汽车替代燃料的发展和应用

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：为了节约能源，并减少地球温室效应气体二氧化碳的排放量，汽车用替代燃料的开发和利用已提上日程，如生物燃料、合成燃料和氢气。图4-8所示为天然燃料和替代燃料的制造过程。目前，北美正使用既可使用甲醇85%、汽油15%混合燃料，也能使用100%汽油燃料的双重燃料汽车。

为了节约能源，并减少地球温室效应气体二氧化碳（CO₂）的排放量，汽车用替代燃料的开发和利用已提上日程，如生物燃料、合成燃料和氢气。图4-8所示为天然燃料和替代燃料的制造过程。

1.生物燃料

为了防止地球温室效应和从一次能源多样化的观点出发，生物起源的生物能源燃料正受到广泛的关注。生物燃料有汽油机用生物乙醇和柴油机用生物柴油。生物能源燃料虽然制造费用较高，但随原油价格的上升，逐步形成与石油类燃料的竞争力。

图4-8 天然燃料与替代燃料的制造过程

生物能源燃料是植物从空气中吸收二氧化碳（CO₂）形成的，具有抑制大气中二氧化碳（CO₂）量增加的效果。在乙醇制造工艺中，也可以使用各种天然燃料精制，但在制造过程中产生的二氧化碳（CO₂）量几乎大于植物从大气中吸收的二氧化碳（CO₂）量。从抑制二氧化碳（CO₂）排放的角度来说，利用天然气、石油等天然燃料制造乙醇的方式还不如制造汽油，没有任何意义，因此仅用生物乙醇和生物柴油作为替代燃料正受到关注。

（1）生物乙醇生物乙醇是把玉米或土豆等淀粉质类，以及甘蔗或甜菜等糖质类作为原料发酵制成。最近因谷物国际价格的上升，开始利用木材或农产废弃物等木质纤维素类作为原料经发酵制成乙醇。

生物乙醇的使用方法有直接使用100%乙醇、在汽油中低浓度混合乙醇使用和把乙醇转换为乙基叔丁基醚（ETBE）使用的方法。

乙醇与乙基叔丁基醚（ETBE）的优点：辛烷值和蒸发潜热高，高的含氧量可以降低一氧化碳（CO）等汽油机产生有害废气量。缺点：因沸点一定和瑞德蒸气压（RVP）高，导致冷起动性能不良；因轻质馏分（低温蒸馏小分子量馏分）增加，易引起燃料管路的气塞，导致驾驶稳定性下降；如果与汽油混合，因吸收空气中的水分诱发相分离，需要采取防止此类现象发生的措施，以及需要消除水分等。另外，乙醇具有腐蚀材料、橡胶膨胀等恶劣影响，需要对燃料供给系统进行改造。

100%乙醇发动机可以提高压缩比，因而能提高输出功率和热效率。乙醇发动机已在巴西部分车型上应用，在赛车领域也有使用。在汽油中低浓度混合乙醇的乙醇汽油可以直接在汽油机上使用。在巴西使用混合20%乙醇的乙醇汽油，美国和欧洲使用混合10%乙醇的乙醇汽油。目前已经研发出了利用爆燃传感器等能根据乙醇混合比例自动控制点火时间的发动机（FFV：弹性燃料车），因而加大了增加乙醇混合比例的可能性。图4-9所示为汽油与乙醇混合燃料的蒸馏曲线。

图4-9 乙醇混合汽油的蒸气压特性

（2）生物柴油生物柴油（BDF：生物柴油燃料）是利用从植物中提取的植物油转换为汽车用燃料的脂肪酸甲酯（FAME），此外也可以利用动物脂肪和废食用油制造。植物油脂的提取，在欧洲利用油菜籽、向日葵作为原料制造，在东南亚利用棕榈油，在美国利用大豆油，在部分地区还利用废食用油。

把植物油作为发动机燃油使用时，要考虑黏度、沸点、燃点或引燃点等是否适合。通常，植物油的黏度较大，沸点也高达约600℃，不能以原态直接使用。因此，如图4-10所示，对植物油进行加水反应，使脂肪酸与甲醇反应酯化，利用密度差分离和清除甘油后，获得并使用低黏度脂肪酸甲酯（FAME）。脂肪酸甲酯（FAME）的90%馏出温度较低，约为360℃，十六烷值也为50左右，其物理特性与柴油相似，因此可以作为替代柴油的替代燃料或与柴油混合使用。

图4-10 植物油脂的酯化反应

脂肪酸甲酯（FAME）为天然产物，氧化稳定性差，低温流动性比柴油差，因而会影响起动性能。另外，在喷油器上会生产沉积物，还会影响燃料供给系统材料的耐久性。因此，把脂肪酸甲酯（FAME）作为车用燃料时，需要添加防氧化剂等。目前，在美国、欧洲等地区，在部分柴油机的柴油中混合5%～10%的脂肪酸甲酯（FAME），但没有大量普及。如要普及使用脂肪酸甲酯（FAME），需要有效利用在制造脂肪酸甲酯（FAME）过程中产生的甘油，或者对在废食用油中掺有动物油等有质量管理方面的改善。脂肪酸甲酯（FAME）的特性与作为原料的植物油特性有关。表4-8所示为脂肪酸甲酯（FAME）与柴油的特性比较。

表4-8 柴油、脂肪酸甲酯（FAME）、费托合成柴油（FTD）的特性

2.合成燃料

把天然气、煤炭、生物能源转换为一氧化碳（CO）和氢气（H₂）的合成气后，通过化学工艺制造的甲醇、二甲醚（DME）、费托合成柴油（FTD）、生物合成燃料（BTL）和煤炭液化油等就是合成燃料。

（1）甲醇甲醇（CH₃OH）又称为甲基酒精，是把天然气改质煤炭气化生成的一氧化碳（CO）和氢气（H₂）合成制造的。甲醇与乙醇相同，可以使用100%甲醇、在汽油中混合甲醇的甲醇汽油燃料或把甲醇转换成甲基叔丁基醚（MTBE）的燃料。甲基叔丁基醚（MTBE）与汽油混合也不会起相分离反应，辛烷值也很高，因而也可以作为无铅汽油的防爆燃添加剂加以使用。

甲醇具有比汽油辛烷值高和无硫的优点，但其燃点高，会影响起动性能，并且易腐蚀橡胶、塑料等，还有毒性、沸点低等多种缺点。

20世纪90年代开始，各国为了发展绿色环保燃料，将甲醇作为国家项目加以促进发展。但是，甲醇存在高腐蚀性、单位容量发热量低、需要新的燃料供给基础设施和自动化建设等问题。随着低排放柴油汽车的发展，甲醇的优点开始不明显，因此目前此项目的研究处于缩小或停滞状态。但是，因为已经确立了甲醇的制造工艺，所以可以从长远考虑它作为汽车燃料的可能性。

目前，北美正使用既可使用甲醇85%、汽油15%混合燃料，也能使用100%汽油燃料的双重燃料汽车。

（2）二甲醚（DME）二甲醚（DME）燃料是一氧化碳（CO）和氢气（H₂）的合成气进行脱甲醇反应间接生产或天然气等原料通过直接合成工艺生产的新型燃料。与液化气（LPG）相同，在常温、常压状态下为气体，在5×10⁵Pa的压力下进行压缩就很容易液化，因此在常规液化气（LPG）流通设施的基础上就很容易实现流通。另外，因辛烷值低，不能用在汽油机上，但十六烷值比柴油大或几乎相同，因此可以作为柴油机燃料使用。

尤其是，这种燃料中含有大量的氧气（体积分数为34.8%），分子内没有碳结合，因此具有不排放柴油机最大缺陷柴油颗粒（PM）的优点。但是，二甲醚（DME）比柴油黏度低，润滑性差，如要在柴油机上使用，必须对燃料箱、燃料泵等燃料供给系统进行改造。图4-11所示为使用二甲醚（DME）燃料的发动机需要改造的各系统内容。

图4-11 二甲醚（DME）发动机

（3）费托合成柴油费托合成柴油（FTD）是把天然气、煤炭、生物能源等作为原料转换为一氧化碳（CO）和氢气（H₂）的合成气后，通过费托合成反应（FT反应）制造的液体合成燃料。

这种燃料虽然在物理特性上与柴油很相似，但因不包含硫分和芳烃类成分，十六烷值又高，因此比利用原油精制生产的柴油作为柴油机的燃料具备更优秀的特性。费托合成柴油（FTD）的典型特性与在寒冷地区使用的柴油（瑞典柴油）特性之间的比较见表4-8。

图4-12 费托合成柴油（FTD）的排放废气

费托合成柴油（FTD）对废气排放的影响如图4-12所示。从图中可以看出，碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO_x）、柴油颗粒（PM）等所有的有害气体大幅度减少，尤其是在柴油机最大问题的柴油颗粒（PM）的排放特性上，即使没有改造发动机也比柴油有大幅度的改善。还有，费托合成柴油（FTD）与同样为合成燃料的二甲醚（DME）不同，在常温、常压条件下为液体，因此可以利用以前的基础设施进行运输和供给。但是，其润滑性比柴油略低，并且对燃料供给系统的密封材料带来不良影响，尤其是密度过低，因此如果直接用在现在的柴油机上，会带来输出功率不足的问题。

根据原料的不同，费托合成柴油（FTD）又称为天然气合成油（GTL）、煤转油（CTL）、生物质制油（BTL）等，但合成的费托合成柴油（FTD）与原料无关都相同。费托合成柴油（FTD）是以直链碳氢化合物为主成分的混合物，其特性不是以原料区分而是以制造工艺区分。图4-13所示为费托合成柴油（FTD）的合成制造工艺。通常，称为天然气合成油（GTL）、煤转油（CTL）、生物质制油（BTL）的情况是，利用费托合成反应制造的不仅有费托合成柴油（FTD），还包括二甲醚（DME）或甲醇，因此要在使用上注意。天然气合成油（GTL）在南美洲已经实用化。

（4）生物质合成燃料生物质合成燃料（BTL）是把生物能源转换为合成气后，如费托合成柴油（FTD）等各种燃料的制造方法也正进行研究中。通常，在利用天然燃料（煤炭、天然气）制造合成燃料的过程中，二氧化碳（CO₂）的排放量比制造汽油、柴油时更多。生物质合成燃料是把从大气中吸收的二氧化碳（CO₂）通过燃烧排放到大气中，因此会最小化二氧化碳（CO₂）的排放量。利用生物能源制造的费托合成柴油（FTD）作为汽车用燃料的特性很优秀，以此作为未来汽车用燃料的期望值很高。但是，目前因存在经济性问题，还没有达到市场化的程度。

图4-13 费托合成柴油（FTD）合成燃料制造工艺概略图

（5）煤炭液化油煤炭液化油是把煤炭和氢气通过直接反应过程进行液化后，利用与石油精制工艺相同的精制设备制造的燃料，在20世纪80年代后开展了多种研究。通常，此种产品多含有芳烃类和烯烃类不稳定物质，作为燃料的特性不佳。但是，因煤炭的埋藏量很丰富，所以各国持续研究此项目。在上面叙述的把煤炭转换为合成气后制造柴油的方法（CTL：煤转油）称为煤炭间接液化法，以此区别煤炭液化油的制造方法。

3.氢气

如图4-14所示，制造氢气的方法很多。与电能的制造过程类似，有从一次能源制造的方法，利用原子能制造的方法，利用再生能源制造的方法和从在制铁、化学品制造工艺产生的气体中提炼制造的方法。从一次能源中制造的方法，因原料或制造工艺（WTT）中产生的二氧化碳（CO₂）量变化很大，不适合于环保，因此目前主要以天然气水蒸气改质法或部分氧化法来制造。另外，正在研究利用不产生二氧化碳（CO₂）的再生能源（太阳电池、风力等）所发电能进行水的电解，或利用地球上丰富的生物能源制造氢气的方法。利用原子能并通过水的电解或热分解制造氢气的方法，可能会大幅度降低二氧化碳（CO₂）的生成。

把氢气作为汽车用燃料，可以直接使用或转换为燃料电池使用。如果把氢气直接使用在内燃机上，出现的问题较多，通过燃料电池发电并驱动电动机的方式，因具有无公害、高效率、低噪声等优点，正在研发过程中。但是，目前因燃料电池的价格和耐久性问题还没有得到解决，迟迟不能投入到市场。据预测，燃料电池汽车在2020年后能大量投入到市场上。

图4-14 氢气制造工艺

汽车替代燃料的发展和应用

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