（动力机械及工程专业论文）车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 发展车用煤基甲醇燃料可以缓解我国柴油短缺局面，实现煤炭清洁利用，同 时甲醇成本低，辛烷值和含氧量高，燃烧速度快且能有效降低排放，是车用发动 机良好的替代燃料。 利用生命周期评价方法分析了煤基甲醇柴油生命周期的能源消耗、环境排放 和对环境的影响。生命周期方法更重要的价值在于指出降低能耗、排放和环境压 力的途径。 定义了煤基甲醇的生命周期边界，建立了其生命周期能耗和排放的算法模型， 全面分析了从原煤、原油、天然气开采和运输到成品油、甲醇的生产和运输中每 个环节的能源输入输出和环境排放。利用甲醇掺烧率为5 0 的柴油机进气道喷射 甲醇的发动机台架试验和国内外的研究成果，综合确定了柴油机进气道喷射甲醇 方案在汽车上的油耗因子和排放因子。最终得到了煤基甲醇柴油全生命周期的一 次能源( 原煤、原油和天然气) 消耗以及v o c ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d ) 、c o 、 n o x 、p m l o 、s 0 2 、c h 4 、n 2 0 和c 0 2 排放，同时讨论了产生各种排放的源头。 将清单分析结果经分类、特征化、标准化和加权得到了煤基甲醇柴油生命周 期的环境影响总水平值( o e ) 以及生命周期各影响类型的水平值，给出了生命 周期各阶段对各影响类型水平值的贡献，讨论了各影响类型水平值的主要来源以 及降低排放和环境影响的途径。主要结论如下： 与传统柴油路线相比，煤基甲醇柴油生命周期的环境影响总水平值( o e ) 下降了2 2 2 ，说明煤基甲醇柴油能够降低环境压力。煤基甲醇柴油生命周期一 次能源消耗总量与传统柴油路线相当，同时原油消耗比传统柴油下降了3 7 4 ，说 明煤基甲醇柴油未增加能耗的同时降低了对石油的依赖。原油和成品油运输过程 的损耗造成的v o c 排放是煤基甲醇柴油生命周期v o c 排放、光化学烟雾潜力 ( p o c p ) 以及o e i v 的主要来源，因此降低能源运输过程的损耗是降低v o c 排 放、p o c p 和o e i v 的最有潜力的途径。甲醇生产过程排放了大量的c 0 2 ，导致煤 基甲醇柴油生命周期全球变暖潜力( g 聊) 比柴油上升了4 0 ，可以通过提高甲 醇生产的能源利用效率和c 0 2 回收技术解决这一问题。 关键词：甲醇，生命周期清单，生命周期评价，柴油机 江苏大学硕士学位论丈 i ti so n eo ft h ek e yd i r e c t i o n st od e v e l o p i n gc o a l - b a s e dm e t h a n o lv e h i c l ef u e l si n o r d e rt or e l i e v ed i e s e ls h o r t a g ea n dr e a l i z et h ec l e a nu t i l i z a t i o no fc o a l m e t h a n o l sh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc o s t ，h i g ho c t a n en u m b e ra n do x y g e nc o n t e n t ，q u i c k l y b u r n i n gr a t e sa n ds u b s t a n t i a l l yr e d u c et h en o xe m i s s i o n s ，w h i c hm a k ei t t ob e s a s u b s t i t u t eo fd i e s e l l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l c a ) m e t h o di su s e dt oa n a l y z et h el i f ec y c l ep r i m a r y e n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n v i r o n m e n t a le m i s s i o na n de n v i r o n m e n ti m p a c to fc o a l - b a s e d m e t h a n 0 1 m o r ei m p o r t a n t l y , t h ev a l u eo fl c ai sf i n d i n gt h ew a y st or e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o n ，e m i s s i o n sa n de n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，l i f ec y c l eb o u n d a r yo fc o a lb a s e dm e t h a n o li sd e f i n e d ；t h e a l g o r i t h m i cm o d e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a le m i s s i o ni sb r o u g h t ； e n e r g yi n o u ta n de n v i r o n m e n t a le m i s s i o no fe a c h l i n ki nl i f e c y c l e ，f r o mt h e e x p l o i t a t i o n a n dt r a n s p o r t a t i o no fp r i m a r ye n e r g yt ot h ep r o d u c i n gp r o c e s sa n d t r a n s p o r t a t i o no fc o a l b a s e dm e t h a n o l ，i sa n a l y s e dc o m p r e h e n s i v e l y f u e lc o n s u m p t i o n a n de m i s s i o nf a c t o r so fv e h i c l ei sd e t e r m i n e ds y n t h e t i c a l l yo nt h eb a s i so ft h er e s u l t sa t h o m e ，a b r o a da n dt h ee n g i n er i gs t u d y 丽t l lm e t h a n o lp r e m i x e dr a t i oi s5 0 t h e n ，t h e l i f ec y c l ep r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n ，v o c ，c o ，n o x ，p m l o ，s 0 2 ，c h 4 ，n 2 0a n d c 0 2e m i s s i o n so fc o a l - b a s e dm e t h a n o l d i e s e la r ew o r k e do u t ；v 撕o r se m i s s i o n so ft h e s o u r c e sw e r et r a c k e do u t a f t e rt h e f o l l o w i n gs t e p s c o v e r e dt h a t c l a s s i f i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o n ， n o r m a l i z a t i o n ，w e i g h t i n go fi m p a c tc a t e g o r y , t h er e s u l t so fl i f ec y c l ei n v e n t o r y ( l c i ) i s c o n v e r t e di n t ol i f e c y c l eo v e r a l le n v i r o n m e n t a li m p a c tv a l u e ( o e i v ) a n dp o t e n t i a l e n v i r o n m e n t a li m p a c t sv a l u eo fc o a l b a s e dm e t h a n o l d i e s e l p e r c e n t a g eo fd i f f e r e n t p h a s e so fl i f ec y c l ec o a l - b a s e dm e t h a n o l d i e s e li ne n v i r o n m e n t a li m p a c tt y p e sw a s g i v e n ；p r i m a r ys o u r c e so fp o t e n t i a le n v i r o n m e n t a li m p a c t sv a l u ea n dt h ew a y st o r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，e m i s s i o n sa n de n v i r o n m e n t a li m p a c tw e r et r a c k e do u t t h em a i nr e s u l t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： m 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 c o m p a r e d 丽t hc o n v e n t i o n a ld i e s e l ，c o a l - b a s e dm e t h a n o l d i e s e lc a nr e d u c et h e o e i vb y2 2 2 ，w h i c hm e a n sc o a l - b a s e dm e t h a n o l d i e s e lc a nr e d u c ee n v i r o n m e n t a l p r e s s u r e s a l t h o u g h l i f e c y c l et o t a lp r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n o fc o a l b a s e d m e t h a n o l d i e s e la n dc o n v e n t i o n a ld i e s e la r eb a s i c a l l yt h es a m e ，l i f ec y c l ec r u d eo i l c o n s u m p t i o nd e c r e a s eb y3 7 4 ，t h i ss h o w st h a tc o a l - b a s e dm e t h a n o l d i e s e ld o e s n 、 i m p r o v ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e r i n gt h ed e p e n d e n c eo no i l v o ce m i s s i o n s c a u s e db yt h el o s so fc r u d eo i la n dp r o d u c to i lt r a n s p o r tp r o c e s sa r et h em a i ns o u r c eo f l i f e c y c l ev o ce m i s s i o n s ，p o c pa n do e l v s or e d u c et h e l o s s e so ft h ee n e r g y t r a n s p o r t a t i o np r o c e s si st h em o s tp o t e n t i a lw a yt or e d u c ev o ce m i s s i o n s ，p o c pa n d o e i v c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ld i e s e l ，c 0 2e m i s s i o n sc a u s e db ym e t h a n o l p r o d u c t i o np r o c e s sl e a dt ol i f ec y c l eg l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ( g w p ) o fc o a l - b a s e d m e t h a n o l d i e s e li n c r e a s e db y4 0 t h i sp r o b l e mc a nb er e s o l v e dt h r o u g hi n c r e a s e d e n e r g ye f f i c i e n c yo fm e t h a n o lp r o d u c t i o na n da n dc 0 2r e c o v e r yt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m e t h a n o l ，l i f ec y c l ei n v e n t o r y , l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，d i e s e le n g i n e i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 截至2 0 1 1 年8 月，全国机动车保有量达到2 2 亿辆，其中汽车保有量占机动 车总量的4 5 9 ，达到1 0 0 5 亿辆。中国汽车保有量突破1 亿辆大关，成为仅次 于美国的2 8 5 亿辆的世界第二大汽车大国。2 0 0 1 年我国汽车产销量为2 0 0 万辆， 2 0 1 0 年达到1 8 0 0 万辆，年平均增长率达2 7 6 5 ，已超过美国成为世界最大的汽 车市场。目前我国每千人拥有汽车量平均6 0 辆，远未达到世界平均水平的1 2 0 辆，但是如果以目前的汽车产销增长速度，到2 0 2 0 年我国汽车保有量将达到每千 人1 0 0 辆的水平，而汽车保有总量将达到1 4 亿辆。 汽车消费快速增长导致石油消费连年增加。从2 0 0 0 年到2 0 0 9 年，我国石油 生产量从1 6 3 亿吨增长到1 8 9 亿吨，年增长率只有1 6 6 ，而同时期我国石油进 口量从0 9 7 5 亿吨增长到2 5 6 亿吨，年增长率达到1 1 3 4 。2 0 0 0 年我国石油对 外依赖度为3 7 ，2 0 1 0 年为5 3 7 ，数十年来首次突破5 0 。我国石油对外依赖 度连年增高，部分原因是我国对石油的需求增加，还有部分原因是我国石油已探 明储量较低，2 0 0 9 年为2 9 5 亿吨。根据我国目前已探明可开采储量和消耗量来看， 我国的石油开采期只有1 0 多年。考虑到我国每年会发现1 0 亿吨左右探明储量， 目前我国石油年产量2 亿吨水平可保持到2 0 3 0 年左右，而同时期我国进口石油 只会越来越多，石油对外依存度只会越来越高。据专家估计，到2 0 2 0 年石油对外 依存度将达到6 0 。 交通运输业是石油产品汽油和柴油的最大消费部门，约占石油消费量的5 0 。 因此，近年来我国政府不断鼓励和支持寻找内燃机的补充和替代燃料，以解决过 分依赖石油的状况。另一方面，随着汽车工业的大量发展，汽油和柴油使用量大 幅增加，排放的尾气给大气环境和人类健康造成了严重的污染和后果。因此愈来 愈受重视的环境问题要求我们必须寻找环境友好汽车燃料，以减少尾气中有害物 质的排放。 我国能源安全越来越受到重视，解决石油对外依存度过高成为该问题的核心。 除了加大我国油气资源的勘测力度，提高我国油气开采水平和效率，如何有效利 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 用我国现有资源，成为可选择的解决途径之一。 我国煤炭储量十分丰富，根据国土资源部的调查，我国大约有1 8 7 0 亿吨煤炭 储量，而且每年会发现新的储量。2 0 0 9 年，我国原煤产量为2 9 7 3 亿吨，煤炭占 全国能源消费总量的7 0 4 ，石油占1 8 ，天然气占3 9 。我国已探明和剩余可 采的能源( 包括原煤、石油、天然气等) 中，原煤占7 3 ，石油占1 5 、天然气 占1 3 。2 0 0 9 年全国有1 4 4 0 亿吨的煤炭用于发电，发电量占发电总量的8 0 。 我国s 0 2 和n o x 排放一直居高不下，2 0 0 9 年我国s 0 2 和n o x 排放量分别达 到2 2 1 4 万吨和2 4 0 0 万吨。造成这么多排放的原因与我国利用煤炭的方式有关。 由于我国所产煤炭的一半用于火力发电，剩下的也有相当一部分作为燃料直接燃 烧。 以煤为原料制造甲醇作为汽车燃料可以缓解我国对石油的依赖。煤制甲醇技 术己较为成熟，生产成本低，原料来源稳固，而且液体甲醇在储运、分配、携带、 使用等方面与汽、柴油相当。另外，甲醇成本低，辛烷值高，含氧量大，燃烧速 度快，燃烧时无烟，并且能有效降低n o x 的排放，是车用发动机良好的替代燃料。 1 2 甲醇的研究进展 甲醇最早由木材和木质素经干馏制得。现代工业化生产甲醇的原料主要有： 天然气、煤炭、木材和其他生物质。目前世界上8 0 的甲醇是以天然气为原料。 由于我国的能源特点，我国生产甲醇主要是以煤炭为原料。 1 2 1 甲醇的理化特性 甲醇的分子式为c h 3 0 h ，是最简单的饱和脂肪酸，相对分子量3 2 0 4 ，组成 简单，辛烷值高。纯甲醇液体无色、可挥发、可燃、略带酒精味。甲醇属强极性 的有机物，溶解能力很强，可以和多种有机溶液互溶，但是不能与脂肪烃类有机 化合物相互溶。表1 1 为甲醇与汽油、嘴柴油的理化特性【1 1 。 甲醇不含c c 键，含氧量高，因此碳烟和微粒的排放较低【2 】。甲醇不含硫元 素，燃烧产物中没有硫化物，环保性好。甲醇粘度较低，喷雾特性较好，燃烧充 分。甲醇的着火界限宽，火焰传播速度快，有利于稀混合气燃烧。甲醇的汽化潜 热较大，可以降低进气温度，减少n o x 和碳烟排放【3 】。 2 江苏大学硕士学位论文 表1 1 甲醇、汽油和皑柴油的理化特性 t a b 1 1t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fm e t h a n o l ，g a s o l i n ea n d 缈d i e s e l 1 2 2 煤基甲醇的生产 以煤为原料生产甲醇主要包括三个步骤：( 1 ) 煤制合成气；( 2 ) 合成气制甲 醇；( 3 ) 甲醇精馏。 ( 1 ) 煤气化 煤气化是指煤在一定温度和压力的气化炉内，使煤中的有机化合物与气化剂 ( 包括蒸汽、空气或氧气等) 发生一系列复杂的化学反应，其产物包括c o 、i - 1 2 、 c 0 2 、烃类气体、烃类液体、硫化物和灰渣等等。其中，对合成气制甲醇而言， 有效成分是c o 、1 - 1 2 和c 0 2 。 目前工业煤气化技术可分为三代，第一代：以鲁奇碎煤加压技术( l u r g i ) 为 代表的固定床气化技术；第二代：以高温温克勒( h t w ，h i l g ht e m p e r a t u r ew i n k l e r ) 和u g a s 单段流化床煤粉气化技术为代表的流化床气化技术；第三代：以t e x a c o 水煤浆加压气化、s c g p 壳牌水冷壁干煤粉加压气化为代表的气流床气化技术。 3 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 气流床的气化炉温度和压力高、负荷大，适应煤种广范，是具有良好发展前景的 煤气化技术。 气流床煤气化技术是世界上最新一代煤气化技术。粉状颗粒的原料煤与气化 剂以流动状态通过燃烧喷嘴进入气化炉后混合，进行气化反应。 在国外，已经工业化应用的气流床气化技术有以水煤浆为原料的t e x a c o 气化 技术、g l o b a le - g a s 气化技术，以干煤粉为原料的s c g p 气化技术、p r e n f l o 气化 技术、g s p 加压干煤粉气化技术等等。 目前，我国自主研发较先进的煤气化技术有多喷嘴对置气化技术和t p r i 两 段干煤粉气化技术。 “九五 期间，华东理工大学等单位成功开发多喷嘴对置水煤浆气化炉技术， 2 0 0 0 年通过了国家的鉴定和验收。2 0 0 5 年兖矿国泰公司建成并运行2 台日处理 1 1 5 0 t o n 多喷嘴对置式水煤浆气化炉( 4 0 m p a ) 4 1 。该技术与t e x a c o 技术相比， 煤耗和氧耗降低、系统稳定性增加。目前，全国已有三十余台多喷嘴气化炉处于 运行或建设中，并与全球最大炼油企业美国v a l e r o 公司签定技术许可合同，制造 5 台单炉日处理2 5 0 0 t o n 石油焦的气化设备，我国大型化工成套技术第一次向发 达国家出口。 ， 国电热工研究院借鉴e g a s 气化炉热化学法回收高温煤气的原理，开发出 t p r i 气化工艺，该工艺属于两段式干煤粉气化工艺，解决了气流床气化技术在激 冷过程中高位能量损失较大的问题【5 1 。该技术于2 0 0 6 年完成了4 5 t o n d 的中试装 置运行，同年通过科技部组织的验收。 ( 2 ) 甲醇合成 1 9 6 5 年之前，高压法工艺一直是工业合成甲醇的唯一方法。虽然高压法技术 日渐成熟，但其投资和成本高、能耗高、产率低。随着铜基催化剂被发现以及脱 硫技术的完善，1 9 6 6 年英国i c i 公司研发出低压甲醇合成工艺，合成压力约5 m p a ， 温度2 0 0 - - 一3 0 0 0 c 。低压法与高压法相比，具有能耗低、投资小、产率高等优势嗍。 上世纪7 0 年代中期后，世界上甲醇生产的主流是低压法。目前具有代表性的低压 法工艺是i c i 法和l 肛r g i 法。由于低压法设备体积巨大，不适应大规模生产，因 此在低压法的基础上发展出了中压法。i c i 中压法的反应压力提高到了1 0 0 m p a ， l u r g i 中压法的反应压力为8 0m p a 。 4 江苏大学硕士学位论文 我国甲醇工业与国外相比还存在巨大差距。我国甲醇企业规模小，年产量低， 导致耗能较高。大型生产甲醇装置能耗大约在4 0 - - - 5 0 g j t o n 之间，且其工艺水平 还处于国外上世纪七八十年代的水平。其他小型生产装置仍采用国外早已淘汰的 高压法，污染严重，能耗大约在8 0 g j t o n r l 。 1 9 9 5 年，上海焦化总厂建设了我国第一套自行设计的2 0 0 k t o n a 大型国产化 低压l u 晒法甲醇合成装置，于当年年底开始生产。该项目的顺利建设和投产， 表明我国已能够自行设计、制造、安装和操作大型甲醇装置。 上世纪9 0 年代，美国c h e n s y s t e m i n c 公司与空气产品与化学品公司合作开 发出浆态床液相法甲醇合成技术。据称合成气单程转化率可达2 0 - - 3 0 ，并认 为该技术对煤制合成气的加工效率比通常的甲醇合成技术更耐8 】。2 0 0 1 年，华东 理工大学与上海太平洋化工集团公司合作在# 2 0 0 r a m x8 2 0 0 r a m 鼓泡浆态床反应 装置上采用国产c 3 0 2 催化剂完成了合成甲醇1 0 0 0 h 工业中间试验，这标志着我 国已基本掌握了先进的浆态床合成甲醇技术【9 】。 ( 3 ) 甲醇精馏 合成气经甲醇合成工艺得到粗甲醇，其中除含有甲醇和水外，还含有几十种 微量有机杂质，包括醇、醛、酮、醚、酸、酯、烷烃、胺及羟基铁等。为了获得 高纯度甲醇，采用精馏工艺提纯，清除所有杂质。 1 3 生命周期评价与相关研究进展 生命周期的研究起源于上世纪6 0 年代，1 9 6 9 年美国可口可乐公司委托美国 中西部资源研究所，分析不同的饮料罐对环境排放的污染物和消耗的自然资源。 该项目的研究范围包括原材料开采到废弃物的回收，对整个过程进行定量分析 1 0 l 。该研究为生命周期评价开创了先河。生命周期评价的核心可以表述为：生命 周期评价涉及到产品的所有过程，包括原材料的开采和加工、产品生产、储存运 输、使用、回收循环直至最终废弃，是对环境影响因素的定量分析及潜在影响的 评价和研究。生命周期评价的目的是找出和确定环境影响的源头以及改善环境影 响的方法和机会。 1 9 9 0 年，美国环境毒理学与化学学会( s e t a c ，s o c i e t yo fe n v i r o n m e n t a l t o x i c o l o g ya n dc h e m i s t r y ) 主办了首次有关生命周期评价的国际研讨会。在该会 5 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 上，s e t a c 提出了生命周期评价的概念。1 9 9 3 年，s e t a c 制定了生命周期评价 大纲。该大纲为学术界和工业界开展产品生命周期评价工作提供了指南。s e t a c 把生命周期评价的基本结构分为定义目标与确定范围、清单分析、影响评价以及 改善评价四个部分，图1 1 为s e t a c 生命周期评价结构图。 淆单分析 图1 1s e t a c 生命周期评价结构 f i g 1 1l i f ec y c l ea s s e s s m e n tf r a m e w o r ko fs e t a c ( 1 ) 定义目标与确定范围 定义目标是指明确开展生命周期分析的目的。研究范围应能够帮助实现研究 目的，包括确定生命周期边界、评价指标、提出重要假设和限制等。 ( 2 ) 清单分析 清单分析是对一种产品生命周期边界内的所有能源和原料消耗，以及污染物 和温室气体排放进行定量分析。清单分析渗透到目标产品的整个生命周期，即原 料的提取、加工、产品的制造、储藏运输、使用和回收。 ( 3 ) 影响评价 影响评价是将清单分析结果的数据定量或定性地表征为对环境影响的压力， 即分析产品生命周期的能量和物质交换对生态环境或者是人类的影响。 ( 4 ) 改善评价 改善评价是寻找在产品的整个生命周期内削减能源消耗和减少环境排放的机 会，并定量地分析改善措施对整个生命周期评价结果的影响。 1 3 1 车用燃料的生命周期研究进展 车用燃料的生命周期是指车用燃料从原料开采和运输、燃料生产和运输，到 最后在车辆上使用的过程。可以把车用燃料生命周期分为三个阶段：原料阶段( 原 料开采和运输) 、燃料阶段( 燃料生产和运输) 和车辆阶段。目前大部分车用燃料 6 江苏大学硕士学位论文 生命周期研究的目的是分析其生命周期的能源消耗和排放，通常以车辆行驶一段 距离的生命周期能耗和排放为功能单位。还有一部分车用燃料生命周期的研究是 分析其生命周期经济性和成本【l l 1 2 1 。 上世纪9 0 年代初至今，美国a r g o n n e 国家能源实验室分析了多种汽车燃料的 生命周期能耗和排放。m i c h a e lw a n g 分析了天然气基费托柴油( f t d ) 生命周期 能耗和环境排放，并且与传统柴油路线对比【1 3 】。结果发现：天然气基f t d 的能耗 和温室气体排放较高；若使用闪蒸气( f l a s h e dg a s ) 作为原料，能耗和温室气体 排放可大幅下降。 g m 公司以北美为背景分析了十余种燃料路线。结果发现：以原油和天然气 为原料的路线中，使用h e v ( h y b r i de l e c t d cv e h i c l e ) 技术的燃料路线的能源消 耗普遍较低，气态氢一h e v 路线和天然气基乙醇路线的温室气体排放较低；液态 氢和电解氢的能耗较低，而温室气体排放则与汽油路线基本相卦悼1 6 1 。 同济大学的黄志甲和张旭对氢燃料和汽油进行了生命周期清单分析和比较， 发现不同的制氢方案对氢气生命周期环境影响差异较大；以天然气和石脑油为原 料的氢气生命周期环境排放比汽油低【1 7 1 。 中国矿业大学的付晓恒和王祖讷等对精细油水煤浆和柴油进行了生命周期评 价。结果表明：精细油水煤浆中柴油含量越少，酸化潜值、富营养化潜值和全球 变暖潜值越高，说明精细油水煤浆与柴油相比，其环境影响更为严重【1 a l 。 上海交通大学的张亮和黄震评估了天然气基代用燃料，包括压缩天然气 ( c n g ) 、m 8 5 甲醇汽油、二甲醚( d 砸) 的生命周期能量消耗和温室气体排放， 并与石油基燃料进行了比较。结果表明：c n g 和天然气基d m e 的牛命周期能耗 和温室气体排放比天然气基m 8 5 甲醇汽油低1 1 9 1 。 清华大学的张寒和王淑娟等运用生命周期评价方法分析了五种煤制甲醇方案 上游阶段的能源消耗与污染物的排放，并且进行了敏感性分析。结果表明：甲醇 电的多联产系统的生命周期能耗和环境排放要低于单产系统；煤炭消耗对s 0 2 和 c 0 2 排放的影响巨大【2 0 1 。 清华大学的欧训民和张希良等对以玉米、木薯、甜高粱为原料制燃料乙醇和 以大豆、麻风果、地沟油为原料制生物柴油，进行了全生命周期分析。结果表明： 除木薯乙醇路线外，其它路线的一次能源消耗都大于所产乙醇的能量；与汽油、 7 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 柴油路线相比，各乙醇燃料路线所需的一次能源减少，但温室气体排放增加，原 因主要是乙醇生产能耗多以及原料种植过程中化肥消耗多【2 1 1 。 清华大学的邢爱华和马捷等分析了以菜籽油、麻疯树油、地沟油为原料的生 物柴油生命周期污染物和温室气体排放。结果表明：各种路线生物柴油的生命周 期排放物中，c 0 2 排放均低于传统柴油，h c 和c o 排放与传统柴油相当，n o x 和p m 排放略高于传统柴油，s 0 2 排放远高于传统柴油【2 2 】。 1 3 2 甲醇燃料生命周期研究进展 重庆大学的吴锐和张忠益等分析了四种天然气基燃料，包括压缩天然气、甲 醇、二甲醚和柴油的生命周期能耗和排放，同时与传统汽油路线对比。结果表明： 四种天然气基燃料的生命周期排放均低于传统汽油路线，但生命周期能耗均高于 传统汽油路线。在四种天然气基燃料中，压缩天然气路线生命周期的能耗较少、 成本最低、对环境影响小【捌。 上海交通大学的张亮和黄震分析了四种煤基车用燃料：汽油、柴油、m 8 5 甲 醇汽油和二甲醚结合不同车辆发动机技术的生命周期能源消耗和温室气体排放。 结果表明：四种燃料上游阶段消耗的一次能源均占生命周期能耗6 0 以上，燃料 阶段消耗的一次能源最多；车辆发动机技术燃油经济性对生命周期指标影响较大； 综合分析，二甲醚路线的发展前景较好，m 8 5 甲醇和煤基汽油较差【冽。 同济大学的胡志远和谭丕强等分析了传统汽油、乙醇、煤基甲醇等车用替代 燃料的生命周期能源消耗和排放。结果表明：与传统汽油比较，煤基甲醇生命周 期能源消耗、h c 、c o 、p m 、s o x 、c 0 2 、c i - h 、和n 2 0 排放均较低，n o x 排放 较高【2 5 1 。 1 4 甲醇在柴油发动机上的应用 由于柴油和汽油的产量受产能和原油本身的组成以及工艺的限制，近几年来 我国出现了“柴油荒 的现象。大量研究【孙3 1 】表明醇类燃料在柴油机上应用能降 低碳烟和n o x 的排放。在热效率高、燃油经济性好的柴油机上使用醇类燃料，不 但可以缓解柴油紧张的局面，节约石油资源，而且还可降低柴油机的碳烟和n o x 排放，在柴油机上掺烧甲醇燃料有着良好的前景。 8 江苏大学硕士学位论文 由于甲醇难以与柴油相溶或乳化，甲醇十六烷值低、自燃温度高，甲醇自发 着火能力差，甲醇的汽化潜热大，导致纯甲醇在柴油机上的应用比汽油机困难得 多。另外甲醇的低热值不到柴油的1 2 ，每循环燃料供给量增加，供油系统负担 增加，甲醇的粘度低，润滑性差，因此不能在未经任何改造的柴油机上掺烧甲醇 燃料。 甲醇在柴油机上的掺烧方式可分为混合燃料法、双供油系统法和熏蒸法。目 前研究较多的掺烧方式是属于混合燃料法的乳化液法、双供油系统法和属于熏蒸 法的低压喷嘴法。 乳化液法是指在发动机之外通过助溶剂使柴油与甲醇均匀混合。这种方式对 发动机不进行改动或是较小改动，可以直接燃用甲醇柴油混合燃料。这种方式的 发动机台架试验 3 2 - 3 4 表明，柴油机燃用甲醇柴油混合燃料，碳烟排放明显降低， n o x 排放也一定程度降低，h c 和c o 排放随着甲醇掺烧率增加而升高，由于没 有调整喷油系统，甲醇掺烧率较高时动力性明显下降。乳化液法的优点是对发动 机几乎不做改动，容易推广使用，缺点是乳化液的稳定性较差，当甲醇含量超过 3 0 或者是甲醇含水时，乳化液易分层；当甲醇的掺烧率高时，柴油机工作粗暴， 容易出现敲缸，同时冷起动性能较差。 双供油系统法是指分别为甲醇和柴油在柴油机上安装两套供油系统，同时在 气缸盖上安装两个喷油嘴，柴油主要起引燃作用。该掺烧方式对柴油机的改动很 大，尚未解决甲醇供给系统的润滑难题。 低压喷嘴法是指甲醇通过低压喷嘴喷入进气歧管，柴油通过原机的高压油泵 喷入燃烧室引燃预混甲醇混合气。随着柴油机电控燃油喷射技术的只渐成熟而受 到越来越多的重视与研究。该方法对柴油机的改动较小，在进气歧管上加装甲醇 喷射系统和传感器，通过电控喷射技术实现柴油甲醇双燃料工作方式。该方式解 决了燃用柴油甲醇的柴油机低温起动难题，同时可以使用含水甲醇。天津大学的 姚春德等称这种方式为甲醇柴油发动机的组合燃烧。天津大学使用该方式分别在 增压和自然吸气式高速直喷柴油机上进行研究，并且进行了道路试验【3 5 删，结果 表明：采用组合燃烧后发动机的排放和纯柴油发动机相比，n o x 和碳烟排放大幅 降低，燃料的比能耗降低。天津大学的研究结果表明这种掺烧方式适合我国的使 用环境，具有良好的推广应用前景。 9 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 1 5 选题背景及主要研究内容 1 5 1 选题背景 近年来，随着我国经济快速发展，我国对石油的需求日益增长，石油对外依 存度越来越高。根据我国“多煤、贫油、少气”的能源结构特点，发展煤基燃料 可以缓解对石油的依赖。在柴油机上使用甲醇燃料可以替代部分柴油，并可减少 n o x 和碳烟排放。同时煤制甲醇技术成熟，原料来源稳固，因此，煤基甲醇是具 有良好发展前景的车用替代燃料。 然而，我国面临节能减排和环保的压力越来越大，与传统柴油相比，发展煤 基甲醇燃料是否能够减少能源的消耗，减轻对环境的压力，这就需要使用生命周 期方法研究煤基甲醇燃料的能源消耗、排放以及对环境的影响。 甲醇燃料生命周期配合不同发动机技术对生命周期研究结果影响很大。目前 针对各种比例甲醇汽油混合燃料的生命周期研究工作展开较多，对甲醇柴油燃料 的生命周期研究相对较少。 本文拟对车用煤基甲醇柴油的生命周期能耗、排放和环境影响进行研究。研 究工作依托于江苏省高校自然科学重大基础研究项目：甲醇发动机燃烧和排放控 制中若干基础问题研究( 课题编号：0 8 a 4 7 0 0 1 ) 展开。 1 5 2 研究内容 主要研究内容有： ( 1 ) 详细考察煤基甲醇、传统柴油以及工艺燃料的原料开采和运输、燃料生 产和运输等环节，分析各个环节的能源输入与输出以及污染物和温室气体的排放。 ( 2 ) 建立煤基甲醇柴油的生命周期能耗和排放模型，对其进行清单分析。 ( 3 ) 根据甲醇柴油双燃料发动机台架试验结果，确定该发动机技术在车辆 上的油耗因子和排放因子。 ( 4 ) 对煤基甲醇柴油进行生命周期环境影响评价，指出煤基甲醇柴油路线 存在的问题，探讨可能的解决办法。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章煤基甲醇柴油生命周期能耗和排放模型 生命周期模型的建立包括，生命周期边界、分析指标、功能单位和算法四个 部分。 2 1 生命周期边界 煤基甲醇的生命周期涉及到的内容包括：原煤、原油和天然气的开采和运输 过程，成品油的生产和运输过程，甲醇的生产过程等等。建立生命周期边界的目 的是使得研究工作有一个确定的范围，把一些对甲醇生命周期影响较大的因素考 虑进来，剔除一些影响微小的因素，使得模型简洁，工作量不致太大，或者由于 难以获知该因素生命周期能耗和排放不得不放弃。例如甲醇生产中的煤的气化工 艺中使用的催化剂，本文不考虑生产该催化剂所消耗的能源和造成的排放，甲醇 工厂的建立及汽车的生产等均不考虑。建立的煤基甲醇生命周期边界如图2 1 所 示。 图2 1 中，煤基甲醇生命周期边界以煤炭的开采和运输为起点，经甲醇生产 和运输，以在车辆上使用为终点。图中每一个矩形框是指一个生命周期环节，除 最下方的箭头是代表排放外，其它箭头代表能源的传递。把直接取自自然界而未 经能量转换加工的能源称作一次能源，包括原煤、原油和天然气。在起点和终点 之间还涉及到一些工艺燃料( 如原煤开采中消耗的汽油、柴油，甲醇生产中消耗 的燃料煤和电力等等) ，这些工艺燃料的生产、其原料的生产也需要分析，因此专 门建立了工艺燃料子系统。原料的开采与运输环节称为原料阶段，甲醇的生产与 运输环节称为甲醇阶段或者燃料阶段，甲醇在车辆上使用环节称为车辆阶段。将 原料阶段和燃料阶段合称为上游阶段，车辆阶段称作下游阶段。 2 2 分析指标 在分析甲醇生命周期的能耗和排放时，有关能量输入和输出以及污染物和温 室气体排放均是考虑的重点，结合i s 0 1 4 0 4 1 ( 环境管理：生命周期评价一目的与 范围的确定) 标准，确定煤基甲醇柴油生命周期分析指标如图2 2 所示。 1 l 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 图2 - 1 煤基甲醇生命周期边界 f i g 2 1l i f ec y c l eb o u n d a r yo fc o a lb a s e dm e t h a n o l 2 3 功能单位 图2 2 生命周期分析指标 f i g 2 2l i f ec y c l ei n d i c a t o r so fc o a lb a s e dm e t h a n o l 煤基甲醇柴油生命周期边界以甲醇柴油在车辆上使用为终点，煤基甲醇柴油 江苏大学硕士学位论文 生命周期内的能耗和排放量的功能单位分别用g j 1 0 0 k m 和g l o o h n 表示。 2 4 算法分析 煤基甲醇柴油生命周期下游阶段能耗和排放是通过试验确定的，因此，算法 分析主要是关于生命周期上游阶段。 把煤基甲醇柴油生命周期分解成很多个环节，例如原煤开采环节、汽油生产 环节、煤炭的运输环节、天然气的运输环节以及电力输送等等。每一个环节当中 可能消耗原料能源、工艺能源，可能有产品能源和污染物的排放。把环节中原料 能源和工艺燃料称为能源输入，产品能源称为能源输出。环节之间以能源的输入 输出联系起来，例如煤炭的运输环节以煤炭输出，甲醇生产环节以煤炭输入，两 者可以以煤炭联系起来。因此需要分析任意环节的输入输出过程。 2 4 1 任意环节的直接能源消耗与环境排放分析 生命周期任意环节的示意图如图2 3 所示。如果这是一个能源生产过程，能 源转换装置可以被视为原料能源的反应器，能源使用装置可以被视为各种工业锅 炉；如果这是一个运输过程，能源转换装置的输入输出需要考虑运输损失，能源 使用装置可以被视为内燃机或者是运输管道的动力装置。为了便于分析，假设能 源使用装置为能源转换装置提供能量或动力，但不存在物质的交流。 能源转换装置 能源输入 能源使用装置 图2 3 生命周期任意环节框图 f i g 2 3f r a m eo ft h ea n ys t e pi nl i f ec y c l e 车用煤基甲醇柴油燃料生命周期评价 由图2 3 可知，任意环节的输入能源包括原料能源和工艺燃料，输出物质包 括产品能源和各种污染物和温室气体。各种污染物和温室气体可分为来自能源转 换装置的非燃烧排放物和来自能源使用装置的燃烧排放物。假设输出产品能源为 1 g j ，原料能源的消耗量、工艺燃料的消耗量、污染物和温室气体的排放量分别 为原料能源消耗因子、工艺燃料消耗因子、排放因子，前两者的单位是g j g j 产 品能源输出。排放因子包括非燃烧排放因子和燃烧排放因子，单位分别为g g j 产品能源输出和g g j 工艺燃料输入。 2 4 2 生命周期能耗和排放计算公式 根据煤基甲醇柴油生命周期内任意环节的能源输入和输出、污染物和温室气 体的排放，以能源的传递为主线，将所有环节按照能源传递的顺序联系起来，得 到甲醇柴油生命周期的能源消耗和排放，如式( 2 1 ) 所示。， re t = e m + e r + e n l e 置，= ，r ( 莩 碑( 弓+ p 岛) + r s u j + r r ( z + 飓) + 儿 ( 2 1 ) 卸姗l 莩 碑( 弓+ p 岛) 瑚册m 酮+ 飓) m j q j l l e 历= f ( 莩 q c 弓+ 咫。) + 耶u ；+ f r c 互+ 瓯，+ 儿 式( 2 1 ) 中： e 一车辆使用该燃料行驶l o o k r a ，在该燃料整个生命周期内产生的第i 指标的值 ( g j l o o k m 或g a o o k m ) 。 、和一分别为原料阶段、燃料阶段和车辆阶段产生的的第i 指标值 ( g j l o o k m 或g l o o k m ) 。 f 一车辆行驶l o o k m 终端燃料消耗量( g j 1 0 0 k m ) ； r 一生产1 g j 终端燃料需要的原料量( g j g j )