燃料乙醇应用对环境的影响_王艳坤

环境工程

燃料乙醇应用对环境的影响*

王艳坤1张建强1孟祥明2

(1.西南交通大学环境科学与工程学院成都610031; 2.天津大学环境科学与工程学院天津300072)

摘要燃料乙醇作为可再生的替代能源被越来越广泛地利用。从对空气的影响、对土壤和地下水的潜在影响、能源的有效性和能源的可持续性4个方面阐述了燃料乙醇使用对环境的影响效应,既说明了其显著的优势,又提出了存在的问题及相关建议,旨在更充分地发挥燃料乙醇的能源价值。

关键词燃料乙醇环境能源

Effect of Fuel Ethanol on Environm ent

WANG Yan kun1Z HANG Jian qiang1MENG Xiang ming2

(1.Sc hool o f Environmental Sc ie nce and Enginee ring,Southwest Jiaotong U ni versity Chengdu610031)

Abstract As the renewable energy,ethanol is used more and more widely.In order to use it effec tively,the i nfluence of ethanol on env-i ronment is explai ned from several aspec ts,s uch as effects on air,potential effects on s oil and underwater,effectivenes s of energy and the s us-tainability of energy.Its obvious advantages are expounded and the exi sted problems and s ugges tions are put forward,aiming at givi ng full play to energy value.

Keywords ethanol fuel environment energy

随着世界人口的增加和更多国家的工业化,能源消费稳步增加,而作为主要能源的石油则日益匮乏,这种能源的供需矛盾必然影响到经济的发展和社会的安定,因此世界各国纷纷展开新的替代能源的研究与开发,其中以燃料乙醇最为突出。

20世纪30年代巴西首先开始大范围使用乙醇-汽油混合燃料[1],在汽油中掺入22%的乙醇或全部代替汽油。1999年巴西乙醇产量达近130亿L,除少量出口外其余全部自用[1]。20世纪70年代,世界石油危机后,10%乙醇与无铅汽油混合的方法引入美国并在中西部各州占领市场。20世纪80年代,乙醇与柴油混合在技术上的可行性得到了证明。于是,美国开始以玉米生产燃料乙醇,并将其应用于混合燃料。1999年美国乙醇产量达60亿L,其中仅运输部门就消耗45.4亿L,约占汽油总消耗量的1%[3]。同年,美国政府提出到2010年生物燃料在全美能源中所占比重要提高3倍,达到20%的发展目标。与此同时,瑞典和法国亦以小麦等为原料生产燃料乙醇,添加到汽油和柴油中应用。欧盟也采取了相关措施促进生物燃料使用,计划到2005年生物燃料作为交通运输燃料至少占市场份额的2%,到2010年末至少占5.75%,到2020年生物质乙醇能源在总能源结构中所占比例将提高到8%[4]。加拿大也将这种混合燃料列入本国的环境保护计划(Ecologo)[5]。在我国,用玉米生产燃料乙醇已受到政府和相关部门的高度重视。河南省、吉林省和黑龙江省等地已开始建立推广车用乙醇汽油的试点。到1999年,全球乙醇产量已达330亿L,其中有58%用作汽车燃料。

可见,

燃料乙醇作为新的替代能源正得到越来越广泛的图4矢量(vectors)图

参考文献

1钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例.北京:化学工业出版

社,2002.7984

2楚华,李爱民,李润东,等.湍球塔气体流动的数值模拟.中国电

力,2004(11):7577

3王福军.计算流体动力学分析)))CFD软件原理与应用.北京:清

华大学出版社,2004.123125

作者简介:尹连庆,男,1959年生,河北衡水人,教授,主要从事环境

工程理论研究和教学工作。

(收稿日期:20060110)

*四川省应用基础项目。

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#工业安全与环保

Indus trial Safety and Envi ronmental Protec tion

2006年第32卷第10期

Oc tober2006

重视,其未来的应用前景不可估量。但是在利用这种新能源的同时也要充分考虑到它对环境的影响,做到趋利避害,合理利用,从而最大限度地发挥其燃料优势。

1对空气的影响

任何燃料燃烧在释放能量的同时都不可避免地向空气中排入副产物,乙醇也不例外,但不同燃料燃烧产生副产物的种类、数量和浓度各不相同,因此对空气质量的影响程度自然也不同。

1.1对颗粒物、一氧化碳和烃类物质排放的影响

燃料燃烧过程中颗粒物(PM)、一氧化碳(CO)和烃类物质(C H)的产生主要是由于燃料不完全燃烧而引起的,乙醇作为一种含氧有机燃料,它的掺入会促进混合燃料的燃烧,减少由于燃烧不充分而引起的污染物排放。这一理论在很多试验中得到了证明:Spreen and Kass et al.[6,7]的测试表明10%和15%的乙醇-柴油混合燃料分别使PM减少20% 27%和30%41%;汤晓东[8]的试验表明,与汽油相比,乙醇-汽油混合燃料的汽车尾气中CO、C H的排放量分别下降30.8%和13.4%;胡志远等[9]在乙醇-汽油混合燃料的周期评价中得出,E10(在汽油中掺入10%体积的乙醇)替代汽油可使PM、CO和CH的排放量分别下降44%、26%和15%;中科院的张润铎等[10]通过试验证明乙醇-柴油混合燃料替代纯柴油可使PM、CO和CH的排放量均有不同程度的降低。

1.2对温室气体(GHG)排放的影响

生产乙醇的过程很少使用外部化石燃料,主要是由生物质提供所需的热能和92%的电能,乙醇的燃烧过程也只是释放在植物生长过程中储存在植物体内的CO2,另外燃料的C/H越大,释放单位热量的CO2就越多,在燃料中掺入一定量的乙醇可减少C/H,也就可以降低CO2的排放量,从而减缓全球变暖。胡志远等[9]在乙醇-汽油混合燃料的周期评价中得出,E10替代汽油可使CO2的排放量下降7%。一些预测表明生产和使用1L乙醇来代替汽油可减少0.54

0.57kg CO2的排放,即汽油燃烧时CO2排放量的90%[11]。

1.3对乙醇排放的影响

低比例乙醇混合燃料与纯汽油相比有较高的蒸气压和较大的渗透率。这就导致大量乙醇因挥发或渗透而进入空气,同时也相应增大了其他气体的排放,不仅造成损失也污染了空气。巴西是唯一大范围应用乙醇燃料的国家,大约70%75%的机车使用E20E25,15%20%的机车使用纯乙醇,其余的使用柴油,2001年巴西圣保罗市的空气中乙醇浓度是洛杉矶的2378倍[12]。

1.4对乙醛排放的影响

乙醛是一种危险化合物,很可能具致癌性,它也是聚丙烯腈(PAN)的前体,是带有剧烈毒性的呼吸刺激物,是众所周知的植物毒素。Knapp等[13]发现E10的燃烧使乙醛的排放量变为原来的100%200%,有时甚至达到700%。据报道在巴西的4个主要城市空气中乙醛的体积分数要明显高于世界上任何一个城市[14]。这种潜在的危害应引起关注。

1.5对氮氧化物排放的影响

氮氧化物会引起地面臭氧和光化学烟雾等污染。混合燃料的燃烧对氮氧化物排放的影响尚存在争议:Sp reen and Kass et al.[6,7]的测试表明乙醇-柴油混合燃料使氮氧化物的减少从0到4%5%不等。美国的监测数据证明了E10与臭氧浓度增加有关。胡志远等[9]在乙醇-汽油混合燃料的周期评价中得出,除E10外其他浓度的混合燃料所产生的氮氧化物均高于纯汽油。张润铎等[10]的试验表明乙醇柴油混合燃料较纯柴油燃烧排放的氮氧化物有明显的增加。但氮氧化物的排放除与燃料有关外还受空气与燃料比例等因素的影响,所以乙醇的引入对氮氧化物的排放的影响幅度并不明显。

1.6对其他有害气体排放的影响

其他一些气体的排放有的也会给空气造成污染,例如SO2会引发硫酸烟雾,乙烯、醛类的臭氧活性较高,易造成地面臭氧和光化学烟雾等。Marek and Evanoff[15]发现在柴油中添加乙醇减少了硫的含量,有效地减少了SO2的排放量。还有资料报道,E10减少了1,3丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等的排放,增加了甲醇、乙烯、丙酮、甲醛、丙烯醛等的排放。

总之,乙醇混合燃料对PM、CO、NO x、SO2、CO2、烃类、苯、甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛、甲醇、乙醇、乙烯、1,3丁二烯、丙酮等的排放都有不同程度的影响,其中大多是积极的,也有部分是消极的,针对那些排放量增大的气体,可通过改进机车结构,添加助溶剂,使用接触反应转炉,改建气体排放控制系统等措施加以控制,以辅助乙醇混合燃料的使用。

此外,笔者通过对比发现针对同一物质的排放,不同的研究者得出的结论也不尽相同,这主要是因为相当多的排放数据受到各种因素影响,如机车燃料的测定技术、各种控制技术、测试程序、测试条件以及模型的差异等。所以建议建立严格统一的空气质量模型,规范测试技术,以确保得到更可靠的排放数据。另一方面,乙醇的添加比例不同,对产物的排放影响也不相同,所以对混合燃料的研究还有待于具体细化,也就是要针对不同乙醇比例的燃料进行测试,对不同燃料给予准确的评价,为燃料选择提供更详尽可靠的依据。2对土壤和地下水的影响

在汽油中添加乙醇不仅增大了挥发性,也增加了对金属和聚合物的渗透率。乙醇-汽油在接触水以后就会发生相态分离,乙醇进入水相,增大了燃料的体积,从而增加对地下钢铁储藏罐的腐蚀,增加泄漏到周围土壤的风险。在美国中央对运输的研究中建议:纯乙醇或乙醇含量高的汽油燃料不应用铝、锌、锡、铅焊接装置或者黄铜装置来储存。一些非金属的材料暴露在乙醇含量高的条件下,也会降解,如天然橡胶聚亚胺酯、软木垫圈、皮革、粘合聚酯纤维丝、聚氯乙烯、聚酰胺、甲基丙烯酸塑料等[16]。

泄漏的乙醇会增大粘土的渗透性,一旦与地下水或地表水接触将增加汽油中有害物质的溶解性。在周围环境中,乙醇还会优先得到微生物的降解,使微生物和环境条件适应乙醇的降解,从而抑制汽油污染物尤其是二甲苯(B TEX)的生物降解,影响自然界的自我修复能力,增加周围环境的负荷。20世纪80年代末,美国环保署提出了泄漏地下储藏管计划来解决泄漏的汽油灌,从那以后220万标准罐中150万被清

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