燃气作为汽车替代燃料的应用现状及存在的问题

吉林建筑工程学院 朱传芝

四川科宏石油天然气工程有限公司 殷武松

哈尔滨工业大学市政环境工程学院 王海超

0 引言

2009年我国汽车产销量均突破1 300万辆，首次跃居全球第一，2010年产销则双双突破了1 800万辆，目前保有量已增至约7 500万辆，仅次于美国，但每千人汽车保有量仍远远落后于发达国家，因此，可以预见，未来一段时间内，我国的汽车保有量还会以较高的速度增长。

汽车保有量的增长带来了燃油消耗总量的快速增加和严重的机动车尾气污染问题，更加剧了我国石油的供需矛盾。若不发展新型汽车燃料则将来会给国家能源安全以及环境保护带来极大的压力。因此除了采取政策与技术措施大幅度节约燃料消耗外，开发应用各种新型汽车替代燃料是大势所趋，更是一项关系我国经济健康、持续发展的重要任务。

从车辆应用角度来看，车用代用燃料主要有以下几类：气体燃料、含氧燃料(醇、醚、酯)、合成油(BTL、CTL、GTL等)、太阳能和电能。而世界能源专家普遍认为21世纪是天然气的世纪，约在2040年，世界天然气供应量将超过石油和煤炭，天然气在一次能源中所占比例将从现在的 24.5%增加到51%。

本文主要讨论燃气或可以用燃气为原料合成的新型汽车燃料。

1 新型汽车燃料的应用现状和存在的问题

新型汽车燃料主要包括压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、液化天然气(LPG)、含氧燃料合成甲醇和二甲醚(DME)以及天然气合成柴油(GTL)等。

1.1 LNG

目前来说CNG和LPG是很好的汽车替代燃料，而且已经得到较多的应用，不论是从技术上还是基础设施建设上都没有太大的问题，但是却存在续航里程偏短的棘手问题。液化天然气汽车(LNGV)则克服了CNGV的缺点，它具有汽车续驶里程长、加气站建站不受天然气管网制约、占地少、投资小、运行费用低等突出优点，易于实现规模化发展。

LNGV在国外有大量的实际应用，相关技术已经成熟，国内在90年代开始进行LNGV技术的研究，已经进入实际应用阶段。中国科学院低温实验中心分别与吉林油田和四川绵阳燃气集团公司合作研制了一套500 l/h和300 l/h的LNG-20型LNG装置，并开始使用。绵阳市有LNGV在行驶，北京也已经有LNG燃料公交车辆通行；2005年我国东风汽车有限公司首批投放全国市场的50辆LNG客车，在长沙经过 20多天的营运，情况良好。新疆土哈油田和河南中原油田分别建成了 150万 m3/d和15万m3/d的LNG工厂。在湖南、上海、广东、天津、山东、福建等地已建成或正在建设大型LNG储存基地。在北京、乌鲁木齐、长沙分别有数十辆LNG公交汽车在开展示范运行，其数据显示出良好的经济性与排放状况。

目前 LNG汽车的发展已经引起许多地方的重视，相信未来几年将是我国 LNG汽车快速发展的时期，我国有可能成为世界上开发与应用LNG汽车领先的国家。但是LNG替代燃料存在的问题主要有：

(1)发动机功率下降。虽然LNG具有较高的辛烷值，但是目前为了兼顾使用汽油的需要，压缩比提高较小或者没有提高。因此天然气高抗爆性的特性并未得到充分发挥，导致发动机功率下降。

(2)LNG自气化问题。尽管LNG车用储罐是绝热的，却不是绝对的。因此会有蒸发现象存在，一旦汽车遇到事故停止前进，就会造成容器内压升高，而低温容器一般不耐压或者耐压能力低，这样就有可能发生事故。

(3)LNGV改装件的价格较高。因此，进一步降低LNGV改装件的价格仍将是LNGV实际应用中必须面对的难题。

(4)LNGV应用中的安全问题。

(5)LNG的生产以及充灌、计量、储运等配套设施和相关政策标准不完善。

1.2 含氧燃料

1.2.1 甲醇

甲醇是有机可燃化合物，可由天然气或煤炭经合成气采用铜基催化剂制备。其性质很适合于单独作为汽车燃料或按一定比例与汽油掺混作汽车燃料。车用甲醇燃料主要有M85和M100两种品种，M85含甲醇 85%(体积比)，其余为汽油和少量添加剂，M100不含汽油。

甲醇用作车用清洁燃料近年引起人们的兴趣。山西省“清洁汽车工程”(煤制甲醇清洁燃料汽车项目)已由试验示范阶段转入产业化示范阶段。2001~2002年，山西省的甲醇汽车已由原100多辆增至1 000辆，示范车单车行驶里程突破20万km。此外，大同汽车制造厂试制成功全甲醇(M100)清洁燃料燃烧装置。

国际上甲醇燃料的应用研究也已有几十年的历史。美国、德国都进行过较大规模的运行试验。至20世纪90年代后期，美国已有17 000余辆M85汽车投入运行。这些技术主要是在汽油机的基础上进行改造，发动机的排放也低于相类似的汽油发动机。后来美国的甲醇车没有继续发展下去。主要原因是基础设施和制造成本问题。

在甲醇燃料的实际使用中，如何预防甲醇中毒是最受关注的问题之一，甲醇毒性问题也是其不被一些国家选用作汽车燃料的重要原因。据壳牌公司的报告，高剂量甲醇的摄入会引起人体中毒，其毒性约为汽油的25倍，公认的死亡剂量是25~90 ml。因此必须制定和实施严格的管理法规和技术措施，防止误饮，减少甲醇暴露，减少蒸汽吸入和皮肤接触，以及预防因甲醇泄漏造成地下水源的污染。但是，当作为汽车燃料大规模进入市场的情况下，是否能够确保管理措施有效实施；一旦发生中毒事故，如何解决产品法律责任，也是制定有关甲醇燃料标准时会遇到的最大麻烦。

1.2.2 DME

DME可以由煤和天然气制取获得，具有优良的燃烧性能，清洁，十六烷值高，动力性能好，污染少，稍加压即为液体易于储存，作为车用替代燃料，具有天然气、甲醇、丙烷、丁烷、柴油等不可比拟的综合优势。常规的发动机代用燃料如：LPG、天然气、甲醇等的十六烷值都小于10，只适用于点燃式发动机。DME的十六烷值(55~60)甚至高于柴油(40~55)，具有优良的压缩性，非常适合于压燃式发动机，是柴油发动机理想的替代燃料。

使用DME燃料，尾气无需催化转化处理，氮氧化物及黑烟微粒排放就能满足汽车超低排放尾气要求。丹麦托普索公司从环保角度进行了 DME燃料在中型汽车运行时的尾气排放试验，结果一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物含量与美国加州颁布的中小汽车尾气排放标准相比，分别降低55%、83%和4%。说明使用DME作汽车燃料，废气污染明显低于目前的优质汽油。西安交通大学也进行了DME作柴油代用燃料的发动机试验研究，使用DME可使发动机功率提高 10%~15%，热效率提高 2%~3%，噪音降低10%~15%，可达到欧洲Ⅲ级排放标准。

1997年之后，我国很多科研院校都系统地开展了DME发动机及汽车的研究工作，该项目已受到国家科技部的重视。2003年设立“十五”国家清洁汽车关键技术研究开发及示范应用项目。实践表明，DME是柴油机优良的代用燃料，它可以实现无烟燃烧，超低排放，而且价格便宜，原料充足，可为中国50年甚至100年的经济发展提供能源保障。

DME不存在市场需求问题，关键在于成本的控制。近几年来，我国在DME的研制开发方面,技术及生产工艺不断成熟完善，一些高校和企业已具有一定的生产能力。DME燃料使用中，还有机件磨损、腐蚀等可靠性问题，还要解决降低生产成本问题。DME燃料的推广也会遇到与LPG类似的问题，即加气站的建设和专用发动机，这些因素会增加DME大量推广应用的难度。但是我们可以预测，在不久的将来，DME汽车将以其高效、环保等优点逐渐替代原有的柴油机汽车。随着我国汽车保有量的增加，DME作为汽车燃料替代柴油的市场前景极其广阔。

1.3 GTL

GTL方案正成为天然气高效利用的途径脱颖而出。当前，世界炼油业正面临生产低硫和超低硫汽、柴油以满足日益苛刻的环境法规的挑战。经过改进的费—托法合成技术，使 GTL装置投资和操作费用大大降低，GTL的生产成本已可与原油的价格相竞争，为建设天然气炼油厂注入了新的活力。未来如果油价继续维持在较高水平，那么建设GTL装置将具有更大的吸引力。目前世界上许多国家都在建设大型 GTL装置，如尼日利亚、南非、澳大利亚、委内瑞拉等，GTL存在的最大问题仍是成本问题。

2 总结

随着国际石油价格的上涨和我国能源安全的严峻性问题日益突出，以及由汽车尾气排放造成的环境污染越发严重，对车用替代燃料的研究已经显得尤为重要，而 21世纪天然气在能源结构中的比例会逐渐上升，因此，采用燃气作为车用替代能源具有很好的可行性。本文总结可以发现，这类车用替代燃料中DME是唯一能够增加热机效率、提高功率同时降低噪音的替代燃料，可以完全替代柴油作为压燃式发动机的燃料，同时DME具有广泛的来源和巨大的市场需求量，因此，随着我国汽车保有量的增加，DME作为汽车燃料替代柴油的市场前景极其广阔；此外，CNG和LPG作为汽车燃料的技术较为成熟，应用也有很多，但是却存在续航里程短的问题，而 LNG虽解决了该问题，但是也存在着自气化和安全性问题；而合成甲醇的毒性制约了其商业化推广进程。总而言之，所有这些替代燃料具有的共同点都是成本较高，距离真正的商业化应用还存在一定的距离，需要加强相关技术和实验研究，并总结实际应用中出现的问题和经验，则燃气替代车用燃料的应用将会取得进一步的突破。