毕业论文：甲醇汽油应用研究.doc

1、 目 录 1 前言 . 1 1.1 能源结构 . 1 1.2 甲醇作为燃料的发展过程 . 1 1.3 甲醇汽油的国内外研究现状及发展前景 . 2 1.3.1 国外研究现状及发展前景 . 3 1.3.2 国内研究 现状及发展前景 . 4 2 甲醇汽油的生产与使用技术 . 7 2.1 生产工艺 . 8 2.1.1 合成气的制造 . 8 2.1.2 甲醇的合成方法 . 8 2.1.3 天然气法合成甲醇生产工艺举例 . 8 2.2 甲醇与汽油的掺烧方法 . 11 2.2.1 化学混合法 . 11 2.2.2 量孔掺配法 . 11 2.2.3 雾化混合法 . 12 2.3 发动机燃用甲醇的方式 . 12

2、 2.3.1 掺烧 . 13 2.3.2 纯烧 . 13 3 甲醇、汽油及甲醇汽油之间性能比较 . 14 3.1 甲醇及汽油的燃料性质比较 . 14 3.2 汽油与甲醇汽油的比较 . 17 4 甲醇汽油主要技术问题的改进 . 20 4.1 甲醇汽油的稳定性 . 20 4.2 改进甲醇汽油的动力性 . 20 4.3 改善甲醇汽油的腐蚀性 . 21 4.4 抑制甲醇汽油的溶胀性 . 21 4.5 改进甲醇汽油的气阻性 . 21 4.6 改善甲醇汽油的冷启动性 . 21 5 结 论 . 25 参考文献 . 26 甲醇汽油应用研究 摘 要 ：能源危机是当今世界亟待解决的重大问题之一，石油作为一种重要的

3、能源在未来的几十年内能面临枯竭。在短短的 30 年期间世界发生了四次严重的石油危机，而且每次石油危机之后都会导致经济衰退的发生。 第一次石油危机由于 1973年 10月第四次中东战争爆发。 第二次石油危机从 1978年底至 1979年 3月初，伊朗停止输出石油。 第三次石油危机 (1990年 )1990年 8月，伊拉克入侵科威特。 第四次石油危机自 2006年年底以来，油价开始大幅飙升，到 2007 年，国际原油价格已经上涨至 70美元左右。 而汽车是石油消费的重要用户，车用燃料是我国石油消费增长的最大驱动力，用于汽车的石油消耗占到石油总消耗量的 40以上。因此，全球各国都在积极调整自己的能源

4、安全战略 论文对甲醇汽油的理化性能 ,动力性能 ,环境影响等方面作了详细的论述 ,得出了甲醇汽油作为替代燃料的优势和技术方面存在的不足 ,其中技术方面问题主要有 :甲醇汽油的相溶性 ,气阻与挥发损失 ,启动问题 ,腐蚀性 ,甲醇对橡胶部件的溶胀性等 ,并进一步对这些问题提出了改进和完善的措施 ,使甲醇汽油能更好地服务人类 ,此论述对甲醇汽油的开发和应用具有重大现实意义。 关键词 ： 甲醇汽油 性能分析 技术改进 1 前言 1.1 能源结构 世界能源结构以化石能源为主，化石能源在较长时期内仍然是人类生存和发展的能源基础 目前全世界能源年总消费量约为 134 亿吨标准煤，其中石油、天然气、煤等化石

5、能源占 85%，大部分电力也是依赖化石能源生产的，核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热等能源仅占 15%。化石能源价格比较低廉，开发利用的技术也比较成熟，并且已经系统化和标准化。虽然发达国家遭受 70年代两次石油危机打击后，千方百计摆脱对石油的过度依赖，但是 今后 20 多年里，石油仍然是最主要的能源，全球需求量将以年均 1.9%的速度增长；煤仍然是电力生产的主要燃料，全球需求量将以每年 1.5%的速度增长。可见化石能源仍然是我们在这个星球上赖以生存和发展的能源基础，但化石燃料的日渐枯竭也是人类所面对的一个重要的问题。 提起甲醇燃料 ,必然会提到世界将来的能源发展结构。据美国能源部和

6、世界能源理事会的一项预测表明 ,全球的石油生产将于 2010-2050年间达到顶峰。他预测全球化石类燃料资源的可开采期分别为 :石油 39年 ,天然气 60年 ,煤 211年。随着石油能源的大量开采和石油资源 的日益短缺 ,世界的化石能源必将会向以煤和天然气为主的能源结构发展。 前几年 ,在我国的能源消费中 ,煤炭持续占到总能源消费的 75%。近年来随着石油进口的大量增加 ,煤炭消费仍保持在 67%的绝对地位。据国家有关部门的统计预测 ,2010年 ,中国能源消费结构中煤炭、石油、天然气、水电、核电将分别占到 62.6%、 29.6%、 7.1%、2.6%、 0.8%。可见我国以煤为主的能源消

7、费结构在近、中期内不会改变。 甲醇汽油是车用燃料替代，是新能源的重要组成部分。甲醇汽油是一种 “ 以煤代油 ” 路径，可以作为汽油的替代物从而实现对原油的 部分替代。其主要是将汽油中掺入一定比例的甲醇，其中甲醇掺入量一般为 5 20，以掺入 15者为最多，称 M5 甲醇汽油。抗爆性能好，研究法辛烷值 (RON)随甲醇掺入量的增加而增高，马达法辛烷值(MON)则不受影响。燃料排出物的毒性比普通含铅汽油小，排气中一氧化碳含量也较少，燃烧清洁性能良好。一般还有 M5、 M10、 M25 、 M85、 M90 。 1.2 甲醇作为燃料的发展过程 1 甲醇是最简单的可以大规模工业合成的液体有机化合物。因

8、其特性和汽油相似 ,可以方便地储存、运输和添加等 ,备受人们的关注。在内燃机动车的 洁净替代燃料中 ,甲醇具有无可比拟的优点。天然气是甲醇燃料的最大竞争对手 ,但天然气难以液化 ,储存、运输和添加带来的严重安全隐患使人们望而生畏。乙醇除由石油路线合成外 ,可以采用粮食发酵方法生产 ,但乙醇合成成本远大于甲醇 ,不利于大规模作为内燃机燃料使用 ,只可以部分替代。 醇类燃料的使用可以追溯到第一次世界大战。当时由于汽油的短缺和战争的需要 ,欧洲军队使用乙醇掺合汽油作为燃料。后来由于乙醇带来的不稳定性和甲醇合成工业的迅猛发展 ,甲醇合成成本大幅下降 ,使甲醇取代乙醇作为汽油的替代品。后来由于石油工业的

9、迅猛发展而使甲醇 燃料的进一步应用受到限制。 20 世纪 70 年代 ,由于两次严重的石油危机 ,汽油价格直线上升 ,促使人们寻求不依赖于石油的替代品。当时甲醇生产能力过剩 ,可由煤和天然气等原料生产 ,成为替代汽油作为内燃机燃料的首选。 80年代以来 ,虽然国际石油价格下降 ,趋于稳定 ,但由于对石油危机的担心和汽车尾气对大气环境的污染 ,不依赖于石油的环保型汽车受到重视 ,而甲醇燃料正符合这一需求 ,从而得到了快速发展。 90年代后期 ,曾一时高昂的石油价格 ,使世界各国政府再次认识到石油燃料的危机性 ,从而又一次促进了甲醇燃料车的发展。 甲醇由碳、氢、氧三 种化学元素组成 ,含氧量达 5

10、0%,且有燃烧速度快、放热快、热效率高的特点 ,加入到汽油中 ,可提高汽油的辛烷值 ,减少大气污染物的排放。早在 20世纪 70 年代 ,西欧国家就有加入 4%的甲醇掺合汽油出售。汽油中掺烧 3 5%的甲醇 ,发动机无需作任何改动 ,运转正常 ,也未发现难启动的问题 ,效果良好。汽油中掺入 15 25%甲醇时 ,需加入助溶剂 ,汽车发动机应作相应调整。甲醇含量达 85%的掺合汽油或纯甲醇内燃机机动车也在研究和开发中。 除国家重点支持的有关科研开发项目外 ,各部门和科研院所也进行了大量的应用开发研究。四川西南化工研究院 对掺烧 15%甲醇汽油的汽车运行研究表明 ,只要对汽车结构作微小的改动 ,甲

11、醇燃料在汽车的动力性能和尾气排放污染物上与纯汽油相近。四川鄂西化工厂用解放牌汽车和东风牌汽车各一辆 ,进行了 5%甲醇汽油和 70 号汽油的道路行车对比实验。结果表明 ,在公路、山路和坡路上行使 ,以甲醇汽油为燃料的汽车行车速度快 ,而且无论空车还是负载车 ,甲醇汽油比纯汽油用量省 ,节约了燃料 ,同时也减少了尾气污染物的排放 ,有利于保护环境。在山西省政府和国家经贸委的支持下 ,由山西晋南机械厂和山西大同汽车厂制造的 50部甲醇中巴车已投入商业示范运营 ,采用的是 85%甲醇汽油混合燃料。经过 1998 1999年间的运营 ,在经济性和汽车尾气排放方面均显示出甲醇汽车的优越性。 1.3 甲醇

12、汽油的国内外研究现状及发展前景 20世纪 60年代，为了净化内燃机的排气，一些国家对低污染的醇燃料发生兴趣，开始进行研究。 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外汇平衡，积极寻找石油的代用能源。在这种力量推动下，由于醇类燃料是液体燃料，其储运、分配、携带、使用都和传统的汽油、柴油相差无几，而且其原料资源丰富，因而受到国际重视。 1976 年许多国家派代表在瑞典召开了 第一次国际醇类燃料会议 (ISAF)，推动醇类燃料 (主要是甲醇和乙醇 )发展。随着对大气质量要求的提高，人们发现醇类燃料不仅可替代石油，而且其汽车尾气排放比汽油和柴油的都低，对环境更有利。因

13、此到了 80 年代，虽然石油价格回落，但发展醇类燃料的推动力己转为改善大气环境质量。美、日、加、德、瑞典、法、巴西、新西兰等国家政府和一些汽车公司，都大力推动醇类燃料汽车的研究、试验和示范推广。 1.3.1 国外研究现状及发展前景 美国是推广甲醇燃料最有力的国家，政府确立以能源部 (DOE)为中心，环保署(EPA )、运输 部 (MOT)等机构密切配合，并与国际能源机构广泛合作，对甲醇燃料的推广应用发挥积极的指导作用。加州能源委员会 (CEC)从 1978年开始燃用 M85甲醇燃料的试验。 1983 年组织了 500 多辆汽车进行了车队试验。 MOT 将多种 M100 甲醇发动机装在公交汽车上

14、进行了营运试验，其中有火花塞助燃式甲醇发动机，如通用公司的二冲程压燃式甲醇发动机等。此外， DOE 计划将甲醇汽车作为联邦政府用车，并有 10 多辆作为政府用车的甲醇汽车在加利福尼亚和伊利诺斯两州的寒冷地区投入使用。截至 1995年，已有 12700辆甲醇汽车在加州投入营运 ，其中 400多辆公交车上装置了 DDC公司生产的6V92压燃式甲醇发动机 2。 1973 年，日本通产省责成日本汽车研究所 (JARI)和新能源综合开发机构 (NEDO)进行甲醇燃料的基础研究。在通产省的资助下， JARI于 1980年开始甲醇燃料的实用性研究 ;1983年又着手研究重型车用甲醇发动机。截至 1994年

15、3月， JARI 对不同型号的 32辆甲醇汽车进行了道路试验，车辆行驶里程最短为 4,300km，最长为 7,100km 。 1984年 5 月，日本汽车运输技术协会 (JATA ), JARI 和 NEDO 作为制定团体参加国际 能源机构组织签订的 “ 关于汽车甲醇燃料及混合甲醇研究开发计划的实施协定 ” 。 1984 年 6月，运输省成立了 “ 汽车用甲醇燃料特别委员会 ” ，以降低汽车排放和燃料多样化为目标，将甲醇燃料引入重型载重车和公交汽车使用领域，公布了甲醇车辆的试验计划，加快了甲醇燃料的可行性研究。 1985 年 3 月，在运输省的倡议下， 54 家私营公司合资组建了 “ 日本甲醇

16、汽车有限公司 ” ，从事 M100 甲醇汽车研究开发、 M100 加油站的建设和相关车辆的改装。到 1993年 3月，该公司共向汽车运输公司推销了 M100 甲醇汽车 572辆 ;此后，该公司重组并改名为 “ 低公害车辆普及机构 (LEVO)” 。 丰田公司从 1980 年起就开始了甲醇汽车的开发，进行了燃用任意浓度甲醇的可行性研究。五十铃公司从 1986年开始对 ELF型 M100甲醇汽车进行车队试验，历时 6年，1992 年年底 ELF 通过鉴定，正式注册营运，当时投放市场 188 辆甲醇汽车。三菱公司开发 M85甲醇客车动力装置及 FFV，并成功地研制了 4D32甲醇发动机。 加拿大政府

17、为了减少对石油进口的依赖，发挥甲醇生产大国的优势，同时满足不断严格的排放法规，积极推广甲醇燃料的应用。加拿大能源委员会 (NEB)认为，发展甲醇燃料 有利于环境保护，具有战略意义，必须普及甲醇燃料，政府主导企业和私营汽车企业都要开展甲醇发动机的研究。 1985 1989 年期间，加拿大政府共投资 800 万美元用于大型甲醇发动机的研制开发，承担了开发经费的 50 ;政府还计划资助甲醇轿车的开发 ;通过与美国福特公司的技术合作，开发甲醇与汽油混合比例可变的 FFV。 此外，加拿大还与美国、瑞典和前联邦德国一道在 IEA或 AFT等国际会议的组织中发挥领导作用。 前联邦德国早在 1974 年就开始

18、了甲醇燃料在汽车发动机上的应用研究，政府在政策和资金等方面给予了重点扶持。初期 进行车队试验的甲醇汽车有 56 辆，行驶距离多半超过了 100000km，有的达到了 260000km;试验中车辆排放性能良好，验证了甲醇汽车投入使用的可行性。从 1984年起，对 200辆燃用 M85甲醇燃料的轿车进行了车队试验，之后又对燃用 M100 甲醇燃料的汽车进行了试验。大众公司甲醇车队试验的行驶里程达到了数 10 万千米，其动力分别装用了曼公司、奔驰公司和道依次公司研制的甲醇发动机。 1986年，大众公司向洛山矶奥运会捐赠了 400辆甲醇灵活燃料轿车 2。 瑞典是一个能源缺乏的国家，多年来一直致力于代用

19、燃料的研究开发工 作，并把甲醇放在至关重要的位置。在政府资助下，以瑞典燃料公司为中心，对 1000 辆燃用 M15甲醇燃料的汽车进行车队试验，同时对来自沃尔沃、萨伯、福特、丰田、三菱和马自达等厂家的燃用 M85 M100甲醇燃料车进行了车队试验 2。 沃尔沃公司开发了二次喷射甲醇发动机，装置甲醇发动机的公交车和载重车也进行了车队试验。 英国和法国是以 1986 年的巴黎 AFT 国际会议为契机，开展甲醇燃料发动机的研究的，起步较晚。意大利、丹麦、芬兰、西班牙和南斯拉夫等国也是在 1986 年的 AFT 会议后对甲醇燃料做出反应的。 南美的巴西已将 甲烷燃料汽车商品化，之后对甲醇汽车进行了车队试

20、验 ;乌拉圭也对甲醇燃料产生了极大的兴趣。 亚洲的印度研究甲醇燃料较早，以印度技术学院和印度石油学院为主，马德拉斯大学和 ANA 大学等积极参与，开展了广泛的研究，在 1982 年奥克兰 AFT 国际会议上发表多篇关于甲醇燃料的研究论文，在 1986 年巴黎 AFT 国际会议上发表了关于四冲程甲醇发动机的论文，还发表了二冲程甲醇发动机方面的论文。 大洋洲的新西兰是 1982 年 AFT 国际会议的举办国，已进行了纯甲醇汽车的车队试验。澳大利亚已有甲醇汽车正式投入市场营运。 1.3.2 国内研 究现状及发展前景 2,3 我国在甲醇燃料方面的研究开发工作起步较早，上世纪 70 年代初期有少数大专院

21、校、科研部门和个别汽车制造企业开始了甲醇燃料汽车的研究工作，并取得了一定进展。在 “ 六五 ” 期间，国家科委与交通部和山西省共同组织，在山西省进行 M15 25甲醇燃料的研究试验，共有 480 辆货车参与了试验及示范工作。在此期间还建设了 4个甲醇燃料加注站，并且通过加入适量杂醇等助剂，在解决甲醇燃料在使用过程中与汽油的相溶性方面积累了许多经验。在 “ 七五 ” 期间，由国家科委组织，中国科学院牵头并由大专院校、汽车、环境、卫生等 6方面参加组成的攻关组，重点针对 492发动机进行了扭矩、热效率和尾气排放等方面的系统研究，并且有 3辆汽车参与了路试，各项试验指标均取得了较满意的效果。 198

22、9年 1月至 1990 年 7月，中国科学院生态环境研究中心对甲醇发动机和装用甲醇发动机的桑塔纳轿车进行了燃用 M15和 M100 甲醇燃料的台架试验和模拟道路试验。 1995 年，国家科学技术委员会组织山西省、中国科学院、清华大学、化工部与美国福特汽车公司、麻省理工学院联合开展 “ 中国山西省及其他富煤地区把煤转化成汽车燃料的经济、环境和能源利用的生命周 期评估 ” 科学研究，取得了重要成果。 1996 年，山西大同云冈汽车集团有限公司和中科院工程物理研究所与福特汽车公司合作研制成功甲醇灵活燃料汽车，该车装用福特 3.0LV6FFV发动机，可使用无铅汽油或甲醇含量低于 85%的甲醇汽油混合燃

23、料，能适应不同的行驶环境。 2000 年，云冈汽车集团将自行研制的全甲醇发动机装在中巴车上，又将 30辆出租车改造成甲醇汽车。 1997 年，国家经贸委批准在山西省实施国家甲醇燃料汽车示范工程，山西省先后投入 50辆甲醇中巴车进行示范运营，累计行程达 200万千米 ;山西省晋中市起动了甲醇汽车产 业化工程，用 2 3 年的时间在全市推广使用 300 辆甲醇中型客车和 150 辆甲醇城市出租车，建设标准甲醇加注站 2个 ,改造部分加油站，初步形成 “ 煤制甲醇 -甲醇发动机 -输配系统 -技术服务 ” 的区域性产业化示范基地。 2002 年 3 月，山西省提出争取用 5 10 年的时间把山西省建

24、设成国家燃料生产基地和清洁汽车产业化示范地区，并公布了 “ 山西省燃料生产基地和清洁汽车产业化示范暂行管理条例 ” ，同时确定改造 2000辆 M100 甲醇中型客车和 700辆 M85甲醇出租车的2000年在用车改造目标。 到目前为止，山西省共有正规的、较大 规模的燃料调配企业 6家，并且还有一些企业即将加入。在山西省及周边省市累计销售甲醇汽油 60000余吨，变性甲醇 12000余吨，添加剂 1200 余吨。大同云冈汽车制造公司为国内一些省市改装燃用甲醇的车辆己超过1000辆。 陕西省委、省政府高度重视甲醇汽油燃料与甲醇汽油燃料汽车产业化的发展。 2004年 7 月，陕西省质量技术监督局颁

25、布实施了 DB61/T352-2004车用 M15 甲醇汽油、DB61/T353-2004车用 M25 甲醇汽油、 DB61/T351-2004车用燃料甲醇等地方标准 ;2005年 7月 ，陕西省政府第十七次常务会议将甲醇汽油产业的发展正式提到了议事日程，并成立了 “ 陕西省甲醇汽、柴油试点工作办公室 ” ，全面协调陕西省甲醇汽油燃料的推广应用。目前，延安市、宝鸡市的甲醇汽油燃料汽车已经运行，西安市的甲醇汽油燃料公交车辆也将开通。 河南省、四川省、甘肃省、宁夏回族自治区等地区的甲醇汽油燃料都有不同程度的研究、应用和推广。在不远的几年，全国可能全部供应甲醇汽油。 理论技术的不断创新和实践范围的不

26、断扩大，足以说明甲醇汽油技术已经成熟，适合大面积推广。 2 甲醇汽油的生产与使用技术 甲醇又 名木醇 ,木精。甲醇纯品无色透明 ,是易燃、易挥发性的液体 ,沸点 65, 蒸汽压 1218kPa(20), 2113kPa(30), 能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类等有机溶剂混 合成甲醇可采用石脑油、减压渣油、煤和天然气为原料，在天然气丰富的地区，前几种原料的生产成本均无法与天然气竞争。现提供国外有关资料介绍的几种原料合成甲醇的经济指标情况（见表 2.1）。 表 2.1 各种原料合成甲醇的经济指标比较比较（ 60万 t/a） 指标 天然气 石脑油 /减压渣油 煤 合成工艺 催化蒸汽转化 高温转化 气化

27、 原料转化率 /% 61.3 59.6 38.0 装置占地 /% 100 200 300 操作人员 /% 100 140 200 投资总额 /百万美元 61.0 178.0 169.0 精甲醇成本 /% 100 140 150 从表中可见，天然气合成甲醇的各项经济指标要优于其他原料，适于加压转化，是合成甲醇最理想的原料。 20世纪 80年代以来，国外甲醇装置向大型化方向发展。甲醇的经济规模对投资与产品成本影响较大，一般来讲装置规模越大，产品成本越低（见表2.2）。 表 2.2 甲醇装置规模与投资和产品成本的关系 项目 装置生产规模 /万 t/a 10 20 30 40 50 60 100 单位

28、产品投资 /% 100 76 69 63 59 52 49 产品成本 /% 100 67 60 57 54 51 50 近 10 多年来，世界合成甲醇技术有了很大的发展，其趋势为原料路线多样化、生产规模大型化、合成催化剂高效化、气体净化精细化、过程控制自动化以及联合生产普遍化。从而使合成技术更加优化 5。 甲醇的总生产成本美国为 145 146美元 /t，中东为 69 71美元 /t，美国的甲醇生产成本高出中东一倍 ;中东地区甲醇产品 10%的单位投资回报所占 单位生产成本的比例也比美国高得多。因此，中东地区生产的甲醇具有很强的竞争力。建议用天然气制甲醇的工艺路线采用 ICI 或 Lurgi生

29、产技术。专家认为，天然气价格在 0.45 0.80元 /m3，我国天然气制甲醇项目才有经济效益 5。 2.1 生产工艺 5 甲醇的生产工艺过程分为合成气 (氢和一氧化碳 )的制造、甲醇的合成和精制 3 部分。 2.1.1合成气的制造 根据原料的不同，有以下几种方法 : (1)天然气蒸汽转化法 以天然气为原料制合成气生产甲醇，这是国内外发展的趋势。此法优点是 :投资少，成本低，运输方便，操作简 单。因此，充分利用天然气合成甲醇，是国内外主要的发展方向。 (2)煤气化法 由煤制合成气。 (3)重油部分氧化法 油品 (石脑油、重油、渣油等 )部分氧化制合成气的工艺，主要有德士古和壳牌两个著名的方法。

30、德士古系采用高压气化技术 ;壳牌系采用中压气化技术。 2.1.2 甲醇的合成方法 目前世界上合成甲醇的工业生产方法有美国卜内门 (ICI)公司的低压和中压法，德国鲁奇 (Lur-gi)公司的低压和中压法，日本三菱瓦斯化学公司 MGC 低压法，丹麦托普索公司节能型低压法以及德国巴斯夫 (BASF)公司的高压法等。我国小 规模装置主要采用高压法，引进装置则采用低压法。其中川维引进 ICI 法，齐鲁引进鲁奇法。与高压法比较低压法的优点是 :能量消耗少，操作费用低，产品纯度高，设备费用低，故新建厂大多采用低压法。国内低压法已经投入生产，并对催化剂进行了研究，已取得了好的进展。 德国巴斯夫公司的高压法 这是最先实现工业化的甲醇生产工艺，由于操作条