清潔燃料

 　　與之相反的不清潔燃料是煤炭、石煤、含鉛汽油、柴油等，燃燒量產(chǎn)生大量二氧化硫、鉛蒸汽、碳黑等有害物質(zhì)，要盡量限制使用或轉化為清潔燃料后使用，如將煤炭轉化為煤氣后使用。

　　交通工具所消耗的能源占總能源消耗的比例是相當大的。國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，帶動了汽車工業(yè)的快速發(fā)展，同時也帶來了汽車尾氣污染等問題，汽車排放的污染物對人類的身體健康造成很大危害。著名的美國洛杉磯光化學煙霧污染事件，就是由于汽車尾氣和工業(yè)廢氣排放造成的。我國城市的大氣污染也日趨嚴重，煤煙、工業(yè)揚塵、汽車有害物的排放是危害大氣的三大污染源。其中大約63%的一氧化碳、50%的氮氧化物、73%的烴類（包括有機揮發(fā)物VOC）、80%的鉛（烷基鉛）來自于汽車尾氣排放，汽車排放污染已成為城市大氣的主要污染源之一。

　　（1）清潔汽油

　　汽油是汽車最常用的燃料。汽油和空氣混合后被吸入發(fā)動機汽缸中，通過壓縮使氣體混合物升壓，達到一定程度后點火便會劇烈燃燒，但一部分汽油不等點火就超前發(fā)生了爆炸式燃燒，這種不能控制的燃燒過程稱為爆震。汽油的爆震既損失能量、浪費燃料，又損壞汽缸。爆震現(xiàn)象與汽油的化學組成有關，汽油中直鏈烷烴在燃燒時發(fā)生的爆震程度比較大，而芳香烴和帶有支鏈的烷烴則不易發(fā)生爆震。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，汽油中以正庚烷的爆震程度最大，而異辛烷的爆震程度最小。人們把衡量爆震程度大小的標準叫做辛烷值，把正庚烷的辛烷值定為0，異辛烷的辛烷值定為100。汽油的辛烷值越高，汽油的抗爆震性能越好。

　　辛烷值是車用汽油最重要的質(zhì)量指標，采用抗爆震劑是提高車用汽油辛烷值的重要手段。四乙基鉛

　　〔Pb（C2H5）4〕是最常用的汽油抗爆震劑，只要少量的四乙基鉛就能大大提高汽油的辛烷值。從1921年起，四乙基鉛作為有效而又經(jīng)濟的汽油抗爆震劑被廣泛使用。四乙基鉛是一種帶有水果味、具有毒性的油狀液體，它的毒性要比鉛及鉛的化合物大100倍。由于汽油中添加了四乙基鉛，導致鉛隨汽車尾氣被排放到大氣中。當人長期通過呼吸或食物攝入有機鉛時，就會在體內(nèi)蓄積，鉛是唯一的人體不需要的微量元素，它幾乎對人體的所有器官都能造成損害。此外，鉛的存在還可使汽車尾氣凈化裝置中的催化劑“中毒”而失去凈化效果。因此，早在1972年12月，美國宣布逐步淘汰含鉛汽油，到1996年1月1日，美國已實現(xiàn)全面禁止含鉛汽油。日本1985年也實現(xiàn)了普通汽油無鉛化。我國從1990年起，在北京、上海、廣州等少數(shù)大城市首先使用無鉛汽油，并于2000年1月1日開始執(zhí)行實施新的汽車排放污染物控制標準（GB14761—1999），規(guī)定2000年7月1日起全國范圍內(nèi)停止生產(chǎn)、使用和銷售含鉛汽油。

　　所謂無鉛汽油，是指提煉過程中沒有添加含鉛抗爆震劑的汽油，而是添加甲基叔丁基醚（MTBE）作為高辛烷值組分。這種組分沸點低，可以改善汽油的蒸發(fā)性能，對汽車的啟動、加速以及提高發(fā)動機的功率有利。無鉛汽油還可以減少汽車廢氣中的一氧化碳和氮氧化物的含量，大大減輕了對環(huán)境的污染。無鉛汽油在燃燒時仍可能排放有害氣體、顆粒物和冷凝物三大物質(zhì)，對環(huán)境、人體健康的危害依然存在。其中，有害氣體以一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物為主。顆粒物以聚合的碳粒為核心，可長期懸浮于空氣中，易被人體吸入。冷凝物指尾氣中的一些有機物，包括未燃油、醛類、苯、多環(huán)芳烴、苯并[α]芘等多種污染物，在高溫尾氣中呈氣態(tài)，遇外界冷空氣可凝結，通常吸附在顆粒物上，可隨顆粒物吸入到人體肺臟深處長期滯留，具有一定的致癌性。其次，為了保持去鉛后汽油辛烷值的穩(wěn)定，需對原油進行催化裂化、烷基化等精煉，由此又不可避免地造成烯烴、芳烴類物質(zhì)含量的增加，從而增加了尾氣中烯烴、甲醛、苯及苯環(huán)類物質(zhì)的排放。芳烴燃燒時產(chǎn)生較高的溫度，不僅增加了尾氣中的氮氧化物，還可使汽油燃燒不完全。

　　當前世界各國非常重視提高燃料的質(zhì)量，推薦使用清潔汽油。中國國家環(huán)?？偩忠延?999年頒布了《車用汽油有害物質(zhì)控制標準》，該標準要求氧含量不小于2.7%；硫含量不大于0.08%，苯含量不大于2.5%（體積分數(shù)），芳烴含量不大于40%（體積分數(shù)），烯烴含量不大于35%（體積分數(shù)）。新標準的實行將使我國汽車尾氣污染大幅度下降。配合采用電噴發(fā)動機（電子控制汽油噴射式發(fā)動機）和三元催化裝置，將使燃油更充分的燃燒，可使尾氣污染減少。

　　（2）天然氣及液化石油氣

　　利用天然氣、液化石油氣代替汽油作為機動車燃料具有以下優(yōu)點。

　?、儋Y源豐富、污染小。據(jù)統(tǒng)計，1994年底，全世界可開采的天然氣儲量為140萬億立方米，我國已探明的儲量為1.53萬億立方米。在今后相當長的時間內(nèi)，有充足的能源保障。同時，天然氣或液化石油氣以氣態(tài)方式進入發(fā)動機，能與空氣完全混合，從而使燃燒充分，大大降低廢氣排放。與汽油相比，其碳氫化合物的排放可下降90%左右，CO下降80%，NOx下降40%，且無鉛污染，是一種理想的清潔能源。

　?、诳贡鹦阅芎?，燃料經(jīng)濟。天然氣、液化石油氣辛烷值大于100，高于汽油5%~10%，具有很強的抗爆震性。天然氣儲量豐富，開采運輸方便，相同發(fā)熱量情況下天然氣、液化石油氣價格低于汽油價格，比燃油汽車可節(jié)約燃料費約50%。

　?、奂夹g成熟。天然氣、液化石油氣汽車對發(fā)動機改動幅度不大，技術已基本成熟。

　　④使用安全。汽油具有很大的揮發(fā)性，隨著氣溫升高揮發(fā)性加強，而汽車燃料系統(tǒng)從構造上并沒有十分嚴密的封閉措施，因此汽車在發(fā)生交通事故或漏油后極易引發(fā)火災。而天然氣、液化石油氣被壓縮儲存在經(jīng)專門設計加工的高強度的氣瓶內(nèi)，傳輸和加注均是在嚴格封閉的管道中進行的，比較安全。即使發(fā)生漏氣現(xiàn)象，由于天然氣的密度小于空氣，在空氣中遇風而被驅(qū)散，加上天然氣燃點高（537℃以上），不易形成可燃性混合氣，所以天然氣汽車一般不易發(fā)生火災。

　?、萜嚢l(fā)動機壽命延長。由于天然氣、液化石油氣燃燒比較完全，汽缸不積炭，可減少發(fā)動機磨損，從而節(jié)約維修費用，延長發(fā)動機使用壽命。

　　目前天然氣的儲存方法應用最廣的是壓縮天然氣（CNG）技術，它是將天然氣壓縮至儲氣瓶內(nèi)，其壓力大約為20MPa，在汽車上經(jīng)過減壓設備減壓后供內(nèi)燃機燃燒。另一種大有前途的天然氣的儲存技術是吸附天然氣（ANG），它是在氣瓶內(nèi)加入特殊的吸附劑，可在較低的壓力下存儲天然氣，存儲密度與CNG相當，目前優(yōu)良的吸附劑還有待開發(fā)。

　　利用天然氣作為汽車燃料的主要不足是動力性低、燃料容器耐壓性、密封性等要求高，加氣站建設投資大，發(fā)動機混合與控制技術要求高等缺點。

　?。?）二甲醚

　　二甲醚（DME）也是一種比較理想的汽車代用燃料。二甲醚的分子式為CH3OCH3，在常溫、常壓下為無色、無味氣體。常溫下蒸氣壓為0.5MPa，在同等溫度下，二甲醚的飽和蒸氣壓低于液化氣，極易壓縮液化，儲存運輸比液化石油氣更安全。

　　目前二甲醚主要用作溶劑、制冷劑、拋射劑和合成其他化工產(chǎn)品的中間體。由于二甲醚分子中自身含氧，組分單一，因此燃燒性能好，熱效率高，燃燒過程中無殘留物、無黑煙，CO、NOx排量低，是公認的清潔能源。近年來，許多國家已將二甲醚作為代替柴油、液化石油氣的潛在能源來開發(fā)和應用。

　　①替代柴油發(fā)動機的燃料。

　　使用柴油發(fā)動機的汽車的主要問題是尾氣氮氧化物的排放和顆粒物質(zhì)黑煙的生成。研究表明，二甲醚是柴油發(fā)動機理想的替代燃料。二甲醚十六烷值大于55，具有優(yōu)良的壓縮性，非常適合于壓燃式發(fā)動機，可用作柴油機的代用燃料。研究表明，柴油發(fā)動機改用二甲醚后，發(fā)動機完全消除了黑煙排放，氮氧化物排放降低50%~70%，未燃碳氫化合物排放降低30%，CO排放降低20%，排放指標不僅滿足歐洲Ⅱ和Ⅲ號標準，而且接近歐洲于2005年實施的排放標準和美國加州的超低排放標準。

　　②替代液化石油氣作民用清潔燃料。

　　二甲醚的物理性質(zhì)與液化石油氣相似，可替代液化石油氣作為民用清潔燃料。其特點一是可燃性好，二甲醚本身就是含氧燃料添加劑，其燃燒充分、完全，無碳析出，幾乎無殘留物，廢氣無毒，符合衛(wèi)生標準；二是液化壓力低，常溫下二甲醚的蒸氣壓低于液化氣和天然氣，在室溫下即可壓縮成液體，可用液化氣儲罐灌裝，能確保運輸安全。同時因其常溫下為氣體，不需預熱，隨用隨開，快捷方便；三是無毒性，二甲醚對人體呼吸道、皮膚有輕微刺激作用，但對人體無毒性反應；四是安全可以控制，其爆炸下限比液化氣高1.3倍，爆炸隱患大大縮??；五是燃燒值高。

　?。?）燃料乙醇

　　燃料乙醇是用糧食或植物生產(chǎn)的可加入汽油中的品質(zhì)改善劑。車用乙醇汽油中，乙醇既是一種能源，又是一種良好的汽油增氧劑和高辛烷值調(diào)和組分，用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚。用乙醇作增氧劑，可顯著降低汽車尾氣中的有害物質(zhì)，可以降低一氧化碳排放量約30%~38%，起到凈化空氣的作用。更重要的是乙醇是太陽能的一種表現(xiàn)形式，在整個自然界這個大系統(tǒng)中，乙醇的整個生產(chǎn)和消費過程可形成無污染和非常清潔的閉路循環(huán)過程，是一種非常理想的綠色能源。

　　將剩余糧食轉化為燃料乙醇，是解決當前糧食問題及國家石油短缺、環(huán)境惡化的較好的解決方案，而且對于農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)保、交通等方面將起到積極的推動作用。2000年在河南天冠集團投產(chǎn)的年產(chǎn)20萬噸變性燃料乙醇項目，標志著我國燃料乙醇作為汽車動力燃料之一的開始。

　　（5）生物柴油

　　所謂生物柴油就是利用含油植物或動物油脂作為原料，經(jīng)反應改性成為可供內(nèi)燃機使用的一種燃料，是典型的綠色能源。生物柴油是優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。它和傳統(tǒng)的柴油相比，具有潤滑性能好，儲存、運輸、使用安全，抗爆震性好，燃燒充分，環(huán)保及可再生性等優(yōu)良性能。目前世界各國大多使用20%生物柴油與80%石油柴油混配，可用于任何柴油發(fā)動機和直接利用現(xiàn)有的油品儲存、運輸和分銷設施。使用生物柴油，可使柴油車尾氣中有毒有機物排放量減小90%，顆粒物減小80%，無SO2和有機鉛排放，CO2和CO排放量僅為使用傳統(tǒng)柴油的10%。以生物柴油為燃料的發(fā)動機，其廢氣排放指標不僅可滿足歐洲Ⅱ號標準，而且可滿足更加嚴格的歐洲Ⅲ號標準。

　　柴油分子是由15個左右的碳鏈組成的，研究發(fā)現(xiàn)植物油分子則一般由14~18個碳鏈組成，與柴油分子的組成相近。按化學成分分析，生物柴油燃料是一種高級脂肪酸甲酯，它是通過以不飽和油酸C18為主要成分的甘油酯分解而獲得的。

　　目前生物柴油主要用化學法生產(chǎn)，主要原料為菜子油和豆油等植物油或動物油脂、廢餐飲油等，與甲醇或乙醇在酸或堿性催化劑和230~250℃下進行酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生產(chǎn)過程中可循環(huán)使用，生產(chǎn)設備與一般制油設備相同，生產(chǎn)過程中還可產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油。

　　化學法生產(chǎn)生物柴油的主要問題是生產(chǎn)成本高。據(jù)統(tǒng)計，生物柴油制備成本的75%是原料成本。因此，采用廉價原料及提高轉化從而降低成本是生物柴油能否實用化的關鍵。美國已開始通過基因工程方法研究含油量高的植物，日本采用工業(yè)廢油和廢煎炸油，歐洲是在不適合種植糧食的土地上種植富油脂的農(nóng)作物。

　　化學法合成生物柴油有以下缺點：工藝復雜、醇必須過量，后續(xù)工藝必須有相應的醇回收裝置，能耗高；色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。

　　為解決上述問題，人們開始研究用生物酶法合成生物柴油，即用動物油脂和低碳醇通過脂肪酶進行轉酯化反應，制備相應的脂肪酸甲酯或乙酯。酶法合成生物柴油具有條件溫和、醇用量小、無污染排放的優(yōu)點。但目前主要問題有：對甲醇及乙醇的轉化率低，一般僅為40%~60%；短鏈醇對酶有一定毒性，酶的使用壽命短；副產(chǎn)物甘油和水難于回收，不但對產(chǎn)物形成抑制，而且甘油對固定化酶有毒性，使固定化酶的使用壽命縮短。