燃料在国际上会有相当发展。

天然气与空气的混合气有很宽的着火界限，可以稀薄燃烧;其理论混合气热值为3.39MJ/m³，比汽油低10%;燃烧时火焰传播速度为33.8cm/s，比汽油稍慢;着火温度537℃，比汽油高，所以抗暴性好，可用合理的压缩比为12;天然气在常温常压下呈气态，易于空气均匀混合而燃烧完全，燃烧温度较低，也可减少NO₂生成，燃烧后的积碳较少。单天然气液化需要较低的温度、较高的压力以及要有较高技术和相应技术装备。

液化石油气LPG(liquefied petroleum gas)是对石油伴生气处理后的轻烃产品，也可以在石油催化裂化的延迟焦化炼制过程中获得，LPG主要成分是甲烷、丁烷，也可能有少量丙烷、丁烯等，烯烃为不饱和烃，易结胶，燃烧后积碳，不宜作为内燃机燃料。

LPG在690kPa左右可完全液化而便于携带，与空气的理论混合气热值比汽油低，其研究法辛烷值在100左右，着火温度比汽油高，火焰传播速度比汽油慢，燃烧温度较低，排放物中CO、HC和NO较少。

这两种气体燃料在内燃机上的应用都可以用单一燃料、与汽油两用或与柴油配合使用的双燃料机三种类型。单一燃料类型的燃料供给系统是专为CNG或LPG设计的;与汽油两用时则由改装原汽油机、增加CNG或LPG燃料供给装置构成，内燃机可分别使用汽油和CNG或LPG两种燃料，燃料转换通过电磁阀或选择开关实现;与柴油配合使用的双燃料机则以柴油为引燃燃料，以CNG或LPG为主要燃料，改装柴油机时要增加CNG或LPG供给系统。

总体来看，这类气体燃料作为我国近中期内燃机的补充能源和替代能源有很明显的环保效果，适合于人口稠密的大城市市内交通，这些城市有充足的燃料供应和加气站、改装厂等技术条件。但按照我国这方面的资源条件，它们不适合我国长期和远期使用的以及量大面广的农村用机的发展方向。

4.4.2　醇类燃料和二甲醚

1.醇类燃料

醇类燃料主要指甲醇CH₃OH和乙醇C₂ H₅OH，它们含C比烃类低得多，且都含氧且利于燃烧。它们可以从我国丰富的煤资源和生物资源转化获得，这些年我国科技界、产业界和政府决策部门已形成明确共识，对发展醇类有了规划安排并取得了明显进展。

醇类燃料的辛烷值比汽油高约20，所以可以加大压缩比;着火界限宽利于稀燃;热值比汽油低近一半，但因含氧使理论空燃比比汽油燃料下降很多，与汽油燃料用同样过量空气系数时混合气热值相当，使醇类燃料代用时内燃机动力性不致降低;醇类燃料的蒸发潜热比汽油高出近2倍，所以替代时要改善起动预热，保证低温起动性能，同时其蒸发潜热大又会给进气相形成混合气带来冷却作用而产生有利的影响，对NO _x污染物生成有抑制作用;醇类燃料分子没有C－C键，没有多环芳香烃，排气中HC、CO和碳烟很低，未燃醇和醛类产物则稍多。醇类燃料浮点低，利于与空气混合，但也容易在管路中产生气阻;醇类燃料化学活性强，对Cu、Al等金属有腐蚀，对橡胶、塑料会产生溶胀，应注意防止。

醇类在内燃机上的替代应用可以是汽油或柴油掺醇或者单纯使用醇类做燃料。如Ml5表示甲醇体积分数为15%的掺醇燃料，E10表示乙醇体积分数为10%的乙醇混合物。

(1)煤制甲醇(methanol)。煤制甲醇作为车用燃料已经在我国山西等富煤省系统运作了多年。我国煤炭资源已探明保有储量约1万亿吨，其中高硫劣质煤约40%，用来制甲醇，共可生产甲醇2700亿吨。由于醇油替代比为＜1.6∶1，目前从汽油甲醇零售价看(汽油6200元/吨，甲醇1900元/吨)，M100全甲醇车经济性是非常明显的;M15甲醇柴油也很好。常规加油站改造一套甲醇加注设备不到4万元，新建一座甲醇加注站(包括土建)不到20万元。M15～M30的甲醇柴油掺烧技术乃至某些柴油机机型的M100掺烧技术已成熟和成功示范。山西省已从试验示范进入产业化推广，煤制甲醇与二甲醚共同作为今后20～30年的过渡性车用替代燃料地位已经明确。国家正拟批准和颁布车用燃料甲醇，M85高比例甲醇汽油，M15低比例甲醇汽油几个标准。国内优势企业的产业化包括一汽靖华(山西)的多点电喷高压缩比甲醇发动机3个系别20多个品种，功率覆盖106～280马力(折合78～206kW)可匹配公交车和轻重载货车、专用车;浙江台州吉利控股的上海华普开发了4款三厢甲醇轿车;安徽芜湖奇瑞汽车公司开发了甲醇汽车;山西华顿公司开发了M5、M15变性醇和甲醇汽油;北京华阳禾升和山西华阳油业研发出M15～M30甲醇柴油。

据山西省和美国的应用实践，甲醇燃料是车用替代燃料的首选，常规排放(CO、HC、NO _x)优于汽车，非常规排放(笨、二丁稀、甲醛、甲醇)经过处理可以达到理想水平，使用中比汽油更安全，不会造成对水体和土壤的污染和累积，可大幅度减少颗粒物排放，具有环保性、安全性、经济性三方面的优势。

(2)燃料乙醇(Ethanol)。2008年我国生产燃料乙醇约153万吨，占全国汽油消费量的20%，是世界第三大生物燃料乙醇的生产国和消费国。随着世界范围燃料乙醇产业的发展，玉米等粮食作物用量和价格攀升，乙醇以粮食为原料生产成为制约发展的瓶颈，发展非生物乙醇成为现在的发展趋势。

早在20世纪80年代美国和我国国内就有在北方盐碱地和荒坡地上种植非粮用甜高梁生产燃料乙醇的试验和研究。广西年产20万吨木薯燃料乙醇生产示范工程已在2007年12月试车成功，2008年3月正式投产，具有全部知识产权的这一成套技术已引起多国关注和合作意向。中粮集团公司还计划再建一套30万吨木薯燃料乙醇生产装置。

木薯是多年生植物，广泛产于热带、亚热带地区的丘陵地带，适应性强，四季均可种植，有利于原料供应。我国鲜木薯主产地是广东、广西、福建、广西，年产700万吨。制得的乙醇产品可与汽油按一定比例混配成乙醇汽油。

乙醇一般可以用生物发酵和糖分转化方法，从非粮农作物或木质纤维素中制取，努力开拓这种生物资源以探求生物液体燃料技术，使之能在2035年前后得到突破并形成规模商业化应用，将是我国长期坚持的一个重要技术方向。

2.二甲醚

二甲醚(Dimethylether)是甲醇的脱水后产物:

2CH₃ OH→CH₃ OCH₃+H₂ O

可以从煤、天然气或生物中制取，大规模生产时成本低且生产过程中还有很多热量可以优化利用。

二甲醚燃料无C－C键，只有C－O键和C－H键，含O量高;十六烷值55～66，高于柴油;低热值为柴油的2/3，但其理论混合气热值稍高于柴油，在加大循环供油量后可以实现升功率不低于柴油机;汽化潜热410kJ/kg，高于柴油，因而可以大幅降低柴油机最高燃烧温度，减少NO生成;在－24.9℃就汽化，所以输送管道要加压，而其雾化特性明显优于柴油，对金属无腐蚀性，与某些合成橡胶不能共存。

近年来二甲醚优良的排放性能被国际和国内科技人员发现后，工作者进行了深入细致的研究，认为它作为柴油机替代燃料可以实现高效、超低排放和柔和燃烧，能够消除柴油机的碳烟，大幅度降低噪音，NO _x可进一步降低。

总体来看，醇醚燃料的地位和发展方向已经得到国家管理决策部门的充分肯定，煤制甲醇是中国车用发动机近期和中期最现实的清洁替代燃料，对于我国实施能源多元化和能源替代战略有着重要意义。从长期和远期看，寻求生物资源以实现生物液体燃料的技术方向，在相当一段时期内是必须要坚持努力并一定要实现的。

4.4.3　生物柴油

生物柴油(Biodiesel)泛指以大豆、油菜籽、棉籽等100多种油料作物，油棕、麻疯树、黄连木等油料林木果实，工程微藻等水生植物以及动物油脂、餐饮废油(地沟油)等为原料制成的液体燃料。生物柴油一般含氧而利于燃烧，不含芳香烃类，含S少，不含Pb、卤素等有害物质，无毒性。十六烷值，着火性能与柴油相近，闪点较高，因此要加大喷油提前角。热值高于醇类、低于柴油。密度较大，体积热值接近柴油。常温时黏度大，但温度升高时黏度下降很快，有少量水分、灰分和杂质，缸内燃烧会产生积碳。重镏分多，挥发性差，但主要是不饱和脂肪酸(C原子数为16～22的烯酸)，因此氧化安全性差，容易变质。

植物油分子一般有14～18个C键，柴油(15个左右)C键数相近。其化学成分是一种脂肪酸甲醇，通过饱和油酸C₁₈ H₃₄ O₂为主要成分的甘油酯分解而得到。由于其优良的环保性能和适于通用柴油机的燃料性能，已得到国际科技界、产业界的普遍认同，成为有发展远景的一类绿色燃料能源。直接将植物油用在柴油机上性能不大理想，一般要进行酯化处理变成植物油脂才适于替代使用。

在20世纪的后半叶，我国(尤其在西南地区)对植物油生产的植物柴油在内燃机的代用进行过大量的研究工作，也有过局部规模不大的生产实践，效果是肯定的。因而生物柴油资源有更广阔的来源。

实际上，煤炭、石油、天然气由远古植物转换而来，那么，我们就可能在当代种植绿色植物而生产石油，这就是生物柴油产业的初衷，也由此“石油农业”“能源植物”的概念应运而生。几十年来世界范围的探索的确找到了不少草木和本木植物物种，成为绿色清洁能源。我国是生物资源大国。有广大的山区、沙区可供栽种乔灌木燃料油植物以作生物柴油的原料。比如，麻疯树是近期研究并成功培育出的一种能源树种，又名小桐子，从干热的亚热带到潮湿的热带雨林都有分布，耐干旱，耐贫瘠，耐虫灾，其果实可提炼出生物柴油。树籽含油率35%～40%，油中含21%饱和脂肪酸、79%不饱和脂肪酸;在海域中的藻类生长迅速，产量很高，已经发现了多种可产燃料油的品种，现在我们需要的就是要系统认知，筛选优质高效的能源植物资源以及现实生物再生能源技术的规模化应用和商业化，尤其是突破生物液体燃料技术，使之能作为车用和广大农用内燃机的燃料能源。

4.4.4　燃烧产物的数量

燃料在燃烧前后的成分和数量均发生变化，下面主要分析φ＞1完全燃烧时的情况。

1.燃烧前混合的数量

对于汽油机，燃烧前新鲜混合气和燃料蒸气组成，若燃料摩尔质量(1kmol燃料蒸气相当的千克数，在数值上等于燃料的相对分子质量)为m _T，则1kg燃料形成的混合气量M₁(kmol/kg)为

对于柴油机，是在压缩终点向气缸内喷入液体状态的燃料，体积不及空气体积的1/10000，可忽略不计，认为燃烧前的工质是纯空气，即

2.燃烧后燃烧产物的数量

在φ＞1的情况下，完全燃烧产物由CO₂、H₂ O、剩余的O₂及未参与反应的N₂组成。根据前面的化学反应方程式可知，燃烧后工质的数量M₂(kmol/kg)为

3.燃烧前后工质数量的变化

汽油机燃烧前后工质数量的变化量为:

柴油机燃烧前后工质数量的变化量为:

由于很小，所以ΔM是正值，即燃烧后分子数目增多。由于ΔM计算式可知，ΔM与φ无关，仅与g _H、g _O有关。

在φ＜1的情况下，除上述多种完全燃烧产物外，还有CO。这种情况下，燃烧前后工质数量的变化ΔM比完全燃烧时还大。

4.分子变化系数

为了方便地比较燃烧后工质摩尔数的变化，引入分子变化系数的概念，以表示工质摩尔数的相对改变量。汽油机、柴油机的分子变化系数都大于1，表示燃烧后总分子数增多，这一因素对做功有利，会提高循环热效率。

(1)理论分子变化系数。燃烧后工质的摩尔数M₂与燃烧前工质的摩尔数M₁之比称为理论分子变化系数，以μ₀表示。

对于汽油机，φ_a在1.2～2.0范围内变化时，μ₀将在1.032～1.053之间变化。

对于柴油机，φ_a在0.8～1.2范围内变化时，μ₀将在1.046～1.069之间变化。

(2)实际分子变化系数。由于气缸内燃烧后总要残留部分废气，考虑残余废气的影响，燃烧后工质的摩尔数与燃烧前工质的摩尔数之比，称为实际分子变化系数，以μ来表示。

设1kg燃料燃烧后在气缸中留下的残余废气为M _r，则燃烧前气缸中的工质总量为

燃烧后气缸内的工质总量为

实际分子变化系数为

式中，为残余废气系数，

4.4.5　氢气

氢气汽车指用氢气作燃料的汽车。氢气的来源主要是从水中通过裂解制取，或者来源于各种副产品。虽然氢气本身的天然储量不大，但作为氢的来源水资源却十分丰富，而且氢燃烧后生成的物质还是水，能形成资源的快速循环。氢气作为汽车用燃料的主要优点是燃烧热效率高，燃油经济性好。但氢气的密度低，在汽缸中占据的容积相对较大，因此它的标志体积热值低，影响了燃氢时的动力性。

氢气作为汽车燃料最大的问题是氢的制取和携带，氢气的制取方式很多，但成本都非常高，目前阶段还没有找到解决的办法。因此氢气汽车仍处于研究探索阶段，真正应用的很少。但随着石油资源的减少和人类科技的不断进步，氢气汽车的前景十分光明。各发达国家都不惜人力、财力进行研究，以备未来其他能源消耗殆尽时起主导作用。

我国地域广阔，资源分布不均匀，因此应充分利用本地资源优势，注重多种替代能源汽车的均衡发展，让各种替代能源为我国节约石油资源和环境保护做出贡献。替代能源汽车的优缺点和应用情况见表4－5。

表4—5　替代能源汽车的优缺点和应用情况