第38卷第7期應用化Vol 38 No. 72009年7月Applied Chemical IndustryJul 2009專論與綜述燃料乙醇和車用乙醇汽油的發(fā)展動態(tài)研究吳瑕,顧麗莉!,申立中2,顏文勝,劉佳(1.昆明理工大學化工學院,云南昆明650224;2昆明理工大學交通學院,云南昆明650224)摘要:介紹了燃料乙醇和車用乙醇汽油的發(fā)展與應用。對國內外相關研究報道進行分析,總結出當前乙醇燃料推廣使用存在的問題及應對策略。在此基礎上,通過與巴西、美國乙醇燃料的發(fā)展情況進行對比指出我國目前存在的差距及發(fā)展方向。關鍵詞:燃料乙醇;車用乙醇汽油;發(fā)展動態(tài)中圖分類號:TK418.9文獻標識碼:A文章編號:1671-3206(2009)07-1059Study on the developing trend of fuel ethanol and ethanol gasolinefor motor vehiclesWU Xia, GU Li-li, SHEN Li-zhong, YAN Wen-sheng, LIU Jia'(1. The Faculty of Chemical Engineering Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224,China2 Department of Transportation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China)Abstract: The development and application of fuel ethanol and ethanol gasoline for motor vehicles wereintroduced Current problems and coping strategies in the use of ethanol fuel were concluded. On the de-velopment situations of ethanol fuel, by comparing with Brazil and America, present existing gaps and developing directions in China were pointed outKey words: fuel ethanol; ethanol gasoline for motor; development trenc車用乙醇汽油是指在不含氧化合物的專用汽油推廣應用乙醇汽油以后,一些歐共體國家及印度、泰組分中,按體積比加入一定比例的變性燃料乙醇,由國津巴布韋、南非等國家于90年代也開始實施乙車用乙醇汽油定點調配中心按國家標準GB醇汽油計劃。從此對燃料乙醇和車用乙醇汽油的研18351—2004,通過特定工藝混配而成的點燃式內燃兗應用便迅速發(fā)展起來,并成為各大國際能源研討機車用燃料。變性燃料乙醇是按國標GB18350—會的熱點2。2001,將9.2%(體積)以上的無水乙醇,經過變性國際上日益重視燃料乙醇的開發(fā)及應用,綜合處理后得到的僅供混配車用乙醇汽油的燃料乙醇。起來有以下幾方面的原因:①減少對進口石油的依早在20世紀初就有人將純乙醇作為汽車燃料賴保障本國能源安全。石油資源是保障經濟發(fā)展使用,到了50~60年代隨著石油工業(yè)的迅猛發(fā)展,及國家安全的命脈,但石油資源是不可再生能源,且廉價石油大量供應,燃料乙醇的生產及消費受其影其分布極不平衡。70年代的石油危機和日益上漲響而一度停滯。70年代初的石油危機又使很多國的油價極大地推動了綠色可再生能源的復興。而將家開始積極尋找代用燃料。醇燃料是液體燃料,可乙醇用于交通運輸業(yè)則是該方面的一個成功實例;以利用原有的儲存運輸及分配的基礎設施,不需要②改善汽油的燃燒及排放性能降低有害物排放量,更多投資,于是受到重視。其中乙醇由于其生產工提高環(huán)境質量。由于乙醇本身含氧,與石油燃料相藝相對成熟,理化性質較接近于汽油,可與汽油按任比,燃燒更加完全,有研究表明,汽油中加入一定量意比混溶等優(yōu)點成為許多國家重點發(fā)展的石油替代的乙醇后排放物性能明顯改善,NO、CO和未燃燒燃料。乙醇汽油也被認為是目前乃至短期內交通運完全的烴的含量大大降低。此外,乙醇的辛烷值輸燃料的首選。繼巴西和美國分別在70年代初高抗爆性能好,發(fā)動機可以使用更高的壓縮比提收稿日期:20090507修改稿日期:200906-10基金項目:國家自然科學基金資助項目(50766001/F0607作者簡介:吳瑕(1984-),女(滿族),遼寧建平人,昆明理工大學在讀碩士,師從顧麗莉教授,主要從事精細化工、表面活性劑研究。電話:15887214209,E-mlil:wuxi_13@126.cm100應用化工第38卷高熱效率和動力性;③有利于農業(yè)生產和農業(yè)產業(yè)大得多。這主要是由于后兩者在生產燃料過程中充化。谷物、甘蔗、甜菜、薯類、秸稈、稻谷等許多農產分利用了生物質(木質素和甘蔗渣)的緣故。目前品及殘余物都可生產乙醇,因此擴大乙醇產量,可以巴西甘蔗乙醇的凈能量比NER約為8.0(NER=可穩(wěn)定及促進農業(yè)生產,增加農民收入,同時有利于農再生能源釋放的能量/生產可再生能源消耗的能業(yè)產業(yè)化;④增加職業(yè)崗位,解決失業(yè)問題。用農量)H。此值還將隨著燃料乙醇生產工藝的改進、業(yè)、林業(yè)等生物質生產乙醇是高新技術與密集型勞甘蔗產量的增加而進一步提高。美國阿貢國家實驗動相結合的產業(yè)。據巴兩有關部門對燃料乙醇產業(yè)室研究得出纖維素乙醇的NER值約為77。與石油燃料產業(yè)每當量能源單位就業(yè)人數對比分1.2轉移農業(yè)資源,引起用糧危機析,其比例在152:1左右。而我國農業(yè)生產效率較目前燃料乙醇的原料主要為糧食作物,但世界低,工業(yè)化整體水平與巴西相當,以此為基點判斷分上幾乎沒有哪個國家可以大量種植能源作物而不損析兩者的比例不應低于巴西;⑤以乙醇代替甲害糧食產量的。如果盲目增加乙醇產量,則有可能基叔丁基醚(MTBE)。過去世界上很多國家為了引起用糧危機,出現人車爭糧的問題。例如美國主提高汽油抗爆性能改善燃燒在汽油中摻入少量的要以玉米為原料生產燃料乙醇,近幾年隨著燃料乙MTBE。但美國研究發(fā)現,MTBE會污染水資源因醇產量的飛速增長,玉米價格也上漲許多。2006年此美國決定要逐步禁止向汽油中添加MTBE,而以以前,美國每千克玉米的價格不到0.12美元,而到乙醇代替了2008年每千克玉米的價格平均在0.22美元左1乙醇燃料推廣使用當前存在的問題及應對右。因此近幾年全球范圍內反對燃料乙醇的呼策略聲不斷高漲。自20世紀70年代起,全球燃料乙醇的產量一但我們應該清醒認識到這只是技術上的問題,直保持增漲態(tài)勢。由1975年的160萬t增長到并不是燃料乙醇本身的問題。原料多元化是緩解糧2005年的2440萬t,其中美國和巴西燃料乙醇的產食危機的有效方法。20世紀80年代起,各國便開量之和約占全球產量的69%。但與此同時也不可始積極探索使用植物纖維素生產燃料乙醇的新技避免的帶來了一些負面影響和質疑的聲音。術。秸桿、稻殼、樹枝、落葉等均屬于植物纖維。這1.1能量消耗大,經濟性差技術一旦應用不但會解決人車爭糧的問題,還會直以來,燃料乙醇較髙的生產成本是限制其繼續(xù)降低燃料乙醇生產成本推動其新一輪的發(fā)展。發(fā)展的主要原因。雖然生產燃料乙醇的成本在不斷巴西最大的甘蔗乙醇生產集團德蒂尼宜布將從降低,但目前除巴西以外,其價格較普通汽油都不具2012年起正式用植物纖維素生產乙醇并計劃在有競爭優(yōu)勢,經濟性較差。5年后能夠具備日產5萬升纖維素乙醇的能力16要從根本上降低燃料乙醇的生產成本主要有以美國為了促進纖維素乙醇的發(fā)展2005年頒布的美下方法:改進燃料乙醇生產工藝;降低能量消耗;搞國能源政策法案( EPACT)制定了一系列優(yōu)惠政好副產品綜合利用。策。與此同時,日本也在積極研發(fā)纖維素乙醇的其中在能量消耗方面一直存在著爭議。 Pimen-生產方法。2008年有媒體報道,日本東京工業(yè)大學tel等飼發(fā)表了一系列文章論述:由玉米每生產已經研發(fā)出一種能夠使用稻桿和其它廢料生產生物1加侖乙醇所消耗的化石能源的能量是乙醇所含乙醇的方法,可使生物乙醇成本降低30%。能量的1.7倍。與 Pimentel等人研究形成對比的2006年我國也明確提出發(fā)展燃料乙醇“因地制是,有研究發(fā)現由各種作物生產乙醇的凈能量產出宜,非糧為主”的原則。在保證現有的糧食乙醇生值均為正值。產生對立結果,主要是由于所做產的基礎上,燃料乙醇生產企業(yè)的發(fā)展主要是2個假設條件和副產物的綜合利用方式不同。2004年,方向:一是木薯乙醇;二是纖維素乙醇。加拿大的 logen公司與加拿大石油公司合作投產了1.3與水的互溶度問題世界上最大的纖維素廢料生產乙醇裝置。它以稻草研究表明,在汽車上使用低比例乙醇燃料時,發(fā)和木屑為原料生產,這使它在汽車中燃燒時產生的動機可以不做變動(變性燃料乙醇含量不得大于能量遠遠高于生產時耗費的能量,在能量的凈產出20%)。但因乙醇是一種極性物質,在與非極性的方面令人不容置疑。并且, logen公司已使該生產技烴類調和時,只要有微量的水存在,就可能由于羥基術的成本降到了0.35美元/升。和水分子形成的氫鍵而引起相分離,從而對汽車發(fā)由各種研究和生產實例得到的較一致的結論動機造成腐蝕損壞。這種現象在低比例乙醇汽油中是:以玉米生產燃料乙醇的凈能量產出為正值,但是容易出現,這可由水乙醇汽油體系三元相圖看很小;以植物纖維和甘蔗生產乙醇的凈能量產出則出3。為此各國均在變性燃料乙醇和車用乙醇汽第7期瑕等:燃料乙醇和車用乙醇汽油的發(fā)展動態(tài)研究1061油標準中對水含量做了嚴格規(guī)定1。并在乙醇乙醇汽油試驗工作,已基本摸清了乙醇汽油在使用汽油生產、調和、貯運、銷售、使用過程中采取相應措過程中的問題和解決辦法,并在河南、安徽黑龍江施防止水分的混人。雖然生產無水乙醇的脫水方吉林遼寧五省全境和山東、江蘇、河北湖北四省的法在不斷改進,但脫水過程在醇類生產過程中仍是部分地區(qū)使用乙醇汽油。成本較高的一步3,這無疑不利于車用乙醇汽油2000年以來,我國燃料乙醇產量大幅上漲。由的推廣。為此,自20世紀80年代初各國研究人員2002年的不足3萬t,到20065年的160余萬t,成為嘗試以含水乙醇(乙醇含量不大于9557%)替代無世界第三大燃料乙醇生產國。但我國在燃料乙醇生水乙醇調配車用乙醇汽油產方面仍存在一些問題有待解決。含水乙醇汽油對水的容忍度主要取決于以下幾2.1原料價格方面:①混合物中乙醇的濃度。乙醇汽油中乙醇的我國生產燃料乙醇的原料成本占總成本的絕大含量越高,其能增溶的水也越多;2環(huán)境溫度。環(huán)境部分。根據科爾尼公司200年7月提供的《中國燃溫度越高乙酶汽油對水的容忍度越大:③汽油調合料乙醇產業(yè)現狀與展望—產業(yè)研究白皮書),分組分油的化學組成特別是其中的芳烴含量。芳烴含量越高,調合成的乙醇汽油對水的容忍度越大。析表明:中國玉米成本高于美國近80%左右,且我起初為了不增加含水乙醇汽油的成本,只是單國每生產1t乙醇需要3.3t玉米,而美國僅需要的研究水乙醇汽油體系的三元相圖,尋找合適28t玉米。此外,我國還缺乏對適合生產乙醇的非的單相配比。1982年美國的RmS和 Santee F農作物的培育F2研究了含水乙醇與汽油的混溶性,并在未作硬件調整的四缸火花點燃式發(fā)動機上進行試驗,考察燃料乙醇生產要消耗大量的能量和水。能量消含水乙醇汽油的工作性能及排放性能。結果表明,耗一直是爭論的焦點。但隨著生產工藝的不斷改將水、乙醇汽油按一定比例混合作為車用燃料是可進,國際先進水平已經縮減到少于每加侖產品行的。為了在更廣的乙醇汽油配比及溫度范圍內使400008m(1Bu=0.25千卡),而乙醇的總熱值是用車用含水乙醇汽油,有了向含水乙醇汽油中加入每加侖8400Bu。種或幾種表面活性劑的研究,。水資源的消耗各國相差較大?，F有技術由玉米2燃料乙醇和車用乙醇汽油在我國的發(fā)展每生產1L乙醇需水3-4L:巴西用甘蔗生產乙醇,動態(tài)耗水量大,每生產1L乙醇至少需水12L;我國我國開展車用乙醇汽油的研究及應用始于20生產1L乙醇需要消耗9.5L水;而美國這一數字世紀80年代。200000年,原國家經貿委組織是14L國內有關科研單位對乙醇作為車用燃料的可行性及2.3生產工藝其應用技術進行了系統研究。研究得出:我國推廣我國現有4家燃料乙醇生產企業(yè)(如表1所使用車用乙醇汽油在技術上是完全可行的,在現有示),目前每生產1t燃料乙醇約虧損800元,因此汽車發(fā)動機不作改動的情況下建議車用乙醇汽油國內4家糧食燃料乙醇生產廠都要依靠國家財政補中的燃料乙醇含量不大于10%。經過幾年的車用貼支持。表1我國燃料乙醇生產企業(yè)概況Table 1 Chinas fuel ethanol prod原料供應區(qū)域藝吉林燃料乙醇有限公司玉米吉林、遼寧采用奧地利奧高市殊公司的工藝技術黑龍江華潤酒精有限公司玉米采用國際先進水平的HNT技術和CMS工程自動化控制進行燃料乙醇生產河南天冠燃料乙醇有限公司河南湖北河北等13個地市采用小麥制粉,分離麩皮、谷朊粉工藝與1/3雜糧(玉米、薯類)相結合的工藝路線安徽豐原燃料酒精有限公司玉米安徽、山東、江蘇河北等14個地市濕磨粉碎工藝2.4汽車發(fā)動機的改進加人到汽油中會使燃料的揮發(fā)度明顯增大,使發(fā)動由于乙醇與汽油的理化性質有一定差別,在汽機容易產生氣阻。pH值和電導率的變化會加重乙油中加入燃料乙醇后,會引起油品理化性質及使用醇燃料對金屬材料的腐蝕。另外,有研究認為性能的一系列變化。如餾程、pH值、電導率、熱值、乙醇汽油遇水易分相的現象也會加重對發(fā)動機金屬冷起動性能、動力性能、發(fā)動機材料兼容性等。乙醇材料的腐蝕2。因此,以無鉛汽油為燃料的普通汽應用化工第38卷車已經不能完全適應新型燃料的特性,特別是燃料技術改進是必行的一步。中含大比例乙醇的情況表2將我國乙醇燃料的發(fā)展情況與巴西、美國我國目前使用乙醇燃料的汽車發(fā)動機并未做調進行了簡要對比,以期尋找差距確定發(fā)展方向。整,但要順應乙醇燃料的發(fā)展,則將汽車發(fā)動機進行表2巴西、美國、中國乙醇燃料發(fā)展情況對比Table 2 The comparison of ethanol fuel development situation in Brazil, America and Chir國家生產成本推廣使用范圍使用車型目前使用的乙醇燃料西0.15全國,并成功將乙醇燃料使用含水乙醇發(fā)動機含水乙醇、乙醇汽油(乙醇0.20美元/升應用于航空領域驅動的汽車;普通汽車;靈活含量20%-25%)燃料汽車MEG燃料,乙醇柴油美國約90%為玉米中北部,西部各州實行普通汽車;靈活燃料汽車乙醇含量10%以下的乙醇高粱、其他10%0.33美元/升區(qū)域封閉銷售汽油,及E85乙醇汽油中國玉米50.30%,暮類2289部分省市封閉推廣普通汽車E10乙醇汽油高粱13.35%,小麥2.1%,0.46美元/升①糖蜜11.35%注:①本數據由2006年國家發(fā)布的燃料乙醇成本數據及當年匯率折算得到。3結束語& Fuels,1996,10:816820綜上所述,燃料乙醇的生產及車用乙醇汽油的[2]Rins, Sanies FF. Water-ethanol-gasoline blends asspark ignition engine fuels[ J]. Fuel, 1983, 62: 117-121使用推廣經過30余年的發(fā)展在一些國家已經日趨3] Gary J G, Tsung YY. Water tolerance of gasoline-meth-成熟,并且取得了良好的經濟和社會效益,這在實踐anol blends[J]. Ind Eng Chem Res, 1990, 29: 1630上對燃料乙醇予以了肯定。雖然目前在燃料乙醇的推廣使用方面還存在一些爭議和問題,但目前看來[4]張以祥,曹湘洪,史濟春燃料乙醇與車用乙醇汽油并不是不可解決的。不可否認乙醇燃料是目前技術[M].北京:中國石化出版社,2004最成熟,也是最可行的石油替代燃料。[5 Balabin R M, Syunyaev R Z, Karpov S A. Quantitative發(fā)展燃料乙醇只是部分替代石油燃料的方式之heasurement of ethanol distribution over fractions of eth-。必須認識到對于當今世界范圍的能源危機和環(huán)anol-gasoline fuel[ J]. Energy Fuels, 2007, 21: 2460境問題,不是某一燃料或某種技術就可以完全解決的。這需要我們努力建立起一個以可再生資源為原[6] Pimentel D. thanol fuels: energy balance,economics, and料的替代能源體系,與燃料乙醇一起為人類的能源nvironmental impacts are negative [J]. Natural Resources Research, 2003, 12: 127-134.需求服務。[7] Patzek T W, Pimentel D. Thermodynamics of energy pro-在我國,為使乙醇燃料走上健康發(fā)展的道路,應duction from biomass[ J ]. Critical Reviews in Plant Sci處理好以下問題:①立足國情,合理規(guī)劃燃料乙醇產enc8,2005,24:327-364業(yè)布局。制定和完善產業(yè)政策,并在稅收政策及法[8] Pimentel d. Ethanol fuels; energy, economics and evi-規(guī)上給予支持;②改進燃料乙醇生產工藝,搞好副產ronmental impact[ J]. Intermational Sugar Joumal, 2001物的綜合利用降低生產成本;③加強國際合作,縮短與國外的技術差距,并解決好原料多元化問題;④[9] Giampietro M, Ulgiati S, Pimentel D. Feasibility of large開發(fā)和利用靈活燃料車,拓展燃料乙醇產業(yè)的發(fā)展scale biofuel production [J]. Bio Science, 1997, 47:587空間。總之,在發(fā)展乙醇燃料的過程中一定會有兩面00 aboski M S. Ethanol productio: A net energy winner性存在,但可以確信的是,不可再生能源必定將被可03-28再生能源所取代。而乙醇燃料的發(fā)展是順應這一趨11] Shapouri H, MeAloon A. The 2001 Net Energy Balance勢的,我們要做的是最大程度的減小在發(fā)展燃料乙of Corm-Ethanol[ M]. Washington DC: US Department of醇及車用乙醇汽油過程中潛在的負面影響,發(fā)揮其Agriculture, 2004最大優(yōu)勢為人類服務。[12] Wang M. Development and use of GREET 1.6 fuel-cycle參考文獻model for transportation fuels and vehicle technologies[R]. Ilinois: Argonne National Laboratory Center for1] Karaosmanoglu F, Isuigigur A, Aksoy H A. Efects of aTransportation Research, 2001new blending agent on ethano- gasoline fuels[J] Energy[13]李仲來,魏明華燃料乙醇的生產及應用概況[門],化第7期吳瑕等:燃料乙醇和車用乙醇汽油的發(fā)展動態(tài)研究1063工設計通訊,2008,34(3):5360to render mixtures of gasoline and the ethanol-water azeo-[14 Cerqueira Leite RCde, Verde Leal MRL, Barbosa Cortextrope miscible[J]. Separation& Purification MethodLA, et al. Can Brazil replace 5% of the 2025 gasol1983,12(2):143-176.[23] Monica B, Gramajo de D, carloe M B, et al.( Liquid+[15]Keeney D. Ethanol USA[J]. Environ Sci Technol, 2009liquid )equilibria of temary and quatemary systems with43(1):8-11two hydrocarbons, an alcohol, and water at 303. 15 K.[16]倪蓓.國外燃料乙醇發(fā)展動態(tài)[J].石油商技,2008Systems containing cyclohexane, benzene, ethanol, and(2):9-11ater[J]. J Chem Thermodynamics, 2003, 35:2055-[17]郭廷杰美、日利用纖維素生物質原料制燃料乙醇的技術開發(fā)[門]能源技術,2004,25(2):6163[24]Barton A F M, Tjandra J. Eucalyptus oil as a cosolvent in[18]田棲靜郭新光,楊國勛,等.GB18350-2001變性燃water-ethanol-gasoline mixtures[J]. 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Energydiagrams for gasoline-water-alcohol mixtures[J].Fuel& Fuels,1996,10:8168201986,65:891894[22] GeorgetonG K, Sommetfeld J T Identification of additives(上接第1058頁)3結論(1)利用十六烷基二甲基叔胺、乙二醇和氯化亞砜合成了十六烷基二甲基(2-亞硫酸)乙基銨,與高效滲透劑OP-10和分散劑聚環(huán)氧琥珀酸復配,形成一種高性能的環(huán)保型復合粘泥剝離殺菌劑,對硫酸鹽還原菌鐵細菌和異氧菌均有良好的殺滅效果。(2)由于在殺菌劑中加入了分散劑聚環(huán)氧琥珀酸,進一步提高了其分散粘泥的能力;而在殺菌劑中加入的滲透劑oP-10,使其更容易滲透到管壁的粘泥中,從而起到剝離粘泥的作用。圖2 CPESA的生物降解圖(3)復合粘泥剝離殺菌劑具有良好的生物降解Fig 2 Biodegradability of CPESA性,其在28d的降解率達到了85%以上;同時具有由圖2可知, CPESA的投加濃度為100mg/L很好的緩蝕性能濃度為50mg/L時,其緩蝕率達到時,隨著降解時間的延長,降解率逐漸增大,在第7d了90%以上其降解率就達到了57%以上,在28d的降解率達到了85%以上。因此,該復合粘泥剝離殺菌劑具有較參考文獻好的生物降解性。這可能是由于微生物攻擊鏈烷烴[1]靖朝強,歐天雄.多功能殺菌劑的合成及其性能研究的末端甲基由混合功能氧化酶催化,生成伯醇,再[J].工業(yè)水處理,2003,23(10):5051進一步氧化為醛和脂肪酸,脂肪酸接著通過B氧化[2]馬家驥關建寧,兵季銨內鹽型殺生劑的合成]進一步代謝。有些微生物攻擊鏈烷烴的次末端,在江蘇化工,1995,23(1):26-28鏈內的碳原子上插入氧。這樣,首先生成仲醇,再進[3]鄭淳之梅建水處理劑和工業(yè)循環(huán)冷卻水系統分析方法[M].北京:化學工業(yè)出版社,2000214217一步氧化,生成酮酮再代謝為酯酯鍵裂解生成伯[4]魏剛許亞男阻垢劑的可生物降解性研究[』]北京醇和脂肪酸。醇接著繼續(xù)氧化成醛羧酸羧酸則通化工大學學報,2001,28(1):5962.過B氧化進一步代謝。