甲醇:汽车替代燃料的宠儿

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  当汽车潮水般地涌进人类现代生活,给我们带来不尽便利的时候,汽车尾气排放和日趋恶化的环境污染也如影随形,一步步向人们逼近。越来越庞大的汽车家族和有限的日趋减少的石油资源,一对你死我活的不可调和的矛盾,谁来牵引他们之间走向后石油时代共赢的“红丝线”……
  
  2005年4月,全国甲醇及下游市场分析与发展研讨会在广西桂林召开。研讨会就甲醇的毒性安全问题,甲醇的热值、性能,甲醇的来源、研制、开发,以及甲醇的其它用途进行了探讨。此举表明,处于未来汽车替代燃料主导地位的甲醇,再一次走进了人们的视野。其实早在1999年,我国第一个关于甲醇燃料产品的企业标准《甲醇汽油的企业标准》出台以后,市场上就有零星的石化企业陆续将甲醇燃料投放市场了,从摩托车到大中型货车、轿车等都有使用。结果证明,由于甲醇所含热值只相当于汽油的一半左右,消耗率比较高,抗爆性能好,可以用提高发动机压缩比的办法来改善汽车的动力性能,相比之下甲醇汽车的能量效率还是要优于汽油车。至此,关于甲醇作为未来汽车替代燃料的话题,被人们提上了议事日程。
  
  事实上,随着我国经济的迅速发展和汽车产销量的高速增长,正面临汽车能源需求与环境保护的双重巨大压力。汽车的主要燃料是从石油中提炼出来的柴油和汽油,据世界能源大会数据表明,我国的能源资源,煤的保有储量约占世界的30%,可采年数达数百年,而石油的保有储量仅占世界的2.4%。1993年起我國已成为石油纯进口国,2000年我国石油总需求的33%已从国外进口,预测2010年我国石油总需求的47%需进口,我国石油的供应将严重不足。
  另一方面,我国的汽车排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。据统计,近年来北京在非采暖期,城区内机动车排放的CO、HC和NO×已分别占总排污负荷的60%、86.8%和54.7%,上海城区内机动车排放的CO、HC和NO×已分别占总排污负荷的86%、90%和56%。城市机动车排放污染已经成为了城市发展的瓶颈和不可承受之重。
  因此如何在后石油时代,针对我国自然条件和能源资源特色,逐步改变汽车能源结构,发展汽车清洁代用燃料,在发动机上实现高效、低污染的燃烧,控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响,已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的课题。
  
  实验阶段的甲醇汽车
  
  由于我国石油依赖进口程度不断加大,加上我国汽车产量不断增长,石油消耗也不断增长,因此我国在“十五”期间的国家“863”计划中就特别设立了电动汽车重大专项。电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局。“三横”是指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车;“三纵”是指蓄电池、电机和控制系统的关键零部件。
  我国具有比较丰富的煤炭和农产品资源,因此,发展以甲醇为燃料的汽车,同样具有广阔的前景。早在上世纪80年代中期,上海大众就曾推出了以甲醇为混合燃料的桑塔纳轿车。
  甲醇是一种易燃易挥发的无色透明液体,具有与现实使用的液体燃料极为相近的燃烧性能,辛烷值高,抗爆性能好,其生产原料非常广泛,产品的运输、储存、分装加注和使用,与目前市场上所供应的内燃机用汽油和柴油燃料特点极为相似。同时,甲醇还可作为燃料电池的重要原料。
  作为甲醇燃料的主要形式,甲醇汽油开发及应用,在国外开始于20世纪70年代的第二次石油危机,从替代能源的角度考虑,德国、美国、日本等国先后投入了人力、物力进行甲醇燃料及甲醇汽车配套技术的研究开发。在70~80年代期间,德国就推出了甲醇汽车,德国大众汽车公司还在中国推出M100甲醇汽车示范车。美国重点开发M85、M100专用甲醇燃料汽车。美国福特公司还开发了可使用甲醇与汽油以任意比例混合燃料的灵活燃料汽车(FFV),这种车由燃料传感器识别成分,通过电脑提供发动机最佳运行参数,这样就不会受到加油站限制。目前FFV汽车在美国已经能大规模商业生产。日本对甲醇燃料研究始于20世纪80年代后期,进入90年代初期已有300多辆甲醇燃料汽车投入运行。
  
  国内甲醇汽车研究现状
  
  我国对甲醇燃料的研究起步于20世纪70年代初期。“六五”期间由国家科委组织、交通部负责将M15(甲醇占15%)甲醇渗烧汽油研究列入国家重点攻关项目,在山西组织有480辆汽车、并建有4个加油站的营运规模。“七五”期间,由国家科委组织,中科院负责将北内的492发动机改烧甲醇(M85以上)技术列入攻关项目。“八五”期间,进行中、德M100科技合作项目,有8辆桑塔纳轿车在北京行驶,并建有一个加油站。同期,国家继续将低比例M3、M5甲醇燃料应用列入攻关计划。在四川、重庆等地有数百辆汽车投入运营试验。
  多年来,有关部门和科研院所进行了相应甲醇燃料汽车的开发研究。1996年由国家科委和福特汽车公司组织中科院、清华大学、化工部、山西省等单位参加并完成“中国山西和其他富煤地区,把煤转化汽车燃料及其应用的经济、环境和能源利用的生命周期评估”的课题研究。在此基础上由国家科委推荐,原国家经贸委于1997年对国家甲醇燃料汽车试验示范项目立项,由山西佳新能源化工实业有限公司承担实施,组建50辆甲醇轻型客车队进行商业化试验示范。
  
  另外,山西省自行研制成功的“华顿甲醇汽油”,在太原经23辆汽车试验运行5个月效果良好,并组织了卡迪拉克、凌志400、本田雅阁、富康、捷达、桑塔纳、金杯、解放140、微型车等十几种车型共23辆汽车参加试用,3个月销售使用20吨,无一例不良反应。它不仅每吨售价比国标号汽油低出200元至800元,而且二氧化碳等尾气排放平均降低了30%以上。此次检测认定,其各项指标均达到或超过同标号国标无铅汽油,环保与节能功效突出,取得较为理想的效果。
  实验证明,甲醇作为燃料应用于汽车已完全突破技术关,特别是以15%的比例将甲醇掺入汽油中燃烧,无任何技术和环保问题,也不用改造发动机,加注燃料也不受地域限制。2002年山西省在太原、阳泉、临汾、晋城等4个城市进行了甲醇汽油产业化示范推广。到今年3月底,中石化山西分公司所属各试点城市石油公司,已新建和改建了100座加油站销售甲醇汽柴油。山西佳新公司生产的M85~M100甲醇燃料公交车和城际公交车,先后在阳泉、太原至晋中等地投入运营;大同云岗汽车集团公司全甲醇燃料装置,在省内外改装在用车的数量已达1000辆,年燃用甲醇1万多吨。全省累计使用甲醇汽油的机动车达到了近50万辆次,涉及近50种车型,共消耗甲醇汽油12192吨,使用变性甲醇1836吨。
  经过多年的研究开发,我国在甲醇燃料汽车的开发方面已具有了一定基础,作为在汽油中掺入5%、15%、25%和85%的甲醇及纯甲醇(100%)汽车燃料的试验研究,也进行了大量的实质性工作。特别是低比例掺烧甲醇,汽车无需做任何改动,直接掺入汽油中使用。
  
  甲醇替代燃料的特点与应用
  
  由于甲醇具有沸点低辛烷值高等特点,使得它作为燃料具有含氧量高、热值比汽油弱的特点,汽化潜热是汽油的3倍多。同时,由于甲醇燃料理化性能接近汽油,在汽油机上使用甲醇燃料,发动机不需做大的变动,甲醇与汽油相溶性较好,可实现各种比例掺烧。而且几十万吨/年的装置就可达到经济规模(合成油则至少应达到几百万吨/年规模),甲醇可以不必过分集中生产,便于企业投资兴建和产品输送,即使较长距离的输送,也比输煤和输气便利。再加上它是含氧化合物,燃烧完全,在汽车发动机中的能量利用效率高于汽油,其经济性很具有竞争力。
  甲醇燃料在汽油机上使用,从低比例掺烧(M15甲醇占15%)逐渐发展到20世纪80年代后期的高比例(M85~M100)掺烧,也经历了一个相当艰难的过程。美国从1987年开始开发柔性燃料汽车(FFV:Flexible Fuel Vehicle),对甲醇、汽油、汽油和甲醇的混合物都能应用。日本搞甲醇专用车不搞柔性燃料车(FFV)。目前经过几十年研究开发,技术问题已基本解决。
  
  尚存瑕疵的甲醇燃料
  
  国内甲醇燃料已在夏利、桑塔纳轿车上进行应用试验。山西云岗汽车集团有限责任公司研制开发了全甲醇(M100)汽车燃烧装置已通过鉴定。从1996年~2000年7月开发了6600轻客电喷甲醇汽车;目前已在越野车、捷达轿车、6600轻客、微型车上安装使用,效果良好。
  然而,尽管甲醇作为汽车燃料的技术条件已经成熟,但是由于甲醇在生产、储运过程中会产生的可溶性酸、胶质、氯化物、水分等对汽车零部件有不利的影响,还需要对汽车部分零部件进行必要的改进。由于甲醇能量密度较低,燃油箱容积需适当放大,需对燃油箱的材料进行耐腐蚀、渗透试验;油泵、喷油器需采用甲醇专用的,而且还因为甲醇当中的胶质,喷油嘴在冬天易发生堵塞现象;燃油管(包括软管和金属管)需要改进,甲醇中的酸性物质会对金属产生腐蚀,所以要改变金属管镀层工艺,等等。
  关于汽车改造和甲醇车价格问题,甲醇低比例掺烧(5%~15%),汽车可基本不作大的改动,增加的费用很少,可以忽略不计。在用车改造使用较高比例醇燃料,需更换燃料供应系统等处耐醇零部件,改造费在5000元以内。在产车改造供油系统、发动机等,选用的耐腐蚀材料和零部件批量生产后,每车增加费用较少,生产厂可以从利润中加以消化。我国已开发出甲醇发动机的自主特有技术,为新产甲醇车奠定了一定基础。
  当然,我们在考虑甲醇燃料应用经济性的同时,还应该注意到它的安全性和燃料动力性问题。
  在安全性方面,甲醇与汽油一样,均具有中等毒性。如果人直接饮用一定量甲醇(以几毫升到十几毫升计)是要严重中毒的,呼吸道吸入等接触,达到一定浓度和时间也会产生一定的中毒反应。但是正常使用不会产生对人健康的危害,更不会产生公害。只有在有意识的危害行为、无知误饮(如假酒)等情况下,才有可能发生甲醇对人的中毒事件。甲醇作为燃料应用就和在工业生产过程大量作为原料或溶剂、在实验室作为试剂等一样,其安全问题是容易控制和防范的。甲醇的生产和应用中历来没有发生过严重的中毒工伤事故。燃料应用和假酒事件完全是两回事,由于假酒事件造成人们心理上的压力和错觉,是可以通过解释而消除掉的。
  美国甲醇研究院对大规模使用甲醇造成的环境影响和人类身体健康的影响,作了细致深入的调查研究,并发表了正式报告,认为甲醇燃料和汽油相比,更易于生物降解。对环境的污染要比汽油小得多。甲醇燃料汽车的尾气排放指标大大优于汽柴油,致癌度很低,对环保十分有利。而且,已有大量权威科学结论证实,汽油和醇对生态的影响,用百分衡量,汽油为100,乙醇为50,甲醇为30。甲醇的致毒性(综合)低于石油燃料。甲醇意外泄漏对环境的影响极小。
  关于甲醇燃料的动力性问题,国内外的研究表明,在提高压缩比后,M85(M100)甲醇发动机的动力性优于汽油发动机。使用M15汽油,动力性也没有明显下降,主要是由于辛烷值提高,燃烧状况改善,抵消了热值低的弱点。使用甲醇燃料所产生的气阻、醇油互溶性等其他问题,都有相应的技术加以解决,都不会影响其推广应用。
  
  甲醇汽车替代燃料的发展前景
  
  由于我国石油资源贫乏,而煤炭资源和有较多的农产品、玉米等陈化粮,推广使用甲醇汽车具有广阔前景。到目前为止,山西是我国甲醇燃料示范性试验较为系统并且已成为推广应用最快、规模最大的地区之一,在对甲醇燃料的存储、输配、防腐、安全以及甲醇汽车的运营调度、维护保养、试验检测和故障排除等方面,均总结出了较为系统的技术规程和管理办法,为更大范围的甲醇汽车产业化示范,提供了宝贵的技术和管理方面的经验。
  这其实也是由甲醇作为燃料的具体特点决定的。甲醇燃料除了具有良好的燃烧性能和环保效果外,更重要的是产品价格以及储运等费用方面也具有竞争优势,因此市场前景看好。
  随着我国甲醇燃料示范规划的成熟及推广工作的进行,未来甲醇燃料的消费量将显著增加。根据发展趋势预测,到2008年我国的汽车保有量将突破3000万辆,对汽油的消费需求也将有较大增长,预计在今后5年内汽油消费递增保持在5%左右,到2008年我国汽油消费量将超过5000万吨。如果全国40%范围内推广M5甲醇汽油,其消费量将达到100万吨左右。
  如果M85~M100甲醇汽油发动机及汽车在部分地区进行示范应用成功,5年后将推广达到2%左右的应用范围,其年消费量也将超过100万吨。近年来甲醇车用燃料已经引起了广泛的关注,预计到2008年甲醇燃料对甲醇的总消费需求将超过200万吨,使甲醇燃料在甲醇总体消费中的比例将超过30%。
  另一方面,甲醇燃料电池的市场同样不可忽视。在国际上,由于氢燃料电池系统的能源利用达到60%(现在最好的发动机的利用率才仅有20%之多),燃料电池系统的制造成本比发动机低得多,也容易得多,而且燃料电池汽车除去了传动系统,使整车生产更加容易。因此,一些著名公司已经将目光注视到甲醇车的开发上,并有了甲醇燃料电池车的发展计划。戴姆勒—克莱斯勒已经开发出NECAR3型汽车,采用以甲醇为液体燃料的板式燃料系统;本田于2000年开发出了甲醇电池车,2003年開始商业化生产;日产已经开发出了甲醇电池车,2003年投入市场;福特公司已经开发出运动型原型车,采用甲醇液体电池发动机,2004年进行商业化生产;通用汽车公司也已经开发出了甲醇电池原型车,2004年投入商业化生产。美国为了促进甲醇电动汽车的技术开发和市场推广,在1999年9月由克林顿签署法案,以低税率和政府补贴的方式对甲醇电池技术予以支持。对新建甲醇充装站或改造现有的汽柴油加油站的,美国政府将给每座充装站3万美元补贴。
  无论是汽车厂家、民间团体,还是各国政府,都把发展诸如甲醇燃料等清洁能源作为未来汽车燃料发展的重点。也因此,甲醇燃料电池车的开发,已经成为各大跨国公司竞争的焦点之一。国内方面,随着北京成功获得2008年国际奥运会的主办权,城市急需大量开发清洁能源,环保产业,基础设施。国家一直大力投资的电动车产业,城市的天然气,煤气开发利用工程都给甲醇燃料电池这一公认的清洁和关键产业带来巨大的发展商机。
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