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(zhuǎn)化為清潔燃料后使用，如將煤炭轉(zhuǎn)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(xué)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(xué)組成有關(guān)，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(dǎo)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(jié)，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。

　　①資源豐富、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。

　　②抗爆震性能好，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(shù)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(shù)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(gòu)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(zāi)。而天然氣、液化石油氣被壓縮儲存在經(jīng)專門設(shè)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(fēng)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(zāi)。

　　⑤汽車發(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(yīng)用最廣的是壓縮天然氣（CNG）技術(shù)，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(shè)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(shù)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(shè)投資大，發(fā)動機混合與控制技術(shù)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(yīng)用。

　?、偬娲裼桶l(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。

　?、谔娲夯蜌庾髅裼们鍧嵢剂?。

　　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(yù)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(yīng)；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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(xué)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(xué)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(yīng)，生成相應(yīng)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(shè)備與一般制油設(shè)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(xué)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(zhuǎn)化從而降低成本是生物柴油能否實用化的關(guān)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(xué)法合成生物柴油有以下缺點：工藝復(fù)雜、醇必須過量，后續(xù)工藝必須有相應(yīng)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(zhuǎn)酯化反應(yīng)，制備相應(yīng)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(zhuǎn)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。