具有能源战略意义的甲醇


  能源和环境是世界经济和社会发展面临的两大主题。如何有效地解决由于全球经济迅猛发展带来的能源危机和环境污染,不但是全世界关注的焦点,也是我国实施可持续发展的主要屏障。为了解决能源问题,我国在石油替代燃料方面做了大量工作,使车用燃料向多元化方向发展。从我国“缺油、富煤”的能源结构特点看,作为替代燃料甲醇的发展前景广阔。
  
  一、甲醇
  
  甲醇原料来源广泛,生产工艺成熟,主要来自煤化工和天然气合成,可以利用煤炭、天然气、煤层气、生物质等制成。
  甲醇与其它燃料相比有如下特点:
  热值低。甲醇热值约为汽油的一半,燃烧时的理论空气量少,约为汽油的43%,因此,汽油机使用甲醇燃料可适当地提高供油量,从而使混合气热值大体与汽油的混合气热值相当或略高。
  辛烷值较高。汽油机使用甲醇燃料可以适当提高压缩比,有利于提高发动机的动力性能和经济性能,甲醇是汽油的理想替代燃料,也是提高汽油辛烷值的优良添加剂。
  汽化潜热大。甲醇汽化潜热为汽油的3.7倍,有利于提高发动机的冲量和动力性,但不利于发动机冷启动性能,暖机时间较长。
  十六烷值较低。甲醇的十六烷值仅为3~5,在压燃式发动机上使用时,需增加助燃措施。
  
  二、甲醇是汽油和柴油良好的替代燃料
  
  1、甲醇是汽油良好的替代燃料
  甲醇辛烷值(RON106~115)远高于汽油,抗爆性能良好,汽油机压缩比可相应增大。同时,甲醇的汽化潜热大于汽油,可以吸收部分燃烧室壁和进气系统的热量,这些都有利于提高汽油机热效率;甲醇的粘度及其随温度变化趋势与汽油非常接近;甲醇的密度与汽油也非常接近,其在汽油中的溶解度很大;甲醇燃料的挥发性较好,火焰传播速度快,有利于混合气的着火燃烧,降低有害气体的排放。
  除美国在洛杉矶等地的超低排放公交车和轿车车上大量使用之外,德国早在上世纪70年代便在全国建立了大量的加醇站与汽油、柴油加油站一起使用。我国从上世纪80年代由国家科委和中科院组织一批高校及研究单位对燃用甲醇进行研究,取得很好效果。目前,我国部分省份已成功地开发了加醇的汽油混合燃料,含甲醇比例为3%~15%,甚至已有含甲醇比例高达50%。即M50的醇汽油,在车辆上成功使用。研究已经表明,对发动机做一定的改动,就可燃用M85-M100的醇燃料,目前燃用M85-M100的汽车发动机已研制成功,正在各种车辆上使用,取得较好效果。研究结果表明,燃用M100燃料的汽车,即便是化油器型,其排放也能够达到欧Ⅰ标准,电喷车能够达到欧Ⅱ标准。目前,供甲醇使用的三元催化转换器已经在试制中,在不久的将来,我国的甲醇汽车排放可以达到更高的标准。
  
  2、甲醇是替代柴油作为车用燃料的理想选择
  甲醇的沸点低于柴油的沸点,使得混合气形成较快,且比较均匀,有利于完全燃烧。由于甲醇中氧的含量占50%,所以其燃烧速度快,不利于后燃期碳核的形成,有利于降低排烟,增加柴油机的冒烟极限功率。再者,由于其含氧特性,燃用甲醇对高原用柴油机的功率恢复也起到非常重要的作用。在海拔1800M左右的地区,柴油发动机燃用甲醇可以不采用任何其他技术措施,使发动机的功率不下降。由于甲醇汽化潜热较大,在形成混合气时,会产生冷却效应,使进气温度降低,从而提高充气系数,在一定程度上可使发动机的燃烧情况得到改善,使燃烧过程变得柔和。另外,燃烧甲醇的分子变更系数?也大于燃用柴油的情况,这使其热效率提高:同时,其蒸发汽化使压缩终了温度降低较多,可以抑制NOx和碳烟的形成,这在热负荷高的增压柴油机上的效果更为明显。
  甲醇用于柴油机上存在的主要问题是:十六烷值低,着火能力差,具有腐蚀性;润滑性较差;汽化潜热大、热值低,燃烧的传质驱动力较高。使用10%~20%甲醇柴油不需改动柴油机,可直接用在柴油车上;M90甲醇柴油,需调整柴油机的喷嘴后再用M100甲醇柴油,需加入3%~5%的助燃剂、润滑剂,来解决柴油机的压燃点火及油路润滑问题。将甲醇用于柴油机上的主要方法有:利用热面助燃法在发动机上实现纯甲醇压燃燃烧;甲醇和柴油的乳化油压燃燃烧;柴油引燃进气吸入甲醇的压燃技术;甲醇掺加着火改进剂直接喷入气缸的压燃燃烧。目前真正能够直接用于压燃式车辆的甲醇燃烧技术尚有待于进一步研究。才能满足对车辆排放及动力性等性能的要求。
  除了将甲醇作为汽油、柴油的直接替代燃料外,甲醇还可以通过其它途径成为汽车的驱动能源。如甲醇裂解成富氢气、制造二甲醇(DME)和燃料电池等。
  
  三、甲醇的来源及其生产
  
  1、煤制甲醇
  我国煤的储量为45000亿吨,已探明储量10000亿吨。10000亿吨煤相当于石油和天然气总量的10多倍,按照国民经济增长率和能源弹性系数测算,我国煤炭可用百年。如果预计2050年我国汽车保有量达到3亿辆以后稍有增长。每年每辆汽车用2吨汽柴油,甲醇车每年用4吨甲醇。每吨甲醇用煤1.5吨,则每辆车用煤6吨,燃料电池车为一半,用3吨。100年共计用煤1000多亿吨,占煤总储量的10%多。
  2002年6月,国家化工行业及中国石油和化学工业协会联合主办了“加快煤炭资源转化、发展中小型化肥企业、生产燃料甲醇”技术交流合作洽谈会。与会专家经过技术论证,认为从国家能源安全角度出发,我国今后需要大范围推广添加一定比例甲醇的汽油和或完全使用甲醇代替现用车用燃料,改变中国的汽车能源结构:通过利用丰富的煤炭资源转化为汽车燃料甲醇、二甲醚,提高煤炭企业的效益:通过简化工艺流程,生产汽车专用燃料甲醇,降低甲醇生产成本,并以燃料甲醇为突破口,加快化肥企业转产改造过程。专家们指出,21世纪将是煤的世纪,煤制醇、醚将成为汽车百年的新能源。
  
  2、天然气制甲醇
  由于石油资源的日渐减少和我国大量新的天然气资源的发现,用天然气转化成的甲醇DME和液态烃等液体产品来取代部分石油资源,是我国能源结构调整的重要战略目标。我国天然气资源约33~51万亿M3,保守的估计可开采100000亿M3,按每年开采1000M3亿计算,可用100年以上,因此,天然气的开发和利用就显得非常重要。以天然气为原料大规模生产甲醇,是国际公认的建设投资少、成本低、最具竞争力的原料路线。目前全球甲醇年产量已超过3000万吨,采用天然气路线的甲醇装置能力占甲醇总能力的80%以上大概需要天然气1000M3,原料费需要1000元左右,且我国的天然气合成甲醇装置都属于中、小型规模,目前最大规模的甲醇装置为100万吨/年,装置的能耗居高不下,因此,我国目前用天然气制甲醇所

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