浅谈醇类含氧燃料对汽车污染物排放的影响

随着经济的发展, 汽车保有量和成品油需求量逐年增加, 2008年我国成品油总需求量已超过2.04亿吨, 因此有关专家提出, 能源消耗无尽头, 唯有运用新技术高效利用能源, 减少污染物排放总量, 才能实现人类的可持续发展。

甲醇主要由天然气 (目前占世界78%) , 重油 (占10%) 、石脑油 (占7%) 、液化石油气 (占3%) 、煤炭 (占2%) 转化生产, 而我国因煤炭资源丰富, 主要由煤转化而成, 装置规模10—80万吨/年之间, 现主要用于化工原材 (占70%以上) , 并有逐渐增加为汽车燃料比例的趋势。近几年, 由于国内经济结构调整, 化肥企业生产过剩。甲醇汽油的开发应用, 将会有助于化肥企业的产品调整, 推动煤化工产业的快速发展。甲醇与汽油相比, 燃烧所需空气量为汽油燃烧的44%。 (甲醇理论空气燃烧料比为6.45) , 产生的热能只为其汽油的49%, 而在气化时, 所需的蒸发热为汽油的3.7倍, 因而单独使用甲醇作燃料, 须设计专门的发动机, 这在我国山西省已有示范工程。综合各国研究和实用结果, 在现有汽车发动机上不发生运行障碍, 以含乙醇 (Ethanol) 20%即E20或甲醇 (Methanol) 15%M15的醇类汽油位最合适界限。以甲醇、乙醇为主的含氧化合物正在被越来越多的添加到汽油、柴油中, 用于减少对石油资源的严重依靠, 并减轻对环境的污染。

1汽车尾气污染物分析?

近年来城市汽车污染物排放日趋严重, 北京在非采暖期汽车排放的CO、HC和NOX已分别占总排污负荷的60%、86.8%和54.7%。而上海城区内汽车排放的CO、HC和NOX已分别占总排污负荷的86%、90%和56%。大量的尾气排放是一氧化碳和二氧化氮持续偏高的主要原因, 二氧化氮在强光照下光解引起臭氧浓度升高, 这是形成光化学烟雾的基本原因;颗粒物的组成复杂, 如燃料未完全燃烧形成的炭粒等;汽车起步、怠速时排放的挥发性碳氢化合物同样是汽车尾气的主要污染物。

1.1一氧化碳 (CO)

一氧化碳即通常说的“煤气”, 是无色、无味、无臭的有毒气体, 化学性质较稳定, 是大气中排放量最大的大气污染物。一氧化碳是由于含碳物质不完全燃烧产生的, 城市大气环境中的一氧化碳主要来源于机动车排气和燃煤, CO能很快和血红素蛋白 (Hb) 结合形成碳氧血红素蛋白 (CO-Hb) , 使血液的输氧能力大大降低, 引起头晕、恶心、头痛等症状, 严重时会使心血管工作困难, 直至死亡。

1.2碳氢化合物 (HC)

碳氢化合物 (也称烃类) 包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物, 如苯、醛、烯烃和多环芳香族碳氢化合物等200多种复杂成分。应当引起注意的是带多环的多芳香烃, 是强烈致癌物质, 烃类成分还是引起光化学烟雾的重要物质。

1.3氮氧化物 (NOx)

氮氧化物是燃烧过程中形成的多种氮氧化物, 如NO、NO2、N2O3、N2O5等, 总称NOX, 以汽油、柴油为燃料的汽车, 尾气中氮氧化物的浓度相当高, 氮氧化物最终会转化成硝酸和硝酸盐, 随着降水和降尘从空气中去除, 硝酸是酸雨的原因之一。在内燃机中主要是N O, 约占9 5%, 其次是NO2, 占5%。NO是无色无味气体, 只有轻度刺激性, 毒性不大, 高浓度时会造成中枢神经系统轻度障碍, 但NO可以被氧化成NO2。NO2是一种棕红色强烈刺激性的有毒气体, 对心、肝、肾都会有影响。

1.4光化学烟雾

环境空气中的臭氧、过乙酰硝酸酯 (PAN) 、醛类等混合形成的淡兰色烟雾, 具有很强的氧化性和刺激性, 不是由污染源直接排放的污染物, 它们是石油燃料燃烧排放大量的氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物在紫外光照射下, 发生化学反应生成的二次污染物, 是光化学烟雾污染的主要污染物, 具有很强的氧化性和刺激性, 它降低能见度, 对人体的眼、喉、鼻, 对动物、植物、各种材料都由很大的危害。下列方程式为臭氧 (O3) 形成的方式之一, 其中HV代表紫外光, M代表自由基。防止光化学烟雾主要是控制汽车尾气排放, 安装尾气净化装置, 此外控制工业过程中一次污染物也很重要。

1.5微粒污染物 (PM)

微粒 (也称颗粒) 对人体的健康的危害程度和颗粒的大小及组成有关。微粒越小, 悬浮在空气中的时间越长, 它们进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例越大, 危害越大。微粒除了对人体的呼吸系统有害外, 由于微粒存在孔隙能粘附SO2、未燃HC、NO2等有毒物质或苯丙芘等致癌物质, 因而对人体的健康造成更大的危害。由于柴油机的微粒直径大多小于0.3微米而且数量比汽油机高出30～60倍, 成分更复杂, 因而柴油机的微粒排放相对更大。

2国家排放标准的进展

2008年7月1日起全国范围内实施国Ⅲ排放标准, 北京等污染物重点控制直辖市相继提前实施国Ⅳ标准。大多数城市对在用机动车污染物排放测试采用简易工况法替代原来的双怠速法, 增加对NOX的排放的监控, 提高了汽车排放的要求。

2.1

车用汽油、柴油标准

2.2对排放的要求

我国在售的汽车车型以欧洲车型为主, 同时国家制定的汽车排放标准也主要参照欧洲的排放标准要求。

3含氧化合物对排放的影响分析

3.1含氧化合物的类型及性质

含氧化合物主要使用类型包括醇类:甲醇、乙醇、叔丁醇等。这类含氧化合物燃料具有辛烷值高、汽化潜热大和雷氏蒸汽压低等优点。甲醇汽油可在70℃之前燃烧85%, 而单纯汽油在70℃之前只有15%燃烧, 它分为三段燃烧, 汽油后组分为15%～23%不能燃烧, 甲醇汽油明显小于这一残值

3.2含氧燃料对汽车尾气排放的影响的实践

越来越多的实验室和组织在进行各种各样的含氧燃料对汽车尾气排放的影响的试验, 下面列举几个具有代表性的试验结果。

(1) 甲醇汽油是一种高辛烷值燃烧。添加甲醇可显著降低有害物质排放量, 是一种清洁的车用燃料。甲醇汽油燃烧比燃烧汽油的排气中有害物少, 对环境污染的影响也轻, 汽油燃烧100g生成CO2308g, 而189g甲醇燃烧 (相当于燃烧100g汽油的发热值) 产生CO2259g, 即减少16%, 比无铅汽油燃烧排气的一氧化碳和未燃烧的碳氢化物也少的多, 耗量也小的多。美国 (DOE) 研究中心用10种汽车行驶含甲醇5%～10%的汽油试验结果表明, 在一般汽油发动机上用甲醇汽油时, 燃烧排气中的一氧化碳比用汽油减少30%左右, 氮氧化物比用汽油时减少30%～50%, 未燃烧碳氢化物减少30%～60%。M50比M10甲醇汽油更先进, 甲醇含量更高, 因而环保效果更明显。经河南省环保局环境监测站实际测试, CO降低90%以上, CH化合物降低90%以上。

(2) 乙醇是一种正在被大量使用的生物质含氧化合物, 巴西, 美国, 我国的河南、吉林等省都已经大量使用或正在大力推广燃料乙醇。清华大学何邦全领导的小组研究了多点电喷汽油机 (EFI) 燃用不同掺混比的乙醇-汽油混合燃料时的排放及催化器的转化性能。研究结果表明:在汽油机参数未做任何调整的情况下, 随着乙醇-汽油混合燃料中乙醇含量的增加, 对改善电喷汽油机怠速时催化器前的THC, CO和NOX排放特别明显, 使用含30% (V) 乙醇的汽油相对于未添加乙醇的纯汽油试验结果表明, CO、HC、NOX的排放量分别减少35.7%、53.4%、33%, 这说明燃料具有较高的含氧量能够提高燃烧性。

(3) 乙醇与柴油的互溶性不是很好, 加入一种叫做PURANOL的添加剂, 能够使两者很好的相溶, IRAHAD AHMED等人在美国西南研究院 (SWRI) 进行的试验表明, 由15%乙醇、3%PURANOL和82%的2号柴油组成的含氧柴油 (氧原子的质量百分比为5.7%) 在12.7L底特律DDC60系列压燃柴油机上的尾气排放试验, 相对于2号柴油的尾气排放试验, 颗粒碳烟排放量减少41%, NOX排放量减少5%, CO排放量减少27%。

(4) 美国MATHPRO公司依据加利福尼亚州调整汽油第三阶段 (RFG3) 标准, 进行的测试表明, 当添加乙醇氧含量达到2.7%时, 相对于未加乙醇的第二阶段 (RFG2) 汽油的试验, 挥发性碳氢化合物排放量减少3.66%, NOX减少3.91%, 添加含氧化合物的燃料能够减少空气中温室气体的浓度。

3.3含氧燃料对汽车尾气排放的原因分析

(1) 燃料组成变化 (包括减少汽油中烯烃、芳烃含量, 柴油中的硫、重烃含量, 降低蒸汽压) 能够减少汽车尾气排放物, 车用汽油中加甲醇、乙醇等含氧化合物, 本身辛烷值较高, 雷氏蒸汽压 (RVP) 比较低, 自身易于完全燃烧, 增加燃料中的含氧量可以帮助汽、柴油中烃类燃烧, 可以减少汽、柴油中的CO、NOX、HC和其它有害物质如臭氧、苯、丁二烯的排放等污染物的排放, 同时可减少油路及燃烧系统生炭量和沉积物。

(2) 甲醇、乙醇等含氧化合物添加到汽柴油中, 一旦着火燃烧, 着火速度快, 燃烧后污染程度较轻, 其中所含氧原子也可参与燃烧, 改善燃烧过程, 降低未燃烧HC排放量。

(3) 甲醇、乙醇等含氧燃料添加到柴油中, 由于含氧量高, 与柴油混合后进入汽缸燃烧时, 提高了柴油和氧的接触机会, 降低了浓混合气区由于缺氧而导致的碳烟颗粒生成量, 其次含氧化合物的分子结构中, C—C键没有或比例较低, 减少了柴油中C—C键的断裂而产生碳烟颗粒的生成源。

(4) 可靠的试验、实践应用数据表明, 改变燃料的组成 (例如改变芳烃、烯烃的体积分数, 使用废气再循环系统-EGR等) 能够取得减少NOX排放的效果, 含氧化合物辛烷值较高的特性相对于芳烃化合物能够显著的降低燃料的着火温度, 因此能够减少NOX的形成。

4结语

使用含氧化合物燃料, 是调整现有汽油、柴油组成的有效方法, 能够充分利用各种资源满足对燃油的巨大消费量, 同时由于氧原子的引入, 能够使燃料充分燃烧, 明显改善尾气的排放量, 减少一氧化碳、氮氧化合物、挥发性碳氢化合物、碳烟颗粒污染物的排放量, 改善大气环境, 因此目前包括美国、日本在内多数国家都在倡导并使用含氧燃料, 多数规定燃油中的氧含量质量百分比在2.0%～3.5%。但是使用含氧燃料时, 也应考虑组分互溶性、燃料的腐蚀性、成本及运输、发动机的改造等问题。

摘要：汽车尾气污染的问题受到了广泛的重视, 国家正在执行越来越严格的尾气排放标准。以甲醇、乙醇为主的醇类含氧化合物燃料正在被越来越多的添加到汽油、柴油中。实践表明, 含氧燃料的使用能够明显降低汽车尾气中一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、颗粒污染物的排放量。

关键词：燃料,氧含量,污染物排放