醇类燃；Ｉ｛斗的综合性能分新与应用 前景 展望 王 刚 廖钰靓。廖世勇 ｆ１ 重庆通信学院 重庆４０００３５ ２西南大学重庆４０２４６０） 摘要介绍醇类燃料的应用特性与发展潜力，详细分析甲醇和乙醇在生产、储运、使用、排放等方面的综合性能，并分析 比较了甲醇和乙醇的应用前景。 关键词 替代燃料 甲醇 乙醇 综合性能 中图分类号：Ｕ４７３．１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－９０６４（２００８）０５—０００７—０３ 随着石油资源的日渐枯竭，能源短缺现象逐渐严重。在经 能源状况和农业结构有关，巴西是能源匮乏的国家，而巴西的 历了１９７３年的石油危机之后，为缓解能源压力，减少环境污 甘蔗产量却很大，利用甘蔗制取乙醇来缓解能源压力比较符 染，提高国家能源安全，各工业国都积极开展内燃机替代燃料 合巴西的国情。目前在我国推广使用乙醇汽油的地区有黑龙 的研究工作。到目前为止，可作为内燃机替代燃料的主要有天 江、吉林、辽宁、河南、安徽全省及河北、山东、江苏、湖北等４ 然气、液化石油气、甲醇、乙醇、二甲醚、生物柴油、氢气等，其 省的一些城市。２００１年国家质量技术监督局在ＧＢ １７９３０－ 中前２种燃料使用较为广泛。 １９９９（（车用无铅汽油》基础上提出了ＧＢ １８３５１—２ｏｏ１＜￣车用乙醇 与常规燃料相比，各种替代燃料都有各自的优缺点，但目 汽油》。该标准规范了我国乙醇汽油市场，为我国乙醇汽油的 前尚没有一种替代燃料在性能上占有绝对优势。因此在替代 推广使用提供了上的导向。乙醇与甲醇的燃烧与排放特 燃料研究开发多元化的背景下，综合分析比较替代燃料的性 性相似，而且乙醇本身无毒，非常规有害排放比甲醇低得多。 能与发展前景，对选择具有发展潜力的替代燃料有重大的意 但目前乙醇的生产成本偏高，若无国家的扶持很难有竞 义。 争力。 ｌ 醇类燃料的推广状况 ２醇类燃料的理化特性 醇类燃料（主要是甲醇、乙醇）是一种很有发展潜力的替 甲醇和乙醇的理化特性相似。与汽油和柴油相比，甲醇和 代燃料，目前醇类燃料主要与汽油掺混在火花点火发动机上 乙醇的热值都很低，因此使用醇类燃料的汽车有效燃油消耗 使用。甲醇是传统的化工产品，合成甲醇的原料主要有天然 表１ 甲醇、乙醇、汽油的基本性质 气，煤炭和焦炉煤气等。在国际上甲醇主要由天然气制取，天 源～然气制取甲醇约占世界甲醇产量的８０％。我国煤炭资源丰富，２００６年探明的煤炭储量有１１。 ４５亿ｔ，在我国７８％的甲醇是由 煤炭制取的。近年来，我国甲醇产量增长迅速，２００５年国内精 环一甲醇产量５３６万ｔ，２００６年全国精甲醇累计产量为７４６万ｔ， ２００７年１－５月，全国精甲醇累计产量达到３８７万ｔ。甲醇作为 替代燃料，有着成本低廉，生产技术成熟，抗爆性好，常规有害 排放低，热效率高等优点。但甲醇燃料也存在很多缺陷，如在 运输、存储和使用过程中对金属有一定的腐蚀性、对橡胶会产 生溶胀性。另外甲醇的非常规排放也不容忽视，甲醇燃烧后会 产生甲醛、和未燃烧的甲醇，这些不利因素使甲醇在推广使用 过程中遇到一定障碍。 率较高。甲醇和乙醇的辛烷值很高，可以通过适当提高内燃机 我国从上世纪８０年代开始甲醇燃料的研究工作，先后对 的压缩比来改善热效率。它们的汽化潜热都比汽油高，这就使 Ｍ３、Ｍ５、Ｍ１５、Ｍ２５甲醇燃料进行了研究测试，已证明了技术上 得使用醇类燃料的发动机在低温状况下启动困难。但较高的 的可行性ｆ”。目前我国推广使用甲醇燃料的地区主要是山西和 汽化潜热可以使燃烧温度下降，这对减少ＮＯ 的排放是有利 陕西。 的，同时醇类燃料富含氧，有利于燃料彻底燃烧，理论上可以 乙醇可以由粮食、植物纤维素来制取，是一种可再生的替 降低尾气中ＨＣ、ＣＯ含量。含氧燃料对减少碳烟排放也是非常 代燃料。乙醇燃料在巴西和美国得到大力推广，其中巴西已经 有利的。根据经验，燃料含氧量达３４％以上，发动机在任何工 成为燃料乙醇生产能力最大和出口量最大的国家。２００６年巴 况下均不产生碳烟『２）。醇类燃料的饱和蒸气压比汽油低，低的 西乙醇总产量１７７亿Ｌ，其中燃料乙醇占７６％。这也与巴西的 蒸汽压力和高的汽化潜热使其蒸发困难，因而对发动机混合 作者简介：（１９８４￣），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机燃烧与排放。 ２ｏｏ８ ＮＯ ５ ＠ １５李源 环境 ＩＳＳＮ１ ６７２－－９０６４ 气形成系统提出了更高的要求。醇类燃料的十六烷值很低，着 分数小于１５％（Ｍ１５）时不需对发动机作任何改动，当甲醇大于 火性能很差，因此在柴油机上使用还需要采取相应的技术措 该含量时需要对发动机进行改进或重新设计。对于未作改进 施。 的发动机，在使用甲醇汽油时，随着甲醇比例的增加，发动机 ３ 甲醇燃料综合性能分析 功率和扭矩下降，绝对有效效率增加ｌ引。对于使用Ｍ８５或Ｍ１００ ３．１ 甲醇生产成本与全寿命分析 的发动机，改变压缩比后，其热效率可以提高。另外，甲醇有较 甲醇的价格受原料价格和市场供求关系的影响很大，因 高的层流火焰传播速度，这将使燃烧提前结束，从而提高发动 此市场上甲醇价格存在很大的波动性。２００５年初，我国甲醇的 机热效率。试验发现，压缩比相同时，发动机使用甲醇的热效 市场价格为１１００元／ｔ。到２００６年，市场上甲醇主流价格在 率比使用汽油高７％～１３％。其主要原因是甲醇发动机的滞燃 ２５００～３５００元／ｔ的区间运行，最高上探至３９５０～４２００元／ｔ。不同 期和主燃期缩短，燃烧速率高，最高燃烧压力循环变动小 。因 地区的甲醇价格也有较大差距，现在国内甲醇价格从２５００元／ 此，经过改进的发动机在使用甲醇时可以拥有良好的动力性 ｔ至３４００元／ｔ不等。但与其它燃料相比，甲醇的廉价仍是其最 能和经济性能。 大的竞争优势。 使用甲醇和乙醇对发动机的燃料供给系统，润滑系统和 应用全寿命分析法来评估燃料的应用潜力是最有效的方 润滑油都有一定的影响。主要体现在对各机械部件的磨损和 法日，该方法对替代燃料从生产、运输到使用全过程的能量效 对润滑油品质的影响。相关研究表明，使用醇类燃料使润滑油 率、产生的排放、价格等各种参数进行全面分析。表２给出部 温度升高、黏度增加、润滑油含水量、戊烷不溶物、铁粒等污染 分替代燃料全寿命循环的分析结果口。由于影响燃料生产效能 物增多 。醇类发动机燃料供给系统的磨损主要发生在高压油 的因素众多，所列数字都是一个范围，仅具相对比较的价值。 泵和燃料喷射系统 。造成燃料供给系统磨损的主要原因是醇 表２部分替代燃料的循环分析结果 类燃料的润滑性差、腐蚀性强［９１。醇类燃料对 润滑系统的影响主要体现在气缸壁、气门传 动组、和连杆轴承的磨损。造成气缸壁和气门 传动组磨损的主要原因是醇类燃料在燃烧过 程中产生了酸性物质、水和液态醇对润滑油 膜的冲洗作用。而连杆轴承的磨损主要是由 以上２种磨损产生的金属磨粒所引起的 。使 用低掺醇率汽油对发动机磨损不是很明显， 随着掺醇率增高，发动机的磨损将增大。 注：１ＮＧ—ＣＮＧ：由天然气生产压缩天然气，ＮＧ一甲醇：用天然气生产甲醇；２能量效率＝燃料能３．４ 甲醇的排放特性 量／（燃料生产过程中消耗的能量＋燃料能量）。 甲醇含氧量高，且分子结构中不含Ｃ—Ｃ 从表２可以看出，与常规燃料相比，甲醇的能量效率不 键，可保证在任何工况下均不产生碳烟。相关研究表明，汽油机 高，且向大气中排放的温室气体（ＣＨ ，Ｃ０２）也比较多。 燃用甲醇或甲醇／汽油的混合燃料，尾气中的Ｃ０、ＨＣ和Ｎ０ｘ ３．２ 甲醇的安全性与储存运输 排放有不同程度的降低，但排气中含有较多的甲醇、甲醛等非 甲醇属于中等毒性物质，对人体的毒性作用很大，而其氧 常规有害排放㈣。德国大众公司研究表明，使用甲醇的发动机 化物甲酸和甲醛毒性更大，甲酸的毒性比甲醇大６倍，而甲醛 甲醛排放是普通发动机的３～６倍，未燃甲醇的排放也比较高， 的毒性比甲醇大３０倍。甲醇可经消化道、呼吸道及皮肤吸收 且在任何工况下甲醇发动机的甲醛排放都比汽油机高。较高 进入人体而导致人体中毒。甲醇对人体的毒理作用包括２方 的燃烧温度对甲醇和甲醛的完全氧化是有利的。有研究表明， 面，①直接侵害组织细胞，尤其是视神经细胞；②甲醇在体内 对于甲醇汽油（Ｍ１０），排气中的未燃甲醇随发动机负荷增加而 氧化成甲醛或甲酸，呈现酸中毒Ｈ。甲醇中毒严重者可导致失 增加，甲醛则随发动机负荷的增加而降低，在发动机速度和负 明甚至死亡。因此，甲醇在使用过程中需要制定并严格执行一 荷都较高时，则没有甲醛排放。因此可以推断，甲醛在排气温度 套安全管理制度。 较高时可以被充分地氧化＿１Ｏｌ。这表明利用排气后处理技术可以 甲醇的亲水性很强，在储存和运输过程中应严格防湿，否 有效地控制甲醇燃烧所产生的非常规排放。 则将影响甲醇品质。在低温时，甲醇与汽油的混合液中水含量 ４乙醇燃料综合性能分析 超过某一临界值时便发生相分离。这将严重影响燃料的使用， ４．１ 乙醇燃料的生产成本与生产能耗 同时下层的水与甲醇的混合溶液将会形成电解质，对金属形 乙醇主要以粮食，植物纤维素为原料来制取。原料价格和 成电化学腐蚀ｌ】１。甲醇在生产过程中含有酸性物质，这也会对 制醇工艺水平决定了乙醇的成本。据统计，我国乙醇生产总成 储存容器产生一定的腐蚀性。目前，防止甲醇对金属产生腐蚀 本的７０％以上为原料消耗。用粮食制取乙醇技术成熟，但生产 的技术尚不成熟。甲醇在燃烧时火焰是不可见的，这使得对甲 成本较高，而且我国人均耕地面积有限，过多的粮食消耗将影 醇的管理产生了一定的难度，更容易存在安全隐患。 响粮食安全。我国目前的是控制粮食乙醇的数量和规模， ３．３ 甲醇对发动机性能的影响 坚持发展非粮食燃料乙醇。 甲醇与汽油掺烧在火花点火发动机上使用时，甲醇体积 ２ｏＯ８．ＮＯ，５ 能源箝环境 ｌＳＳＮ１ ６７２－－９０６４ 因生产工艺的不同，制醇效率差距很大。以我国目前乙醇 ＥＩＯ和Ｅ２０时催化器前的ＣＯ排放与燃用汽油相比明显降低， 生产技术，生产１ｔ乙醇需要消耗１２ｔ水和３．３ｔ玉米，而在美国 生产ｌｔ乙醇只需消耗１．８ｔ水和２．８ｔ玉米。利用秸秆制取乙醇 可以有效降低成本，相关试验显示，每４ｔ秸秆（玉米秸秆、麦草 秸秆等）可生产Ｉｔ燃料乙醇。制取乙醇需要消耗大量的能量。 ＮＯ 排放基本保持不变，在较大负荷时ＨＣ排放略有升高。乙 醇在燃烧时会产生乙醇和乙醛等非常规排放，文献［１３１研究显 示，在使用Ｅｌ０和Ｅ２０的汽油机上，醇、醛类排放经过三效催 化转化器后基本可以实现零排放。 表２显示，各种方法制取乙醇的能量效率都不是很高，其中用 玉米制取乙醇向大气中排放的ＣＯ。过高，这对降低温室气体 排放是毫无益处的。 ４．２乙醇的储存与运输 ５应用前景展望 从醇类燃料的综合性能来看，醇类燃料有较大的发展潜 力。在没有开发出更优越的汽车替代能源之前，醇类是比较理 想的替代燃料。甲醇价格低，可以有效降低常规有害排放，然 乙醇是亲水性液体且易挥发，在储存和运输时应注意密 而其对金属的腐蚀性和对橡胶的溶胀性成为其推广使用的障 封，防止乙醇与水或水蒸气接触。乙醇溶水后会影响其品质， 碍。另外甲醇燃烧时甲醛排放较高也成为影响其推广使用的 乙醇汽油中水含量过多时会产生相分离，产生相分离的水分 不利因素。乙醇在储存运输、燃烧排放方面具有良好的性能， 含量与温度和乙醇汽油中乙醇的含量有关。目前美国规定车 而且乙醇是可再生能源，发展前景广阔。与甲醇相比，乙醇在 用乙醇汽油的储运周期为４－５ｄ。在我国尚无明确规定。乙醇对 价格上处于劣势，这给乙醇的推广使用带来了很大困难。粮食 金属的腐蚀性是很弱的，产生腐蚀的主要原因是当乙醇中含 乙醇无益于减少温室气体排放，而且粮食在生产过程中所使 有水分时将激活金属的酸腐蚀和电化学腐蚀。另外乙醇中含 用的化肥农药等也会对环境造成污染。从经济角度来讲，发展 有乙酸也对金属有腐蚀性。在乙醇中加入腐蚀抑制剂可以有 粮食乙醇的意义不大。而纤维素乙醇能降低乙醇生产成本，相 效控制对金属的腐蚀。试验表明，绝大多数橡胶件均能适应乙 对降低温室气体排放。从目前来看，发展纤维素乙醇将会有更 醇汽油，只有少数几种不适应，但腐蚀作用缓慢。 广阔的前景。 ４．３ 乙醇对发动机性能的影响 乙醇燃料在发动机上使用主要采用与汽油掺烧的方式， 参考文献 也可以用乳化剂使乙醇和柴油生成稳定乳化液，但目前乙醇 １ 梁玮．甲醇汽油的研究开发及应用现状．中外能源，２００６，１ｌ（２） 与柴油掺烧尚未进入实用化阶段。当汽油中掺醇含量不超过 ２蒋德明，黄佐华．内燃机替代燃料燃烧学．西安交通大学出版社，２００７ １Ｏ％时，发动机可以不作任何调整或稍作改进。使用乙醇汽油 ３ Ｌｅｓｔｅｒ Ｂ Ｌａｖｅ．Ｈｅａｔｈｅｒ Ｍａｃｌｅａｎ．Ａ ｌｉｒｅ ｃｙｃｌｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ 时，对发动机进行改进后，其动力性能与原汽油机相当。乙醇 ｔｒａｎｓｐｏｌｔａｔｉｏｎ ｆｕｅｌｓ．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ．２０００～０１一ｌ５１６．２０００ ４邓宝清，李理光，刘巽俊，等．小型发动机燃用汽油、乙醇和１．ＰＧ燃料 的低热值比甲醇高，但比常规燃料低。在汽油机上使用乙醇汽 的排放对比．燃烧科学与技术，２ｏ０３，９（３） 油，发动机的燃油消耗率增加，但发动机热效率提高。由于乙 ５ Ｈｕ Ｓｈｅｎｇｈｕａ，Ｅｄｄｙ Ｒ，Ｃｕｔｙ Ｃｌｅｍｅｎｔｅ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｐａｒｋ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｅｎ— 醇的粘度比汽油高很多，在管路流动阻力较大，在火花点火发 ｇｉｎｅ ｆｕｅｌｅｄ ｗｉｔｈ ｍｅｔｈａｎｏｌ／ｇａｓｏｌｉｎｅ ｆｕｅｌ ｂｌｅｎｄｓ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｒ 一 动机上使用，有可能使高速、高负荷时功率上不去日。 ｎｅｅｒｉｎｇ，２００７ ２７ 使用乙醇燃料对发动机燃料供给系统，润滑系统和润滑 ６姜立永，李玉峰．点燃式甲醇燃料发动机的燃烧特性．内燃机学报， 油也有一定的影响，但与甲醇相比，乙醇燃烧产生的酸性物质 １９９４．１２（３１ ７ 张玉刚，陈铭．醇类发动机润滑问题研究概况．润滑与密封，２Ｏｏ４，６ 较少，因此对机械的磨损程度较小。 ８ Ｅｃｋｌｕｎｄ Ｅ Ｅ，Ｂｅｅｈｔｏｌｄ Ｒ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｓｔａｔｅ—ｏｆ－ｔｈｅ—ａｒｔ ｒｅｐｏｒｔ ｏｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ４．４乙醇的排放特性 ａｌｃｏｈｏｌｓ ｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ，８４０１１８，１９８４ 乙醇可以有效降低有害排放。相关试验证明，在同比条件 ９张时钕，李象熔．醇类燃料发动机用油的分析研究．石油炼制，１９９２（１０） 下，乙醇的ＣＯ和Ｎ０ 排放较汽油和ＬＰＧ都要低，而乙醇的 ｌＯ 吕胜春，李晖，等．甲醇／汽油混合燃料发动机非常规排放成分测量方 ＨＣ排放与汽油没有明显差别【４】。乙醇与柴油混合在柴油机上 法研究．内燃机学报，２ｏ０６，２４（１） Ｉ１ 王建昕，闰小光，程勇，等．乙醇一柴油混合燃料的燃烧与排放特性．内 进行使用时可以有效降低ＰＭ排放，但在乙醇比例超过１０％ 燃机学报，２００２，２０（３） 时，ＮＯ 排放随着乙醇比例的增加而增加。但可通过采用推迟 １２李德钢，吕兴才，张武高，等．乙醇混合燃料压燃式发动机的性能．农 喷油提前角或优化喷油规律等措施降低ＮＯ ，在抑制ＮＯ 排 业机械学报，２００５，３６（２） 放不超过原机水平的前提下降低排气烟度＿１１１。文献＿１２１的试验研 ｌ３祁东辉，刘圣华，李晖，等．电喷汽油机燃用乙醇／汽油混合燃料排放 究表明，使用Ｅ５和ＥＩＯ时的ＮＯ 排放比柴油略有减少。文献 及催化转化特性研究．安全与环境学报，２００６，６（５） 『１３］对乙醇汽油Ｅｌ０和Ｅ２０进行的试验研究表明，汽油机燃用 美国研究者期望利用深水海洋能发电 美国佛罗里达州的研究人员正在试验水下涡轮发电，以 难。我们的目的是利用水涨水落带动深水区所产生的能量，他 期利用海水流动发电。美国佛罗里达州大西洋大学海洋能技 的团队正在两个岛之间进行测试，在水下九米处测试水力涡 术中心的负责人说：把发电机等设施放入海洋深处有很多困 轮机的发电能力。 ２ｏｏ８ ＮＯ。５ ＠
