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TheofeffectAlcoholetherfuelandcoalliquefactiontechnologyonautomobileenergysavingLIUhaiboAbstract:Accordingtothealcoholetherfuelphysicochemicalcharacteristics,andgasolineandotherconventionalfuelcharacteristics,analyzesthefeasibilityofalcoholetherfuel,andpointsoutthatthealcoholetherfuelinalternativeenergyapplication,existingproblemandcorrespondingsolution.Throughthecalculationofthefueleconomyandpowerperformancecalculation,descriptionofalcoholetherfuelisagoodvehiclealternativefuels,hashugedevelopmentpotential.Thecoalliquefactiontechniquewereintroducedaswell.Keyword:GlycoletherVehicleenergysavingCoalliquefaction0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