醇类燃料：甲醇和乙醇的优势及挑战

醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。目前，它们作为汽车替代能源已被使用，在技术和成本方面已经达到实用阶段。醇类燃料的资源比较丰富，可从多种原料中进行提取。如甲醇可从天然气、煤、油页岩、重质燃料、木材和垃圾等物质中制取。乙醇可从甜菜、甘蔗、草秆、薯类、玉米等农作物中制取。

在我国，煤炭作为制取甲醇燃料的物质之一，其储藏量非常丰富，比其他能源的储藏量均多，因此，这就决定了今后一段时间内我国的能源消费结构仍以煤为主。所以，立足国内丰富的煤炭资源，以甲醇为替代燃料，弥补石油供应量不足是非常重要的措施。

我国作为农业国家，随着粮食的丰收，已出现了陈化粮长期库存积压的情况，仅玉米库存就有几千亿斤，尤以黑龙江、吉林、河南等产粮大省库存积压量大。因此，以农作物为原料生产乙醇，作为替代能源，缓解我国石油紧缺的矛盾，也是非常可行的举措。

1.醇类燃料的理化性质

甲醇燃料和乙醇燃料的主要理化性质与汽油的比较，见表6-7。

表6-7　醇类燃料与汽油的主要理化性质比较

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2.醇类燃料的特点

1）辛烷值高

醇类燃料的辛烷值与汽油的辛烷值比较，见表6-8。

表6-8　醇类燃料的辛烷值与汽油的辛烷值比较

从表6-8可以看出，醇类燃料的辛烷值比汽油高，所以使用醇类燃料的发动机可以通过增大压缩比来提高其热效率，从而提高其动力性和经济性。因此，醇类是汽油车良好的替代燃料。另外，醇类燃料也可以作为高辛烷值组分调入汽油中，进而提高汽油的抗爆能力。

通过表6-8醇类燃料和汽油的比较，还可以看出，醇类燃料的灵敏度非常大。灵敏度是利用研究法测定的辛烷值与利用马达法测定的辛烷值之差值，即灵敏度=RON-MON。灵敏度反映的是汽油机燃料的抗爆性能随汽油机运转工况（如转速提高等）激烈程度增加而降低的情况。对汽油机来说，灵敏度越小越好。醇类燃料的灵敏度大，说明它们在低速时的抗爆性能比中、高速时要好。

2）蒸发潜热大

蒸发潜热是指在常压沸点下，单位质量的纯物质由液体状态变为气体状态需吸收的热量或者由气体状态变为液体状态需放出的热量。

醇类燃料的蒸发潜热大，意味着醇类燃料在发动机内由液体状态变为气体状态形成可燃混合气时需要吸收的热量较多，所以醇类燃料在低温条件下启动时，往往会由于汽化所需热量不足，使形成的混合气浓度较低，从而使发动机启动困难。因此，燃烧醇类燃料的发动机需加装进气预热系统，以保证其低温启动性能。

醇类燃料蒸发潜热大的优点是：形成的混合气温度低，其充气效率会提高，进而可使发动机动力性增强；蒸发潜热大，形成混合气时就会对发动机内部机件有冷却作用，可减少冷却系统和润滑系统的冷却负担，从而可提高发动机的使用寿命。

3）着火极限宽

着火极限是指混合气体可以着火的最小浓度和最大浓度之间的范围，浓度是以空气中可热气体的体积分数表示。

醇类燃料的着火极限比汽油宽得多，可实现稀薄燃烧，能有效降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。

4）热值低

醇类燃料的热值比汽油低，甲醇热值约为汽油的一半，乙醇热值约为汽油的61％。但由于醇类燃料存在自供氧效应，理论空燃比比汽油低，甲醇理论空燃比约为汽油的43％，乙醇理论空燃比约为汽油的60％。所以，在同样的过量空气系数下混合气的热值与汽油相当，汽车使用醇类燃料时的动力性不会降低。

5）腐蚀性大

醇类燃料的化学活性较强，对铜、铝等金属具有较强的腐蚀能力，对橡胶和塑料等非金属材料也具有较大的溶胀作用。

6）易产生气阻

醇类燃料的沸点低，有助于形成燃料与空气的混合气，但温度高时，容易在燃油供给系统中产生气阻现象，严重时会使供油中断，发动机熄火。

7）储存和使用方便

醇类燃料在常温下为液体状态，和传统燃料的汽油、柴油相似，所以其储存和使用比较方便。

8）排放污染低

醇类燃料的蒸发潜热大，甲醇的蒸发潜热约为汽油的3.7倍，乙醇的蒸发潜热约为汽油的2.9倍，所以使用醇类燃料的燃烧温度较低，对NOx的生成有抑制作用；醇类燃料分子中没有C-C键结构，燃烧过程中不会有多环芳香烃通过缩合形成炭烟粒子的现象，因此排气中基本没有炭烟；醇类燃料含氧量高，且C/H值较汽油小，混合气燃烧较完全，因而排气中未燃烃类与CO含量也相应较低。但醇类燃料的排气中未燃醇类和相应醛类较多。

3.醇类燃料的应用

醇类燃料的辛烷值高，是良好的汽油机替代燃料。但由于其着火性差，十六烷值比柴油低很多，所以在柴油机上使用比较困难。汽油机中应用醇类燃料主要有两种方法：掺醇燃烧和纯醇燃烧。(www.xing528.com)

1）掺醇燃烧

掺醇燃烧就是把甲醇或乙醇以不同比例掺入汽油中。甲醇、乙醇与汽油的混合燃料分别用M（methanol）和E（ethanol）加一数字表示，其后的数字表示混合燃料中甲醇或乙醇的体积分数，如M15表示甲醇体积分数为15％的混合燃料，E10表示乙醇体积分数为10％的混合燃料。

（1）掺醇汽油的优点。

掺醇汽油较纯汽油有如下优点。

①抗爆性好。醇类燃料的辛烷值均高于汽油，掺和后，可明显提高汽油的抗爆能力。试验表明，在汽油中添加10％的乙醇，其辛烷值可提高约3个单位，甲醇汽油也有类似的效果。因此使用掺醇汽油时，可通过提高发动机的压缩比来提高其热效率，进而提高其动力性和燃油经济性。

②排放尾气中NOx、烃类及CO的含量低。醇类燃料的蒸发潜热高，使掺醇汽油形成的混合气燃烧温度低，因而排放尾气中NOx含量低；醇类燃料含氧，且C/H值较汽油小，使掺醇汽油形成的混合气燃烧也较完全，因而尾气中烃类与CO含量也相应较低。

③价格低。甲醇燃料价格低于汽油价格，这使得甲醇汽油价格也比普通汽油经济。

（2）掺醇汽油的使用。

鉴于掺醇汽油的优点突出，对其使用的研究也非常多。我国对低比例掺醇汽油研究较多，掺醇比例低于15％的低比例掺醇汽油和纯汽油燃料比较，不需要改变现有汽车发动机，不增加改动成本，不存在技术上的难度。因此，低比例掺醇汽油是比较实用的醇类能源利用形式。

2001年我国制定了乙醇燃料发展计划，确定在吉林、河南和黑龙江三省设立燃料乙醇试点项目，并制定了《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准，开始推广含10％乙醇的车用乙醇汽油的混合燃料。《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准于2001年4月15日正式实施。《变性燃料乙醇》最新国家标准编号是GB 18350—2013，自2014年5月1日施行。

《车用乙醇汽油》先后多次修订，现行标准编号为GB 18351—2017，标准名称为《车用乙醇汽油（E10）》。

GB 18350—2013　变性燃料乙醇

GB 18351—2017　车用乙醇汽油（E10）

两项国家标准具体指标，分别见表6-9和表6-10。

表6-9　变性燃料乙醇

注：①2002年4月1日前，pH值按5.7～9.0执行。

表6-10　车用乙醇汽油（摘自GB 18351—2017）

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注：a　车用乙醇汽油（E10）中，不得人为加入含铅、含铁、含锰的添加剂。
b　也可采用SH/T 0794进行测定，在有异议时，以GB/T 8017方法为准。换季时，加油站允许有15天的置换期。
c　广西全年执行此项要求。广东、海南两省使用车用乙醇汽油（E10）的地区全年执行此项要求。
d　也可采用GB/T 11140、SH/T 0253、ASTM D7039进行测定，在有异议时，以SH/T 0689方法为准。
e　也可采用目测法：将试样注入100 mL玻璃量筒中观察，应当透明，没有悬浮和沉降的机械杂质及分层。在有异议时，以GB/T 511方法为准。
f　不得人为加入。也可采用SH/T 0720进行测定，在有异议时，以NB/SH/T 0663方法为准。
g　也可采用SH/T 0713、GB/T 28768、GB/T 30519进行测定。在有异议时，以SH/T 0693方法为准。
h　也可采用GB/T 11132、GB/T 28768进行测定，在有异议时，以GB/T 30519方法为准。
i　也可采用SH/T 0604进行测定，在有异议时，以GB/T 1884、GB/T 1885方法为准。

低比例掺醇燃料虽然使用方便，不需对传统发动机进行改动，但它对缓解我国越来越大的能源不足的压力所起的作用较小。要从根本上解决能源紧缺问题，应研究高比例掺醇汽油的应用。由于醇类燃料的性质不同于汽油，所以高比例掺醇燃料的应用需要对现有的汽车发动机进行较大改动，以适应醇类燃料的特点。如需对燃油箱、油泵、喷油器、燃油管、滤清器、橡胶件等进行研究改进。

（3）掺醇汽油的缺点。

①醇类燃料与汽油的互溶性较差。醇类燃料具有较强的极性，与汽油的互溶性较差。其互溶性受醇与汽油的混合比例、助溶剂的品种和加入量、混合温度等因素影响。图6-2所示为甲醇与汽油的互溶曲线。由图中曲线可看出，当醇含量很低或很高时，醇与汽油可以不借助于助溶剂实现互溶，但在很大比例范围内两者不能互溶，必须借助助溶剂。常用助溶剂有甲基叔丁基醚、叔丁醇、异丁醇、正丁醇等。混合温度越高，醇与汽油的互溶性越好。

②掺醇汽油易出现分层现象。掺醇汽油中醇与汽油的互溶性受水分影响较大，水分易引起体系分层。醇类燃料的吸水性强，在储存和使用掺醇汽油时会自动从空气中吸收水分，当水分含量达到一定程度时便出现油水分层现象。为解决掺醇汽油的分层现象，必须使用水含量低的醇类燃料。同时，在储存和使用过程中要严防水分混入。

③掺醇汽油对发动机的金属、橡胶和塑料等材料具有一定的腐蚀性。

④掺醇汽油的低温启动性差，高温时易发生气阻。这主要是由醇类燃料蒸发潜热大、沸点低造成的。

图6-　2甲醇与汽油的互溶曲线

1—不加助溶剂；2—加1％助溶剂；3—加2％助溶剂；4—加4％助溶剂

2）纯醇燃烧

纯醇燃烧是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。从弥补石油资源短缺的角度来说，纯醇燃料用于发动机燃烧比掺醇燃料，尤其是低比例掺醇燃料更具有实际意义。因此，对纯醇燃料的使用也进行了许多研究工作。

纯醇燃烧时，可根据甲醇或乙醇燃料的特点对发动机进行改造，使其动力性、经济性和共放性比燃烧汽油时有较大提高。图6-3所示为点燃式内燃机分别燃用甲醇和汽油时的有关性能对比，试验时，发动机转速为2000 r/min，空气流量为5.4 g/s。由图可知，燃烧甲醇时，发动机的平均有效压力、热效率比燃烧汽油高，排放气体中NOx、未燃CH和CO的含量比燃烧汽油时低；但燃油消耗率和排放中的甲醛含量比燃烧汽油时高。燃烧乙醇时的有关性能和燃烧甲醇时相似，只是排放气体中未燃乙醇和乙醛的含量较大。

使用纯醇燃料需对发动机进行较大改动，主要改动之处有：调整供油系统，加大油泵供油量，加装进气预热装置和改善零部件的抗腐蚀性能等。