醇醚类燃料及煤炭液化技术对汽车节能的影响

醇醚类燃料及煤炭液化技术对汽车节能的 影响 刘海博 摘要 根据醇醚类燃料的理化特性 与汽油等常规燃料的特性对比 分析了醇醚类燃料的可行性 并指出 醇醚类燃料在替代能源应用上存在的问题以及相应的解决方法 通过燃料经济性计算和动力性能计算 说 明醇醚类燃料是良好的车用替代燃料 具有巨大的发展潜力 同时对煤炭液化技术进行了相关的介绍 关键词 醇醚类 汽车节能 煤炭液化 The of effect Alcohol ether fuel and coal liquefaction technology on automobile energy saving LIU hai bo Abstract According to the alcohol ether fuel physicochemical characteristics and gasoline and other conventional fuel characteristics analyzes the feasibility of alcohol ether fuel and points out that the alcohol ether fuel in alternative energy application existing problem and corresponding solution Through the calculation of the fuel economy and power performance calculation description of alcohol ether fuel is a good vehicle alternative fuels has huge development potential The coal liquefaction technique were introduced as well Keyword Glycol ether Vehicle energy saving Coal liquefaction 0 前言 随着我国汽车工业不断发展 截至到2011年底 我国汽车保有量已达到1 06亿辆 并 以年近20 速度递增 内燃机汽车燃料主要消耗柴油 汽油为主的石油矿物能源 但世界的 石油资源日趋减少 石油燃料的短缺现象已经出现 并且日益严重 2010年我国全年消耗 汽油7675万吨 消耗柴油15900万吨 汽车用汽油约占汽油总消耗量的85 柴油占 20 随着国民经济的发展 以及汽车进入家庭速度的加快 我国能源供求矛盾将更加突 出 巨大的燃油消耗不仅对日益枯竭的石油能源造成巨大压力 同时大量燃油燃烧不当所排 放出的污染物已成为威胁人类生存的主要因素 能源供需矛盾在其它国家同样存在 世界 各国都在围绕这一课题进行研究 相继找到了合成油 甲醇 乙醇 天然气液化石油气 二甲醚等替代燃料 醇醚类燃料具有辛烷值高 汽化潜热大 热值较低等特点 作为汽车 燃料 醇醚类燃料本身含氧 在发动机燃烧中可提高氧燃率 几乎无碳烟排放 汽化潜热 高 可降低进气温度 提高充气效率 降低最高燃烧温度 降低发动机的NO的排放量 因此 在国内适宜地区使用醇醚类燃料 不仅可以改变能源结构 缓解石油紧缺的矛盾 而且可 以改善汽车产业对环境的污染 另外 与我国石油资源量相比 煤炭资源相对丰富 预计今 后相当长的时期内 煤炭作为我国主要能源的格局不会改变 如果利用煤炭来代替运输燃 料 煤炭必须被转化成有类似氢含量的液体物质 为此需要直接或间接地从煤中脱碳或加 氢 其中第一种工艺是众所周知的焦化或热解 第二种工艺就是煤炭液化 1 醇醚类燃料的适用性 醇醚类燃料主要是指甲醇和乙醇和甲醚 甲醇来源广泛 具有能源多样性 生产工艺 成熟的优点 生产甲醇的原料有 木柴 天然石油气 城市生活垃圾等 凡是可以得到CO 及H的原料都可以合成甲醇 世界上85 以上的甲醇产品是以天然气为原料生产的 乙醇的 生产工艺采用生物发酵法 生产乙醇的原料有单糖类 甘蔗 甜菜等 淀粉类植物 玉米 土豆 红薯 大麦等 化石原料 乙烯 及纤维类 木屑 植物及农作物秸秆 以玉米为原 料的淀粉质发酵生产乙醇工艺技术成熟 产品质量较好 是日前世界乙醇生产的最主要的 工艺 甲醇 乙醇在常温常压下以液态形式存在 乙醇燃料主要从农作物中制取 属于可 再生能源 在生态循环中可减少大气中的CO和温室效应 已作为车辆的重要环保措施 而 从目前的车辆应用角度看 车用代用燃料主要有三类 含氧燃料 醇 醚 酯 合成油 BTL CTL GTL 气体燃料 甲烷气 合成气 氢气 缺油 少气 富煤是我国的能源资 源典型特征 全国煤炭总储量超过万亿吨 探明可采储量7650亿吨 可开采年限为114年 石油资源量1000亿吨 占世界的2 3 剩余可采储量32 7亿吨 可开采年限20年 天然 气地质资源量估计超过38万亿立方米 预计可采储量13万亿立方米 剩余可采储量15000亿 立方米 占世界的l 可开采年限为50年 而其中醇醚类燃料作为液体燃料 其储运 分 配 携带 使用都和传统的汽 柴油相差无几 并且其原料资源多 燃烧排放污染物低于 石油类燃料 国际和国内研究比较多 技术相对来说也比较成熟 而我国又有较好的资源 基础 因此 当前大力推广醇醚类燃料是完全可行的 2 醇醚类燃料的理化性质 2 1醇类燃料的性质 甲醇和乙醇的理化特性相似 醇类的共有特点是其分子中含有羟基一0H 氢氧基 这 个羟基从本质上决定着醇类的理化特性 醇类是羟基与烃基的化合物 其通式为R OH 其 中R代表烃基 OH代表羟基 甲醇和乙醇等是羟基与烃基中的烷基相结合的烷基醇 即脂肪 醇 甲醇和乙醇可以视为甲烷与乙烷中一个H原子被一OH所取代而构成 醇类是含氧燃料 而石油系燃料几乎是不含氧的 其含氧百分率随所含碳原子数的增加而迅速下降 含氧 燃料尽管其热值较低 但伴随而来的是相应的理论空燃比比石油系燃料低 而且含氧百分 率愈大 理论空燃比愈小 这就形成醇类燃料理论混合气的热值与石油系燃料的理论混合 气热值大致相仿 对于醇类燃料有条件作为内燃机的代用燃料来说 这一特点是极为重要 的 具备这一特点 就使内燃机燃用醇类燃料时 可以保证与原机同等的动力性 即可以 发出与原机大致相等的功率和扭矩 乙醇燃料与汽油 柴油物理化学特性的比较 醇醚类是 一种无色透明 易挥发 易燃的液体 内燃机燃用的石油燃料 汽油 柴油等 是烃类燃料 而醇类是烃基和羟基组成的化合物 这就从化学性质上决定了醇类可以作为内燃机的代用 燃料 与汽油和柴油相比 甲醇和乙醇的热值都很低 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 这就使得使用醇类燃料的发动机在低温状况下启动困难 较 高的汽化潜热可以使燃烧温度下降 这对减少NO的排放是有利的 同时醇类燃料富含氧 有利于燃料彻底燃烧 理论上可以降低尾气中HC CO含量 含氧燃料对减少碳烟排放也是 非常有利的 根据经验 燃料含氧量达34 以上 发动机在任何工况下均不产生碳烟 醇 类燃料的饱和蒸气压比汽油低 低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施 醇醚类和汽油 柴油在自身的物理化学性质上 有相似的地方 也有不同的地方 2 2 常见燃料理化性质对比 常见燃料的主要理化性质如下表所示 从表中可知醇类与汽油 柴油的理化性质差异主要表现在 1 从分子结构上看 汽油中不含氧 而醇类中含氧 更有利于促进燃料的燃烧完全 节省 燃料 2 醇类含氧量高 使燃料燃烧更加充分 大大改善了尾气排放性能 C0和CH化合物平均减 少了30 以上 3 从密度上看 它们的差别不大 混合燃料的密度相近 混合后分离的倾向小 4 从沸点看 醇类沸点比汽油低 因此在汽油沸腾的条件下 醇醚类也能沸腾 这对汽化 有利 但它是单一组分 缺少高挥发性的组分 对发动机的起动不利 5 从凝固点看 二者都较低 在低温环境温度下都能正常使用 6 闪点是在试验室状态下测量的燃料接触火源时能够着火的温度 它影响到燃料的运输和 存放 使用过程的安全性 醇类的闪点远低于柴油的闪点 7 从汽化潜热看 远大于汽油的汽化热 燃料醇类的汽化潜热约是汽油的2 7倍 燃料醇 类汽化时吸收的热量比汽油大得多 这会引起发动机进气温度降低 增加了汽车发动机冷 起动的困难 8 从低热值看 醇类比汽油约低40 因此 做同样的功 用醇醚类汽油耗量要比普通汽 油要多 9 从着火温度看 燃料醇类约为434 汽油为250 468 可见通常情况下醇醚类要比 汽油更难以点燃 这也增加了使用含醇汽油发动机起动的难度 10 从理论空燃比看 醇类比汽油小 11 从抗爆性看 醇类辛烷值高 抗爆性强 可采用高压缩比 提高发动机功率 降低耗 油量 可抵消因热值低 耗油量大的不足 12 从十六烷值看 醇类十六烷值低 着火性能差 在柴油机中燃用时比较困难 3 使用醇类燃料的常见问题及解决方案 1 油耗增加 原因 1 醇类沸点低 挥发性强 在环境温度高时 车用醇类汽油的挥发量要比车用 无铅汽油的挥发量大 2 由于驾驶员对醇类燃料的特性不太了解 措施要点掌握不够 如 点火时间调整得不合适 混合气偏稀等 3 随着行驶里程数的增加 车用醇类汽油比普通 汽油更易在进气阀门表面及周围形成积炭 且沉积物的生成会随着行驶里程数的增加而增 加 如果不及时清洗 会影响进气阀关闭的严密性 导致燃烧不完全 油耗上升 解决办法 1 清洁油箱 油路 2 适当调整点火时间 混合气浓度等 3 使用清洗型醇 类汽油清洁剂 2 易产生气阻 主要在天热的情况下 原因 尽管醇类燃料在38 时的饱和蒸汽压比汽油低得多 汽油为74 88kPa 醇类为 17KPa 但醇类燃料的沸点低 在超过其沸点温度的高温下 气压会迅速增大 因此夏季 行车时 在长时间大功率 大负荷高速行驶和在市区内长时间的低速升空调行驶的情况下 都会引起发动机温度偏高 产生气阻现象 解决办法 1 降低醇类汽油组分油的蒸汽压数值 2 检查油箱附件一蒸汽阀的工作状况 必要时予以疏通维护或更换 3 起步发动和加速不良 原因 1 一般都与油路不畅有关 致使供油不足 因为在使用醇类燃料后 将原来粘 在油箱壁上的胶质颗粒等杂质冲洗掉 堵塞了汽油滤清器或燃油喷嘴 2 混合气偏稀 解决方法 1 检查清理油路 排除故障 2 调整点火时间 4 使用中分层现象 原因 醇类与汽油难以互溶 但抗水性较差 醇类汽油一旦遇水就会发生相分离 造 成油箱上 中 下各部醇类与汽油的比例不同 使车用醇类汽油不能正常燃烧 影响使用 效果 解决方法 GBl8351 2004 车用乙醇汽油 对水分含量有严格的限制 规定车用乙醇汽油 水分含量不大于O 20 因此 只要是正规加油站出售的车用乙醇汽油就不会出现因含水 产生分层而带来麻烦 5 腐蚀现象 原因 醇类在燃烧过程中 会产生乙酸 对汽车燃料系统的许多金属都有腐蚀性 可 以腐蚀铜 铁 铝 铅 镁 锌及它们的许多合金 且醇类含量越高 腐蚀性越大 解决方法 1 改变发动机金属材料 使用耐腐蚀的金属制造发动机 2 在燃料中加防腐 蚀添加剂 6 橡胶材料出现溶胀裂纹现象 原因 醇类汽油对供油系统的橡胶部件 如油泵的油封 垫圈等 有一定的溶胀作用 可导致后者产生溶胀 软化 龟裂进而失效 对塑料件也有类似的作用 解决方法 1 选择合适的橡胶或塑料材料作为燃料系统部件 如采用氟橡胶 氟硅橡胶 聚硫橡胶 氯丁橡胶等耐醇类汽油混合燃料的材料代替合成橡胶 聚脂树脂等材料 2 在 燃料中加入某些添加剂也可以减轻醇类汽油对橡胶和塑料材料的溶胀 7 发动机磨损 原因 1 醇类汽油能将气缸和活塞环等部位的润滑油膜洗掉 加大磨损 2 醇类汽油 燃烧时生成酸 能直接腐蚀金属 造成腐蚀磨损 而且酸还能与润滑油中的抗氧防腐剂 如 二烷基二硫代磷酸锌 发生反应而使其失效 从而增大各摩擦部位的腐蚀与磨损 解决方法 1 改变发动机材料 如活塞环镀铬 2 使用专用的醇类燃料发动机润滑油 碱 度较高 可中和醇类燃料燃烧产生的酸 4 醇类燃料在汽车上性能的计算分析 4 1燃料经济性计算 汽车的燃料消耗量能从试验中得出 也可以从理论上进行估算 这主要依据于燃料本身的 低热值 以乙醇为例 汽油燃料的低热值为43 5 MJ kg 而乙醇的低热值为26 77 MJ kg 甲醇更低为9 66 MJ kg 乙醇低热值为汽油低热值的61 5 从理论上讲其燃料消耗量的比值应该是 l 1 6 不考虑燃烧效率等因素 可以肯定的是汽车燃用醇类燃料比汽油的每百公里消耗 量要增大 但这并不意味着每百公里燃料费用就会上升 因为醇类燃料生产成本比汽油要 低很多 折算下来 汽车的最终运行成本要更低一些 即便成本一样 在当今石油匮乏的 情形下也是可以接受的 当然 不同醇类与汽油以不同比例掺烧 所取得的经济效益也不 一样 这里以低比例的E3093 乙醇汽油进行理论计算 主要以燃料的低热值进行估算 式 1 为醇类汽油密度的计算公式 式 2 为醇类汽油低热值的计算公式 1 1 12233m 3 g m 式中 醇类汽油密度 纯汽油的密度 纯汽油的体积百分比 醇的密度 m 1 1 2 醇的体积百分比 添加剂的密度 添加剂的体积百分比 2 3 3 kj kg 2 11 1222333 m hhh h 式中 分别为汽油 乙醇 添加剂的低热值 单位取kJ kg 这里以E3093 1 h 2 h 3 h 乙醇汽油进行计算 该乙醇汽油未加添加剂 0 735 0 7 0 790 0 3 0 752 m 3 g m 43500 0 735 0 7 26770 0 790 0 3 0 752 38223 9 kJ kg h 汽油与E3093 乙醇汽油低热值之比为1 14 说明在理想状态下 汽车以E3093 乙醇汽油为 燃料其消耗量应该比汽油高14 4 2动力性能计算 当气缸工作容积和进气条件一定时 每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的 热值 而不仅仅取决于燃料的热值 影响汽车发动机动力性能的是可燃混合气热值 m H 是指每燃烧一千摩尔的混合气所能放出的热量 以kj kmol或kj 表示 理论上可由式 3 m 3 式 4 计算 3 0 3 1 4 m r h Hm L M LL 式中 可燃混合气的热值 过量空气系数 Mr 燃料分子量 燃料低热值 m H h 理论空气量 实际所需空气量L 0 L 理论空气量为lkg燃料完全燃烧理论上所需要的空气量 是发动机进气系统设计的基础 0 L 可以按下式计算 5 0 1 0 21 12432 coH ggg L 式中燃料中碳的质量成分 燃料中氢的质量成分 燃料中氧的质量成分 c g H g o g 因此 lkg醇类燃料完全燃烧理论上所需要的空气量 为 01 1022233 0m m LLL L 而醇类混合燃料的平均分子量计算如下 331 122 123 m Tm rrr M MMM 式中 醇类混合燃料所需要的空气量 酵类混合燃料的平均分子量 0m L Tm M 和 分别为汽油 醇 添加剂的分子量 1r M 2r M 3r M 经计算 汽油 乙醇的理论空气量分别为 00123 0 5120 311 0 448 kmol11446 77 8 mrrr LLkmol kgLMMM kg 由式 4 计算得到E3093 乙醇汽油与汽油混合气的热值分别为 E3093 比汽油混合气的热值仅降低 mm 82941 6 83529 8 Hkmol kgHkmol kg 0 70 降幅很小 汽车动力性应该不会受到很大的影响 5 醇类燃料对发动机性能的影响 甲醇与汽油掺烧在火花点火发动机上使用时 甲醇体积分数小于15 M15 时不需对发 动机作任何改动 当甲醇大于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 的发动机 在使用甲醇汽油时 随着甲醇比例的增加 发动机功率和扭矩下降 绝对有效 效率增加 对于使用M85或M100的发动机 改变压缩比后 其热效率可以提高 另外 甲醇 有较高的层流火焰传播速度 这将使燃烧提前结束 从而提高发动机热效率 试验发现 压缩比相同时 发动机使用甲醇的热效率比使用汽油高7 一13 其主要原因是甲醇发动 机的滞燃期和主燃期缩短 燃烧速率高 最高燃烧压力循环变动小 因此 经过改进的发 动机在使用甲醇时可以拥有良好的动力性能和经济性能 使用甲醇和乙醇对发动机的燃料 供给系统 润滑系统和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温度升高 黏度增加 润滑油含水 量 戊烷不溶物 铁粒等污染物增多用 醇类发动机燃料供给系统的磨损主要发生在高压 油泵和燃料喷射系统 造成燃料供给系统磨损的主要原因是醇类燃料的润滑性差 腐蚀性 强 醇类燃料对润滑系统的影响主要体现在汽缸壁 气门传动组 和连杆轴承的磨损 造 成汽缸壁和气门传动组磨损的主要原因时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两种磨损产生的金属磨粒所 引起的 使用低渗醇率汽油对发动机磨损不是很明显 随着渗醇率的增高 发动机的磨损 将增大 乙醇燃料在发动机上使用主要采用与汽油掺烧的方式 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 10 时 发动机可以不作任何调整或稍作改进 使用乙醇汽油时 对发动机进行改进后 其动力性能与原汽油机相当 乙醇的低热值比甲醇高但比常规燃料低 在汽油机上使用乙 醇汽油 发动机的燃油消耗率增加 但发动机热效率提高 由于乙醇的粘度比汽油高很多 在管路流动阻力较大 在火花点火发动机上使用 有可能使高速 高负荷时功率上不去使 用乙醇燃料对发动机燃料供给系统 润滑系统和润滑油也有一定的影响 但与甲醇相比 乙醇燃烧产生的酸性物质较少 因此对机械的磨损程度较小 6 煤炭液化技术的分类 6 1煤炭的直接液化技术 煤的直接液化是指煤在适当的温度和压力下 催化加氢裂化 热裂 溶剂 萃取 非催化裂 化等 成液体烃类 生成少量气体烃 脱出煤中氮 氧和硫等杂原子的深度转化过程 理 论上讲 煤加氢液化分为轻度加氢和深度加氢 通过加氢 煤结构中某些键断开 将固态 煤转变成液体产物和气态产物 直接液化工艺旨在向煤的有机结构中加氢 破坏煤结构产 生可蒸馏液体 目前已经开发出多种直接液化工艺 但就基本化学反应而言 它们非常接 近 共同特征是 在高温和高压的条件下在溶剂中将较高比例的煤溶解 然后加入氢气和 催化剂进行加氢裂化过程 直接液化是目前可使用的最有效的液化方式 在合适的条件下 液体产率超过70 以干燥 无矿物质煤计 如果允许热量损失和其它非煤能量输入的话 采用现代化的液化工艺时总热效率一般为60 70 6 2煤炭的间接液化技术 煤的间接液化是将煤气化制得一氧化碳和以后 在温度为250 左右中压为15 40 MPa和催 化剂作用下 合成