發動機燃用甲醇的減碳預測模型

朱佳隆 華琰 王忠

摘 要：運用低碳燃料甲醇替代汽油和柴油有助于降低CO2、CO和總碳氫排放。通過建立發動機燃用甲醇理論減排模型，預測了未來5年中國燃用甲醇替代汽油/柴油的CO2新增排放。結果表明，甲醇以10～20%的替代率將降低4.1～8.3%的CO2新增年排放。

關鍵詞：甲醇; 發動機; 二氧化碳

中圖分類號：U464.1? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）7-184-002

1.國家減碳戰略及政策

黨的十九屆五中全會上對能源發展提出戰略目標，中國在聯合國會議上提出“努力爭取2060年前實現碳中和”。目前我國碳排放仍然處于高位階段，超過85%的碳排放來自于能源活動。2020年末，我國非化石能源比重約15%，化石能源占比依然很高[1]，而內燃機動力消耗了三分之二的石油。2020年我國全年原油凈進口量達5.42億噸，原油依存度進一步升至73.5%，成為威脅經濟建設和能源安全的不穩定因素[2]。

相較于化石能源，甲醇具有三大優勢。第一，保障能源安全。我國是產煤大國，而甲醇主要來源于煤，2018年煤制甲醇4334萬噸，約占總產量的67%。第二，經濟性好。煤制甲醇工藝對煤品類的要求不高，而煤的多聯產進一步降低了甲醇的生產成本，使得甲醇的售價（約2元/升）遠低于汽油（約6.5元/升）和柴油（約6.2元/升）。第三，低碳環保。根據姚春德院士[3]的判斷，完全燃燒1kg甲醇的碳排放約為相同質量柴油的40～45%。因此，為了保障能源安全并兌現碳中和的承諾，發展甲醇經濟是重要的能源取向[4]。2019年八部委聯合印發了《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》，借助國家政策推動甲醇汽車產業的發展。

2.發動機燃用甲醇理論減排效果預測

2020年中國汽車總銷量為2513萬輛，其中乘用車2017.8萬輛，商用車513.3萬輛，新能源車136.7萬輛[5]。將新能源車輛、油耗分布和年行駛里程進行簡化，如表1所示。

根據化學反應方程，完全燃燒1kg汽油釋放2.27kgCO2，根據C12H26+31.5O2=12CO2+13H2O，完全燃燒1kg柴油釋放3.16kgCO2。根據CH3OH+1.5O2=CO2+2H2O，完全燃燒1kg甲醇釋放1.375kgCO2。

根據柴油、汽油和甲醇的理化性質，如表2所示。綜合考慮甲醇的熱值和燃燒熱效率，實際發動機試驗中替代比約為1.3～1.5[6]，即取1.5kg的甲醇替換1kg的汽油，1.3kg的甲醇替換1kg的柴油。

結合汽車數量、平均油耗、行駛里程和單位燃料碳排放量數據，估算我國2020年發動機燃用柴油和汽油的CO2新增排放總量，并以10%甲醇替代率（M10）作為對比方案，結果如圖1所示。甲醇替代10%將4.9億噸CO2排放總量降低至4.7億噸，降幅為4.1%。

根據中國汽車工業協會的預測，2021年中國汽車銷量有望超過2600萬輛，同比增長4%。以4%作為未來5年中國汽車銷量的平均增速，以2%作為甲醇替代率的增長速率，預測中國發動機燃用甲醇混合燃料的CO2新增排放總量，如圖2所示。隨著甲醇替代率的增大，2025年CO2新增排放總量較無甲醇替代降低8.3%。

3.結論

在國家減碳戰略的背景下，甲醇以保障能源安全、經濟性好和低碳環保的特點替代汽油和柴油，這將大量減少CO2排放。運用發動機燃用甲醇理論減排模型，預測2021～2025年，甲醇以10～20%的替代率降低4.1～8.3%的CO2新增年排放。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51776089）

參考文獻：

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[3]姚春德，劉辰，耿鵬，等.甲醇柴油雙燃料燃燒結合DOC/POC耦合大幅度減少發動機微粒排放的研究[J]環境科學學報，2014，34（11）：2918-24

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[5]中國汽車工業協會.2020年汽車工業經濟運行情況[M]中汽協會行業信息部，2021

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