车用石油燃料的替代产品——燃料乙醇.doc

车用石油燃料的替代产品燃料乙醇摘要：面对能源短缺、油价日益高涨的世界性 问题，各国逐渐将关注目光转向能源多元化发 展和加快可再生能源开发上，燃料乙醇作为新 型清洁燃料，正无可争议地成为世界各国的研 发重点，燃料乙醇工业发展将面临新的历史性机遇。关键词：替代燃料、燃料乙醇1、车用替代燃料的种类1.1气态烃气态烃燃料包括压缩天然气、 液化天然气、 液化石油气。压缩天然气和液化天然气的主要成分是甲烷,含量为 85- 92% , 其余大部分是乙烷。液化石油气的主要成分是丙烷。气态烃资源丰富,是较好的代用燃料。最容易使用的是压缩天然气和液化天然气。因为高压和低温才能将天然气液化。使用气态烃燃料的汽车,CO、 苯其他有机毒性化合物和颗粒物排放显著减少,但NOx 排放会增加。由于压缩天然气体积能量密度低,故汽车装载行驶里程短。气态烃燃料辛烷值高, 发动机压缩比应提高。使用压缩天然气和液化天然气的发动机压缩比应提高至 13 14: 1; 使用液化天然气的发动机压缩比应提高至10. 5 11: 1。目前, 我国很多地区的公交车或者出租车都已经改成使用气态烃燃料,取得了良好的环保效果。1.2 醇燃料醇燃料包括车用甲醇和车用乙醇。1.2. 1 车用甲醇燃料车用甲醇燃料的品种主要有 M85 和 M100。M85 含甲醇为85%(体积分数) , 其余是汽油和少量添加剂。M100B 不含汽油。近年来,我国甲醇生产装置发展迅速,但生产规模偏小, 效率较差,开工率不足,在与国外大型甲醇装置竞争中不占优势。另外社会上对推广车用燃料甲醇有种种顾虑,尤其是甲醇的毒性一直是令人担心的问题。所以乙醇作为含氧化合物应用前景看好。1.2. 2 车用乙醇燃料车用乙醇燃料的品种主要有 E85 和E95.巴西使用的较多, 美国仅有少量使用。乙醇可由单糖类物或淀粉类植物通过发酵法制取, 也可由桔杆、 木屑等农业和林业下脚料制取。此外, 还可由乙烯水和制乙醇。我国生产乙醇的原料主要是玉米、 薯类和甘蔗。研究表明,乙醇调入汽油后,汽油中的辛烷值及含氧量明显升高, 从而可以促进汽油的燃烧,而且还可以降低汽车尾气的排放, 也 就是说,乙醇不仅仅可以起到节能效果, 而且还可以起到环保的效果。目前其乙醇燃料已占汽车燃料的 50%以上。巴西大量种植甘蔗,生产酒精, 作为汽车的乙醇燃料, 代替常规的汽油、 柴油,美国是世界第二大乙醇燃料生产园,其车用汽油大部分都由10%的乙醇和90%的汽油混合而成。我国也在进行这方面的尝试。而根据报道, 05 年我国国内将有多个省份将采取用乙醇汽油替代普通汽油预计,到去年底,消费的乙醇汽油量已近20 万吨,其中乙醇1. 9 万吨。乙醇汽油是由90%的普通汽油和 10%的乙醇调和而成,这样就少烧了1. 9 万吨的汽油, 对于我国这个进口原油大国来说, 相当于节省了近亿美元的外汇。有关专家同时指出,由于车用乙醇汽油和普通汽油可以任意混用,所以司机长途出车在外,可以加入普通汽油正常使用, 不用担心加不上油。在目前石油价格高企以及汽车尾气困扰城市大气环境的背景下,推广乙醇汽油也就成为大势所趋。 1.3 燃料电池据预测, 2030 年世界汽车将增加到 16 亿辆左右,汽车排放的大气污染和温室效应,成为各国政府面临的亟待解决的公害问题。燃料电池(也可成为电力型电化学发动机) 不经过燃烧而通过电化学反应直接获得电能, 是一种高效率, 低噪音、 低污染的发电系统。因此,燃料电池可能取代内燃机成为新一代汽车的动力。氢和氧的催化反应可以产生电能, 作为汽车的动力。在能量的利用效率方面, 汽油机的热效率为30% ,柴油机为 40%, 而燃料电池的有效能源利用率可达65% ,这使燃料电池有很好的应用前景。我国有三种类型的电动汽车均在开发, 发展水平与国外不相上下. 而研发的成本低得多,经济上相对占优势。上海的神力公司制成中国的氢动力旅游车已在沪诞生。中科院大连化物所多年来一直研发氢燃料电池技术水平与国外实际水平各有千秋。目前燃料电池有质子交换膜燃料电池( PEMFC)、 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC )、 固体氧化物燃料电池( SOFC)、 再生氧燃料电池( RFC) 等, 其中以质子交换膜燃料电池最为成熟, 其他几种工作温度均高于质子交换膜.各有优缺点,都在研制中。在中低温型燃料电池中,质子交换膜电池最有希望成为电动汽车的电源。其氢源有直接氢和现场制氢。直接氢存在着储存和运输困难,加氢费时, 危险等缺点, 故研究的重点在现场制氢, 特别是甲醇重整制氢。甲醇重整制氢具有温度低、 能耗低、 储存和运输容易、 加料方便、安全等特点,显出广泛的应用前景。PEMFC 作为商品进入市场, 必须大幅度降低成本。至今, 在降低成本方面国际上已取得进展。如生物制氢技术及稀土合金储氢材料的研究等。虽然燃料电池汽车商业化的时机还未成熟, 但几家公司已确定了开始批量生产的时间表, Daimler Benz公司2004 年生产近4000辆燃料电池汽车。因而未来10 年,极有可能达到 10 万辆燃料电池汽车。开发燃料电池汽车,可以有效解决城市机动车污染排放问题,保护环境, 同时可以节约石油能源,根据国际开发情况, 燃料电池汽车的商业化指日可待,发展前景是广阔的。北京申办2008 年奥运会获得成功,其三大主题是/ 绿色奥运、 科技奥运、 人文奥运0,绿色能源电动汽车是绿色奥运的/ 重头戏0, 这是一个挑战, 又是一个干载难逢的机遇。我们应该抓住机遇,向世界人民展示全新的绿色中国。1.4 二甲醚二甲醚是目前世界上普遍看好的未来超清洁燃料,各国都在大力开发它的生产和使用技术。它具有如下特点: ( 1)来源广泛, 可以由煤和天然气制取。( 2)超清洁。二甲醚各项排放指标比其他的燃料都低得多, 被誉为21 世纪的绿色燃料。( 3) 良好的替代性。可以作为生活燃料, 又可以作为车用燃料。二甲醚是一种无色、 无毒、 环境友好的化合物,到目前为止它的生产量不大, 只是用于发胶。它作为环境友好的燃料只是最近几年才提出的,并立即得到全世界能源界的广泛关注, 其分子式是CH3OCH3,物理性能和液化石油气( LPG, 一般是丙烷和丁烷的混合物) 相似, 在较低压力就是液态, 故液化石油气的基础设施完全可以用于二甲醚,长途运输可以用油槽、 油罐车, 也可以用低压管道,可以用15kg 重的罐分配到用户。它的热值,由于含氧量达35% ,热值较低,是LPG 的61%,是柴油的67%,相当于乙醇,是汽油的2/ 3。制备二甲醚的原料有很多来源: 煤、 天然气、 石油炼制中的渣油, 石油焦,生物质或其他碳氢化合物,都可以作为其原料。对我国来说, 由于煤储藏量十分丰富,以煤得到二甲醚是主要途径。但二甲醚作为车用柴料替代柴油时, 在燃烧方面没有问题,但其粘度小, 柱赛喷油泵容易磨损, 且由于在常压下是气态, 容易在供油管中造成气阻,是当前二甲醚用于内燃机的一个难点。1.5 生物柴油要使石油化工可持续发展, 就应该寻找利用再生资源的环境友好技术, 生物柴油就是有战略意义的课题。生物柴油是以含油植物高低的体现。由波形拟合法可知, 土静阻力值等一系列参数都是认为假定,目前还无法用试验方法得到和验证其正确性, 波形拟合法也是人为的调整各个参数,以使计算曲线和实测曲线拟合,因有多个参数,故主观性交大,且各个参数也没有唯一解。2、燃料乙醇主要特点及用途2.1辛烷值及抗爆性乙醇的辛烷值(RON)达到111，辛烷值(MON)为91。添加乙醇可以较有效地提高汽油的抗爆性有关研究结果显示，国内典型催化裂化汽油中添加体积分数为1咣的乙醇后，其辛烷值(RON)提高34个单位。辛烷值(MON)增加1 4个单位。乙醇对烷烃类汽油族组成(烷基化油、轻石脑油)的辛烷值调合效果好于烯烃类汽油族组成(催化裂化汽油)和芳烃类汽油族组成。可见乙醇辛烷值高，抗爆性能好。2.2乙醇的体积分数对调合蒸汽压的影响乙醇在40时的饱和蒸气压为18 kPa。但研究表明乙醇调入汽油后会产生明显的蒸气压调和效应调和后的车用乙醇汽油蒸气压显著增加直到乙醇在混合燃料中的比例达到22时饱和蒸气压才降低到和调和组分汽油的值相等。乙醇的体积分数最高可达347与MTBE相比，乙醇在汽油中的添加量较少(美国含氧汽油中通常需添加乙醇的体积分数为77。新配方汽油通常添加乙醇的体积分教为57)。添加乙醇体积分数为77的汽油氧的质量分数达到27：乙醇添加体积分数为10的汽油氧的质量分数可以达到35。但乙醇调入汽油后会产生蒸气压调合效应乙醇汽油的调合蒸气压随乙醇的体积分数的增加而提高。2.3乙醇调合汽油对汽车尾气排放的影响通过添加乙醇或其它舍氧化合物改变汽油组成，美国新配方汽油可以有效降低汽车尾气排放使用乙醇体积分数为6的加州新配方汽油与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低10屹7。C0排放减少210o,-128氮氧化合物排放减少7no,-160o，有毒气体排放降低90旷32。使用乙醇体积分数为85、汽油体积分数为15的混合燃料(E15)，而不改变其他条件，与常规汽油相比，碳氢化合物排放降低5，氮氧化合物排放减少400,4，CO增加约7。我国研究结果表明，燃用E15和E25(乙醇体积分数为25、汽油体积分数为75的混合燃料)时碳氢化合物含量比燃用汽油分别下降162和300,4CO排放分别减少300,6和47。2.4乙醇的主要用途乙醇既是一种基本的化工原料 广泛应用于化工、食品、饮料工业，军工、日用化工和医药卫生等领域，同时又是一种绿色新能源并且乙醇作为一种优良的燃料(其燃烧值达到26 900kJ奴)，可以提高燃油品质。利用燃料乙醇的优点：可以替代或部分替代汽油作发动机燃料。减少汽油用量，缓解化石燃料的紧张，从而减轻对石油进口的依赖，提高国家能源安全性；乙醇作为汽油的高辛烷值组分调和辛烷值一般在120以上可提高点燃式内燃机的抗爆震性使发动机运行更平稳：因乙醇是有氧燃料，掺混到汽油中可替代对水资源有污染的汽油增氧剂MTBE(甲基叔了基醚)。使燃烧更充分，使颗粒物、一氧化碳、挥发性有机化舍物(VOC)等大气污染物排放量平均降低13以上起到节能和环保作用；可以有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成延长主要部件的使用寿命。更重要的是，乙醇是太阳能的一种表现形式在整个自然界这个大系统中，乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染和非常清洁的闭路循环过程，永恒再生，永不枯竭。3、燃料乙醇的生产工艺 中粮肇东的三期乙醇装置均采取“半干法粉碎工艺”，彻底抛弃了“湿法”或“改良湿法”的浸泡过程，流程进一步简化，减少了一次水用量。同时“半干法“又克服了“干法”提油困难的缺点，玉米油收率已接近“改良湿法”，在技术及经济上更加合理。“半干法”工艺与“湿法”工艺相比具有流程短、设备投资少，能耗低和无浸泡等优点，其优势明显，值得推广。其生产特点为：半干法粉碎、双酶法液化糖化、半连续浓醪发酵、五塔差压精馏、分子筛变压吸附脱水、利用废热蒸气处理废醪液和离心清液回配等。吨无水燃料乙醇(995)玉米单耗33吨，水耗约87吨(主装置)，蒸气消耗48吨(主装置)，饲料乙醇比为77，能量输出输入比为109；三期装置产量15万吨，年，引进的美国DeltaT公司的技术，由康泰斯(Chemtex)公司设计，采用玉米半干法生产乙醇。吨无水燃料乙醇(995)玉米单耗318吨，新鲜水耗仅为166吨(主装置)，蒸气消耗3。3吨(主装置)，饲料乙醇比为87。此装置技术达到国内领先，国际先进水平，实现了清洁生产。随着燃料乙醇生产实践经验的积累，现在美国大型燃料生产企业尤其是20002006年新建厂具有如下特点8_12J：(1)多数采用大颗粒玉米粉(3mm，有利于饲料回收)；(2)高温蒸煮(120，高温淀粉酶)，采用同步糖化发酵工艺，从2005年开始采用无蒸煮工艺(低温淀粉酶)，大大降低了能耗；(3)酵母回用发酵技术；(4)固定化酵母，流化床反应器发酵技术；(5)广泛实现了自动化控制，应用连续发酵过程，并采用CIP系统(原位循环清洗发酵罐的原位清洗系统)。湿法加工技术的新趋势主要涉及加酶湿法加工和膜分离技术的应用。加酶湿法加工的优点是浸渍时间短、投资小、耗能低、用水量大大减少，而且酶可反复使用；其主要缺点是酶价太高。膜分离技术的应用为浸渍水的分离和利用打开了新的途经。浸渍水的膜分离一般包括两个过程：浸渍水经膜分离的截留物含有长链蛋白质，干燥后并入玉米蛋白粉；浸渍水在进入蒸发器前，先用反渗透膜除去57的水，这样可大大降低蒸发所需能耗。以上先进技术及设备的采用降低了燃料乙醇生产的成本，大幅度提高了乙醇产率。4、我国燃料乙醇发展基本状况为解决我国目前面临的石油资源紧缺、环境污染严重等难题。在本世纪初，我国就开始进行生物燃料的科学研究与开发利用工作。2001年，我国启动了“十五酒精能源计划”并要求在汽车运输行业中推广使用燃料酒精。国家有关部门制订并颁布了有关变性燃料乙醇和车用乙醇汽油等一系列国家标准。2002年6月，在河南省的郑州、洛阳、南阳和黑龙江省的哈尔滨、肇东5个城市进行车用乙醇汽油使用试点。到2005年底我国河南、安徽、黑龙江、吉林、辽宁、湖北、山东、河北、江苏9省上百个地市，基本上实现使用车用乙醇汽油。为了支持乙醇汽油推广，我国政府还推出了“定点生产、定向流通、定区使用、定额补贴”的配套政策。为了进一步促进可再生能源产业的发展，我国于2006年1月1日正式实施了中华人民共和国可再生能源法。首次以国家立法的形式鼓励包括燃料乙醇在内的生物质液体燃料的发展明确了国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，鼓励发展能源作物的大政方针。2006年11月，国