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专家详解液体车用替代燃料 甲醇危害指数低于汽油

2018年05月09日 08:16    来源: 中国汽车报     谢振华

  国家工信部为时五年的甲醇汽车试点工作已经画上圆满句号。参与试点工作的1024辆甲醇汽车累计运行里程超过1.84亿公里,消耗甲醇燃料超过2.4万吨,大批试点数据全面验证了甲醇汽车的适应性、可靠性、经济性、安全性和环保性。

  作为液体车用替代燃料 甲醇危害指数低于汽油

  甲醇在我国主要通过煤炭生产,是一种非常基础的大宗化工原料。

  甲醇分子式CH4O,常温常压条件下是液体。在化学上,甲醇和乙醇都属醇类,化学性能十分相似,对生物体也有相似的毒性机理和相同的轻度危害等级。

  并且,依据《职业性接触毒物危害程度分级》国家标准GBZ 230—2010规定,甲醇和乙醇、汽油均被列入轻度危害等级,甲醇的危害指数还低于汽油。在甲醇汽车试点十个城市区域范围,全体涉醇人员体检中,均未出现影响人体健康的案例,涉醇场所环境监测的空气中的甲醇浓度均低于我国职业接触规定的限值。

  甲醇与乙醇、汽油都属于易燃易爆危险化学品,甲醇的热值低于乙醇、汽油,挥发性低于汽油,容易溶解于水,在消防安全方面的危害性也低于汽油。

  甲醇发动机尾气排放优于汽柴油发动机

  甲醇汽车在排放上优于汽、柴油车。国三发动机使用甲醇燃料后排放能够达标国四,国四发动机能达标国五。试点期间,按规定抽检的运行车辆排放指标全部达标,为甲醇汽车试点工作专门设置的非常规排放物甲醛的检测指标同样全部达标。

  甲醇燃料辛烷值高达112,能使发动机更加平稳地工作。甲醇作为含氧燃料,改善了发动机的燃烧反应,提高了热功转换效率,实际运行的等热值替代比例相比理论值降低为1.7比1。

  因为甲醇在发动机中燃烧的理论空燃比仅为6.45,比汽油的空燃比14.6低一半多;加上提高了发动机热效率,意味着发动机配气量将相应有所下降;而发动机吸入空气量减少的同时氮气吸入同比例减少,产生氮氧化物的数量也应当有所减少。

  同时,甲醇发动机的废气排放温度低于汽柴油,工作温度的降低同样促使氮氧化物排放的减少。

  因此在甲醇发动机工况的精细标定后,我们看到在甲醇汽车实际的尾气排放中,除了一氧化碳、碳氢污染物大幅下降之外,氮氧化合物也有所降低,整体排放得到有效、平衡的控制。

  甲醇汽车节能优势明显

  在五省市十个地市历时5年的试点实践中,1024辆不同类型的甲醇汽车,采取不同的运行模式,总运行里程达1.8亿公里,乘用车百公里甲醇燃料消耗在15升左右,燃料消耗比照同样类型汽油车,等热值替代比例从理论值降为1.7比1,按汽油等热值计算平均能量转换效率可提高20%以上;使用柴油/甲醇双燃料组合燃烧技术的商用车柴油燃料替代率超过30%,替代比例为1.2比1,比照柴油消耗,等热值计算平均能量转换效率提高平均节能12%以上。

  内燃机使用甲醇燃料的热效率同比汽柴油大幅提高,主要是甲醇燃料含有一半质量的氧元素的原因,从而改变了气缸中燃料的燃烧学行为,相对汽柴油的燃烧转换效率得到大幅提升。

  煤制甲醇的资源利用率远高于煤制油

  在我国,甲醇生产主要以煤为原料。

  以煤为原料生产车用成品油有煤直接和间接液化制油的工艺途径。其中,神华集团年产100万吨煤直接催化加氢制油项目已成功投产,成为我国煤化工技术领先世界的标志之一;采用煤先气化,再由合成气催化反应间接生产油品的费托合成工艺路线,在我国也有几套大规模生产装置相继成功投产;煤制油还有另一个工艺途径是通过中间产品甲醇脱水间接制油,这在我国同样也有多个成功投产的大型项目。

  国内煤制甲醇最先进的单耗指标约为每吨甲醇用标准煤1.6吨。而神华100万吨煤直接制油产出的油品加上其他副产,每吨产品消耗原料煤需要4.35吨;通过甲醇间接制油的单耗约为每吨油需原料甲醇2.353吨,加上工艺过程的蒸汽、电耗,折合成原料煤总计达5.65吨。

  以甲醇燃料发动机的替代汽油比例1.7计算,吉利甲醇汽车百公里耗甲醇15升相当于耗煤19.2公斤;如果用煤直接制油作为燃料,百公里油耗8.82升,可折算成耗煤28.4公斤;如果通过甲醇间接制油方式,则8.82升的油耗将相当于耗煤36.8公斤。

  由此可见,在煤制燃料中做比较,生产甲醇的资源利用率远高于煤制油技术途径。正因如此,中国政府在解决煤制油技术储备以后,及时做出了停止后续项目批准的正确决策。另外,世界上除了南非以外,其它各国一直没有推进煤制油的产业化也事出有因。

  从等热值能量转换效率角度看,汽车发动机直接使用甲醇作燃料,相比煤制油生产车用液体燃料等途径,非但避免了生产工艺过程的资源、能量消耗,还能达到甲醇直接作为燃料可大幅提高发动机热效率的节能效果。

  煤制燃料生产能耗大幅减少 二氧化碳转废为宝

  使用甲醇作为车用燃料,直接和间接导致的煤耗的降低,本质上能够大幅减少燃料生产过程中无效燃烧的能耗,同时也大幅降低环境污染物与二氧化碳的排放。

  另外,甲醇生产中合成气的脱硫脱碳净化工艺,是集中排放二氧化碳的,并且排放浓度最高可达90%以上,现有工艺已经可以进一步将其精制成为食品级二氧化碳,以及用于消防、工业惰性气体等的实际商品利用。

  如果今后需要地质埋存治理,或者配合地热、光伏、风力、水力等绿色发电发展二氧化碳加氢制甲醇,这样高浓度的二氧化碳也将更方便、更节能。

  甲醇对环境更友好更绿色

  甲醇作为燃料使用时,对周围环境的污染排放主要在于储存、运输和添加过程中。运输事故、储存渗漏、加注溅洒、甲醇蒸发挥发等是甲醇污染排放的主要途径。

  汽油国标规定在37.8℃下蒸气压为40~85kPa,甲醇在同样温度下蒸气压为31.9kPa,明显低于汽油;甲醇的汽化潜热为1167kj/kg,比汽油值293~841kj/kg高得多,正常使用和储存情况下,甲醇挥发排放进入大气的数量远低于汽油。

  甲醇易溶于水,进入水体或土壤中的甲醇会很快被稀释,当浓度低于微生物生存阈值后就能被自然界微生物降解自净。而汽柴油则难溶于水,不易扩散,在自然环境中难以降解,会产生累积污染。另外,废水中含有少量甲醇反而有利于微生物降解脱出废水中的含氮物质。

  因此,甲醇燃料虽有一些毒性,但易于在环境中降解,使用甲醇燃料不会对环境造成严重的污染。

  在水中,甲醇及乙醇的生物降解过程要比原油或者汽油迅速得多。醇燃料在水中的滞留时间以几小时计算,而原油、汽油、柴油的滞留时间尺度则以几年计算。

  据估算,如有10000t甲醇泄漏到海中,在洋流帮助下扩散溶解稀释,泄露后1小时甲醇的浓度就能下降到0.36%,再往后的浓度将更低。随后的几天内,微生物通过生物降解方式能将稀释的甲醇降解处理完。

  但是在相似规模的汽油泄漏事故中,汽油由于与水不溶,将会大面积覆盖在海水表面而不容易被扩散,长时间的集聚很可能导致区域性的生态灾难。

  从这一点分析,用船舶运输醇燃料或者船用柴油机使用醇燃料,一旦泄漏,甲醇对生态环境的危害会远比石油及其成品轻得多。

  应该指出的是,环境中甲醇的性质与甲基叔丁基醚(MTBE)也有很大不同,MTBE不容易降解,因此已在世界一些国家和地区被禁止作为燃料中含氧高辛烷值的添加剂,并将成为一种趋势。

  当甲醇溢流在陆地土壤中时,真菌及细菌表现出较大的容忍性。有资料表明,如果土壤表面甲醇泄露浸润达到饱和状态,一星期以后,在10cm到30cm深度处,50%以上的真菌孢子(蘑菇)能恢复活性,三星期后90%能恢复活性,细菌的活性也同样恢复较快。

  瑞典曾在草地上进行试验,以1.35L/m2汽油及M15和以2.71L/m2的甲醇及乙醇的量洒向草地,然后在深度10cm到30cm处取出土壤对上述燃料及主要成分如醇、苯、甲苯及烷烃进行分析。结果表明,甲醇及乙醇更容易从表面蒸发掉,而且容易随水分转移到土壤中有微生物的地方,而这些生物活性还能使甲醇浓度进一步减小,经过四星期后,土壤中上述甲醇及乙醇的浓度只有3ppm水平。

  为了评价洒向草地的醇燃料及汽油对土壤长时间的影响,以年为时间单位测量分析了土壤中通气氧的消耗能力。通气氧消耗高表明微生物生存丰富,通气氧消耗低表明土壤中微生物受到损伤。结果是,汽油及M15洒草地的土壤显示了较低的氧消耗情况。

  国外还对醇燃料及汽油对植物实际生长的影响进行了试验。研究结果表明,在喷洒了甲醇及乙醇的土壤中,植物生长受到的影响比汽油及M15混合燃料的低。一年以后,在受醇燃料污染的地方,植物生长出的总量是正常土壤的65%,而受汽油及M15污染的土壤生长出植物的总量只有未受污染土壤的50%及45%。

  综合这些试验研究情况表明,甲醇对陆地生态环境的影响,不如汽油的影响更严重。

  推进甲醇替代车用燃料符合我国能源国情

  我国的能源资源国情是“缺油少气相对富煤”,煤炭作为能源主体的状况在相当长时期内不可能根本改变。

  煤制甲醇是清洁利用煤炭的有效途径,如果甲醇成为较大份额的车用替代燃料,将会对我国能源多样化战略,对改善我国能源安全状况,以及克服煤炭利用中的环境治理困境做出巨大贡献。

  与发电等煤的直接燃烧和直接排放方式截然不同,煤制甲醇工艺过程高压高温全封闭,煤制甲醇工艺过程中的所有三废都能得到合理利用和收集,并进行规范的排放与治理,生产工艺绿色环保。

  甲醇产品不含硫,甲醇生产中硫的分离脱除通过专门工艺过程转化成硫磺、硫酸或硫酸铵化肥等产品并能得到综合利用;甲醇生产不排放SOX污染物;甲醇生产中煤的气化过程使用纯氧,没有氮气,也不产生NOX排放。

  因此在我国,通过煤制甲醇方式是清洁利用煤炭资源的有效途径,也是我国科技部十三五规划提出碳基能源清洁利用的一条必经之路。

  煤制甲醇替代成品油用于甲醇汽车的能效转换效率高于传统汽、柴油汽车,更高于天然气汽车,尾气排放也优于这些传统汽车。同时,甲醇还具有与天然气一样的氢碳比例,作为一种低碳能源对于减排二氧化碳也有重要意义。推广使用甲醇燃料对降低大气污染物排放和二氧化碳减排都具有明显的贡献。

  (作者谢振华 系上海焦化有限公司技术经济委员会原秘书长)


(责任编辑:马瀚明)

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