清洁燃料及其环保特性分析

南京理工大学交通环境工程课程论文题目清洁燃料及其环保特性分析学生姓名：学生学号：提交日期： 2011年1月8日【摘要】：由于科学技术和经济发展情况的制约，我国目前燃料仍以煤炭、石油等天然化石 能源为主。我国是石油资源相对贫乏的国家，石油稳定供给不会超过20年。随着我国小气车 量的增长，针对中国公路交通系统所面临的能源需求、环境保护两个方面的巨大挑战，能源 多样化、燃料多元化成为公路交通运输行业可持续发展的战略选择。能够可持续性发展下去 的最好的方法是寻找清洁燃料替换现有石油燃料，减轻能源压力，减少污染排放。本文通过 简要的介绍几种清洁燃料及其环保特性，包括乙醇燃料，二甲醚燃料，天然气燃料，生物柴 油等，为可持续的清洁燃料提出一条发展道路。针对中国资源多样化特点，未来公路交通走 清洁燃料以及燃料来源多元化的战略路线，在一定程度上可以降低对石油的依赖程度，从而 减少国家能源危机风险，实现可持续发展、环境友好的新一代公路交通系统，为社会的发展 做出应有的贡献。【关键词】：清洁燃料 环保特性1、清洁燃料概述随着现代工业的快速发展，人们生活水平日益提高，家用汽车的保有量逐步增多，化石 燃料的消耗和环境污染日益加剧，气候的极端变化频繁发生。开发清沽能源、降低污染物的 排放、保护环境已成为当前科技工作者关注的焦点。清洁燃料天然气、二甲醚、燃料乙醇 生物柴油等的开发和利用以及节能减排技术对降低化石燃料的消耗、缓解能源压力、保护环 境、实现低碳经济具有重要的意义。1、1 清洁燃料定义清洁燃料是指燃烧时不产生对人体和环境有害的物质，或有害物质十分微量，如 天然气、液化石油气、煤气、酒精、无铅汽油、核燃料等。与之相反的不清洁燃料是 煤炭、石煤、含铅汽油、柴油等，燃烧量产生大量二氧化硫、铅蒸汽、碳黑等有害物 质，要尽量限制使用或转化为清洁燃料后使用，如将煤炭转化为煤气后使用。1、2清洁燃料分类中国地大物博，各类资源丰富，也就为燃料的发现创造了多元化的机遇，因此，清洁燃 料的多种多样也就不足为怪。概括的说，可以将清洁燃料分为四大类：气体燃料（天然气，液化气，氢气），合成燃 料（煤制油，天然气合成气），醇类燃料（甲醇，二甲醚，乙醇），生物质产品（生物质气化， 生物柴油）。以上各种清洁燃料均处于不同的应用和发展阶段。2、清洁燃料简介及其环保特性分析清洁燃料种类繁多，资源丰富，这里简述其中的几种包括气体燃料中的天然气，醇类燃 料中的乙醇燃料，二甲醚燃料，生物质产品中的生物柴油。2、1天然气及其环保特性分析天然气作为一种清洁燃料，一度被广泛应用与城市公共交通系统等方面，由于燃烧后不 产生二氧化硫和粉尘，可以减少二氧化碳排放量60%H氮氧化合物排放量50%,有助于减少 酸雨形成，延缓温室效应，改善环境质量，因此，天然气是一种清洁能源。2、1、1天然气的理化性质天然气的主要成分是甲烷(天然气含量一般在90%以上)，还含有少量的烃类和CO等，甲 烷是一种无色、透明、易燃气体，这就从化学性质上决定了天然气可以作为清洁燃料。天然 气的分子式为CH4,从分子式组成上来看，甲烷的分子式为CH4属于饱和烃，含有1个碳原子 和4个氢原，其分子量为16. 04,密度为0. 714kg/m3,沸点为一162摄氏度，凝点为一182. 5 摄氏度，闪点T88C，无汽化热值，低热值为39MJ kg-1，着火温度为650C，火焰传播速 度390 cm s-1,着火界限为0. 581. 8,理论空燃比为16. 7 kgkg-1，理论混合气热值 2.75，辛烷值为120。2、1、2 天然气的环保特性分析从分子结构上看，天然气中氢原子和氧原子之间的比例比较多，所以天然气燃烧产生的 CO, CO2, HC少，而产生的H20多。(2) 从密度和沸点上看，一种在常温下为气体，天然气更有利于混合气的形成；在使用中， 天然气用储气罐，存储体积比较大。(3) 从凝固点看，天然气较低，在低温环境下都能正常使用。(4) 从汽化潜热看，由于天然气平常状态为气体，所以为0，因此不易降低了发动机冷启动性 能。(5) 从着火温度看，天然气约为650C,可见通常情况下天然气难以点燃，需要火花塞更多的 点火能量，这也增加了发动机使用天然气的启动难度。(6) 从理论混合气热值看，天然气较小，说明在同样的发动机状况下，用天然气时的最大功 率和扭矩比较要小。(7) 从抗爆性能看，天然气有较高的抗爆性，抗爆性强，可采用高压缩比，提高发动机功率， 降低耗气量，可抵消因热值低耗气量大的不足。2、1、3 天然气的优点天然气作为清洁燃料有以下几个优点：(1)资源丰富。据地质专家们预测，全球天然气 可采储量约为137亿t石油当量，与石油基本相当；(2)可降低有害排放物的浓度。天然气以 气态进入发动机，燃烧更完全；加上天然气主要成分甲烷的分子中只含有一个C原子，因而 可大幅度降低C0和HC的排放量；(3)可有效地提高能源利用率；(4)可降低车用燃料的价格。2、1、4 天然气的应用前景天然气在实际使用过程中能显著降低车辆燃料的使用费用，改善汽车的排放性能，推广 使用天然气汽车是国家的一项战略性政策。对缓解我国石油资源短缺、减少对进口石油的依 赖性、改善大气环境、促进可持续发展，具有积极意义。2、2 乙醇燃料及其环保特性分析在众多清洁燃料中，乙醇燃料由于具有来源广泛、丰富、抗爆性好、与石油燃料的理化 性能相近，因而受到更多的重视。2、2、1乙醇燃料的理化性质乙醇是一种无色透明、易挥发、易燃的液体，醇类是烃基和羟基组成的化合物，这就从 化学性质上决定了醇类可以作为内燃机的代用燃料。乙醇分子式为CH3CH20H,含有2个碳原 子、6个氢原子和1个氧原子，其分子量46,含氧量54. 75%,密度(20C)为0. 7895 / kgm, 沸点为78. 4C,凝点为-117.5C，闪点为1314C，粘度20C时测定值为1. 20 mPaS, 汽化热0. 854 kJ、kg,低热值为26. 778 MJkg，着火温度454C，着火界限为5.5%-18%, 理论混合气热值为2670MJkg，十六烷值为8,辛烷值为110。2、2、2 乙醇燃料的环保特性分析(1) 从分子结构上看,乙醇中含氧,更有利于促进燃料的燃烧完全,节省燃料。(2) 乙醇含氧量高，使燃料燃烧更加充分，大大改善了尾气排放性能，C0和CH化合物平均减 少了30以上。(3) 从沸点看，乙醇沸点低，因此在能使汽油沸腾的条件下，乙醇也能沸腾，这对汽化有利。 但它是单一组分，缺少高挥发性的组分，对发动机的起动不利。(4) 从凝固点来看，较低，在低温环境温度下能正常使用。(5) 闪点是在试验室状态下测量的燃料接触火源时能够着火的温度，它影响到燃料的运输和 存放、使用过程的安全性，乙醇的闪点很低。(6) 从抗爆性看，乙醇辛烷值高，抗爆性强，可采用高压缩比，提高发动机功率，降低耗油 量，可抵消因热值低耗油量大的不足。(7) 从十六烷值看，乙醇十六烷值低，着火性能差，在柴油机中燃用时比较困难。2、2、3 乙醇燃料的优点乙醇燃料作为清洁燃料有着以下几个优点：(1)资源丰富。我国生产乙醇的主要原料有 含糖作物、含淀粉作物以及纤维类原料，这些都是可再生资源且来源丰富。(2)排放性能好。 车用乙醇汽油含氧量达35%，使燃料燃烧更加充分，尾气排放的CO和CH化合物平均减少30% 以上，有效地降低和减少了有害尾气的排放。(3)动力性能好。乙醇辛烷值高，可采用高压 缩比提高发动机的热效率和动力性。(4)积炭减少。延长部件使用寿命。(5)使用方便。乙醇常温下为液体，操作容易，储运使用方便。2、2、4乙醇燃料的应用前景乙醇燃料是一种情结燃料，它有着很好的燃料特性，在实际使用过程中能显著降低汽车 尾气中HC和CO的排放量，有利于改善环境，对缓解我国石油资源短缺、减少对进口石油的依 赖性、改善大气环境、促进可持续发展，具有积极意义。2、3 二甲醚及其环保特性分析二甲醚(DME )作为柴油机替代清洁燃料是近几年开展的研究领域。初步的研究表明：二 甲醚较高的十六烷值保证了其作为压燃发动机燃料所必须具备的着火性能，同时它可以实现 碳烟和NO的降低。2、3、1 二甲醚的理化性质二甲醚(DME )是一种无色气体，易液化，无毒、无腐蚀性和致癌性，燃烧性能好、热效 率高、储运安全，燃烧过程中无残渣、无黑烟，C0、NO排量低，具有较高的十六烷值，良好 的可压缩性，分子式为CH3OCH3，相对分子质量46. 07,具有最简单的醚结构，几乎无毒， 无腐蚀性，常温常压下是无色气体。其液态密度为667 kg/m，沸点为24. 9C,十六烷值55 60,自燃温度为235C，低位发热量(气态)28. 9 MJ/kg，气化潜热467. 7 kJ/kg，理论 空燃比9. 0 kg/kg，动力粘度在20摄氏度时测定为0.15，爆炸极限3. 417%。2、3、2二甲醚的环保特性分析分子式中无CC键分子结构，氧的重量百分比达34. 8%,为发动机实现无烟排放提供了 基础；十六烷值高，具有良好的自燃性。(2) 沸点低，喷入气缸后可立即汽化，能够快速形成良好的混合气。但在常温常压下为气态。(3) 醚供给量约是柴油的1. 9倍。二甲醚的汽化潜热大，可降低最高燃烧温度，改善NO排放。(4) 粘度低，在高压供油系统中醚容易泄漏，偶件容易发生早期磨损；对金属无腐蚀，对普 通橡胶塑料有腐蚀作用，故使用时应保证整个燃油系统密封性能良好，以防止向大气中泄漏。2、3、3 二甲醚的优点二甲醚作为一种清洁燃料，其有以下优点：(1)二甲醚在预混均质压燃(HCCI)燃烧模式 不但可以实现无烟燃烧，还可以有效控制发动机NO排放，使其接近于零。(2)资源丰富，可 以由煤、生物质和天然气制得，且多样化，大规模生产的成本低，保证了燃料的经济性及其 大规模应用不会受到能源短缺的限制，合成方法多且方便。(3)。含量高于95%的二甲醚可 替代液化气作为民用燃料，也是理想的柴油替代品，解决柴油的危机。2、3、4 二甲醚的应用前景二甲醚燃料是一种情结燃料，它有着很好燃烧特性，能显著降低汽车尾气中烟尘禾川o 的排放量，但其有着腐蚀发动机零件的缺陷，但可以寻找方法进行改进，总的来说其有利于 改善环境，对缓解我国石油资源短缺、减少对进口石油的依赖性、改善大气环境、促进可持 续发展，具有积极意义。2、4生物柴油及其环保特性分析生物柴油是一种生物液体燃料，是生物质能的一种形式，是未来重要的石油替代产品。 它是以植物油脂或动物脂肪油、废弃食用油等为原料，与醇类（甲醇、乙醇）经酯交换反应获 得高级脂肪酸的低碳烷基酯混合物，由于其物化性能与石化柴油相似，可直接代替石化柴油 或通过与普通石化柴油以任意比例互溶代替石化柴油使用。2、4、1 生物柴油的理化性质生物柴油也称为再生燃料，它具有十六烷值高、安全性能好、能耗低，运输、储存、使 用方面安全，燃烧性能好于柴油等优点；无毒，能生物降解，基本无硫和氮的氧化物生成。 生物柴油的夏季冷凝点为-10摄氏度，冬季冷凝点为-20摄氏度，20摄氏度密度为0.88g/ml, 40摄氏度粘度4-6，闪点为100摄氏度，十六烷值为大于等于56，热值为32MJ/L，氧质量分 数为10%。2、4、2 生物柴油的环保特性（1）生物柴油有较好的燃烧性、低温起动性、润滑性及安全性。生物柴油的含氧量和十六 烷值较高，其燃烧性能优于石化柴油。（2）生物柴油的冷凝点优于石化柴油，这就使其具有较好的低温发动机起动性能。生物柴 油动力粘度较低，具有较好的润滑性能，可降低喷油泵、发动机气缸和连杆的磨损率，延长 其使用寿命。（3）生物柴油的闪点高，储存、使用、运输都非常安全，具有较好的安全性能。（4）生物柴油具有对环境友好的特性。生物柴油中硫含量极低，几乎不产生硫氧化物排放。 生物柴油中不含会对环境造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低于石化柴油。由于 生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少，CO的排放与燃烧石化柴油时相比减少了约10%。 有研究表明，使用生物柴油后，柴油车尾气中原来的有毒有机物排放量仅为10 ，颗粒物 为20%，CO2和CO排放量仅为10%。（5）生物柴油降解率高，即便发生泄露，也不易对环境产生较大影响。（6）生物柴油几乎不会增加大气中CO2的总量。生物柴油在燃烧时释放出CO2,而生物柴油 生产原料如大豆、油菜籽等植物在其生长过程中通过光合作用吸收CO2，燃烧时释放的CO2 与通过光合作用吸收的CO2几乎相等，即生物柴油几乎不会增加大气中CO2的总量。根据燃料 对整个大气CO2影响的生命循环分析（LCA）,生物柴油排放的CO2比矿物柴油要少约50%。这 对控制CO2总量，减排温室气体，减缓地球变暖趋势具有重要作用。(7) 生物柴油具有较好的可再生性。生产生物柴油所消耗的石化能源明显低于生产同等能 量的石化柴油所消耗的石化能源，仅为生产石化柴油耗能的14左右，生产生物柴油可以在 较大程度上降低对石化能源的消耗。(8) 生物柴油可与石化柴油任意比例调和使用。经研究后认为，调人生物柴油20%(B20) 的调和油具有较高的性价比。这样既利用了生物柴油所具有的种种优良特性，也在一定程度 上降低了成本，促进了生物柴油的产业化应用。2、4、3 生物柴油的优点生物柴油作为清洁燃料有以下几大优点：(1)资源丰富。生产生物柴油的主要原料是废 食用油、甘蔗、油菜、大豆等。(2)可降解，无毒，与环境相溶，CO2排放量几乎等于零。2、4、4 生物柴油的应用前景生物柴油在替代石化柴油方面的光明前景，它在使经济绿色发展，能源安全和环境保护 产生较大的推动作用，在实际使用过程中能显著降低车辆燃料的C02尾气排放，改善环境， 充分利用资源，对缓解我国石油资源短缺、减少对进口石油的依赖性、改善大气环境，具有 积极意义。3、结束语随着我国经济的不断发展，燃料的使用将会逐步成为一个亟待解决的问题。使用各类清 洁燃料不但可以解决部分燃料不足问题，而且对环境有着积极的影响，使社会经济绿色发展 推动了可持续性发展的宗旨，使交通系统更经济，更节能，更环保。参考文献】：1】 梁慧锋 清洁能源的发展现状 2010-4【2】 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