车用石油燃料的替代产品-甲醇汽油

车用石油燃料的替代产品——甲醇汽油

摘 要：随着机动车数量的不断增加,机动车排气对环境的污染越来越严重。另一方面从上个世纪七十年代起,出现世界性的能源紧缺,明显地预感到石油燃料供应危机,石油终将枯竭。内燃机替代燃料研究的主要目的在于：应付石油危机,提高燃料供应的安全性,为石油资源枯竭后燃料品种的平稳过渡作准备,提高现有能源的应用效率,开拓能源应用新领域,减少污染,保护生态环境等,人们在研究中发现,醇类是除石油、天然气以外,内燃机最可代用的燃料。

关键词：甲醇汽油；燃料；能源

引言：近几年来，我国的石油价格一直在上涨，传统能源储存量越来越少，越来越多的国家开始加大国内原油的储备，而且现在环境恶化越来越严重，可以说发展替代燃料已成为世界共识。根据现在汽车的增长趋势来看，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿俩，届时，交通用石油将占世界石油总消费量的62%以上，石油需求与常规石油供给之间将出现缺口，未来汽车产业在发展新技术、提高汽车燃油经济性同时，必须考虑车用替代燃料的发展问题。

石油燃料的替代产品

总的来说，汽车代用燃料可分为三类：一是含氧燃料（醇/酯/醚）；二是合成油（BTL/CTL/GTL）,三是气体燃料（甲烷气/合成气/氢气）。其中含氧燃料技术成熟，合成油与现有车辆技术体系和基础设施完全兼容，但技术还有待完善，合成油可以在中长期发挥重要作用。气体燃料车优点很多，但尚处在研究阶段，我国将从基础科学前沿、前沿技术创新、工程应用开发等方面逐一突破。

1.天然气汽车进入快速发展期。截止到2007年底，全国已有30个省（市、自治区）的80多个城市推广天然气汽车，建成天然气站555座，主要集中在气源地附近。目前，我国已初步建立了完整的天然气汽车产业链，2007年全国天然气汽车产量达到5.7万辆，尾气排放已达欧Ⅲ标准。

2.车用生物液体燃料开发得到重视，非粮生物液体燃料成为根本方向。 “十一五”以来，我国政府明确要求转向发展非粮生物液体燃料，加大了技术研发、原料基地和生产项目建设力度。我国生物液体燃料产业发展仍需克服如下挑战：一是原料资源基础仍然薄弱；二是技术产业发展水平不高；三是缺乏足够强的经济竞争力和抗风险能力。

3.煤基合成燃料开发取得进展，但仍然面临环境威胁和技术瓶颈等制约因素。我国已形成比较成熟的煤制甲醇和二甲醚生产技术， 也在部分地区开展了车用甲醇示范工作，已开始了二甲醚车示范运行，但分别由于环境风险和发动机供给储运技术 障碍而难以实现大规模推广 。

4.新能源汽车开发进展加快，但与实现产业化有一定距离。在2008年北京奥运会期间，我国汽车企业和科研机构提供了自主研发的一批电池汽车、混合动力客车、轿车、燃料电池轿车等各种新能源汽车为奥运会服务。但是，目前我国新能源汽车发展还存在技术成熟度不够、关键零部件配套缺乏、可靠性和生产一致性差、市场导入期的成本较高等障碍，使得新能源汽车距离规模化量产和广泛使用尚有一定距离。

甲醇汽油的使用性能

1.1 甲醇汽油的理化性能

工业甲醇在常温下是无色、透明、易挥发、易燃烧的有毒液体。沸点 64.8℃,相对密度(20℃)0.7914。工业甲醇化学性质较活泼,能发生氧化、酯化、羰基化等化学反应,甲醇不具酸性,其分子组成具有碱性特征的羟基,但也不呈碱性,对酚酞及石蕊均呈中性。

甲醇的氧质量分数为 50%,其理论空燃比仅为6.45,相当于汽油空燃比的 44%。含甲醇 5%的汽油M5,其氧质量分数为 2.5%,汽车发动机不需改造即可适应；含甲醇 15%的汽油 M15,其氧质量分数为 7.5%,发动机需适当调整改造方可适应；含甲醇85%的汽油 M85,其氧质量分数为 42.5%,或纯甲醇 M100,氧质量分数为 50%,这样高含氧的燃料,空燃比很低,普通汽车的发动机难以适应,需要专门设计发动机以适应 M85 或 M100 [2]。

1.2 甲醇作为燃料的特点

第一,由于醇类分子中含有氧,按质量计算,甲醇含有50%的氧,因而甲醇完全燃烧所需的空气量比汽油少得多,燃烧产生的尾气带走损失的热量也相应地减少,这样就使发动机总热效率得到提高,燃烧后所造成的污染程度比汽油轻。

第二,醇类热值比较低,甲醇质量热值只有汽油的45.5%,因此,在醇类燃料的有效质量燃油消耗率高,醇类燃料在同等的热效率下,它在气缸内完全燃烧时所需的过量空气系数远小于燃油汽油时所需要的值。

第三,甲醇的汽化潜热是汽油的3倍左右,高的汽化潜热及低的蒸汽压将导致混合气形成和起动困难,但可以使进气温度进一步降低,提高了充气效率；同时由于甲醇的汽化潜热大,可以改善燃烧后发动机内部的冷却条件,改善发动机的动力性,降低排气温度。

第四,醇类具有较高的辛烷值,具有较高的抗爆震性能,对通过提高发动机压缩比来提高发动机的热效率很有利,因此是良好的汽油机代用燃料,也是提高汽油辛烷值的优良添加剂。普通汽油15~20%的甲醇混合,辛烷值可以达到优质汽油的水平。

第五,甲醇的着火界限比汽油宽,能够在较稀的混合气状态下燃烧,这将使发动机可以在稀混合气条件下稳定运转,对排气净化和降低油耗非常有利。

第六,甲醇的燃点比汽油高,不易于发生火灾事故,比汽油使用安全。醇类燃料的沸点及蒸气压都比汽油低,有助于燃油-空气混合气的形成,不过其中缺乏高挥发性成分,对起动不利。

1.3 甲醇汽油的使用性能

甲醇是液体燃料,其储运、分配、携带、使用都和汽、柴油一样方便。据报道,在现有石油加油站上,添建一个抗甲醇材料的加甲醇设备(耐醇加油机和不锈钢甲醇罐),只需要20万元,远比CNG加气站便宜(一座 CNG加气站大概需投资 400万元)。每辆甲醇中巴车价格,比汽油中巴车约高1000～1500元。司机使用 M85甲醇运行,比用纯汽油每天可节省15～20元,每年可省4000～6500元。因此,目前使用甲醇燃料在经济上是合算的,受到司机欢迎的。

1.3.1 甲醇-汽油混合燃料的种类

甲醇与汽油混合通常称为“汽油掺烧甲醇”,并以甲醇的含量作为燃料标记,例如掺入3%、5%、15%、85%甲醇的汽油分别标为M3、M5、M15、M85,纯甲醇燃料则为M100。

（1）低浓度混合,掺混甲醇量低于10%；

（2）中浓度混合,掺混甲醇量15～60%；

（3）高浓度混合及纯甲醇,掺混甲醇量高达80～100%。

1.3.2 甲醇-汽油混合燃料的优点

第一,甲醇的汽化潜热高,燃料气化时吸热,使得混合气温度降低；而且受稀释效应的影响,发动机在使用混合燃料时燃烧温度较低,因而排放的尾气中的NO2含量降低。

第二,甲醇的 C/H值较汽油小,完全燃烧时,排放的尾气中的 HC及 CO的含量低。

第三,甲醇抗爆性能好,在与汽油掺烧中可增加汽油的抗爆性能,比如在汽油中掺入 5%的甲醇,在不降低抗爆震性能前题下,每升燃料中铅含量可从原来的 0.45%降低到 0.15%。

第四,当甲醇含量小于 15%时,甲醇能在汽油中很好地溶解,发动机无需改造即可使用,在汽油机上已进入实用阶段,用户使用方便,是研究较早、较多的甲醇-汽油混合燃料。中浓度甲醇-汽油混合燃料使用化油器调整后的发动机,可以保持原发动机的性能。中高浓度的甲醇-汽油混合燃料,由于甲醇含量较高,已引起燃料对汽车性能的影响,一般需将发动机和油路系统作必要的调整和改装。

甲醇汽油的生产工艺

根据反应器的不同，现有的MTG 工艺路线可以分为3 条，即经典的固定床工艺、流化床工艺及多管式反应器工艺

1.固定床工艺

MTG固定床工艺流程是由两步脱水反应器系统组成：在第l步反应器内，生成接近平衡的甲醇／二甲醚／水混合物；在含有ZSM-5催化剂的第2步反应器中生成烃。第2步产品后冷却，使之在高压分离器中闪蒸，得到的轻质气体循环回第2步反应器，以控制反应温度的上升。最后去分馏塔，分离出液态烃、气态烃和水。循环气与出脱水反应器的气体体积比是9，控制温度可以增加汽油的收率。当反应产物中测定出未反应的甲醇时，表明催化剂结炭，活性已达不到要求。此时，采取空气与氮混合气燃烧法除去催化剂表面的积炭，从而使反应器内的催化剂再生。工业化的流程中并联设臵4台转化反应器，3台运转，l台再生催化剂。生成物中除了极少的C1和C2，并副产少量的C3和C4外，80％左右为C+5。从烃类产物中可以得到85％的汽油，其辛烷值(研究法)高达93，其余是液化石油气和少量的燃料气。

2.流化床工艺

Mobil公司在德国进行了流化床技术的试验开发，规模相当于l 800t／a。主要装臵有流化床反应器、再生塔和外冷却器。原料甲醇和水按一定比例配料并进行气化，过热后进入流化床反应器。流化床反应器顶部出来的反应产物经除去夹带的催化剂后，进行冷却，分离为水、稳定的汽油和轻烃。流化床中的反应是急剧的放热反应，采用外部冷却器移走热量[10,11]。为了控制催化剂表面积炭，将一部分催化剂循环至再生塔。由于不断加入新鲜催化剂，使反应器内的催化剂性能保持基本稳定，从而带来了生产操作和产品质量的稳定。

MTG 流化床工艺具有下述特点：①汽油收率比固定床法略高；②操作中易移去反应热，可将反应热用来生产高压蒸汽；③循环量比固定床大大降低。该工艺完成中试以后，由于当时德国的甲醇成本高，在西欧无法与炼油厂竞争，故而没有进行工业化设计。

3. 多管式反应器工艺

多管式反应器原料甲醇和循环气与反应器出来的气体进行热交换，将温度调整到所需要的反应温度。气体与甲醇的混合物从上部进人多管式反应器，通过管内装填的催化剂催化转化为烃。反应热由多管式反应器壳程循环的熔融盐带人蒸汽发生器中，产生高压蒸汽[14]。从多管式反应器出来的生成物通过热交换器冷却至常温。与液态烃及水分离后的循环气由压缩机循环回转化工序。通过氮气和空气混合气燃烧的方法除去催化剂表面的积炭，使催化剂再生[15]。从分离器出来的烃进入稳定塔，在塔上部将碳数小于4的烃和惰性组分分离，塔底产物为碳数>4的烃类。将塔上部产物送入甲醇合成装臵，作为工艺气或燃烧气使用，或在C3／C4回收塔作为C3／C4烃回收使用。

该技术由鲁奇公司与Mobil 公司共同开发，它与固定床法不同，在一台多管式反应器内将甲醇转换为烃类，也可以称为一步法。

甲醇汽油的现状

目前甲醇汽油主要分布在黑龙江、吉林、新疆、山西、陕西、山东、河南、安徽、江苏、浙江、上海、福建、湖南、四川、云南、贵州、宁夏、江西。其中目前上海、山西、陕西、黑龙江、四川、浙江、银川已行文支持甲醇燃料。山西、陕西、黑龙江、福建已出台甲醇汽油相关的地方标准国内生产甲醇汽油较大的企业有湖南长株潭国际物流有限公司产能200万吨，黑龙江建业燃料有限责任公司产能120万吨，山西华顿商贸有限公司产能100万吨。

甲醇在我国已基本实现向大型化发展的方向，这样就为我国煤化工的发展奠定了良好的基础，也为甲醇在我国的能源安全扮演新的角色奠定了坚实的工业基础。甲醇汽油作为我国新的石油替代产品，目前在市场推广上受到重重阻力，但是，它作为一种清洁、安全、经济的新能源，随着汽车技术的发展及甲醇汽油配制技术的突破，它必将会成为我国石油替代能源中的重要角色。

甲醇汽油推广应注意的问题及应用前景

1. 甲醇汽油推广应注意的问题

1.1 降低甲醇汽油的毒性

甲醇是一种沸点低,易挥发的3级职业性接触有害物质,用作车用燃料其环保问题倍受重视。对此四川疾病预防控制中心在大量实验考察的基础上,评价了车用甲醇燃料毒性和对环境的影响问题。甲醇经口,呼吸道和皮肤均可使人中毒,生产环境主要经呼吸道和皮肤途径中毒。职业接触以防止甲醇蒸发、泄漏、控制空气中甲醇浓度低于50mg/m3。在控制甲醇汽油尾气排放方面,科技工作者进行了大量工作。采取制备清洁燃料,改善燃烧和对尾气进行催化净化的综合措施,从技术上已满意的解决了车用甲醇汽油尾气排放的问题,可达到环保要求标准。我国山西省已经制成清洁的甲醇汽油并通过了国家鉴定,正继续进行着甲醇汽油的推广应用实验。

1.2 规范甲醇汽油的生产和使用

推广甲醇汽油乃利国利民之事,能源是国家的经济命脉,与国家安危相系。当前大家关注的焦点是:甲醇汽油在生产、贮存、运营和使用过程中可能产生的污染与毒害是否能消除?这个问题能否解决是甲醇汽油可否推广的关键所在。称甲醇和甲醇汽油是清洁燃料,那是指它在燃烧之后, 格按10: 1进行称量,否则会引起较大的误差。

2. 甲醇汽油推广的前景

中国经济的快速发展,为甲醇汽油提供了巨大市场需求。专家预测,到2020年中国的石油产量在1.7~2.0亿吨,供需缺口3.3~3.6亿吨,按3吨石油生产1吨汽油计算,其汽柴油缺口1.2亿吨,相当于2.09~2.28亿吨甲醇,而且还不包括甲醇作为四大基本有机原料的消耗。2020年甲醇的市场销量可能在3亿吨左右,尽快出台甲醇发展产业政策,促进甲醇工业发展,形成国家支柱产业是当务之急。中国是世界上唯一的无石油战略储备的石油消费大国,美日等国的石油战略储备能力已达半年以上,一般的国家也能达到90天左右。将资金用于大力发展甲醇燃料,从根本上解决中国的能源问题,既是最好的石油战略储备,也能创造更多的社会效益。甲醇无论生产或是使用,两个环节经济效益都是非常可观的,从以煤制甲醇的生产效益看,每生产1吨甲醇耗煤1.5~1.8吨,产煤区的煤价在100元/吨左右,工业甲醇成本800元/吨左右,而市场甲醇价在2000元/吨,这是巨大的利益空间。再以甲醇燃料的使用看,理论上1.8吨甲醇相应于1吨汽油,而实际中甲醇汽油辛烷值高、爆发力强,

实际消耗1.4吨相当于1吨汽油,按目前汽油价3700元/吨,甲醇2000元/吨,每消耗1吨甲醇可比汽油降低成本1214元。随着科技的发展和进步,特别是世界范围内的石油涨价和石油资源日见枯萎,甲醇作为燃料的经济性更加凸现出来,同时甲醇燃料的大力推广和应用,还具有良好的环保特性,可减少汽车尾气污染物HC、NO的排放60%以上,是一个利国利民的好事。如此巨大的市场和环保效益、经济效益呼唤国家产业政策尽快出台,甲醇燃料的产业发展前途将会一片光明。

甲醇用作燃料,其排放尾气中的 CO、NOX 和HC含量降低,有利于环境保护。更重要的是甲醇用作燃料能优化能源结构,降低对石油的严重依赖,因而成为当前较佳的汽油替代燃料,导致国内外争相开发甲醇燃料汽车。目前,甲醇燃料初期的应用市场现已形成,低浓度甲醇-汽油混合燃料已商业化,得到广泛使用。高浓度和纯甲醇燃料已有开发并投入了试运行。而为了更多地补充石油资源的不足,高浓度和纯甲醇将是今后的发展目标,甲醇-汽油双燃料系统由于经济实用也受到人们的关注。

参考文献

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[3] 徐辉．有关甲醇汽油的特性分析和应用[J]．西安能源，2006，

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[4] 唐宏青. 甲醇制汽油工艺技术（上）[J]. 化工催化剂及甲醇技术，2008（3）：11-15.

[5] 唐宏青. 甲醇制汽油工艺技术（下）[J]. 化工催化剂及甲醇技术，2008（4）：19-23

专 业：化学工程与工艺 学 号：09206040218 姓 名：周 浩

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