1、國家能源安全與汽車清潔代用技術(shù)教授 HYPERLINK http:/e/ http:/e隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和汽車保有量的高速增長，正汽車能源需求與環(huán)境保護(hù)的雙重巨大壓力。汽車行駛的主要是從石油中提煉出來的柴油和，據(jù)世界能源大會數(shù)據(jù)表明，我國的能源資源，煤的保有儲量約占世界的 30，可采年數(shù)達(dá)數(shù)百年，石油的保有儲量僅占世界的 2.4。1993 年起我國已成為石油純進(jìn)口國，2000 年我國石油總需求的 33已從國口，2010 年我國石油總需求的 47需進(jìn)口，我國石油的供應(yīng)將嚴(yán)重。在另一方面，我國的汽車排放已成為城市大氣環(huán)境的一個主要污染源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來城區(qū)內(nèi)機(jī)動車排放的 CO、HC 和 NO

2、x 已分別占總排污負(fù)荷的 86、90和 56在非采暖期，城區(qū)內(nèi)機(jī)動車排放的 CO、HC 和 NOx 已分別占總排污負(fù)荷的 60、86.8和 54.7。城市機(jī)動車排放污染日趨嚴(yán)重。因此如何在后石油時代，針對我國自然條件和能源資源特色，逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展汽車清潔代用，在發(fā)上實(shí)現(xiàn)高效、低污染的燃燒，控制汽車發(fā)有害排放對我國城市大氣質(zhì)量帶來的日趨嚴(yán)重的影響，已成為我國能源與環(huán)境研究中的一個十分和緊迫的研究課題。本文介紹了國內(nèi)外各種汽車清潔代用及其技術(shù)發(fā)展趨勢。1液化石油氣和天然氣天然氣（NG）和液化石油氣（LPG）由于具有低的污染物排放被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)的較理想代用，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于機(jī)。作為車用

3、LPG 的主要成份是丙烷、丁烷和少量烯烴和戊烷。LPG 辛烷值較高，費(fèi)比、柴油等便宜，CO、NOx 等有害排放量低于機(jī)排放，基本上消除黑煙和顆粒物(PM)，發(fā)工作噪音低。天然氣的主要成份是甲烷(一般為 83%99%)及少量其他烴類和 CO2 等。天然氣具有較高的辛烷值，抗爆性能好，與相比，燃燒更完全。據(jù)EPA，天然氣汽車可以降低 40%的HC 排放，50%的 CO 排放，無碳煙排放，其中 HC 排放的 90%為甲烷類物質(zhì)，光化學(xué)反應(yīng)低，采用缸內(nèi)直噴和稀薄燃燒技術(shù)可進(jìn)一步提高發(fā)效率，降低污染物排放，符合各國有關(guān)的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。天然氣汽車因?yàn)槠淞己玫呐欧盘匦约柏S富的儲量而成為各種代用汽車的首選。天

4、然氣的方式主要有壓縮天然氣(CNG，15MPa20MPa)、液化天然氣(LNG，沸點(diǎn)-162)和吸附天然氣(ANG)；CNG 是目前車用天然氣的主要方式，CNG 在汽車上使用的主要缺點(diǎn)是儲氣瓶重量重、占用體積大，與液體相比，天然氣體積能量密度低，20Mpa 壓力下的 CNG僅相當(dāng)于能量密度的 30。為克服 CNG 技術(shù)的上述缺陷，國際上天然氣另一方式是液化天然氣，LNG 是對地質(zhì)開采的天然氣氣體通過“”凈化處理，實(shí)施低溫液化處理而成，液化后的體積僅是原氣態(tài)體積的 1/625，LNG 的能量密度是 CNG 的三倍多、能量密度大大提高，但 LNG 的生產(chǎn)成本相對較高，容器的絕熱性要求高，這些是制約

5、其發(fā)展的。 吸附式儲存天然氣（ANG）技術(shù)是目前尚處研究階段的一種天然氣方式，它用多孔吸附劑填充在容器中，在中高壓（3.5Mpa 左右）條件下，利用吸附劑對天然氣高的吸附容量來增加天然氣的密度。ANG 作為未來替代 CNG 的一項(xiàng)新技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景，但由于技術(shù)上的不少難點(diǎn)還有待解決，故在目前還尚難進(jìn)入實(shí)用化階段。2氫氣氫氣(H2)長期來主要用作宇宙飛行器發(fā)射和推進(jìn)的。作為汽車，氫氣辛烷值高，發(fā)熱效率高，發(fā)可在空氣過量系數(shù)()較大的范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒，點(diǎn)火能量低，不到最低點(diǎn)火能量的 1/10，且氫的火焰速度快，低溫下易起動，其燃燒生成物主要是水和 NOx，不產(chǎn)生 HC、CO 和碳煙排放。 但在

6、發(fā)上使用還有回火、早燃、燃燒控制等問題尚待解決。氫的主要缺點(diǎn)是儲運(yùn)性能很差，氫的沸點(diǎn)為-253，以液態(tài)方式時成本高，不適宜長期。氫的原料有天然氣、煤、水。從水氫有電解法、熱化學(xué)法、光解法及微生物法。至今這些制氫方法的成本及能耗都較高、難以進(jìn)行大規(guī)模制氫用于車用，因此氫氣必須在解決降低生產(chǎn)成本、等難題后，才能實(shí)用。3醇類醇類甲醇和乙醇，具有辛烷值高、汽化潛熱大、熱值較特點(diǎn)。作為汽車，醇類自身含氧，在發(fā)燃燒中可提高氧燃比，CO 和 HC 的排放較和柴油的低，幾乎無碳煙排放；另外，由于汽化潛熱高，可降低進(jìn)氣溫度，提高充氣效率，使最高燃燒溫度低，發(fā)的NOx 排放較低。發(fā)使用甲醇，會產(chǎn)生的醛類排放。此外

7、甲醇對毒性較大，它對金屬有腐蝕作用，對橡膠皮革有溶漲作用，會使提早老化，這些缺點(diǎn)使甲醇在實(shí)際應(yīng)用中受到了較大限制。乙醇以摻燒或純燒方式已成功地用于機(jī)上，醇（gasohol）混合在巴西、已應(yīng)用許多年，技術(shù)上已十分成熟。乙醇在柴油機(jī)上應(yīng)用要遠(yuǎn)遜于在機(jī)上的應(yīng)用，其主要原因是柴油與乙醇不能互溶，摻燒，此外乙醇十六烷值低，在柴油機(jī)上需用柴油引燃或點(diǎn)火塞點(diǎn)燃，要對燃燒系統(tǒng)做較大改動。目前國內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)正在研制幫助乙醇與柴油互溶的助溶劑，生成柴油醇（diesohol），這樣可以在發(fā)不作改動或是很少改動的情況下使用柴油醇，滿足發(fā)經(jīng)濟(jì)性，動力性和環(huán)保的要求。研究表明加入 1的助溶劑和 1015乙醇的柴油醇，發(fā)微

8、粒與一氧化碳排放顯著降低，發(fā)500 小時耐久性試驗(yàn)后，發(fā)的燃油系統(tǒng)、機(jī)械磨損都正常，主要配合間隙沒有超差，柴油醇在發(fā)上的應(yīng)用將具有很大潛力。醇類甲醇可由一氧化碳和氫氣制得，因此它可從煤、天然氣和油頁巖。乙醇可利用發(fā)酵的方法，從甘蔗、玉米、薯類等農(nóng)作物及木質(zhì)素中提取，這些原料不僅儲量大，而且大都可再生，是一種可再生能源。存在是乙醇能耗較大、成本較高，約為的兩倍，需在生產(chǎn)技術(shù)上尋求突破，降低能耗和成本，則乙醇會有非常廣泛的應(yīng)用前景。4.二甲醚二甲醚(Dimethyl ether)，簡稱 DME，是一種含氧，它無毒性，常溫常壓下為氣態(tài)，常溫時可在五個大氣壓下液化，具有與液化石油氣相似的物性。二甲醚無

9、 C-C 鏈，其十六烷值大于55，具有優(yōu)良的壓燃性，非常適合于壓燃式發(fā)，用作為柴油機(jī)的代用。國內(nèi)外相關(guān)研究表明燃用二甲醚的發(fā)，在對原柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)進(jìn)行必要改造后，在保持原柴油機(jī)高熱效率前提下，可使氮氧化物有大幅度降低，碳煙排放為零，沒有任何加速煙度，發(fā)燃燒噪聲可降低 10dB(A)左右。使發(fā)氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳?xì)浜腿╊愑泻ε欧啪哂羞_(dá)到世界上最嚴(yán)格的加州超低排放車(ULEV)標(biāo)準(zhǔn)的潛力。顯示了二甲醚燃料可十分理想地作為潔凈代用，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)汽車高效率、低噪聲、超低排放的前景。由于DME的超低排放特性，二甲醚汽車技術(shù)已引起到國內(nèi)外高度重視，各國紛紛開始研制開發(fā)燃用二甲醚的車用柴油機(jī)和

10、汽車。同時從二甲醚衍生或有關(guān)的具有較高沸點(diǎn)的含氧，如 Dimethoxy mene (DMM),Diethylene glycol dimethyl ether (DGM), Diemethylcarbonate （DMC），Diethyl succinate (DES)等，近幾年也受到發(fā)研究者的高度和重視，利用上述含氧與柴油制成混合可顯著改善柴油機(jī)碳煙排放。為今后汽車的設(shè)計(jì)與多樣性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對霧化、著火、燃燒和有害排放的控制提供了新途徑。二甲醚的可以煤、天然氣、生物有機(jī)物等為原料產(chǎn)生氣一氧化碳、和氫氣，然后常規(guī)通過二步法先制得甲醇，進(jìn)一步脫水制成二甲醚。近年來丹麥 Topsoe 公司等成功地

11、開發(fā)出了以天然氣為原料產(chǎn)生氣，由氣一步法高效二甲醚的工藝，大大降低了二甲醚的生產(chǎn)成本。5生物全球變暖是不爭的事實(shí)，人們正在開發(fā)來源廣泛的生物能源。生物是指從農(nóng)作物或動物的脂肪中提取的可再生。目前，已研制成功并投入使用的植物油型有菜籽油、棉籽油、棕櫚油、豆油、甲醇酯混合油等。將植物油和動物脂肪與反應(yīng)，脫去甘油三酸脂轉(zhuǎn)變成甲酯或乙基酯之后就可以在柴油機(jī)上使用，這些酯類物被稱為“生物柴油”。生物柴油中的富氧可以加快燃燒速度，減少 CO、HC 和微粒排放。一般的酯化十六烷值較高，的性質(zhì)與輕柴油接近，但發(fā)噴油系統(tǒng)金屬會受到甲酯的腐蝕。生物是一種可再生能源，特別在環(huán)境效益上，生物質(zhì)生產(chǎn)過程中會吸收大氣中的

12、 CO2，有助于減輕地球室溫效應(yīng)。6發(fā)展前景為了確保國家能源安全，減輕對石油需求的壓力，我國加快了天然氣的開發(fā)利用，國家已開始大規(guī)模天然氣的建設(shè)，北方的陜京天然氣管線；中部的“輸”工程， 長 4200 公里的管道從塔里木盆地的出發(fā)，經(jīng)過、陜西、江蘇到，2004年將建成送氣；南方的 LNG 接受站建設(shè)，可以預(yù)期天然氣作為汽車在今后的數(shù)十年將有大發(fā)展。此外，根據(jù)我國自然條件和“富煤貧油”能源資源特點(diǎn)，可從煤的二甲醚和從生物質(zhì)木薯、秸稈、玉米等的乙醇，將有潛力發(fā)展成為具有的汽車代用。目前生產(chǎn)乙醇的項(xiàng)目已列入國家十五示范工程項(xiàng)目，乙醇將有望作為添加劑逐步取代MTBE，柴油醇研究已實(shí)質(zhì)性啟動。2001

13、年4 月國家推廣應(yīng)用車用乙醇試點(diǎn)項(xiàng)目之一20萬噸變性乙醇項(xiàng)目，在南陽天冠公司正式投產(chǎn)，省在部分地區(qū)開始車用醇應(yīng)用的示范。在長春一個用玉米為原料、年產(chǎn) 60 萬噸乙醇工程已開工，這是我國目前最大的乙醇生產(chǎn)項(xiàng)目，生產(chǎn)規(guī)模在世界范圍也位居前列。在我國廣西壯族出產(chǎn)一種易于種植的作物木薯，非常適合于生產(chǎn)，目前用木薯作為原料生產(chǎn)乙醇的項(xiàng)目正計(jì)劃上馬。二甲醚在發(fā)上高效清潔利用研究已被列入國家 973 重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目的研究內(nèi)容。以煤為原料生產(chǎn)二甲醚，已經(jīng)引起有關(guān)部門的高度重視，我國將建設(shè)一批規(guī)模生產(chǎn)二甲醚的工廠，與合資正在興建一個年產(chǎn) 83 萬噸二甲醚與 10 萬噸甲醇的工廠，此外陜西、等地也將上一

14、批規(guī)模不等的二甲醚項(xiàng)目。7. 結(jié)論針對我國自然條件和“富煤貧油”能源資源特點(diǎn)，加快天然氣的開發(fā)利用，同時發(fā)展可從煤、天然氣的二甲醚和從生物質(zhì)木薯、秸稈、玉米等制得的乙醇，形成適合中國國情、具有的汽車代用體系，對逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu)，降低對石油的依賴性，減輕對石油需求的壓力，保證我國能源安全，保護(hù)大氣環(huán)境具有意義。二甲醚是解決中國能源安全與環(huán)境保護(hù)教授能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，從能源消費(fèi)總量來看，我國已是僅次于的世界第二能源生產(chǎn)與消費(fèi)國，世界第一煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)國世界第三石油消費(fèi)國。石油資源，從世界可采儲量平均開采水平看，只剩 40 年。從 1993 年起， 我國已從石油出口國變?yōu)檫M(jìn)口國，且這種石

15、油短缺狀況逐年加劇，2003 年我國石油消耗 2.9 億噸,其中進(jìn)口石油高達(dá) 11963 萬噸，超過 1/3 的石油消量從國口。預(yù)計(jì)到 2010年，我國石油進(jìn)口量將達(dá)到 15000 萬噸，根據(jù)國研中心的，到 2020 年，中國的石油需求量的下限為 4.5 億噸，上限為 6.1 億噸而預(yù)計(jì)屆時國內(nèi)的產(chǎn)量只有 1.8 億到 2 億噸，這就意味著對海源的依存度至少將達(dá)到 55以上，與目前58存度大體相當(dāng)。我國石油的需求將嚴(yán)重。中國能源安全問題已成為國家十分棘手和亟待解決。同時由能源利用過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，開展檢測的 338 個城市中， 空氣環(huán)境處于中度或重度污染的城市占63.5,我國是

16、世界最大的 SO2 排放國，我國酸雨區(qū)已占面積的 30，由二氧化硫等導(dǎo)致的酸雨污染每年給中國造成的損失超過 1100億元。在另一方面，我國的汽車排放已成為城市大氣環(huán)境的一個主要污染源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來城區(qū)內(nèi)機(jī)動車排放的 CO、HC 和 NOx 已分別占總排污負(fù)荷的 86、90和 56，在非采暖期，城區(qū)內(nèi)機(jī)動車排放的 CO、HC 和 NOx 已分別占總排污負(fù)荷的 60、86.8和54.7。城市中車輛尾氣的污染日益嚴(yán)重。作為世界上最多的發(fā)展中國家，我國能源的開發(fā)利用著經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的巨大壓力，能源已成為我國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵可能成為今后限制我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，因此如何在后石油時代，針對我國自然條件

17、和“富煤、少油、有氣”的能源資源特色，如何合理利用我國的能源資源，尤其是煤炭資源，尋找新型的清潔能源載體已經(jīng)迫在眉睫。對于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)與生態(tài)平衡具有意義。1、新的二次能源二甲醚二次能源是聯(lián)系一次能源和能源用戶的中間紐帶，是能量攜帶者，理想的二次能源，應(yīng)能高效、清潔與利用，同時易于貯存及輸運(yùn)，二甲醚(Dimethyl ether)，簡稱 DME 正符合這一要求。二甲醚的可以煤、天然氣、煤層氣、生物有機(jī)物等為原料產(chǎn)生氣一氧化碳和氫氣，然后常規(guī)通過二步法先制得甲醇，進(jìn)一步脫水制成二甲醚。新工藝是由氣一步法高效二甲醚，可顯著降低二甲醚的生產(chǎn)成本。二甲醚含氧量為 34.8%，它無毒性，常溫常壓

18、下為氣態(tài)，常溫時可在五個大氣壓下液化，具有與液化石油氣相似的物性，易于與輸運(yùn)。根據(jù)我國自然條件和能源資源特色，可以構(gòu)想，在未來，將污染嚴(yán)重的煤炭，轉(zhuǎn)化為潔凈的二甲醚，供給本地的能源消費(fèi)，來改善西部地區(qū)環(huán)境，保護(hù)生態(tài)。同樣西部的天然氣資源可轉(zhuǎn)化為易于儲運(yùn)的二甲醚；，用油罐車到資源貧乏東部地區(qū)。二甲醚作為潔凈的二次能源廣泛用于汽車小型熱電冷聯(lián)供、發(fā)熱泵、大型燃?xì)廨啓C(jī)、電池及家庭灶具、熱水器等，將形成一個新的二甲醚能源經(jīng)濟(jì)（DME Economy），二甲醚作為一種新型二次能源具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?、我國二甲醚二甲醚作為二次能源的生產(chǎn)成本，取決于二甲醚制造工藝和生產(chǎn)規(guī)模，AMOCO 公司曾對生產(chǎn)成本有

19、一，若以天然氣為原料，采用 Topsoe 公司一步備二甲醚的工藝，按每天生產(chǎn) 42000 桶的規(guī)模，生產(chǎn)成本低于柴油和，為柴油的 84%,的 45%國學(xué)者有關(guān)研究表明，采用煤，以漿態(tài)床一步法大規(guī)模DME，成本在 12001400 元/噸左右。采用天然氣，投資及消耗以的 2370kt/a裝置為基準(zhǔn)，天然氣價格按天然氣井口價 0.520 元/立方米考慮，以甲醇脫水工藝裝置，DME 的產(chǎn)品成本約為 1527 元/噸；以氣一步法工藝裝置， DME 的產(chǎn)品成本約為 1405 元/噸1。1 噸柴油和 1.48 噸 DME 發(fā)熱量相同，可見與柴油的價格相比，二甲醚具有很強(qiáng)的競爭性。今后若采取以一步法漿態(tài)床反

20、應(yīng)器為的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，將使生產(chǎn) DME 設(shè)備的基本投資，能量的成本，能耗進(jìn)一步下降。在我國由于二甲醚的環(huán)保性和對國家能源安全的重要性，已經(jīng)引起有關(guān)部門的高度重視，在今后 510 年內(nèi)將有大的發(fā)展，我國陜西、山東、將上一批規(guī)模不等的二甲醚制造。山東臨沂市久泰化工在建的年產(chǎn) 3 萬噸二甲醚裝置已于 2003 年底正式投入生產(chǎn)。 年產(chǎn) 6.5 萬噸二甲醚的二期工程將于 2005 年建成，同時該公司計(jì)劃在 35 年內(nèi)在內(nèi)蒙建成年產(chǎn) 150 萬噸甲醇、100 萬噸甲醚、30 萬噸碳酸二甲酯裝置，預(yù)計(jì)建成后將成為世界上規(guī)模最大的二甲醚生產(chǎn)線。煤業(yè)公司就年產(chǎn) 83 萬噸煤基二甲醚示范項(xiàng)目 2003 年在銀川簽

21、約籌建。與TOYO 會社合作年產(chǎn) 40 萬噸甲醇、10 萬噸二甲醚項(xiàng)目正在建設(shè)中，這標(biāo)志著我國已開始大規(guī)模運(yùn)用天然氣產(chǎn)品代替石油產(chǎn)品，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為日產(chǎn)甲醇 1350 噸，日產(chǎn)二甲醚 340 噸。二甲醚在我國的發(fā)展，將以替代 LPG 民用和替代柴油作為汽車為切入點(diǎn)，刺激國內(nèi)的二甲醚生產(chǎn)與應(yīng)用，進(jìn)一步擴(kuò)展到小型熱冷電裝置、發(fā)熱泵、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、電池等。預(yù)計(jì)在 510 年內(nèi)有望成為我國能源經(jīng)濟(jì)的主要支柱之一。3、新一代清潔能源汽車 二甲醚汽車隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和汽車保有量的高速增長，正汽車能源需求與大氣環(huán)境保護(hù)的雙重巨大壓力。因此如何針對我國自然條件和能源資源特色，逐步改變汽車能源結(jié)構(gòu)，

22、降低汽車對石油的依賴性，發(fā)展汽車清潔代用，控制汽車有害排放對我國城市大氣質(zhì)量帶來的日趨嚴(yán)重的影響，已成為我國能源與環(huán)境研究中的一個十分和緊迫的研究課題。二甲醚由于十六烷值大于 55，見表 1，具有優(yōu)良的壓縮性，非常適合于壓燃式發(fā)，可十分理想地用作柴油機(jī)潔凈代用。表 1理化特性二甲醚柴油液化石油氣天然氣(CH4)甲醇(CH3-OH)DME(CH3-O-CH3)(CnH1.8n)(C3H8)低熱值 MJ/kg28.842.546.350.019.5液體粘度 kg/m-s0.152-40.15-液體密度 kg/m3668840501720-162790十六烷值5538-5310105沸點(diǎn) -2518

23、0-360-43-16265理論空燃比kg/kg9.014.615.617.26.5自燃溫度 2352504706504501995 年丹麥技術(shù)大學(xué)、Haldor Topsoe A/S、Navistar、AVL、AMOCO 公司等首先將二甲醚用做柴油機(jī)2,3，性能研究結(jié)果表明燃用二甲醚的發(fā)，僅對原柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)進(jìn)行了一些改造，噴射壓力降低200 - 300 bar的輸出功率、扭矩及燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下，不用任何廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和廢氣處理裝置，氮氧化物就能大幅降低，達(dá)到 2g/bhp-hr 以下, 同時，碳煙排放為零，沒有任何加速煙度，微粒排放也大幅降低，僅來自潤滑油。在廣泛用于卡車和大客車動力的

24、 Navistar 8 缸 7.3 升柴油機(jī)上燃用了二甲醚后，發(fā)氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳?xì)浜腿╊愑泻ε欧湃鏉M足了世界上最嚴(yán)格的弗尼亞州中型車超低排放車(ULEV)標(biāo)準(zhǔn)。這些研究結(jié)果表明了二甲醚可十分理想地作為潔凈代用，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)超低排放的前景。由于 DME的卓越性能，二甲醚發(fā)技術(shù)已引起到西方發(fā)達(dá)國家和高度重視。近年來歐美、日韓等發(fā)達(dá)國家十分看好二甲醚汽車的市場前景和環(huán)保效益，紛紛開展二甲醚發(fā)與汽車的研發(fā)。在歐洲 VOLVO 汽車公司研制出了燃用二甲醚的大客車樣車用于試車與示范, 在JFE、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合、COOP 低公害車開發(fā)會社、交通公害、五十鈴汽車公司和會社等分別研制了燃用二甲醚

25、的卡車樣車和城市客車樣車，計(jì)劃在 5 年內(nèi)小規(guī)模推廣312。在國內(nèi)，與國際二甲醚發(fā)研究幾乎同步，交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、等各自開展了二甲醚噴霧和燃燒特性、發(fā)性能的研究13-19。交通大學(xué)燃燒與環(huán)境技術(shù)中心自 1997 年承擔(dān)了我國首項(xiàng)有關(guān)二甲醚 的國家項(xiàng)目“新型低排污二甲醚 噴霧特性和燃燒機(jī)理的研究”，對二甲醚 噴射過程，包括二甲醚 的泵端、嘴端油管壓力和針閥升程、音速、閃急沸騰霧化現(xiàn)象和燃燒過程及二甲醚發(fā) 可靠性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，揭示了二甲醚 發(fā) 噴射特性、燃燒機(jī)理與排放特性，實(shí)現(xiàn)了發(fā) 無碳煙排 NOx幅降低。進(jìn)一步開展了二甲醚 可控預(yù)混合燃燒研究，提出一種低壓噴射二甲醚預(yù)混合燃燒的新方

26、式，研制了二甲醚低壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)，發(fā) NOx 僅為數(shù)十 ppm，成功地解決了勻質(zhì)預(yù)混合氣壓燃燃燒的著火控制和均勻濃預(yù)混合氣 兩個 ，同時大大簡化了發(fā)4、將成為首先推廣二甲醚將會成為首先推廣二甲醚汽車的城市目前客車保有量為 1.9 萬輛,其中以柴油機(jī)為動力的客車已有9000 多輛目前柴油車的比例正在不斷增加。由于目前我國柴油機(jī)制造的總體水平還較低，柴油機(jī)排污指標(biāo)基本處于國外先進(jìn)國家八十年代的水平，單車污染物排放量往往是目前西方國家的數(shù)倍, 排氣污染問題十分嚴(yán)重。城市汽車由于行駛里程多，運(yùn)行又集中于市區(qū)，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)道的重型柴油大客車和車因汽缸容量大、排污量大，氮氧化物排放的貢獻(xiàn)率占 70

27、，因而城市汽車已成為城市機(jī)動車尾氣污染治理的重中之重。由于 DME的卓越性能和超低排放， 二甲醚汽車的將有望成為新一代城市客車。在國家科技部“清潔汽車行動計(jì)劃”和市科委的支持下，交通大學(xué)、汽車工業(yè)總公司、柴油機(jī)和焦化廠正在聯(lián)合開發(fā)二甲醚城市汽車，目標(biāo)是計(jì)劃建立示范車隊(duì)，推廣二甲醚汽車。緩解石油和煤炭供需，改善城市大氣質(zhì)量5、結(jié)論作為世界上最多的發(fā)展中國家，我國能源的開發(fā)利用著經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的巨大壓力，能源已成為我國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵針對我國自然條件和“富煤、少油、有氣”的能源資源特色，發(fā)展可從煤、天然氣、煤層氣和生物質(zhì)制得的潔凈二次能源二甲醚,對于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)與生態(tài)平衡具有意義。二

28、甲醚能廣泛用于汽車、小型熱電冷聯(lián)供、發(fā)熱泵、大型燃?xì)廨啓C(jī)、電池及家庭灶具、熱水器等，將形成一個新的二甲醚能源經(jīng)濟(jì)（DME Economy），二甲醚作為一種新型二次能源具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，將成為我國能源?jīng)濟(jì)的主要支柱之一。2006交通大學(xué) 能源滬交ICP 備 05101二甲醚經(jīng)濟(jì)是解決中國能源與環(huán)境問題的關(guān)鍵選擇一、時不我待,發(fā)展清潔能源技術(shù)迫在眉睫中國的經(jīng)濟(jì)要在 30 年內(nèi)保持高速發(fā)展, 中國的將在 30 年后達(dá)到頂峰, 中國的石油將越來越依靠進(jìn)口, 中國的環(huán)境隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展仍然在不斷, 由上述情況引起的中國的資源環(huán)境與增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的, 在 21 世紀(jì)的前 30 年內(nèi),民族的最為嚴(yán)峻的,

29、 整個國家的資源和環(huán)境系統(tǒng)將要造成很難逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重環(huán)境問題, 在很大程度上取決于能源的利用。發(fā)展可靠的清潔能源, 是一個十分緊迫的任務(wù)。人們直接使用的、柴油、電能、甲醇、氫氣等等終端能源, 都屬于一種能源載體, 而能源載體必須由一次能源資源, 如原煤、原油、天然氣、能、水能、風(fēng)能等等轉(zhuǎn)換而來。而清潔能源, 就是將較“骯臟”的自然資源(如原油、煤炭等) 轉(zhuǎn)換成對環(huán)境危害很小的清潔能源載體,來作為和動力。可靠的清潔能源, 必須具備如下幾個特征: 資源豐富, 可以基本立足于中國國內(nèi)的能源資源; 環(huán)境友好, 其排放物對環(huán)境的影響很小; 技術(shù)可行, 其技術(shù)基本成熟, 或作適當(dāng)努力可在 5 年左右成熟,可以

30、在大范圍內(nèi)使用, 即在總體能源平衡中占相當(dāng)?shù)姆蓊~; 經(jīng)濟(jì)可行, 其成本要有競爭力, 可以逐步占據(jù)能源市場, 形成相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)規(guī)模; 易于實(shí)現(xiàn), 其運(yùn)行所需的基礎(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施能基本相容,不需要完全另搞一套。當(dāng)前, 中國的能源以煤炭和石油為主, 天然氣的產(chǎn)量近年來有很大的增長。煤炭直接燃燒, 所排放的大量硫化物、氮氧化物、煙塵和,目前的主要污染源; 石油煉制的油品雖然比煤清潔, 但石油資源已經(jīng)不可能滿足需求, 品質(zhì)也逐漸降低,含硫量不斷升高,給煉制高質(zhì)量、柴油也帶來很大2 000 年中國凈進(jìn)口原油 7 000 萬噸, 成品油 2000 萬噸, 接近需求總量的除了耗費(fèi)大量外匯外,也為中國的能源

31、安全問題敲響了警鐘。鑒于中國的國情是: 煤炭資源豐富; 油氣資源相當(dāng)有限; 天然氣和煤層氣的資源分布較分散, 距用能中心較遠(yuǎn), 且目前的系統(tǒng)很不發(fā)達(dá); 幾十年內(nèi)可再生能源在總體能源中不可能占很大份額。因此, 如何合理利用中國的能源資源尤其是煤炭資源、尋找新型的清潔能源載體已經(jīng)迫在眉睫。有人說, 氫能是零排放的能源, 氫氣燃燒只產(chǎn)生水, 沒有任何污染, 因此氫能是解決未來能源與環(huán)境問題的最佳途徑。這是完全對的。應(yīng)該重視發(fā)展“氫能經(jīng)濟(jì)”。然而,由于一系列技術(shù)難題,這一前景在近 2030 年內(nèi)僅是可望而不可及的。最重要的近 30 年時間里,迫切需要的是一種技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好, 既可大規(guī)模運(yùn)用, 排污

32、又較小(介于石油天然氣和氫能之間) , 環(huán)境可以承受的,這就是二甲醚。二、二甲醚(DME) 脫穎而出,大有可為1.二甲醚(DME ,Dimethyl Ether)DME 是一種無色、無毒、環(huán)境友好的化合物,到目前為止它的生產(chǎn)量不大, 只是用于發(fā)膠。被作為環(huán)境友好的只是近幾年才提出的, 但卻立即得到全世界能源界的廣泛關(guān)注,其分子式是 CH3OCH3 ,物理性能和液化石油氣(LPG, 一般是丙烷和丁烷的混合物) 相似。其在較低壓力(5.1bar) 下呈液態(tài),故現(xiàn)有的液化石油氣的基礎(chǔ)設(shè)施完全可以用于 DME。也可以用油槽、油罐車,及低壓管道, 作長途。由于含氧量為 35 % ,熱值較低, 相當(dāng)于乙醇

33、,是 LPG 的 61 %、柴油的 67 %、的 2/ 3。2. DME 的DME 可以用天然氣和煤作為原料來生產(chǎn),來說, 由于煤儲藏量十分豐富, 以煤得到 DME 是主要途徑。途徑一, 是由甲醇脫水得到 DME。煤氧吹氣化以后得到, 其主要組分是 CO + H2 ; 通過催化CO + 2H2CH3OH(甲醇) ; 甲醇脫水 2CH3OHCH3OCH3 (二甲醚) 。途徑二, 是通過相應(yīng)的催化劑, 在漿態(tài)床反應(yīng)器中直接由氣轉(zhuǎn)換成二甲醚。CO + 2H2CH3OH 甲醇生產(chǎn)CO2 + 3H2CH3OH+ H2O 甲醇生產(chǎn)CO + H2OCO2+ H22CH3OHDME +H2O 二甲醚生產(chǎn)按目前

34、的工藝,大抵是 2. 5 噸煤可以1 噸 DME , 表面上看似乎“損失”很多能量, 在反應(yīng)過程中得到很多熱量; 如優(yōu)化利用的話, 在能量轉(zhuǎn)換方面還有提高的潛力。DME 的原料有很多來源:煤、天然氣、石油煉制中的渣油、石油焦、生物質(zhì)或其他碳?xì)浠衔锏榷伎梢宰鳛槠湓稀Ｓ捎谠谶^程中都要經(jīng)過, 所以可以采取以“一步法”漿態(tài)床反應(yīng)器為的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),使生產(chǎn) DME 設(shè)備的基本投資、能量的成本、能耗大幅度下降。3. DME 的用途(1) 用于生活炊事、采暖經(jīng)大量測試,用DME 替代LPG(液化石油氣) 在排放和燃燒效率方面都優(yōu)于后者, 只要價格有競爭力,大量的替代是比較容易的,因?yàn)?LPG 的原有基礎(chǔ)設(shè)

35、施可以完全用于 DME。DME 的應(yīng)用對一些邊遠(yuǎn)地區(qū)尤為重要, 例如西北干燥地區(qū)、南疆地區(qū)、滇西北地區(qū), 那里的居民世代皆以木柴為生活, 大量砍伐森林的現(xiàn)象見慣。有了價格合理的 DME 后,既可保護(hù)生態(tài)、改善環(huán)境,又可大大提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量。(2) 用作燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)過 BP(British Petroleum) 和 GE( General Electric) 公司合作的嚴(yán)格測試證明, DME 用于燃?xì)廨啓C(jī)是一種極好的, 燃燒性能和排放性能近似于天然氣, 優(yōu)于柴油, 此項(xiàng)目應(yīng)用現(xiàn)已在世界上逐步推廣。例如,南方的 4 個州(Andhra -Pradesh , Tamil Nadu , Kera

36、la 和 Karnata2ka) 已和 BP 公司簽訂合同,共建 7 個電廠,總裝機(jī)容量為 248MW, 準(zhǔn)備以 DME 為發(fā)電, 年消耗 DME4. 8 萬噸。(3) 作為分布式電熱冷聯(lián)供系統(tǒng)的例如可用于微型燃?xì)廨啓C(jī)(Microturbine) 的發(fā)電, 其余氣可排入余熱鍋爐, 用于供熱或供冷。分布式電熱冷聯(lián)供是當(dāng)前世界上迅速發(fā)展的領(lǐng)域, 可提高能源利用率和可靠性。這一技術(shù)正與迅速發(fā)展的ernet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合, 把大量的分布式裝置組成一個虛擬電廠。(4) 替代柴油這是一個最重要的領(lǐng)域, 因?yàn)椴裼陀推分杏昧孔畲? 也是目前缺口最大的。目前的柴油機(jī)已難以滿足環(huán)保要求, 尤其是城市環(huán)境的要求

37、。其出路除了柴油機(jī)缸內(nèi)過程的改進(jìn)外,用超清潔替代是一個重要方向, 也是的趨勢。可從不同原料(如石油、煤、生物質(zhì)原料、渣油或石油焦) 生產(chǎn)出的 DME 或甲醇,將使中國液體經(jīng)濟(jì)在以石油為基礎(chǔ)的和由其它超清潔燃料代用之間有一個穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟(jì)可靠的平衡。這種做法不僅可以適合近期、中期、遠(yuǎn)期的市場需求,同時對環(huán)境的不利影響最小。以超清潔取代柴油是個世界性的課題,尤其具有, 同時,能否在超清潔方面進(jìn)入世界前列,也是一個機(jī)遇。眾所周知, 柴油機(jī)循環(huán)(壓燃式) 比機(jī)循環(huán)(火花點(diǎn)燃式) 的熱效率要高 79 個百分點(diǎn)。從更有效利用角度來看, 應(yīng)該是更多的汽車(包括轎車) 利用柴油機(jī)來作為動力。若能把數(shù)目還要大

38、大增加的轎車中的 30 %50 %以柴油機(jī)作動力,就可以大幅度節(jié)省燃油, 使同樣功率的轎車燃油耗油減少 25 %左右。這相當(dāng)于減少同樣數(shù)量級溫室氣體 CO2 的排放, 是一條極重要的有環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的途徑。但是, 隨著近年來環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高, 柴油機(jī)的發(fā)展受到了兩個相互的制約, 若提高循環(huán)最高溫度以提高效率, 就會使NOX 大幅度增加; 若相反,降低循環(huán)最高溫度,在 NOX 排放率降低的同時,就會使微顆粒( PM2. 510) 增加。所以對柴油機(jī)循環(huán)來說, 是否可以找到一種, 同時能提高效率并大幅度降低 NOX 和微顆粒的排放, 就十分關(guān)鍵。而這種就是DME。目前大城市(尤其是)微顆粒是

39、引起空氣質(zhì)量降低的主要原因, 故用 DME 更有重要的緊迫的意義。柴油機(jī)用 DME 作替代后,通過西安交大詳細(xì)測試有以下優(yōu)點(diǎn): 同樣的發(fā)功率可提高 16 % , 熱效率提高 23 個百分點(diǎn); 所有工況下基本做到無煙運(yùn)行,即無可見微顆粒排放;NOX 排放是燃用柴油的 60 %以下(氣缸中燃燒溫度低) ;HC/ CO 的排放亦下降 40 %左右;氣缸中最高壓力下降 79MPa , 氣缸中的壓力升高率也相應(yīng)降低, 從 0. 6MPa/ A( 度曲軸轉(zhuǎn)角) 下降到 0. 28 0. 47MPa/ A , 從而使工作時噪音下降 1015 分貝, 對氣缸的強(qiáng)度要求也相應(yīng)降低; 替代后, 能滿足歐標(biāo)準(zhǔn), 并

40、有進(jìn)一步降低排放滿足歐標(biāo)準(zhǔn)的潛力。(5) 作為高附加值化工產(chǎn)品的中間原料, 如可用于生產(chǎn)醋酸 aceticacid(CH3COOH) 。上面 5 點(diǎn)用途中,來說,以(1) 和(4) 兩點(diǎn)最為重要。DME 相對甲醇來說, 其突出優(yōu)點(diǎn)是無毒性和無腐蝕性, 對發(fā)和燃油系統(tǒng)的密封、墊片材料以及金屬的不利影響要小得多4. DME能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)式發(fā)展的重要內(nèi)容DME對于中國未來能源的重要意義,不僅僅在于它的資源優(yōu)勢和環(huán)保特性, 可以在保證我國能源安全的同時, 將環(huán)境危害降到極低; 還應(yīng)未來能源技術(shù)趕超世界先進(jìn)水平、式發(fā)展的最有前途的領(lǐng)域。中國目前能源與環(huán)境的研究水平和實(shí)際工作很有可能使中國的能源行業(yè)進(jìn)入一個

41、誤區(qū): 環(huán)保總比歐美晚一步, 國內(nèi)的能源相關(guān)行業(yè)特別是汽車工業(yè)往往成為國外淘汰技術(shù)的轉(zhuǎn)移地。西歐早已通過了十分嚴(yán)格的歐標(biāo)準(zhǔn), 正在醞釀歐,的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)也與之類似, 而中國目前的標(biāo)準(zhǔn)僅僅相當(dāng)于歐美早已制定的歐標(biāo)準(zhǔn), 始終晚一步。中國的能源工業(yè)技術(shù)水平普遍比國外, 特別是汽車工業(yè)落后 1020 年,要在短時間內(nèi)趕上國外水平很, 且開發(fā)能力不強(qiáng), 提高技術(shù)水平很大程度上依賴引進(jìn), 而國外則完全可以將他們已經(jīng)淘汰而尚且先進(jìn)的技術(shù)轉(zhuǎn)移到中國。這類引進(jìn)實(shí)質(zhì)上阻礙了國內(nèi)開發(fā)的能力, 很可能使得中國的能源行業(yè)長期無法擺脫對國外的依賴。中國科技開發(fā)的總體思路是“有所為, 有所不為”,而 DME 正是這樣一個大有可

42、為的領(lǐng)域。它是各國競相研究的熱點(diǎn), 也能源技術(shù)未來發(fā)展最有希望的一個方向。尤為重要的是, 目前各國對 DME 的生產(chǎn)和應(yīng)用研究都處于起步階段。中國的研究也毫不遜色。院山西煤化所在兩步法和一步DME 領(lǐng)域都有相當(dāng)成果, 西安交大對于DME 在柴油機(jī)上的燃燒試驗(yàn)也得到了不錯的結(jié)果。目前,世界上基本掌握漿態(tài)床一步取 DME 技術(shù)的公司有的空氣產(chǎn)品公司(APC) , 但是他們也沒有大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)。我國的 83 萬噸 DME生產(chǎn)項(xiàng)目要引進(jìn)的就是 APC 的技術(shù), 這個項(xiàng)目在世界上都算得上是開創(chuàng)性的工作。另外西安交大等高校和研究也在積極申請立項(xiàng), 力圖在較短時間內(nèi)解決 DME 在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用問題, 有

43、望得到國家 973 計(jì)劃的大力支持。三、創(chuàng)建 DME 經(jīng)濟(jì)中國能源的重要支柱之一DME 作為,包括它的生產(chǎn)、使用等一系列環(huán)節(jié)的, 可望在二三十年時間內(nèi), 形成一個龐大而高效的 DME 經(jīng)濟(jì),成為中國能源經(jīng)濟(jì)的支柱。中國可以有這樣的構(gòu)想: 在未來的幾十年時間里, 利用“骯臟”的煤炭一步成 DME; 利用比較分散的天然氣資源DME , 以免除昂貴的管道網(wǎng)絡(luò); 在老礦區(qū)大力發(fā)展 DME 的生產(chǎn), 并和電力生產(chǎn)結(jié)合在一起, 實(shí)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn); 將西部豐富的煤炭資源,尤其是高硫煤, 轉(zhuǎn)化為干凈的 DME和電力, 用油槽車和罐車到資源貧乏的地區(qū)。而且, 在能源利用的各個方面, DME 都可以有用武之地: 馬跑的是干凈的 DME 公共汽車和DME 轎車、卡車;家里灶具、熱水器用的是便宜的瓶裝 DME;