毕业论文-汽车清洁替代燃料的可行性研究

本科毕业设计（论文）题目汽车清洁替代燃料的可行性研究学院年级专业班级学号学生姓名校内导师职称讲师论文提交日期汽车清洁替代燃料的可行性研究摘要随着我国经济的迅速发展，汽车保有量激增，对石油的需求也随之增加，同时造成了严重的环境污染，因此，探寻清洁的替代燃料十分重要。本文介绍了烃类、醚类、醇类等替代燃料的理化特性，通过与汽油、柴油的对比，探讨替代燃料在发动机上燃用的可行性。通过生物柴油掺烧乙醇实验，分析生物柴油和不同比例乙醇混合燃烧后，发动机性能和排放的变化，得出结论：生物柴油添加乙醇可以推迟燃料着火时刻，提高发动机效率，降低碳烟排放，在小负荷时能明显降低油耗率。本文还介绍了替代燃料生命周期评价，由此可以看出替代燃料总能量消耗和排放物比汽油高，主要原因是替代燃料并不像石油那样可以直接取得，燃料加工生产需要消耗能量并产生CO2等副产品。本文还以甲醇、乙醇为例，分析替代燃料的经济性。关键词：替代燃料可行性理化特性生命周期FeasibilitystudyonautomobilecleanalternativefuelsAbstractWiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,carownershipsurged,thedemandforoilisincreasing,andhascausedseriousenvironmentalpollution,therefore,itisveryimportanttoexplorethecleanalternativefuels.Thispaperintroducesthephysicalandchemicalpropertiesofhydrocarbons,ethers,paredwithgasolineanddiesel,thefeasibilityofalternativefuelintheenginewasexplored.Throughtheexperimentofbiodieselblendingethanol,engineperformanceandemissionswasanalysedindifferentproportionsofmixedcombustionandconcludedthatbiodieselethanolcanpostponethefuelignitiontime,improvetheefficiencyoftheengine,reducingsootemissions,andsignificantlyreducethefuelconsumptionatlowload.Thispaperalsointroducesthealternativefuellifecycleassessment.Itcanbeseenthatthetotalenergyconsumptionandemissionsofalternativefuelsishigherthangasoline,themainreasonisthatunlikeoilalternativefuelsandfuelprocessingcanbeobtaineddirectly,needtoconsumeenergyandproducebyproductssuchasCO2.Thispaperalsousesmethanol,ethanolasanexample,theeconomicanalysisofalternativefuels.Keywords:Alternativefuel;Feasibility;Physicochemicalcharacteristics;Lifecycle目录1.绪论 51．1选题的背景及意义 51．2国内外研究现状 61．2．1醇类燃料 61．2．2煤制油和气制油 81．2．3氢和天然气 81．3本文的主要研究工作 102．替代燃料的应用现状 102．1替代燃料的种类 102．2替代燃料理化特性分析 112．2．1烃类燃料 112．2．2醚类燃料 122．2．3醇类燃料 132．2．4生物柴油 142．3本章小结 153．替代燃料的应用技术 163．1替代燃料发动机实验 163．1．1生物柴油发动机实验研究进展 163．1．2生物柴油掺烧乙醇的发动机实验 163．2甲醇用作柴油替代燃料的研究现状 213．2．1柴油机燃用甲醇主要方法优缺点分析 213．2．2甲醇用作柴油替代燃料存在的主要问题 233．3合成油技术 243．3．1合成油技术 243．3．2煤基合成油技术 253．4本章小结 253．4．1生物柴油掺混乙醇燃料发动机台架试验结果 253．4．2替代燃料应用技术总结 264．经济性和生命周期研究 274．1替代燃料生命周期 274．1．1替代燃料生命周期 274．1．2木薯乙醇生命周期多目标优化 284．2经济性分析 294．2．1甲醇的经济性 294．2．2乙醇的经济性 304．3本章小结 315．全文总结及展望 315．1全文总结 315．2工作展望 321.绪论1．1选题的背景及意义随着人民生活水平的提高，我国汽车产业发展迅猛，对液体燃料的需求也逐年上升。据国家海关总署统计，2009年我国原油进口量达到2.04亿吨，原油对外依存度达51.3%，给我国能源安全敲响了警钟。同时，世界石油资源面临枯竭，国际油价高位徘徊，汽车尾气造成的环境污染已相当严重。因此，探寻新型、洁净的发动机替代燃料势在必行，这方面的研究也受到了世界各国的重视[1]。选择合适的汽车替代燃料，科学地确定一个地区清洁燃料汽车的发展方向，是减少机动车有害尾气排放、治理城市大气环境污染重大而紧迫的课题。生命周期评价是一种对产品、生产工艺及活动给环境造成的压力进行评价的客观过程。国内外在车用替代燃料生命周期评价方面作了大量研究工作，国内的研究主要集中在清单分析上。目前，基于生命周期评价的多目标优化研究已成为一个新的研究方向。课题针对清洁替代燃料，如醇类燃料、生物柴油、LPG、CNG等，分析我国发展替代燃料的必要性和应用现状，研究替代燃料的生产技术以及替代燃料在汽车上的应用，探讨替代燃料的经济性及生命周期。随着全球汽车保有量的增加和各国对环保的重视，目前的车用发动机(汽油机和柴油机)面临着既要继续提高现有性能，又要降低排放的双重压力。同时，目前车用主要燃料石油又是不可再生资源，汽车燃料不足将是不可回避的问题。故研究与开发替代燃料非常必要。1．2国内外研究现状1．2．1醇类燃料汽车是生活中的重要交通工具，而汽车排放的尾气又是造成日益严重的环境污染的重要原因。醇类燃料由于具有良好的环保性和清洁性，多年来一直受到汽车业界的青睐。醇类燃料主要指甲醇、乙醇和丁醇。单独使用醇类燃料需要对发动机进行改动，因此现在一般都是掺入汽油的，当醇类掺入量小于15%时基本不用对原发动机改造即可正常使用[2]。对于醇类燃料，甲醇是最简单的醇燃料，其来源广泛，可由天然气合成，解决了天然气不易运输及火焰传播速度慢的缺点，也可由煤制取，更符合中国煤炭资源丰富的特点，具有广阔的应用前景。但在使用中需防范其可能产生的毒性危害，另外由于其对橡胶和金属的腐蚀性，还需考虑相关部件的防腐问题。关于乙醇，基本上克服了甲醇的缺点，但产量有限。近年来国外将研究对象转为含碳量更高的丁醇上，主要是看中了其与汽油相近的性质及较高的单位质量能量密度，故可直接用于现有的汽油机，同时丁醇由生物质制取，也是一种绿色燃料，但产量更少。甲醇是中国产量最为丰富的醇燃料，也是世界范围内最易制取的燃料之一，其研究历史悠久，在上世纪70年代西方石油危机爆发时曾是研究热门，欧美等国曾作为车用燃料实施了多年。特别是美国直到上世纪90年代中期，甲醇灵活燃料车仍然超过万台的保有量。后因于多方面原因而终止。随着甲醇防腐防毒技术的提高及条例法规的完善，在当前石油基燃料紧张的形式下，甲醇的应用研究逐渐受到关注。甲醇辛烷值高，应用方式与天然气相似，不外乎两种，即火花点燃，与柴油掺烧。乙醇作为内燃机燃料使用历史悠久，由于其无毒无腐蚀，更易被人们接受，在使用上同样有火花点燃和柴油掺混燃烧法。对于乙醇与柴油掺混燃烧的应用，由于性质上乙醇与甲醇最大的区别即为乙醇可与柴油互溶，故不必对柴油机进行改造，也不必加入助溶剂而可以直接应用，由于乙醇的汽化潜热小于甲醇，其冷启动性能好于甲醇柴油，但仍存在冷启动困难的问题。考虑到乙醇柴油的吸水性，长时间放置会导致燃料分层，同时冷启动和冷机排放更为恶化。实验证明使用柴油引燃掺水乙醇并加装DOC后可使国Ⅱ发动机达到国Ⅲ的排放水平，除碳烟外，其他排放指标达到国Ⅳ标准。目前美国乙醇汽油消费量占全美汽油消费总量的5%，到2030年，乙醇汽油消费量将占美国汽油消费总量的30%。我国从2001年起在河南、黑龙江、吉林、河北等9省大规模试点推行。但是乙醇汽油对发展中国家来说是得不偿失的，由于乙醇现有的生产技术决定了乙醇几乎全部自粮食中提取，以牺牲粮食作代价，从战略上说，特别在我国，是拆东墙补西墙的行为，是不可取的，有可能造成粮食价格上涨。乙醇原料来源有限，成本又高，从经营角度讲，也缺乏商业开发价值，因此乙醇作为车用燃料不被看好。由此可见，从技术路线的角度看乙醇应用在柴油机上已经较为成熟，问题还是出在乙醇生产成本和政策支持上[2]。受石油供应紧张，要求减少二氧化碳排放的呼声日益高涨的影响，近来在生物质燃料方面的研究力度加大，研究对象除了传统的乙醇，生物柴油，还有近来国外评价很高的丁醇（主要是正丁醇和异丁醇）。乙醇是当今主要的生物质代用燃料（比例为90%以上），而对丁醇作为代用燃料的认识实际已经由来已久，当时苦于技术不成熟。丁醇既可以由生物质原料制取也可由煤合成气合成，在西方一般由生物质制取，称为bio-butanol，但由于产量的原因一直没有得到大规模的应用，近来由于技术的改进及减排形势所迫，对丁醇的研究开始启动。相比于甲醇和乙醇，丁醇的热值较高，即能量密度较高；挥发性不强，并可避免管路中气塞现象的出现；辛烷值与汽油接近；除此之外粘度与柴油相当，润滑性较好；毒性及腐蚀性比甲醇要低，可以用现有石油管道运输；与汽油互溶性好，故可以在对汽油机不做机械改动的基础上灵活调整掺混比应用。但由于其气化潜热低，在作为进气喷射燃料时，由于其进气温度比甲醇高，故其进气充量比采用甲醇小，同时较高的进气温度及较高的热值会导致燃烧温度较高，从而不利于降低NOx排放，另外丁醇的火焰传播速度低于甲醇但高于汽油。目前丁醇一般作为与汽油的掺混燃料应用在点燃式内燃机中，由于其物理性质与柴油相近，也有与柴油掺混应用的例子。虽然丁醇的未燃HC和CO低于汽油，但还是较甲醇和乙醇高，甲醛和乙醛是主要的有毒污染物。此外，丁醇还可掺入柴油应用于柴油机，其抗分层能力强于乙醇。国内对丁醇燃料的研究目前仅处于起步摸索阶段，由于丁醇还是作为化工原料在使用，作为燃料尚在研究中。制约其发展的主要原因是生产原料来源以及生产成本。虽然其生产原料可以来自生物，但是目前仍以淀粉发酵生产，其它生物原料生产尚未见到有突破性的进展。所以，目前还不能对其作为燃料做出令人乐观的估计。无论怎样，但它的潜质表明丁醇将是未来车用燃料的竞争者之一[3]。1．2．2煤制油和气制油煤炭和天然气加氢制油，使用最多的是F-T法，就是先把煤炭，天然气，水蒸气作为材料制取氢气和一氧化碳，然后经催化剂的作用把氢气和一氧化碳合成为长链烷烃或烯烃，煤制油和气制油是缓解煤炭石油供不应求的一个方法，除去上述的间接法，还可以使用煤炭直接加氢的方法，这个方法的转化率可以达到63%～68%，只是对煤的质量要求较高，且生产出的油十六烷值不足。所以现在大多采用F-T间接法。而且生物质也能用F-T法制出“生物质油”（Biomass-to-liquids，BTL）。CTL和GTL的最大特点是十六烷值高，只含脂链烃而不含芳香烃，只含少量硫（已在生产中脱除，不然会造成催化剂中毒），因此其滞燃期短，不易产生CO和HC。滞燃期短，燃烧温度因此下降，从而达到降低NO排放的效果，虽然碳烟排放没有降低，不过燃料不含芳烃，碳烟还是比普通柴油要低，经过更多改良，热效率和排放都较原柴油机好。作为清洁燃料，CTL和GTL是可以用来减轻石油供应压力的，不过现在CTL和GTL的发展还是受到政策的限制，因为这两种燃料仍是化石能源，生产过程还消耗大量水和能量，不符合节能减排的政策。在我国因为煤资源所在地环境相对脆弱，大规模产煤制油造成的环境效应还未评估。现在煤制油属于国家控制发展技术，短期内不会成为车用燃料。气制油因为我国自身的天然气资源不足，发展前景有限[3]。煤基合成汽油技术发明于20世纪20年代中期的德国，在二战中为纳粹德国的战时工业和军事需求提供很大帮助。到1945年止，美、日、德等国都建成了煤基合成油装置。之后由于中东石油大规模的开采，煤基合成燃料价格无法和石油竞争，二战后停产。50年代，南非受到国际制裁，石油资源不足，只能利用煤炭资源合成液体燃料，于是建成了3座大型煤炭合成燃料工厂。70年代的石油危机使再次引起世界关注，由于石油危机的刺激，美国能源部门和军方开始在煤基合成燃料上投入人力物力。进入上世纪80年代后，在能源部和三军的努力下，开展了庞大的研究工作。2006年9月美国空军开始在加州爱德华兹空军基地对煤基合成燃料进行认证[2]。1．2．3氢和天然气液态氢和液态天然气是理想的车用清洁能源，液态氢燃料是能源事业发展的方向。研究表明，液态氢燃料发动机与煤油发动机效率相似，普通的涡轮发动机能改为燃用液氢燃料。按质量计液态氢燃料的热值是煤油的2.78倍，而且燃烧时无碳烟排放，NOx是燃用煤油1/3，燃用液氢具有热值高，有效载荷大，环保等优点，所以液氢燃料汽车才是真正的“绿色燃料”汽车。不过液氢有储存温度低（-253℃）、密度小（煤油的1/12）、体积大的缺点。正因为密度小，汽车一般需要携带大容积的液氢燃料箱，油箱容积是现有油箱的4倍，技术上还要克服密封和低温的问题。近年液态氢燃料已经开始进行半商业性的试验，德国陆续推出了多种液态天然气在低温和容积上的技术问题比液氢容易解决，所以液态天然气可以算是过渡型车用燃料。燃用天然气的优点是：NOx排放低；颗粒物排放低；减少烟度；资源丰富；成本低。不过液态天然气的储存温度为-160℃，实际使用有一定难度。液态天然气只能单独燃用，不能与石化汽油混燃；由于加气站网点的限制难以普及，短期内不会有很大的发展。[2压缩天然气的优点：储量丰富、燃烧完全、排放少等。符合越来越严格的排放法规要求，既环保又廉价，所以压缩天然气作为汽车替代燃料前景很好。压缩天然气汽车的排放与燃油汽车相比，HC下降约50%，NOx下降约40%，CO下降约90%，CO2下降约25%。燃用1L汽油效果相当于1.1m3压缩天然气，而1m3压缩天然气的价格只有1L汽油价格的51.2%。在压缩天然气汽车的实际使用中，压缩压缩天然气汽车已经成为21世纪的新兴产业。要快速发展压缩天然气汽车，就要制定全国统一的产业技术规范和标准，促进压缩天然气汽车技术和设备的国产化，推出更多优惠政策，才能使压缩天然气汽车更快成为新的经济增长点。[4]1．3本文的主要研究工作（1）介绍替代燃料的种类，分析替代燃料的理化特性和应用现状，得出好的替代燃料应当具有的特性。（2）介绍替代燃料在发动机上的应用技术。以甲醇用作柴油替代燃料为例，介绍柴油机燃用纯甲醇和燃用甲醇/柴油掺混燃料的应用技术。通过实验研究生物柴油在柴油机上的燃烧特点和排放。（3）分析替代燃料的经济性和生命周期，介绍多目标优化对替代燃料生命周期的影响。 2．替代燃料的应用现状2．1替代燃料的种类替代燃料是指传统内燃机燃料（如汽油、柴油）的替代品。随着发展，替代燃料呈现出多元化、交叉化、综合化的发展趋势。氢气、沼气、生物柴油、燃料电池和混合燃料发动机都在各个领域进行运用。替代燃料主要有：液化石油气（LPG）、压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）、H2，煤炭衍生物的液体燃料和生物质能。2012年我国车用替代燃料使用量1280万吨左右，占全国成品油表观消费量的4.6%，比上年增加280万吨，其中车用天然气替代量850万吨，占替代总量的71%左右。天然气是目前国内最现实可行的车用替代燃料；替代燃料的使用范围将不断拓宽，使用量将逐年加大。从车用燃气（CNG、LNG和LPG），生物质液体燃料（燃料乙醇、生物柴油），煤基液体燃料（煤制油、燃料甲醇）的发展现状和前景来看，燃料清洁化是必然的发展趋势[5]。2．2替代燃料理化特性分析2．2．1烃类燃料液化石油气(LPG)是常温常压下是无毒、无色、无味的气体，是3、4个碳原子的烃类为主组成的混合物。优点：辛烷值较高、抗爆性好、热值高、安全性好、易于储存和运输。燃用LPG后PM排放大大的降低了，汽车燃料费用也有减少，发动机的热效率还有提高，从而延长汽车使用寿命。但是一氧化碳和氮氧化物排放比一般燃料高了，而且发动机着火性能有较大下降，不易冷起动，加速性变差。[5]热值高，动力性好：LPG一般热值为12000Kcal/kg(汽油布热值为11200Keal/kg)比汽油高3一6%。LPG是气体，雾化好，燃烧完全，所以能提高发动机的热效率，改善动力性。着火温度高：汽油的着火温度210—300℃；丙烷481℃；丁烷441℃比汽油高200℃左右，因此燃用LPG时所需的点火能量比汽油高，发动机正常运转时，点火线圈输份电压为18KV，高能点火输出电压为28KV，采用高能点火可提高发动抓功率3%辛烷值高：丙烷96、丁烷89、异丁烷97三者都比汽油高，所以LPGV发动机的压缩比要调高，就会提高发动机的性能。据介绍压缩比提高一个单位，则输出转矩提高7—8%，燃料经济性将改善4—5%[6]。天然气的主要成分是甲烷，分为压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)。优点：化学性质稳定、可燃物多、热值高、辛烷值高、抗爆好、燃烧温度高、燃烧充分。压缩天然气(CNG)燃烧时为气态，与汽油、柴油相比，混合更均匀，燃烧也更充分。所以天然气汽车排放有明显的下降，碳氢下降约90%，一氧化碳下降约80%，氮氧化物下降约40%，CNG汽车噪声也很小。液化天然气(LNG)是把天然气低温液化成液体，有甲烷、饱和烷烃组成，以及微量的氦、二氧化碳、硫化氢。优点：成分单一(甲烷含量较高)、燃烧充分、排放低、安全等[5]。由表1可知，天然气热值比其它燃料都高，发动机功率损失较小，现有车辆改造使用天然气为燃料时不需要增加增压器以提高功率，降低了改造费用和天然气燃料汽车的推广难度。同时，天然气的辛烷值高，抗爆性能好，噪声污染小，对环境更友好[5]。表1部分替代燃料物理化学性质液化石油气天然气甲醇乙醇低热值/(MJ/kg)47.655.6219.826.8点火温度/℃470595470392辛烷值(研究法)1031191101002．2．2醚类燃料主要是二甲醚(DME)。二甲醚常温常压下它是一种无色的可燃气体。易液化、具有惰性不易氧化、在空气中十分稳定、无腐蚀性，而且具有优良的混溶性(易溶于汽油、四氧化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲酯等多种有机溶剂)。其理化性质和LPG相似,最大的优点是十六烷值高(大于55)，气体燃烧几乎不产生碳烟,特别适合于柴油车辆。同时具有优良的压燃性,非常适合于压燃式发动机,通常用作为柴油机的替代燃料。但是DME液体状态下单位容积的低热值仅为柴油一半。DME燃料一般是将天然气进行合成,由合成气再制取[5]。“甲醇替代汽油，二甲醚替代柴油”，这是有关专家就目前石油短缺提出的燃料替代思路。上海市目前已完成了DME汽车研发及DME公交客车试验运行，一个多月的路况试验运行数据表明，各项性能指标良好，我国车用DME应用技术现已跃居世界先进行列。DME十六烷值高，蒸发潜热大，自燃温度比柴油低，这决定了DME比柴油更适于做压燃式发动机燃料。对直喷式柴油机车燃用DME的性能与排放的研究结果表明，DME发动机的功率可较柴油发动机提高10%~15%，热效率提高2%~3%，燃烧噪声可降低5~10dB；而且氮氧化物、一氧化碳等污染物的排放量也很低，可以满足欧洲Ⅲ排放标准。众所周知，柴油机循环(压燃式)比汽油机循环(火花点燃式)的热效率高7%~9%，从燃料有效利用角度看，应有更多的汽车利用柴油机作为动力。但柴油发动机存在尾气氮氧化物、硫化物与黑烟等排放问题，会形成酸雨，污染大气环境，氮氧化物还破坏臭氧层。而DME发动机却可弥补上述不足。同柴油机相比，DME有如下优势：①分子中只有C-O键和C-H键，含氧，燃烧后生成的炭微粒少，并允许采用较大量的废气循环，降低NOx排放量；②十六烷值高于柴油，自燃温度低，滞燃期比柴油短，因而NOx排放少，燃烧噪声也低；③DME与空气的理论混合气热值比柴油高5%左右，因此DME发动机功率可以高于柴油机；④气化潜热是柴油的1.6倍，可大幅度降低柴油机最高燃烧温度，改善NOx的排放性能[7]。2．2．3醇类燃料甲醇是从天然气、石油和煤炭中提取的，具有高辛烷值、低发热量、低污染和无排烟等特点。甲醇燃烧完全，可减少20%～50%HC的排放，颗粒物及NOX排放也很低。此外，其挥发性低，加油和行驶过程中蒸发损失小。目前，商用甲醇主要为M85(85%甲醇+15%汽油)和M100，M100性能优于M85，具有更大的环境优越性。但甲醇毒性大，有腐蚀性，其生产过程是从能源的一种状态转换到另一种状态,能源利用率低。乙醇是最早开发的替代燃料。纯乙醇作燃料具有非常低的碳氢化合物(HC)和有毒物排放。乙醇可从谷物、纤维素等生物发酵产生，但其成本太高，约为汽油的两倍以上，若生产工艺技术无重大突破,很难广泛推广。一般内燃机燃用的石油燃料(柴油、汽油等)是烃类燃料，而醇类是烃基与羟基-OH组成的化合物。这就从本质上决定了醇类可以作为内燃机的代用燃料。醇类燃料主要指甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)。醇分子结构中含有氧，更易于燃烧，理化特性与汽油接近，表2给出了甲醇、乙醇、汽油的基本理化性质和燃烧性质的对比。从表2可以看出：醇类的热值比汽油低得多；其化学当量比所需的空气比汽油燃烧所需的空气少得多；醇类的汽化潜热高，汽化时所需的热量也比汽油多。醇类的饱和蒸气压比汽油低。低的蒸气压力和高的汽化潜热使其蒸发更困难，因而对混合气形成系统提出了更高的要求。醇类的辛烷值高，允许内燃机的压缩比高，这对点燃式内燃机的燃烧特别有利。将汽油机改为醇类发动机不太困难。醇是含氧燃料，其着火界限宽，在燃烧时有自供氧效应，可以使燃烧更完善，有利于组织稀薄燃烧，减少碳烟和CO排放[8]。表2甲醇、乙醇、汽油理化特性和燃烧特性的对比燃料特性甲醇乙醇汽油密度（20℃）kg·0．7920.78930.72~0.78沸点(℃)64．578.440~210气化热(MJ·kg-1)1．0880.8540.31~0.34辛烷值RON106~115~11080~98低热值HL(MJ·kg-1)19．91626.77843.9~44.4着火温度(℃)470434350~468理论空燃比A/F（kg·L-1）6．458.4514.7~15.0与空气着火界限(体积分数)%6．0~36．53.5~18.01.3~7.6最小点火能量(mJ)0．140.630.25~0.27最大火焰传播速度(m/s)0．523—0.38~0.582．2．4生物柴油生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物,油粽、黄连木等油料林木果实,工程微藻等水生植物以及动物油脂、餐饮废油等为原料生产的液体燃料。生物柴油具有优良的润滑性能和发动机低温启动性能,方便贮运且燃烧性能优良。生物柴油的理化性质和矿物柴油的不同，而且不同原料制成的生物柴油之间也不同，这些不同的性质会导致发动机点火、燃烧、排放特征的明显不同。通常用CN（十六烷值）值来表示燃油的自燃性，它会影响整个燃烧过程。CN值低，则燃料发火困难，滞燃期长，柴油机工作粗暴。CN过高，会导致燃烧恶化。从表3看出生物柴油的CN值高于普通柴油，这意味着如果使用纯生物柴油或使用生物柴油与柴油的混合燃料，CN增加，致使燃料自燃温度降低，滞燃期短，有利于发动机冷启动，还能够降低HC和CO排放。表3各种生物柴油的十六烷值原料油CN值原料油CN值0#油>45动物脂50.17大豆油47回锅油52.91天然棕桐油49橡胶油44.81向日葵油46.9亚麻仁油55.14相对同一蒸发量的馏出温度越低，表明燃油蒸发性越好，越有利于可燃混合气的形成和燃烧。表4给出了多种原料制取的生物柴油的初始馏出温度（IBP）、10%，50%，90%馏出温度及终馏温度（FBP）。从表4中可以看出，生物柴油的馏出温度较2#柴油的要高，也就是说生物柴油的蒸发性能不如2#柴油。表4各种生物柴油的馏程原料油初始馏出温度/℃T10/℃T50/℃T90/℃终馏温度/℃2#柴油185210260315345大豆油302328334351356天然棕榈油6371335360610菜籽油326340344348366动物脂—316.7328336.4—回锅油—331336342.1—运动粘度是表明燃料流动及雾化性能的重要指标。运动粘度太高或太低时，都会影响发动机的供油过程，从而影响发动机性能。从表5中可见，生物柴油的粘度普遍比矿物柴油的高，但仍然能够满足柴油机燃料的使用要求。表5各种生物柴油的粘度原料油40℃粘度/（mm2·s-1原料油40℃粘度/（mm2·s-1柴油>45动物脂4.8大豆油4.5亚麻仁油3.59黄油5.16菜籽油4.83液体燃料的低温性是指在低温下，燃料在发动机供油系统中能否顺利地泵运和通过油滤，并且能够保证发动机正常供油的性能。从表6可以看出，生物柴油的蚀点和凝点比0#柴油的要高。所以，生物柴油的低温性能不如0#柴油。表6各种生物柴油的低温性原料油浊点/℃凝点/℃冷滤点/℃0#柴油—≤4—大豆油3-41菜籽油-4-10.83.6动物脂13.9911亚麻仁油—-15—热值是生物柴油应用于发动机的基本衡量指标，与发动机的动力性能密切相关。生物柴油含碳量低于普通柴油，从表7中可以看出，生物柴油的低热值低于矿物柴油的低热值，在不影响柴油机热效率的情况下，使用生物柴油的燃油经济性应该比石化柴油低10%左右[9]。表7各种生物柴油的低热值原料油低热值/(MJ·kg-1)原料油低热值/(MJ·kg-1)0#柴油44.95橡胶油38.65大豆油40.67亚麻仁油40.374黄油37.144向日葵油38.57菜籽油37.34废棕榈油39.3052．3本章小结综上分析各种替代燃料的优缺点，并结合实际情况，目前最具应用价值的替代燃料是NG。NG和其它替代燃料比主要有如下优点:(1)热值高，辛烷值高，十六烷值低，排放好，噪声小。热值高，单位体积混和气放出的热量多，功率损失小；辛烷值高，十六烷值低，车辆的点火性能好，爆震倾向小，噪音小。目前替代燃料方兴未艾，各国都在致力发展车用替代燃料以应对能源危机和环境压力。替代燃料也呈现出多元化、交叉化、综合化的发展趋势(氢气、沼气、植物油、动物油、燃料电池及双燃料内燃机等都已在不同领域开发或应用)。虽然天然气存在储气压高、发动机体积效率低以及功率下降等问题，但是综合目前各种替代燃料的发展现状，天然气是最具应用价值的。3．替代燃料的应用技术3．1替代燃料发动机实验3．1．1生物柴油发动机实验研究进展国内外对生物柴油进行了广泛深入的发动机实验研究。生物柴油由于热值较柴油低、能量密度低，所以燃用生物柴油，发动机的功率和扭矩较柴油有所减低，但因其含氧10%-11%，所以燃烧更充分，HC、CO和PM排放比柴油有明显下降，NOx排放总体由于燃料含氧有所上升，仅在个别工况可能由于生物柴油的十六烷值较高，着火延迟缩短，减少了预混燃烧的量导致缸内燃烧温度较柴油略低而NOx排放减少。生物柴油含硫很少，所以SO2排放几乎为零。对于生物柴油以不同比例和柴油掺烧的大量试验表明，B20的混合燃料有比较好的综合排放，生物柴油比例过高可能引起NOx排放的恶化。然而通过一定比例的EGR和喷油推迟可以有效降低生物柴油的NOx排放，但EGR可能引起发动机油耗、效率方面的不利影响。有关燃料喷射特性方面的研究表明生物柴油由于其粘度比柴油大，故其喷雾特性比柴油略差，可能一定程度影响发动机缸内燃烧[10]。3．1．2生物柴油掺烧乙醇的发动机实验以一台EQ4BTA压燃式发动机为试验台架，对餐饮废油制生物柴油进行了发动机实验研究。考虑到生物柴油由于粘度大而喷雾性能较差的情况，选取生物柴油掺混不同比例乙醇而配制的混合燃料为实验燃料，研究了添加不同比例乙醇生物柴油的燃烧和排放性能，并将其与0#柴油进行了对比，分析各种燃料对发动机燃烧和排放的影响。生物柴油含氧11%，理论空燃比为12.5，本实验用生物柴油十六烷值大于49，低热值32.5MJ/L。乙醇（C2H5OH）含氧34.7%，理论空燃比A/F为8.45，十六烷值为8，低热值26.77MJ/kg，20℃时密度为0.79kg/L,运动粘度为1.52mm2/s（小于柴油和生物柴油），比热容2.72kJ/kg（大于柴油），汽化潜热为904kJ/kg（大于柴油的207），沸点78.5℃。本实验用生物柴油的物性参数如下表表8燃料物性参数名称乙醇生物柴油密度@25℃0.7940.875低热值(MJ/kg)26.7737.14十六烷值849研究法辛烷值116—沸点(℃)78.5—含氧量（%）34.711T90(℃)—356.4比热容（kJ/kg）2.72—汽化潜热（kJ/kg）904—运动粘度@40℃(mm21.524.403理论A/F8.4512.5含硫量(massppm)0176（1）实验台架及测试设备实验用发动机为一台东风EQ4BTA柴油机，发动机参数如表9所示。表9EQ4BTA发动机参数发动机型号东风4BTA柴油机进气形式增压中冷标定功率/转速92kW/2800rpm最大转矩/转速410N·m/1650rpm缸径/行程102mm/120mm气缸排量3.92升压缩比17.5实验用主要测试设备如下表10。表10试验所用主要测试设备电涡流测功机中国北方发动机研究所全自动控制系统中国北方发动机研究所曲轴角标触发仪长春第一光学仪器厂气缸压力传感器Kistler压电式，6125A型电荷放大器Kistler，5015型消光式烟度计AVL439型五气体排放测试仪AVL4000型试验系统图和燃烧分析仪连接示意图如图3-1，3-2所示。发动机发动机油耗仪测功机燃烧分析仪进气排气五气分析仪烟度计（2）实验方案实验燃料的选取实验用燃料分别为D(柴油)、BE10(含10%乙醇的生物柴油)、BE20（含20%乙醇的生物柴油和BE30（含30%乙醇的生物柴油），其掺混比均为体积比。三种混合燃料的重要参数十六烷值如图3-3[1]所示。实验工况点的设定实验选取1200rpm和1600rpm两个转速。用1200rpm代表低转速，1600rpm，代表接近最大扭矩转速。负荷分别选30Nm，90Nm，150Nm。30Nm代表低负荷，90Nm代表中低负荷，以150Nm代表中等负荷。（3）实验结果及分析生物柴油含氧11%，理论空燃比为12.5，加入的乙醇（C2H5OH）含氧34.7%，理论空燃比A/F为8.45，因此一般认为生物柴油的燃烧速率要比柴油等非含氧燃料快，生物柴油和乙醇的混合燃料含氧更多，但燃烧情况还有赖于混合燃料十六烷值和其它各因素的影响。同时生物柴油具有较高的十六烷值，易于压燃，有缩短滞燃期的倾向。而另一方面，生物柴油粘度较大，喷雾和雾化性能较差，利于压燃的混合气形成较慢，从这个角度讲又有滞燃期延长的倾向。乙醇对缸内燃烧的潜在影响：（1）乙醇运动粘度小，流动性好，因此生物柴油中加入乙醇可降低粘度改善喷雾和雾化。（2）同时乙醇有是一种低沸点燃料，沸点仅为78.5℃，因此加乙醇的生物柴油在喷油后由于缸内温度较高而可能出现乙醇的率先汽化，可能产生二次雾化或微爆效应，进一步促进燃油挥发雾化。（3）从乙醇的理化特性我们还可以看到乙醇具有相当于柴油3图3-4为在1200rpm，30Nm工况点，燃料D、BE10、BE20、BE30各自的放热率曲线，缸内压力曲线和缸内温度曲线。由放热率图可以明显的看出15℃ABTDC附近出现的燃料蒸发吸热效应的变化和对滞燃期的延长，燃料BE30放热率峰值明显后移2-3℃A，这是由于其含有汽化潜热大的乙醇最多和十六烷值降低最多而导致，在燃料喷油后的吸热效应也比较明显。BE10、BE20、B30放热率峰值逐步有所降低，这可能因为低负荷喷油少，含氧逐步增多又使燃烧越来越柔和、充分。对于缸内压力曲线，BE10燃料性质和D最接近，缸内压力曲线也和D同步上升下降，只是燃烧开始后压力始终在柴油的缸压曲线之下，但差距很小。BE20着火时刻进一步延迟。BE30由于喷油后燃油汽化吸热更多和其本身的低十六烷值，着火延迟较BE20更长，所以缸内最高压力位置较BE20轻微后移。缸内温度方面，燃料BE20和BE30均有降低，图3-5为1200rpm，90Nm时D、BE10、BE20、BE30四种燃料的放热率、缸压和缸内温度曲线。因十六烷值继续降低而使预混燃烧部分增加，所以BE20、BE30燃料放热率峰值升高。同时，负荷上升导致缸内温度升高，因此燃料汽化吸热和十六烷值降低引起的滞燃期延迟已不再像低负荷30Nm时那么明显，燃料引起的着火推迟作用有减小的趋势。BE10、BE20、BE30的后燃放热较柴油减少，尤其BE10，在燃烧相位不变的情况下，后燃较柴油显著减少，这对其提升效率是有益的。此工况点下缸内压力峰值均几乎处在上止点附近，缸压曲线差别较小，仅有BE20、BE30着火延迟的不同，BE30虽着火最迟，但其放热更靠近上止点，几乎最先达到缸内压力峰值，这样说明其上止点之前做负功少，因此将给BE30的效率带来进一步的提升。对于缸内温度的变化情况，如图3-5所示，BE20缸内温度高于D和BE10，BE10稍低于D，BE30和柴油D差不多。图3-6是1200rpm，150Nm时D、BE10、BE20、BE30四种燃料在燃烧过程中的放热率曲线、缸内压力曲线和缸内温度曲线图。随着负荷进一步加大，含氧燃料喷油量较柴油继续增加，继BE20、BE30后BE10也由于喷油量明显增多和含氧燃烧效率高且燃烧快而放热率峰值上升(高过柴油)。另一方面，负荷上升、喷油量上升带来的缸内温度上升和残余废气温度上升进一步削弱燃料的汽化吸热和十六烷值较低而导致的滞燃期延长，因此燃烧放热相位由低负荷的各种燃料着火时刻区别明显而变为均不同程度向D靠近。缸内压力曲线也可以看出BE30虽着火时刻最晚，但其压力升高最快，这可能和其含氧更多有关。同时由图可以看出含氧燃料的缸内压力峰值均高于柴油。与前相比，如缸内温度图所示，负荷的增大使含氧燃料缸内燃烧温度的增幅进一步上升，但BE30燃料由于始终比较明显的着火延迟并不是最高，反而是BE20对燃烧相位推后作用相对BE30小，放热率峰值又比柴油高，所以升温幅度最大，同理30Nm时BE10降温幅度最小。图3-7为1600rpm，30Nm时D、BE10、BE20、BE30四种燃料在发动机缸内燃烧过程中的放热率曲线，缸内压力曲线和缸内温度曲线。由于转速升高，每行程运行时间缩短，燃料不能充分的汽化吸热，所以BE10、BE20的汽化吸热不明显，滞燃期没有延长，BE20甚至提前着火。BE30由于其低达37的十六烷值和含有更多比例的汽化潜热大的乙醇依然保持明显的着火延迟，燃烧相位明显推后，放热率峰值方面含氧燃料由于燃烧速率快和彻底所以放热率峰值均有所上升。从图3-7中还可以看出在着火时刻差不多的的情况下，BE10、BE20的燃烧持续期均短于柴油D。缸内压力方面，BE30由于推迟着火所以最高压力位置轻微后移，最高压力高于柴油。BE20着火时刻几乎未发生变化，最高压力位置几乎出于上止点处，且最高压力高于D。对于缸内温度，BE30因有着火时刻的明显滞后，高温持续时间短。BE20、BE10和D最高温度依次降低。图3-8是1600rpm，150Nm时D、BE10、BE20、BE30四种燃料缸内燃烧过程中放热率曲线、缸内温度和缸内压力随曲轴转角变化的曲线图。其中BE20、BE30的燃烧持续期均缩短，效率较柴油D有所提升。缸内温度、压力在此工况点下和柴油相比无明显变化。3．2甲醇用作柴油替代燃料的研究现状3．2．1柴油机燃用甲醇主要方法优缺点分析柴油机燃用纯甲醇方式主要有：提高十六烷值法、外源助燃法(包括火花塞助燃和电热塞助燃)、空气加热法等方式。（1）提高十六烷值法由于甲醇十六烷值低，自燃温度高，不易压燃。在甲醇中加入一些着火温度低的物质如硝酸盐化合物，提高甲醇的十六烷值，可以改善甲醇的着火性能，实现甲醇在柴油机上直接压燃。其主要优点：不需要对原机进行任何改动，燃用甲醇就可以保证发动机稳定运转。其主要缺点：燃料成本增加，硝酸基化合物燃烧会产生有毒排放物，是制约该方法实际应用的主要因素。（2）外源助燃法利用高能点火或火花点火，可以在柴油机上燃用纯甲醇。外源助燃法能够实现纯甲醇发动机的可靠点火，使用方便，但是须要对柴油机进行改装，增加火花塞或电热塞，适用于新发动机的生产，对已经投入使用的发动机而言，改装比较困难。一是火花塞助燃。高辛烷值的甲醇决定了甲醇是点燃式内燃机的适宜燃料。吉林大学在1130型单缸直喷式柴油机上进行了燃用99.9%精制工业甲醇的试验。结果表明，采用多火花点火系统可使甲醇小负荷时的有效热效率提高30%～40%。西安交通大学在S195型单缸柴油机上采用多火花塞的助燃方式，能够实现无烟燃烧，其热效率与原机相当。二是电热塞助燃。天津大学在X1105型柴油机上进行了采用电热塞助燃法燃用纯甲醇的试验。结果表明，随着电热塞功率的提高，高负荷时的热效率和低温启动性能均优于原机，燃料消耗率有所下降。（3）空气加热法用空气加热器对进气道的空气进行加热，用高压泵将甲醇喷入燃烧室着火来保证甲醇自燃。其主要优点：在对发动机改动较少的情况下可以燃用纯甲醇。其主要缺点：压缩比要求高，纯甲醇燃烧起动困难，要借助柴油起动暖机后，再切换到燃用甲醇，难以推广。甲醇/柴油掺混燃烧的方式可分为：混合燃料法(助溶剂法或称乳化法)、双燃料法(包括化醇器法和双喷射法)、组合燃料法、熏蒸法等方式。甲醇/柴油掺混燃烧的方式可分为：混合燃料法(助溶剂法或称乳化法)、双燃料法(包括化醇器法和双喷射法)、组合燃料法、熏蒸法等方式。（1）混合燃料法混合燃料法就是在甲醇/柴油混合燃料被喷入柴油机气缸之前，用压力混合或者加上适当助溶剂或乳化液，使甲醇和柴油均匀混合，然后通过燃料供给系统把混合燃料喷入柴油机缸内着火燃烧。其主要优点是对原柴油机改动较小，能够取得较好的性能。河南农业大学采取新的乳化工艺，将柴油和甲醇混合，按选定的配比方案研制混合燃料，在X195柴油机上进行试验。试验表明，在结构不变的情况下，柴油机燃用乳化的甲醇/柴油混合燃料，热效率有明显的提高，在中、高负荷时燃料消耗量明显下降，经济性好，平均节油率为9.42%，排温有不同程度降低，排烟得到明显改善，大大减少了环境污染；但在燃用混合燃料时，滞燃期将延长。为了提高柴油机的动力性，要增加喷油泵循环供油量，使得发动机工作稍显“粗暴”。西安交通大学研究了直喷柴油机燃用不同掺混比的甲醇和柴油混合燃料对柴油机经济性、动力性、燃烧特性和排放特性的影响。同时，测试了掺甲醇量分别为10%，15%，20%混合燃料和纯柴油时柴油机各种性能。通过结果的比较，分析了甲醇掺混量对其影响的规律和原因。采用等过量空气系数法确定试验工况，以保证在同样的燃烧条件下进行比较。结果表明，在等转速和等过量空气系数条件下，加入一定量的甲醇改善了柴油机的燃烧特性，具有较高的燃烧热效率；烟度和CO排放随甲醇掺混量的增加而下降，掺甲醇使NO排放升高，并在掺醇量为10%～15%时达到最大值。西华大学对不同甲醇/柴油混合比例M20、M30、M40、M50这4种甲醇/柴油混合燃料进行了互溶性试验研究。在1台稍加改装的柴油机上，通过添加一定的助溶剂，在不更换原发动机燃料供给系统的情况下，对柴油机燃用M15和M30进行了发动机的燃烧工作特性及其排放特性研究。结果表明，当甲醇的比例增大时，添加的助溶剂量也要相应增大，才能保证互溶而不至于分层；但是在甲醇/柴油较低的混合比例(低于20%)下，添加较小量的助溶剂，可以实现稳定的互溶，发动机工作稳定。柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料时的NOx和碳烟排放同时下降，结合成本考虑的比油耗下降。（2）双燃料法一是化醇器法。在柴油机进气管上安装类似汽油机化油器的化醇器，甲醇在进气的过程中被汽化，进入燃烧室后由柴油引燃。此方法需要提供两套燃料供给系统，结构复杂。二是双喷射法。两个燃料喷射系统向一个燃烧室喷射燃料，一个喷射主燃料甲醇，另一个喷射引燃柴油。该方法需要在缸盖上安装两只喷嘴，还要安装电热塞，结构复杂。（3）组合燃料组合燃料法是指在启动、暖车及小负荷工作时，柴油机仅以纯柴油进行工作；而在中高负荷时由柴油引燃喷入气缸的甲醇均质预混合气。天津大学在1台高速直喷式柴油机上采用甲醇/柴油组合燃烧方式进行了研究。结果表明，采用组合燃烧的发动机不仅可成功替代部分柴油，而且实现了同时降低发动机碳烟和NO排放的目的，从总的能量利用率上也较原机有一定幅度的提高。（4）熏蒸法熏蒸法是较早采用的一种掺混甲醇燃烧的方法。它是利用柴油机的排气余热对液态甲醇进行加热、蒸发后再和空气混合，进入气缸燃烧。甲醇的输入量通过化油器或文丘利管进行控制。其主要优点：柴油机的结构改动小，利用柴油机的余热汽化甲醇，可以回收部分热量，有利于能量的充分利用。其主要缺点：甲醇的蒸发温度、蒸发量随工况变化的控制较为困难；当汽化甲醇的掺烧比增加时(>40%质量比)，柴油机低负荷燃油经济性变差，高负荷时容易工作粗暴[11]。3．2．2甲醇用作柴油替代燃料存在的主要问题（1）腐蚀问题甲醇是极性很强的物质，对金属有较强的腐蚀性，对塑料和橡胶有溶涨作用，因此会对与甲醇接触的柴油机部位如喷油泵、供油管道、气门和气门座、塑料橡胶件等造成不利影响[11]。所以，当采用高含醇量的混合燃料时，要配以耐油性好的橡胶材料和避免在供油系中使用塑料件。但当混合燃料中的含醇比例低如小于10%时，腐蚀和溶胀的影响可忽略，可直接使用而不必采用相应的措施[12]。（2）非常规排放物问题柴油机燃用甲醇后，尽管对常规排放物的排放量有较大的改善，但同时带来了新的问题，就是未燃醇、甲酸等非常规排放物，还有甲醛的排放量可达到常规发动机的5倍左右，需要加快研究解决[11]。（3）甲醇/柴油混合燃料的互溶及分层问题醇类集亲水性和亲油性于一身，一方面甲醇在常温下能以一定比例溶于汽油，不能互溶(乙醇在常温下能与汽油互溶)，另一方面甲醇和乙醇能与水以任何比例互溶，汽油与水相互排斥。因此，醇类与汽油混合燃料存在分层问题。同时醇类中混有的水分愈多，与汽油的互溶性愈差，醇与油分层愈严重。在汽油机中掺烧醇类，醇类与汽油必须均匀混合，如果醇油分层，则对发动机燃烧的均匀性和工作过程的均匀性有明显影响。这会造成热效率下降，排污增加，同时增加了发动机的震动、噪声和机件早期损坏[12]。考虑到甲醇的物化特性，柴油机燃用纯甲醇不是最佳办法，比较柴油机燃用甲醇/柴油掺混燃烧方法中，混合燃料法是最便捷的方法，但是存在甲醇与柴油互溶稳定性问题，需要在助溶剂及其互溶工艺上加强研究[11]。3．3合成油技术3．3．1合成油技术随着石油资源的逐年消耗，天然气技术的成熟，天然气在能源中的地位愈加重要20世纪90年代以来，许多大公司都投巨资开发天然气合成液体烃（GTL）技术。天然气转化生产合成燃料的优点是不含硫、氮等杂质和芳烃等非理想组分，是优质的清洁燃料。目前EXXON公司开发的合成油技术称为AGC—21技术。其技术路线是天然气通过流化床反应器，催化转为合成气，合成气通过悬浮床反应器催化转化为正构烷烃，最后通过固定床加氢异构化转化为合成油。这种合成油可与20美元/桶的德克萨斯中质原油进行竞争。SHELL公司开发的合成油技术称为SMDS技术。技术路线是天然气氧化生产合成气，采用Fischer—Ttopsch合成工艺把合成气转化为大分了重质烷烃，最后通过加氢裂化把大分了烷烃转化为中馏分油。采用该技术的合成油工厂己于1993年在马来西亚投产。车用燃气是指车用LPG（液化天然气）、CNG（压缩天然气）、LNG（液化天然气）。[13]天然气制合成油技术源于二战期间德国开发的煤制合成气经费—托合成(FischerOTropsch)获得合成油的工艺，美国在1948年就利用该技术曾建设以天然气为原料制合成油的36×104t/a装置，后由于经济问题停运。80至90年代间实现工业化的三套合成油装置分别是新西兰采用Mobil公司的甲醇制汽油(MTG)工艺，以天然气为原料的GTL装置；马来西亚使用Shell公司的中间馏分油合成工艺(SMDS)的GTL装置以及南非以天然气为原料的费—托合成装置；三套GTL装置它们以天然气为原料，第一步将天然气转化为合成气，经过费—托合成路线的有Shell公司的SMDS工艺和Sasol公司的Synthol工艺，而Mobil公司的MTG工艺则以甲醇为中间产物。其中Shell公司的SMDS工艺被认为是目前世界GTL装置成功的首选工艺，该工艺的工业化装置已于1993年5月在马来西亚成功地应用，获得了优质的柴油燃料，现已改造为具有生产柴油、石脑油、优质石蜡等多种产品的能力。目前，GTL技术的开发正方兴未艾，许多国家已经宣布了一些建设GTL装置的计划情况，见表3。已经开发成功等待工业化的工艺有：美国Exxon公司的号称“21世纪气体转化工艺”的AGC—21工艺，Syntroleum公司的工艺、美国能源部所属单位的GasCat工艺以及Rentech工艺等。Exxon公司的AGC—21工艺分造气(采用流化床工艺)、浆液床费托合成和产品改质三个阶段，图为其工艺流程示意图。天然气、氧气和水蒸汽在镍基催化剂反应器中反应生成H2/CO比接近2：1的合成气，然后在高活性钴基催化体系作用下，于浆液床反应器内经FOT合成反应，生成分子量范围很广的烷烃混合物，最后将混合物经固定床加氢异构改质为液态烃产品，AGCO21工艺生产的柴油产品性质明显的优于目前广泛使用的常规柴油[14]。3．3．2煤基合成油技术煤基合成油技术随着原有价格不断上涨和战略储备的需要，使得煤基合成油技术得到开发和利用。法国煤直接液化技术在南非己经工业化生产；煤间接液化技术也在中国、美国等国家开花结果。中国科学院山西煤化所开发了铁基催化剂的F—T合成油技术，并形成自主知识产权，2009年，由中科合成油公司、抚顺石油化工研究院和中国石油集团工程设计有限公司抚顺分公司共同完成的中国第一套煤基合成油工业试验装置在内蒙占即将投产。国家己批准的煤基合成油工业项目正在规划之中，其产品与天然气合成油相似属于清洁燃料[13]。目前中科院山西煤化所在国内共建有三套示范装置，分别为潞安、伊泰和神华，三套装置均从2006年开始建设，潞安和伊泰集团最早建成，目前生产负荷在100%以上，日产量在450吨左右，装置已稳定运行四年以上，各项技术指标均处于国际领先地位。通过示范装置的成功示范，有力验证了中科院山西煤化所自主研发的煤基合成油技术可行，催化剂活性、油品产率及能效等方面已经达到或超过了国外技术水平[15]。3．4本章小结3．4．1生物柴油掺混乙醇燃料发动机台架试验结果介绍了用于生物柴油掺混乙醇燃料发动机台架试验的发动机参数及相关测试仪器和测试方法，通过在一台4BTA柴油机上燃用BE10、BE20、BE30和D的对比试验，得出以下主要结论：（1）生物柴油添加乙醇可利用其汽化吸热和十六烷值下降推迟燃料着火时刻，使滞燃期延长。但当转速提高和负荷上升时，缸内温度随之升高，加乙醇提高汽化吸热的效果逐步降低，但通过加乙醇使十六烷值有较大降幅来推迟着火时刻仍然可行（如BE30）。（2）BE20可在保持着火时刻变化不大的情况下发挥自身含氧燃料优势，燃烧速率较快，放热率峰值上升，最高压力较高及位置好、燃烧等容度高，所以能耗率低，发动机效率得到提升。BE30通过推后燃烧相位及含氧利于燃烧等特点也可提高发动机效率，但不如BE20效果好。（3）发动机燃用BE30燃料可有效降低NOx排放，燃用BE20燃料NOx出现一定幅度的上升。含氧燃料HC和CO微幅上升，总体保持在原机很低的水平。混合燃料由于含氧，碳烟排放总体呈现降低趋势。（4）生物柴油掺烧乙醇可以降低油耗率，提升发动机效率，但在大负荷时由于供油量大又沿用柴油的供油系统喷油持续期延长，从而抑制燃料优势的进一步发挥，节能增效效果不如小负荷时明显。3．4．2替代燃料应用技术总结甲醇用作柴油机燃料时分为燃用纯甲醇和甲醇/柴油掺混燃烧。柴油机燃用纯甲醇的方法主要有：提高十六烷值法、外源助燃法(包括火花塞助燃和电热塞助燃)、空气加热法这些方法。甲醇/柴油掺混燃烧的方法可分为：混合燃料法(助溶剂法或称乳化法)、双燃料法(包括化醇器法和双喷射法)、组合燃料法、熏蒸法等方法。甲醇资源丰富，燃烧性能优良，特别是柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料时，对柴油机改动较小，比较好地克服了纯甲醇在柴油机中应用的缺点和兼顾了甲醇和柴油二者的优点。只要注意解决出现的新问题，甲醇/柴油混合燃料作为柴油机的替代燃料，是一种柴油机燃用甲醇最便捷的方法。此技术不但能够缓解石油供应紧张的矛盾，还可以显著降低有害物质的排放，具有较好的经济效益和社会效益，应用前景广阔。运输燃料市场是任何化工产品都难以比拟的，因此，对于GTL工艺而言，不存在市场限制问题，世界石油储量的不断消耗和对0含硫量燃油的环保需求也使得天然气合成油成为可替代的能源。在未来的几年里GTL工艺的技术研究将会更加成熟，天然气合成油的规模会不断扩大，也会开发出更多的理想合成油产品，GTL装置的投资成本和装置的操作消耗指标都会明显降低。鉴于环保和市场因素，合成油在亚太地区的发展会迟一些，因此，我国应该利用机会提前考虑开发适合我国国情的GTL工艺(如SMDS)技术路线、完善现有的造气工艺，在使反应与工艺优化组合的同时，研究高效的合成催化剂和反应器，使GTL工艺在我国尽快工业化、规模化。4．经济性和生命周期研究4．1替代燃料生命周期4．1．1替代燃料生命周期车用替代燃料的生命周期是从“原料生产”开始到“燃烧/车辆使用”结束的系统过程，由“原料生产”、“燃料生产”和“燃烧/车辆使用”3个单元过程组成，通过“运输”联系到一起(见图1)[16]。原料生产原料生产材料运输能源运输运输运输材料燃烧/车辆使用替代燃料生产能源能源消耗和环境污染物排放在每个阶段都可能发生，因此污染物排放控制和能源消耗控制也应该贯穿于整个生命周期。由美国能源基金会资助，中国汽车技术研究中心、中国石化院等单位进行的中国车用能源研究课题采用了美国阿肯实验室开发的GREET评价模型方法，结合中国的具体情况，计算出国内各种替代燃料的能源效率情况以及排放情况。结果表明：在中国以煤为主的能源结构下，甲醇掺烧燃料的能量效率要低于汽油和柴油。计算采用40%甲醇以天然气为原料，60%甲醇以煤原料时，M85甲醇汽油的总能量消耗要高于汽油59.46%；M5汽油要比普通汽油增加3.52%。E10掺烧汽油比普通汽油高5.29%。主要是在燃料生产阶段能量消耗较大。比较全生命周期各种排放物情况，甲醇和乙醇燃料在汽车运行时的排放量略有减少，生产过程中的排放量有较大增加，特别是采用煤为原料时，各种气体的排放量增长幅度较大。与汽油相比，M85的CO2排放量增加91.21%，NO2排放量增加4.7%，SOx的排放量增加78.74%，NOx排放量增加62.89%。比较各种燃料的经济性，根据不同替代燃料车的燃油经济性，同时考虑维修增加费用的情况，按各种替代燃料的预计价格，测算出各种车辆在整个运行年限内的总费用情况，表明M85和M100车的运行费用略低于汽油车，乙醇E10车的运行费用要稍高于汽油。全寿命周期研究显示醇类燃料的总能量消耗和排放物比汽油高，主要是由于醇类燃料不能像石油那样直接取得，燃料加工生产需要消耗能量并产生CO2等副产品，生物柴油、氢能源等都存在这样的问题。通过提高燃料生产装置的节能技术和综合加工能力，可以逐步降低燃料生产消耗等能量和排放物[17]。4．1．2木薯乙醇生命周期多目标优化生命周期评价是一种对产品、生产工艺及活动给环境造成的压力进行评价的客观过程。国内外在车用替代燃料生命周期评价方面作了大量研究工作，国内的研究主要集中在清单分析上。目前，基于生命周期评价的多目标优化研究已成为一个新的研究方向。利用建立的优化模型，采用可变容差法求解，对木薯乙醇进行多目标优化计算。以1辆100km耗油为9.9L(混合工况)的汽油车或功能相当的乙醇)汽油混合燃料汽车行驶2×105km为研究对象，以其行驶影响类型的权重通过把层次分析法与专家咨询法相结合获得。把所有的影响类型归入可持续发展目标下的一组，将不同影响类型对可持续发展的影响程度进行两两比较，根据赋予的分值，通过专家咨询得到不同影响类型对可持续发展影响的重要性标度，形成两两判断矩阵。求解判断矩阵的特征向量，归一化处理后得各影响类型的权重。对判断矩阵进行一致性检验，将所有符合一致性检验的专家咨询权重的算术平均值作为各影响类型的最终权重。多目标优化后，木薯乙醇生命周期环境影响总水平值为3.37×10-5人/km，与初始值比较，降低44.7%。因此，通过木薯乙醇生命周期影响多目标优化，可以达到使其生命周期影响协调降低的目的。在设计变量多目标优化值基础上，改变混合比例变量和“燃料生产”单元燃料使用变量，不同混合比例及不同燃料情况下木薯乙醇生命周期环境影响总水平值如图2所示。由图可见，随着混合比例的增加，其生命周期环境影响总水平值减少；在煤、重油、柴油和天然气4种燃料中，天然气产生的生命周期环境影响总水平值最小。而且，生命周期环境影响总水平值的优化值与分析值一致[16]。4．2经济性分析4．2．1甲醇的经济性长期以来阻碍甲醇燃料汽车发展的主要问题是甲醇燃料价格偏高，不能与汽油竞争。从我国甲醇生产的实际情况分析，由于天然气价格较高，甲醇成本不可能有较大的下降，约在1200元/吨左右。采用煤制甲醇路线的甲醇装置，由于我国煤炭资源丰富、煤价低廉，煤制甲醇的生产成本较低，约为1000-1200元/吨，在煤炭价格低廉的地区(如山西、内蒙古)建设大型甲醇装置，甲醇的生产成本可控制在1000元/吨左右。1998-2000年间，国家经贸委和国家科委联合组织山西佳新能源化工实业有限公司承办《甲醇燃料汽车示范工程项目》。两年间，示范车队对化油车、单点电喷车、和多点电喷车进行对比试验。通过跟踪监测加注汽油量、加注甲醇量、行驶里程、从而计算得到百公里消耗燃料情况和替代比。对于M85甲醇燃料，不同车型甲醇对汽油的替代比不同，一般在1.6-2.25之间。国外资料报道M85甲醇燃料与汽油的体积替代比1.81，低比例掺烧（M3-M5）替代比几乎为1：1。按平均甲醇对汽油的体积替代比1.81计，当国际新加坡米纳斯原油价格分别为18美元/桶、21美元/桶和25美元/桶时，我国90#汽油零售中准价为2962元/吨、3253元/吨和3731元/吨。因甲醇1266升/吨，90#汽油1388升/吨，M85甲醇燃料1266升/吨，则折算重量替代率为1.97，如不计混配成本，则燃料甲醇零售价格应为1503元/吨1650元/吨和1893元/吨。取油品市场常规批零差价系数1.055，则燃料甲醇出厂批发价应分别为1424目前我国甲醇企业的生产水平相对较低，单位甲醇成本较高，如果按上述测算价供应燃料甲醇，则甲醇企业仅能保本微利生产，一些较为落后的小厂则会处于亏损状态。国内中等水平甲醇企业的合理出厂价格为：中氨厂联醇1640元/吨、中氨厂富氧联醇1798元/吨。由于装置规模较大，也可以满足燃料供应。利用现有中小化肥厂改造方案，相关影响因素较多，在化肥市场受阻，而企业各方面条件较好的前提下，对部分化肥厂进行改产甲醇的方案，经济效益逊于改造和新建大型甲醇项目，但如果采用合理的优化改造方案效益尚可[17]。4．2．2乙醇的经济性燃料乙醇的生产工艺采用生物发酵法，按其原料又可以分为植物纤维水解路线和淀粉质原料路线。植物纤维水解路线的原料主要有甘蔗榨糖后的蔗渣等；淀粉质原料路线的原料主要有甘薯、木薯、玉米等含淀粉质的农副产品。由于甘薯、木薯、玉米等农副产品原料资源丰富，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，是目前世界乙醇生产的最主要的工艺。未来中国燃料乙醇以玉米乙醇为主，国内生产企业对用玉米生产乙醇成本进行了调研测算，从调研结果及成本构成分析看，工艺确定以后，食用乙醇的成本主要取决于粮食的价格，食用乙醇与玉米的比价大约在4.28左右。从食用乙醇价格推算燃料乙醇价格，从表11和表12可以看出，燃料乙醇价格始终高于汽油价格。表112000年不同玉米价格下燃料乙醇价格单位：元/吨玉米900955101010651120117512