醇基燃料_21世纪最具发展潜力的新能源

醇基燃料 21世纪最具发展潜力的新能源

熊道陵1

,傅学政2,3

,李金辉

1

(1.江西理工大学材料与化学工程学院,江西赣州341000; 2.湖南工业大学,湖南株洲412008;

3.中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙410083)

摘要:发展醇基燃料,实现燃料多元化,是具有深远意义的必然选择。通过醇基燃料的特性分析和成本分析,论证了醇基燃料在新世纪可替代燃料中的重要地位,以及应用中将能取得的预期效果。

关键词:醇基燃料;新能源;潜力

中图分类号:TQ 517 文献标识码:C 文章编号:1006 6772(2008)03 0008-04

收稿日期:2007-12-24

基金项目:江西省教育厅2005年科技资助项目(赣教技字[2005]154号);江西省科技厅2006年科技资助项目(赣科发计字[2006]184号) 作者简介:熊道陵(1965-),男,江西吉安人,博士,教授,从事新能源开发与研究管理工作。

1 世界及中国石油资源现状

全球石油的总储量,乐观地估算为6500 108

,t 悲观地估算为2700 108

,t 实际上已探明的可采储量比这少得多。21世纪初,全球已探明的石油可采储量为10330 108

桶,折合1476 108

t 。按2000年实际日耗7300 l04桶计,还能开采40a 按美国能源部预测每年耗油增加2%,则只能维持25~30a 到2010年,全球石油资源的1/2将消耗掉。那时就是石油的 半寿期 。目前全球每年作为燃料耗用化石燃料折合标煤120 108

,t 其中,石油37 108

t(折

标煤53 108t)、煤炭45 108t(折标煤32 108

t)、天然气26300 108

m 3

(折标煤35 108

t)。

中国的石油储量低于全球的平均值,虽然预计地质储量为940 108,t 但是,当新世纪开始时,已探

明的可采储量只剩33 108

t 。2004年中国石油消费量为2 7 108

,t 2005年以后的年消费量均在3亿t 以上。如果不进口或想别的办法,只能维持到

2012年。平均每年进口1 5 108

t 石油,也只能维持到2020年以后, 半寿期 仍在2010年以前

[1]

。

2 醇基燃料的优势

2 1 作为民用清洁燃料

早在 六五 时期,中国政府就投巨资在山西省

建设煤制醇基燃料及清洁汽车产业化示范基地,按规划,到2010年山西省醇基燃料生产能力将达l0M t/a ,其推广地首选北京。北京的公交车冬天一直使用以醇基为主要原料的防冻液;而日常生活中醇基燃料及灶具自1983年起就逐步形成产品,进入市场,现已在全国形成产业,并颁布了国标GB16663-1996 醇基液体燃料 及农业部行业标准NY311-1997 醇基民用燃料 、NY312-1997 醇基民用燃料灶具 ,燃料甲醇经过近20a 家用灶具、火锅灶具、餐饮及食堂大灶的使用证明,比油料、液化气更安全可靠、洁净卫生。但由于甲醇的低沸点,因而在南方城市的夏季在使用时甲醇易于挥发而易危害人体健康。醇基燃料特性分析如下:

(1)醇基燃料成分复杂。醇基燃料是一种以甲醇为主,混合有乙醇、丙醇等多元醇类和烷烃的液体燃料,被Vu lcan C i n cinnati 组织命名为 甲基燃料 。其闪点为7 ,属于中闪点液体燃料(-18~23 );沸点在64 7~200 间,自燃温度为436 。

(2)醇基燃料能量密度较低,蒸发潜热大。醇基燃料的热值一般在20 1~26 0M J/kg 之间,是柴油、液化气等高热值燃料热值的60%左右,属于低热值液体燃料,醇基燃料能和水以任何比例相互溶解,但不与水形成共沸混合物,含水燃料的热值将更低。

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(3)醇基燃料是一种非常清洁的燃料。由于燃料本身含氧,燃烧时需氧较少,燃料燃烧充分,呈蓝色火焰,烟气中不含有碳粒,主要为二氧化碳和水;醇基燃料含硫量极低,燃烧后烟气中硫氧化物生成浓度也极低,醇基燃料是仅次于氢气的最清洁的燃料之一。

(4)醇基燃料适应面广。醇基燃料适用于城市餐饮业炉灶、中小型锅炉、居民家用灶具及工业炉窑,这些炉灶或以敞开式燃烧,或者其炉膛内绝热层效果较差或燃烧空间小,采用当前的雾化燃烧方法,使用醇基燃料不具备经济性和环保性,只有在大幅度提高燃烧热效率后,醇基燃料才可能广泛应用[2~4]。傅学政博士团队研制成功的醇基燃料灶具使醇基燃料得到很好地应用。该灶具是通过液控式液体燃料汽化燃烧装置的火力控制的,是通过调节进入多级汽化器的液体燃料的流速来实现的,该调节方式适合于中、大型炉灶,其热效率远高于同类其他灶具,达55%以上[5~7]。

2 2 作为车用燃料替代汽油

醇基燃料是一种物理化学性质与汽油近似的有机燃料,可以由天然气、煤、生物原料等生产制得。早在1984年,德国大众公司就生产了400辆醇基燃料轿车,赠送给洛杉矶奥运会,后来美国福特公司首批生产了6万辆醇基燃料轿车投放美国市场。甲醇用于汽车替代燃料,主要是按照一定的比例,同汽油进行混合以达到改善尾气排放、节约能源的目的。目前,经实践广泛使用的有按85%甲醇和15%汽油进行混合的M85和M15燃料,以及100%甲醇的M100燃料。

甲醇之所以能够作为汽车燃料,主要是由醇基本身的性质特点所决定。

(1)抗爆性好:甲醇的辛烷值大,马达法辛烷值(MON)为106,研究法辛烷值(RON)为112,远高于普通汽油。醇基燃料与汽油混溶后辛烷值比同标号汽油提高3~5个单位,可以提高汽车发动机的压缩比,起到抗爆剂的作用,防止汽油机出现爆震现象。

(2)理论混合气热效率高:甲醇的热值为19 9M J/kg,汽油热值为43 50M J/kg,但甲醇理论混合气的热效率与汽油相当,这是甲醇能够成为汽车燃料的主要原因。许多赛车使用醇基燃料,就是因为其热效率很高。

(3)着火极限宽:汽油和甲醇的着火极限分别是1 4%~7 6%和6 7%~36 0%,醇基燃料能够在较宽的混合气浓度范围内工作。

(4)排放物安全:甲醇是一种含毒性有机化合物,可经呼吸道、消化道和皮肤接触方式进入人体,破坏人的神经和视觉系统。作为燃料,甲醇发生火灾的可能性比汽油小,且火灾后造成的危害也比汽油轻。低浓度时,甲醇的毒性要小于汽油。

(5)清洁、环保性能:甲醇具有降低温室效应气体排放的潜力,以目前的技术来看,源自于天然气的醇基,其温室效应气体的排放比汽油小得多。在甲醇车辆上一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的排放都很低,也不产生固体颗粒、硫的氧化物。根据美国AQ I R P研究报告,M85机动车的排放性能与汽油车相比,碳氢化合物(H C)降低31%,一氧化碳(CO)降低13%,氮氧化合物(NO x)降低6%。此外,甲醇机动车的动力性和持久性相对来说也不错。

3 醇基燃料的成本优势

醇基燃料及灶具的研制从1983年起步,到1990年达到高潮。醇基燃料的发展与市场有关。

(1)联醇法生产醇基燃料。全国有上千家小化肥厂,多数厂有条件用联醇法生产甲醇,这无疑给醇基燃料的来源提供了可靠的供应渠道,目前就连液化石油气的供应渠道都投有小化肥厂供应甲醇的规模这么大。

(2)由煤炭转化醇基燃料。中国是个 富煤、缺油、少气 的国家,煤炭资源转化醇基燃料适合中国的国情。这就势必构成了醇基燃料的价格有可能低于液化石油气、天然气、人工煤气,因而具有很强的市场竞争力。

高硫劣质煤制甲醇。中国煤炭资源探明保有储量为1万多亿吨,但可开采的优质煤并不多,尤其是高硫劣质煤一般不予开采。甲醇可以用高硫劣质煤来制取,如山东兖矿北宿煤矿的煤含硫量高,本已不再开采使用,但可用作生产甲醇,由此增加了数亿吨可采储量。利用高硫劣质煤制成甲醇,是一举两得、变废为宝的综合利用煤炭资源的有效途径。一般大型化(60万t/a以上)高硫煤制甲醇成本约800 ~850元/,t具有非常好的经济前景。

焦炉煤气制甲醇。中国每年的焦炉煤气产量是800亿m3,如全部利用制甲醇,可生产4000万t 甲醇/a。仅山西省每年的焦炉煤气排空就多达100亿m3,差不多相当于西气东输的气源量,既浪费了资源,又严重污染了环境,如果以这些焦炉煤气生产甲醇,可产500万t甲醇/年(即使按60%计也可生产300万t/a)。大型化(60万t/a以上)焦炉煤气