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替代能源:我国经济可持续发展的重中之重

日期:2006-04-14    来源:科学网  作者:佚名

国际节能环保网

2006
04/14
16:58
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关键词: 替代能源 重中之重

    人类自从掌握和利用能源至今,在经过了柴草能源时期进入到煤碳能源时期,及自19世纪中叶发现石油能源后进入了今天的石油能源时期,人类依靠自身的智慧,从取暖、烧煮食物驱赶野兽到产业化革命,能源改变了人类社会的面貌,加快了人类的文明与社会的进步。虽然,能源是人类社会发展的物质基础,是人类改造自然、进行生产活动、创造物质财富并赖以生存的动力,但大量开采化石能源的同时,也引发了不可回避的许多问题:首先是地球能源的开采年限问题。据专家预测,目前全球已探明的石油开采年限为40年,天然气为60年,煤为211年,随着人类社会经济的高速发展对能源的需求也日益加剧,各国政府也都加快了对全球能源资源的控制,进而引发了一些发达国家对化石能源的进一步垄断。其次,由于大量地使用化石能源,人类生存的环境也不断地受到了恶劣的影响,由于能源燃烧过程中产生的有害物质直接排向大气层,造成空气污染,直接地危害了人类的健康和安全,而燃烧后的能源将二氧化碳等微量气体直接释放到大气中,导致地球表面出现了严重的温室效应。预计到2030年,全球平均气温将上升1.5~4.5℃,海平面将平均升高20~140cm,与之伴随的将是气候的异常与自然灾害的增加,届时人类生存将遇到严重威胁。

    再从人类社会发展与环境生存的宏观角度回到我国的经济发展和国防战略安全的角度来看将更为实际:目前我国的经济正处于高速发展阶段,更需对能源的依赖,而我国却是个富煤、少气、贫油的国家,据有关专家预测我国目前已探明可开采的能源为20年左右,2004年进口原油1.2亿吨,2005年我国石油依存度将上升到57%,到2010年我国石油消费总量将达到千亿吨,届时我国石油对外依存度将达到60%左右。反观国际原油价格却一路攀升,在不断升高的石油价格面前,我国的经济发展势必会受到严重的影响。更为突出的是对我国国防战略的考虑,自第一次中东石油危机始,阿拉伯国家纷纷依靠石油武器,削减石油出口造成对美国乃至全球的经济低迷及伊拉克战争也都带给了我们警示:化石能源供应非常容易受到战争等突发事件的影响,一旦能源资源受到强权的控制,势必对国家安全构成严重的威胁。

    化石能源是“现代社会的血液”,然而随着我国经济的高速发展,对石油资源量的需求也日益加大。目前,国际社会形势变化无常,依靠原油进口也将是无法“主控”,油价的攀升时刻都在增加着我们的生产成本,环境保护的压力日益增加,这一切都在影响着我国的国计民生和战略安全。因此,改变生产方式和消费观,开发利用能源多元化势在必行,对建立我国可持续发展的经济社会意义十分重大,同时对发展我国国民经济和环境保护具有重大意义。

    醇类燃料目前有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等,甲醇和乙醇的理化及燃烧特性能较好地适应汽车的使用要求。生产甲醇的原料有:木柴、天然石油气、城市生活垃圾等,凡是可以得到CO及H2的原料都可以合成甲醇。生产乙醇的原料有单糖类(甘蔗、甜菜等)、淀粉类植物(玉米、土豆、红薯、大麦等)、化石原料(乙烯)及纤维类(木屑、植物及农作物秸秆)。甲醇是一种轻质、无色、略有臭味、低污染的可燃液体,能与水无限互溶。甲醇只含有一个C原子,没有C-C键,含有50%的氧,是属于燃烧后生成排气较清洁的含氧燃料。乙醇则是指含有两个C原子的含氧原料。甲醇是一种溶剂,对发动机燃油系中某些零件的表面及一些金属有溶蚀作用,对一些橡胶件有胀大作用。在燃油系中可能产生不溶于醇的燃油氧化物沉淀,使过滤器孔及喷油嘴堵塞。醇燃料与汽油的理论空燃比混合气热值较接近,醇燃料的流化热高,有内冷及提高容积效率的作用。醇燃料相对汽油燃料的优点是燃烧迅速及时、燃烧温度较低、排温较低、辐射热、排气及冷却水的热损失少,在使用纯醇M100(100%甲醇)、E100(100%乙醇)时,发动机的性能比原汽油机高。纯醇发动机排气中的水蒸气大约是汽油机的一倍,例如燃烧1公斤的汽油,约排放出1.3公斤的水蒸气;而燃烧2.2公斤的醇(能量相当于1公斤汽油),约排放出2.5公斤水蒸气。由于汽车排气中含水量高,所以冬天在使用醇燃料时易在道路上形成小面积冰面。对于发动机功率而言,影响汽车发动机功率的是混合气的热值,因此发动机使用醇燃料后将供油量调整或是在经燃油滤清器中添加某种助燃剂后并不影响发动机功率。相对于汽油来说,醇的沸点低,有助于燃油——空气混合气的形成,然而其中缺少高挥发性的成分,对起动不利。

    一些国家如美国底特律柴油机公司从20世纪80年代初就在6V—92TA柴油机基础上,改变部分零部件的设计及材料成为醇燃料发动机。使用甲醇的公共汽车积累的行驶里程已超过1600万公里。同样在Z8L的汽油机上使用100%甲醇进行了4000公里的长时间试验,原汽油最大功率92kW,M100则是118kW,增加了28%。目前部分经济发达国家确定了醇类燃料是清洁燃料,作为化石能源的替代品。针对在燃烧醇燃料传统发动机的一些技术问题主要集中在以下几个方面:

    1.对于使用电磁阀的喷油器的各处密封件选用氟化橡胶或氟丁橡胶。

    2.如果使用汽油与醇类为混合燃料时,对于低温下的相分离则以加入助溶剂等办法解决分层问题。

    3.对于醇类燃料在汽车的燃油管路中产生的一种凝胶体,会聚集在燃油过滤器中堵塞滤芯,还有未进行过表面处理的铝零件在醇类中锈蚀生成的氢氧化铝也会在滤芯上形成薄膜,这样会增加过滤器阻力,影响电动油泵负荷。美国通用公司的试验表明,如未采取措施,汽车行驶4000公里后过滤器将会被堵塞,而醇类燃料在储存运输过程中产生的2-5μ之间的胶粘体杂质也将会对燃油过滤器造成堵塞。

    4.由于醇类燃料或者醇—汽油混合、醇—柴油混合燃料的理化性质及燃烧产物与石油燃料不同,因此对于燃烧醇燃料发动机的磨损分为两个方面:一方面由于液态醇类渗入零件表面的润滑油膜,破坏其润滑性,从而增加了磨损,并导致润滑油提早变质;另一方面醇燃料及其燃烧产物形成的酸性物质会对金属产生腐蚀作用,由于醇的碳、氢比值大,燃烧产物的含水量较多,当缸壁温度低于70~80℃时,在缸壁上易形成冷凝物,其中60%是水,其余是醇,微量的是酸等。冷凝物的pH值只有1.79~1.9,酸性比燃烧汽油时大,而    形成的甲(蚁)酸与铁反应生成甲酸亚铁,再加上醇类燃料发动机排气中的NO2遇到水易生成硝酸,硝酸对缸壁等会产生侵蚀作用,这些都促使醇燃料发动机零件的磨损率要大于汽油燃料发动机。经台架试验观察得知:醇类燃料中含水时磨损会加大,传统的汽油发动机润滑油在与传统的纸质润滑油过滤器配合使用时并不适应醇燃料发动机,因为普通的纸制过滤器并不能及时地将醇燃料在发动机燃烧时产生的酸性物质及水分从润滑油中吸附分离,从而造成润滑油黏度下降,总碱值降低。

    5.对于燃烧醇类燃料的发动机在尾气方面的问题,目前主要是集中在醇类发动机醛排放物比汽油及高2~10倍,而在冬季由于外界气温较低,从尾气排气管喷出水汽易在路面结冰而造成对环境的影响。针对上述问题,目前国内一些生产厂家已率先走在了国际前端。例如大同云岗汽车集团所生产的M100发动机,在传统发动机上安装一套装置即可燃烧纯甲醇。再如由陕西四维高科滤材股份有限公司自主研制的燃油过滤器和润滑油过滤器,在针对醇类燃料发动机燃油过滤易被堵塞问题时,首先改变了传统的平面阻隔过滤,而是采用了高梯度、深层吸附式过滤材料,将原来单一的过滤孔隙改变为由1μ至5μ渐进式的过滤,从而形成了容纳因醇类燃料所携带的不同尺寸的杂质。而在对使用醇类燃料发动机时对润滑油由于水分和酸性物质的提早衰变也由传统的纸制润滑油过滤器改变为植物纤维及高分子纤维过滤器,改变了传统纸制过滤器只能对润滑油进行物理式过滤。采用物理+化学的过滤方式将润滑油中的酸性物质及水分彻底吸附,保持了润滑油的黏度及总碱值,使润滑油膜不被酸性物质而破坏,从而保护了发动机不被侵蚀。目前四维公司即将推出的尾气过滤器也同样解决了醇类发动机的排放问题。

    我国在能源方面是个富煤大国,2003年国家有关部门将醇类燃料列入“国家替代能源发展计划”。发展甲醇这样的替代能源,不仅可以促进我国的经济发展,也能与能源产业结构调整相契合,可以大大缓解油品紧缺给我国经济稳定持续发展带来的巨大压力。更重要的是甲醇燃料的清洁环保功能,使得我国环境污染的严峻形势从中大大获益。甲醇等原料大部分来源于炼油厂、乙烯厂、液化气厂、化肥厂等企业价值不高的副产品,如果政府能综合性地合理布局生产甲醇燃料,在一定的历史时期内有计划地规模发展甲醇燃料,然后再根据地域性的、阶段性的相互辅助地发展乙醇燃料,是完全符合我国大力发展循环经济的方针。在20世纪70年代的第二次石油危机,美国、德国、日本等国先后投入人力、物力进行甲醇燃料及甲醇汽车研究,但由于欧、美、日等国家内甲醇生产资源缺乏,以及当时石油供应形势变缓,欧、美、日等国便放弃了甲醇汽油的产业化推广。但是,我国的国情却不允许我们走昔日欧、美、日的路子,如果我国能够在目前的情况下,全面性地从宏观角度去考虑能源问题,进行合理的布局。分阶段地从发展甲醇汽油,在全国富煤省份建立甲醇燃料优先措施,则每年可替代石油燃料将达到数以千万吨,针对部分缺煤省份大力发展乙醇燃料,在今后的数十年内将有可能逐渐改变依赖进口石油的能源格局,彻底地消除严重威胁国家安全的隐患。

    发展甲醇燃料并非是取代乙醇燃料,毕竟由于制取甲醇燃料的原料主要仍来自不可再生的煤炭资源,因此,甲醇燃料作为今后数十年的阶段性的替代能源,随着对乙醇提取技术日益成熟化及薯类、淀粉类作为基因转变的成熟,同样可以将乙醇燃料铺垫好今后的发展基础。

    在生物质能方面,我国“十五”发展纲要已明确提出发展各种石油替代品,其中最重要的是将发展生物燃料确定为替代能源的新兴产业发展方向。

    由于汽车使用的矿物燃料的有害物排放高,尤其是能形成臭氧、光化学烟雾的氮氧化物,具有致癌潜在可能的有机烃类、甲醛,还有二氧化碳、一氧化碳、硫化物、碳氢化合物以及连带产生的“温室效应”等,对人类生活的环境产生的负面影响急剧上升。而生物燃料是可再生能源,依靠用之不竭的太阳能生产出来,使用生物燃料后的有害排放比矿物燃料大幅降低,同时,生物燃料在生长的过程中大量吸收二氧化碳,可有效遏制“温室效应”。随着化石能源的日益接近枯竭,而能源植物则是利用取之不竭的太阳能生产的可再生能源,对环境污染小,是化石能源及其制品的最佳替代品,能形成良性的生态循环。世界各国科学家经过多年的研究,发现能生产“绿色能源”的植物有数十种,既有草本植物,又有灌木、乔木等木本植物。人类把能够生产“绿色石油”的植物称之为“能源植物”。

    我国幅员辽阔,能源植物品种繁多,资源相对极其丰富,主要有大戟科、樟科、桃金娘科、豆科、大风子科等;就具体品种而言,有戟科植物、树脂海桐、油棕榈树、油桐树、风吹楠、光皮树、续随子等等,据中科院一项调查表明,如果将华南几省20%的荒芜土地种光皮树,每年将会产生4800万吨“生物柴油”。植物能源工业是一种新技术和劳动密集相结合的新型能源产业,我国闲荒土地资源十分富饶,农业生产劳动力相对充裕,如果得到政府的一些优惠政策和足够的重视,采用先进技术并组织得当,且对炼油厂的布局合理,将会具有更低廉的成本、更强的市场竞争力。诚然,目前的传统发动机使用100%的纯植物油为燃料存在着以下几方面问题:未经精炼的植物油可滤性较差,植物油中的脂肪胶质及杂质易使过滤器堵塞。对于以柴油为燃料的发动机嘴容易结焦、堵塞,这是目前传统发动机使用纯植物油时的普遍存在的问题,有些柴油机运转几个小时或几十个小时就会产生这些现象。这主要是植物油的黏度及初馏点高,不宜雾化、气化,喷油质量较差而引起的,同时由于植物油雾化质量差,油中含有不稳定的非饱和成分及残留碳分子较多,容易在燃烧室壁面产生积碳及活塞环粘结现象。据陕西四维高科滤材股份有限公司在六缸直喷柴油机以70%的棉籽毛油、30%的柴油经过500小时的全速、全负荷台架试验,经检测分析润滑油的理化指标和金属残余杂质含量表明,汽缸壁和活塞环等零件的磨损是在允许的正常范围之内的。如果该技术能够得到大规模的产业化推广,在可预见的未来,我国的华南、西南、西北、华北和东北广大地区,利用大量原来贫瘠、干旱的荒漠及沙化地的治理与种植能源植物进行有效的系统工程的综合治理,既实现了荒漠地和沙化地的绿化,防止了沙尘暴,又出现了数个千万吨的绿色油田;既解决了数以千万计的劳动力就业,又能从根本上解决危及国家安全的至关重要的能源问题。

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