燃氣作為汽車替代燃料的應用現狀及存在的問題

吉林建筑工程學院 朱傳芝

四川科宏石油天然氣工程有限公司 殷武松

哈爾濱工業大學市政環境工程學院 王海超

0 引言

2009年我國汽車產銷量均突破1 300萬輛，首次躍居全球第一，2010年產銷則雙雙突破了1 800萬輛，目前保有量已增至約7 500萬輛，僅次于美國，但每千人汽車保有量仍遠遠落后于發達國家，因此，可以預見，未來一段時間內，我國的汽車保有量還會以較高的速度增長。

汽車保有量的增長帶來了燃油消耗總量的快速增加和嚴重的機動車尾氣污染問題，更加劇了我國石油的供需矛盾。若不發展新型汽車燃料則將來會給國家能源安全以及環境保護帶來極大的壓力。因此除了采取政策與技術措施大幅度節約燃料消耗外，開發應用各種新型汽車替代燃料是大勢所趨，更是一項關系我國經濟健康、持續發展的重要任務。

從車輛應用角度來看，車用代用燃料主要有以下幾類：氣體燃料、含氧燃料(醇、醚、酯)、合成油(BTL、CTL、GTL等)、太陽能和電能。而世界能源專家普遍認為21世紀是天然氣的世紀，約在2040年，世界天然氣供應量將超過石油和煤炭，天然氣在一次能源中所占比例將從現在的 24.5%增加到51%。

本文主要討論燃氣或可以用燃氣為原料合成的新型汽車燃料。

1 新型汽車燃料的應用現狀和存在的問題

新型汽車燃料主要包括壓縮天然氣(CNG)、液化石油氣(LPG)、液化天然氣(LPG)、含氧燃料合成甲醇和二甲醚(DME)以及天然氣合成柴油(GTL)等。

1.1 LNG

目前來說CNG和LPG是很好的汽車替代燃料，而且已經得到較多的應用，不論是從技術上還是基礎設施建設上都沒有太大的問題，但是卻存在續航里程偏短的棘手問題。液化天然氣汽車(LNGV)則克服了CNGV的缺點，它具有汽車續駛里程長、加氣站建站不受天然氣管網制約、占地少、投資小、運行費用低等突出優點，易于實現規?；l展。

LNGV在國外有大量的實際應用，相關技術已經成熟，國內在90年代開始進行LNGV技術的研究，已經進入實際應用階段。中國科學院低溫實驗中心分別與吉林油田和四川綿陽燃氣集團公司合作研制了一套500 l/h和300 l/h的LNG-20型LNG裝置，并開始使用。綿陽市有LNGV在行駛，北京也已經有LNG燃料公交車輛通行；2005年我國東風汽車有限公司首批投放全國市場的50輛LNG客車，在長沙經過 20多天的營運，情況良好。新疆土哈油田和河南中原油田分別建成了 150萬 m3/d和15萬m3/d的LNG工廠。在湖南、上海、廣東、天津、山東、福建等地已建成或正在建設大型LNG儲存基地。在北京、烏魯木齊、長沙分別有數十輛LNG公交汽車在開展示范運行，其數據顯示出良好的經濟性與排放狀況。

目前 LNG汽車的發展已經引起許多地方的重視，相信未來幾年將是我國 LNG汽車快速發展的時期，我國有可能成為世界上開發與應用LNG汽車領先的國家。但是LNG替代燃料存在的問題主要有：

(1)發動機功率下降。雖然LNG具有較高的辛烷值，但是目前為了兼顧使用汽油的需要，壓縮比提高較小或者沒有提高。因此天然氣高抗爆性的特性并未得到充分發揮，導致發動機功率下降。

(2)LNG自氣化問題。盡管LNG車用儲罐是絕熱的，卻不是絕對的。因此會有蒸發現象存在，一旦汽車遇到事故停止前進，就會造成容器內壓升高，而低溫容器一般不耐壓或者耐壓能力低，這樣就有可能發生事故。

(3)LNGV改裝件的價格較高。因此，進一步降低LNGV改裝件的價格仍將是LNGV實際應用中必須面對的難題。

(4)LNGV應用中的安全問題。

(5)LNG的生產以及充灌、計量、儲運等配套設施和相關政策標準不完善。

1.2 含氧燃料

1.2.1 甲醇

甲醇是有機可燃化合物，可由天然氣或煤炭經合成氣采用銅基催化劑制備。其性質很適合于單獨作為汽車燃料或按一定比例與汽油摻混作汽車燃料。車用甲醇燃料主要有M85和M100兩種品種，M85含甲醇 85%(體積比)，其余為汽油和少量添加劑，M100不含汽油。

甲醇用作車用清潔燃料近年引起人們的興趣。山西省“清潔汽車工程”(煤制甲醇清潔燃料汽車項目)已由試驗示范階段轉入產業化示范階段。2001~2002年，山西省的甲醇汽車已由原100多輛增至1 000輛，示范車單車行駛里程突破20萬km。此外，大同汽車制造廠試制成功全甲醇(M100)清潔燃料燃燒裝置。

國際上甲醇燃料的應用研究也已有幾十年的歷史。美國、德國都進行過較大規模的運行試驗。至20世紀90年代后期，美國已有17 000余輛M85汽車投入運行。這些技術主要是在汽油機的基礎上進行改造，發動機的排放也低于相類似的汽油發動機。后來美國的甲醇車沒有繼續發展下去。主要原因是基礎設施和制造成本問題。

在甲醇燃料的實際使用中，如何預防甲醇中毒是最受關注的問題之一，甲醇毒性問題也是其不被一些國家選用作汽車燃料的重要原因。據殼牌公司的報告，高劑量甲醇的攝入會引起人體中毒，其毒性約為汽油的25倍，公認的死亡劑量是25~90 ml。因此必須制定和實施嚴格的管理法規和技術措施，防止誤飲，減少甲醇暴露，減少蒸汽吸入和皮膚接觸，以及預防因甲醇泄漏造成地下水源的污染。但是，當作為汽車燃料大規模進入市場的情況下，是否能夠確保管理措施有效實施；一旦發生中毒事故，如何解決產品法律責任，也是制定有關甲醇燃料標準時會遇到的最大麻煩。

1.2.2 DME

DME可以由煤和天然氣制取獲得，具有優良的燃燒性能，清潔，十六烷值高，動力性能好，污染少，稍加壓即為液體易于儲存，作為車用替代燃料，具有天然氣、甲醇、丙烷、丁烷、柴油等不可比擬的綜合優勢。常規的發動機代用燃料如：LPG、天然氣、甲醇等的十六烷值都小于10，只適用于點燃式發動機。DME的十六烷值(55~60)甚至高于柴油(40~55)，具有優良的壓縮性，非常適合于壓燃式發動機，是柴油發動機理想的替代燃料。

使用DME燃料，尾氣無需催化轉化處理，氮氧化物及黑煙微粒排放就能滿足汽車超低排放尾氣要求。丹麥托普索公司從環保角度進行了 DME燃料在中型汽車運行時的尾氣排放試驗，結果一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物含量與美國加州頒布的中小汽車尾氣排放標準相比，分別降低55%、83%和4%。說明使用DME作汽車燃料，廢氣污染明顯低于目前的優質汽油。西安交通大學也進行了DME作柴油代用燃料的發動機試驗研究，使用DME可使發動機功率提高 10%~15%，熱效率提高 2%~3%，噪音降低10%~15%，可達到歐洲Ⅲ級排放標準。

1997年之后，我國很多科研院校都系統地開展了DME發動機及汽車的研究工作，該項目已受到國家科技部的重視。2003年設立“十五”國家清潔汽車關鍵技術研究開發及示范應用項目。實踐表明，DME是柴油機優良的代用燃料，它可以實現無煙燃燒，超低排放，而且價格便宜，原料充足，可為中國50年甚至100年的經濟發展提供能源保障。

DME不存在市場需求問題，關鍵在于成本的控制。近幾年來，我國在DME的研制開發方面,技術及生產工藝不斷成熟完善，一些高校和企業已具有一定的生產能力。DME燃料使用中，還有機件磨損、腐蝕等可靠性問題，還要解決降低生產成本問題。DME燃料的推廣也會遇到與LPG類似的問題，即加氣站的建設和專用發動機，這些因素會增加DME大量推廣應用的難度。但是我們可以預測，在不久的將來，DME汽車將以其高效、環保等優點逐漸替代原有的柴油機汽車。隨著我國汽車保有量的增加，DME作為汽車燃料替代柴油的市場前景極其廣闊。

1.3 GTL

GTL方案正成為天然氣高效利用的途徑脫穎而出。當前，世界煉油業正面臨生產低硫和超低硫汽、柴油以滿足日益苛刻的環境法規的挑戰。經過改進的費—托法合成技術，使 GTL裝置投資和操作費用大大降低，GTL的生產成本已可與原油的價格相競爭，為建設天然氣煉油廠注入了新的活力。未來如果油價繼續維持在較高水平，那么建設GTL裝置將具有更大的吸引力。目前世界上許多國家都在建設大型 GTL裝置，如尼日利亞、南非、澳大利亞、委內瑞拉等，GTL存在的最大問題仍是成本問題。

2 總結

隨著國際石油價格的上漲和我國能源安全的嚴峻性問題日益突出，以及由汽車尾氣排放造成的環境污染越發嚴重，對車用替代燃料的研究已經顯得尤為重要，而 21世紀天然氣在能源結構中的比例會逐漸上升，因此，采用燃氣作為車用替代能源具有很好的可行性。本文總結可以發現，這類車用替代燃料中DME是唯一能夠增加熱機效率、提高功率同時降低噪音的替代燃料，可以完全替代柴油作為壓燃式發動機的燃料，同時DME具有廣泛的來源和巨大的市場需求量，因此，隨著我國汽車保有量的增加，DME作為汽車燃料替代柴油的市場前景極其廣闊；此外，CNG和LPG作為汽車燃料的技術較為成熟，應用也有很多，但是卻存在續航里程短的問題，而 LNG雖解決了該問題，但是也存在著自氣化和安全性問題；而合成甲醇的毒性制約了其商業化推廣進程?？偠灾?，所有這些替代燃料具有的共同點都是成本較高，距離真正的商業化應用還存在一定的距離，需要加強相關技術和實驗研究，并總結實際應用中出現的問題和經驗，則燃氣替代車用燃料的應用將會取得進一步的突破。