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调整汽车燃料结构
调整汽车燃料结构，发展醇燃料汽车
中国科学院工程热物理研究所研究员
13届国际醇燃料会议国际组织委员会主席
潘奎润
（2001年3月31日）
摘要
我国石油资源短缺和大气质量下降问题，正日越引起人们的关切。
在新世纪，我国需要调整汽车能源结构，改变以石油为唯一能源的局面，发展清洁的石油代用燃料汽车，改善大气质量。
本文介绍了主要洁净代用燃料的物化特性，应用情况和存在问题，特别对煤制甲醇燃料汽车发展现状，排放性能、使用情况和其前景作了介绍、分析比较，认为从资源、环境、经济、实用、方便和能源安全考虑，煤制甲醇是很适合我国国情并极有前景的洁净代用燃料。
一、能源与环境
在当今交通能源发展战略的思考中，人们都把注意力放在石油和天然气的开发和利用上，但从这两类资源的储量和开发情况来看，都不容乐观。
根据中国工程科学院1997年的“能源供需矛盾”专题报告。
我国的能源情况如下（表1）
表1我国能源资源情况
煤
天然气
石油
可采储量
1145亿吨
17000亿立方米
33亿吨
统计时间
1994年
1995年
1995年
占世界可采储量
11%
1.2%
2.4%
占世界第几位
3
19
10
据美国能源部1995年资料统计，世界和我国矿物资源可用年限如表2：
表2矿物燃料使用年限
煤
天然气
石油
全球（年）
221
60
39
中国（年）
85
62
19
我国和世界的最丰富矿物燃料资源都是煤，而石油资源将分别在19年和39年内耗尽。
随着我国国民经济的持续稳定发展，我国对于石油的需求也越大。
交通运输是石油的最大用户，汽车工业的发展，以及其他行业对石油需求的增加，都在不断加剧这种资源有限而需求不断扩大的矛盾。
我国从94年起已成为石油（原油和成品油）纯进口国，此后平均每年都递增约1000万吨。
2000年原油进口量已达7000万吨，成品油达3000万吨，花费外汇250亿美元。
估计到2010年，年进口量相当沙特石油产量的一半，在巨大能耗压力下，我国能源安全已成迫切问题，另一方面，汽车使用石油基燃料所排放的污染物，已给大气环境造成严重影响。
从国际汽车发展来看，为适应日越提高的排放要求，减少汽车排放物的主要方面措施有：
（1）发动机方面进行机内和机外净化，
（2）燃料方面从传统燃料发展到含氧燃料、新配方燃料以及采用洁净代用燃料，（3）汽车方面有电动汽车、混合动力汽车以及未来零排放的燃料电池汽车。
多年来，我国为改善大气质量，有关部门努力开发多种车用洁净替代燃料，压缩天然气CNG，液化石油气LPG、甲醇、乙醇、脂化植物油、二甲醚DME等，取得了一定成绩。
主要代用燃料性质，见表3。
表3主要代用燃料的物理化学特性
柴油
汽油
甲醇
乙醇
LPG
CNG
DME
化学组成
C15H28
C7H15
CH4O
C2H6O
C3H9
CH4
C2H6O
分子量
208
99
32
46
45
16
46
C（%m）
86.1
84.9
37.5
52.2
80.0
75.0
52.2
H（%m）
13.9
15.1
12.5
13.0
20.0
25.0
13.0
O（%m）
0
0
50.0
34.8
0
0
34.8
液态比重@20℃（kg/1）
0.840
0.740
0.795
0.790
0.540
0.668
低热值（MJ/kg）
42.7
42.5
19.7
26.8
46.0
47.7
28.4
蒸发热（KJ/MJ）
∽6.0
∽8.0
56.4
33.8
8.6
14.4
研究法辛烷值
95
＞110
＞100
∽100
∽130
十六烷值
45—55
》55
CO2排放（g/MJ）
74.2
73.3
70.0
71.5
63.8
57.7
67.5
LPG：
液化石油气（50%C3H8=50%C4H10）
由燃料物化特性，可了解到各种燃料有关混合气形成和燃烧特性。
气体燃料和醇、醚燃料的分子量比汽、柴油小得多，对燃料和空气的混合、燃烧、抑制碳烟有利。
醇燃料含氧、可促进燃烧更完全，但其热值也下降，其辛烷值高，蒸发潜热大，可用来提高发动机的热效率，降低燃烧温度，减少NOX排放量。
近年我国在一些大城市推广应用燃气汽车，这对缓解大城市的空气污染起到了积极作用。
但是，CNG的输送、压缩、储存、携带不便，车辆续驶距离短，建站费用很高；若天然气液化后（LNG）使用，则耗能很高。
LPG虽易实行，但国内资源很有限，需大量进口。
甲醇由煤或天然气制成，成本低，生产技术成熟，符合我国多煤的国情；它和乙醇一样，可用于汽油机或柴油机。
DME也是由煤或天然气制成，十六烷值高，排气不冒烟，是柴油理想代用燃料；但它在常压下是气体，需要开发特殊的燃料供给系统，目前尚未实用化。
乙醇是由可再生物质制成，是较好的代用燃料，其燃料性质和应用方法都与甲醇差不多。
巴西在政府支持下，自75年起，已在全国大规模推广乙醇燃料。
我国有关部门自前年起，也正在启动利用玉米陈化粮转化成车用燃料乙醇项目。
但我国乙醇生产成本很高（约4890元/吨），从长期看，我国人口世界第一，每年递增1000多万，耕地则在递减，土地资源有限，需用全球7%的土地养活22%的人口，不可能用来大量种植燃料作物。
乙醇作为燃料，政府需大量经济补贴，也有部门正在积极组织煤直接转化为油的产业化项目，但其大规模生产技术还不成熟，需要时间开发示范，国家也组织了电动汽车EV研制，但蓄电池技术，国内外迄今都尚未突破，近期难于实现商业化。
而且，我国主要靠燃煤发电，效率不高。
电动汽车在城市使用，虽可降低城市污染，但只是污染地点转移，对降低全球温室效应气体效果不大。
表4为主要洁净代用燃料应用的综合比较。
表4洁净代用燃料应用比较（2001年初数据）
燃料
资源
售价（元）
行使半径（公里）
年生产量/生产能力
车辆数量
加油站价
汽车
方案
气体代用燃料
压缩天然气
+
2.4/M3
100
240亿M3
13520
400—600
两用
专用
液体石油气
—
2.2/L
400
57680
80—140
两用
专用
液体代用燃料
甲醇
++
1.4/L
450
250万吨/400万吨
200
25
专用
混烧
乙醇
-
4—5L
500
170万吨/500万吨
（30—40）
25
专用
混烧
汽油（93#）
+
3.13/L
600
3200万吨
1200万
150
专用
柴油
+
3.74/L
800
1280万吨
300万
150
专用
从表中比较可以看出：
甲醇不论在资源、价格、续驶半径和加油设施成本等方面，都有很大优势。
甲醇可从煤制取，特别是可利用劣质高硫煤和焦炉气回收制取。
也可自生物质（如林木、有机垃圾等）提取。
甲醇生产是我国化工行业中的成熟产业，生产工艺简单，投资和生产成本都较低。
目前我国甲醇年产能力有400多万吨。
年产量约250万吨，新建一个年产60万吨的装置，投资约20亿元，其生产工艺路线和装备完全可立足国内，并拥有自主知识产权。
还可利用一大批现有约1000个的中小化肥厂联产甲醇。
全国如有一部分小化肥厂联产甲醇，年产量还可容易地增加400万吨以上。
如果作为燃料甲醇来大规模生产和使用，产量增加，还可进一步降低生产成本，因此，甲醇是各种煤制液体燃料路线中，对我国近期可大量获得的最现实和最经济实用的洁净代用燃料。
二、甲醇燃料汽车发展情况
1、国外情况
70年代初，出于政治原因的“石油危机”，使许多国家为了能源安全和平衡外汇，积极寻找石油的代用能源。
在这种力量推动下，醇燃料作为液体燃料，其储运、分配、携带、使用都和传统的汽、柴油差不多，而且其原料资源多，燃烧干净，因而受到国际重视。
1976年许多国家代表在瑞典开了第一次国家醇燃料会议（ISAF），推动醇燃（主要是甲醇和乙醇）发展。
后来随着对大气质量要求提高，发现醇燃料不只可替代石油，而且其汽车尾气排放比汽油和柴油的都更低，对环境也更有利。
因此到了80年代，虽石油价格回落，但发展醇燃料的推动力已转为改善大气环境质量。
除了巴西执行国家乙醇燃料汽车政策，在全国推广使用无水乙醇掺汽油的E22和含水乙醇E95燃料以外，美、德、加、法、日、瑞典、新西兰等发达国家政府和汽车公司，都大力推动醇燃料汽车的研究、试验和示范推广，并由国家议会列为清洁燃料，予以发展。
世界各大汽车厂都在积极研究开发，示范了许多不同方案的醇燃料汽车，如专用优化的醇燃料小轿车（曾是巴西汽车的主流），全醇燃料的大轿车，大卡车等，在醇燃料汽车技术上有很大进展。
美国福特汽车公司首先在生产线上大量生产醇燃料灵活燃料汽车FFV，主要在州和联邦政府部门使用。
对环保要求很高的加州政府，更是积极推动。
但由于石油价格连续下降，世界大的石油跨国公司出于自身利益，又不愿投资增加甲醇的加油设施。
用户不愿使用价昂、加油不便的甲醇，缺少市场推动的甲醇汽车就难发展，连福特公司在前二年也停止了甲醇FFV汽车的生产，但仍继续生产FFV汽车，今年还增加了经济型的FFV新车品种。
到了90年代，由于温室效应使地球表面温度上升的事实得到确认，引起极大重视。
各国首脑协议共同采取措施，减少温室效应气体，醇燃料的推动力便成为减少温室效应气体，保护地球。
乙醇燃料是由生物质制成，在植物成长过程中，通过光合作用，吸取大气中的CO2，可补偿乙醇燃料燃烧过程中排除的CO2，对减少大气CO2有利。
现在，可再生的乙醇燃料受到了国际较大重视。
有些国家的乙醇项目资金也已有来自政府对气候对策的资金，但乙醇高昂的生产成本必须得到政府补贴才有可能推广。
甲醇燃料也可由生物质（如林木、有机垃圾等）制取。
目前主要是从矿物原料（煤、天然气）生产。
在从煤生产甲醇过程中，传统观念认为，会比由石油炼制汽油过程产生较多的CO2，对气候有不利影响。
但由于近年煤综合利用，多联产新技术的问世，将彻底的改变这种局面，此外，甲醇价格无法与汽油竞争，甲醇汽车市场很小，因此研究甲醇汽车的国家逐渐减少。
目前由政府支持的甲醇汽车计划，除了美国的甲醇示范汽车计划还未结束外，只有我国山西受到政府支持的甲醇汽车示范项目。
但是，在去年夏天召开的第13届ISAF国际醇燃料会议上，许多学者认为，到了21世纪初，醇燃料推动力就将是解决世界石油资源真正不足的问题了。
从技术上，醇燃料汽车发展是过M3—M5（汽油中掺入3%—5%甲醇和助溶剂）和E10（汽油中掺10%乙醇）的低比例醇——汽油燃料（发动机不需改装；在欧洲和美国当作汽油出售）；E22（在巴西推广）、M15中比例醇——汽油燃料（德国政府在70年代末80年代初，曾组织大规模的跨越北欧国境的M15车队试验研究和示范；发动机不需做大的改装）；M85—M90，E95高比例甲醇专用、优化的醇燃料汽车，到又可燃烧汽油、又可燃烧任何比例醇——汽油混合燃料的醇灵活燃料汽车FFV（美国、德国、瑞典政府等组织了大规模研究开发，并在加里福尼亚等州，长期示范运行。
福特公司有3升的醇燃料FFV大量生产）。
瑞典去年向福特订购了3000辆新开发的1.6升经济型乙醇FFV汽车在瑞典使用。
FFV主要是解决醇燃料加油设施跟不上时，可用任何比例的汽油行驶。
在柴油机大轿车和卡车上燃烧全醇燃料的优化专用汽车，也有不同的点火方案（如电热塞点火和点火促进剂等），都已获得实际应用。
燃料电池FC是使氢燃料通过电化学作用，直接变成电能，驱动电动汽车，它不受卡诺循环限制，效率
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