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发动机燃用甲醇的减碳预测模型

|来源:网友投稿

朱佳隆 华琰 王忠

摘 要:运用低碳燃料甲醇替代汽油和柴油有助于降低CO2、CO和总碳氢排放。通过建立发动机燃用甲醇理论减排模型,预测了未来5年中国燃用甲醇替代汽油/柴油的CO2新增排放。结果表明,甲醇以10~20%的替代率将降低4.1~8.3%的CO2新增年排放。

关键词:甲醇; 发动机; 二氧化碳

中图分类号:U464.1          文献标识码:A       文章编号:1006-3315(2021)7-184-002

1.国家减碳战略及政策

党的十九届五中全会上对能源发展提出战略目标,中国在联合国会议上提出“努力争取2060年前实现碳中和”。目前我国碳排放仍然处于高位阶段,超过85%的碳排放来自于能源活动。2020年末,我国非化石能源比重约15%,化石能源占比依然很高[1],而内燃机动力消耗了三分之二的石油。2020年我国全年原油净进口量达5.42亿吨,原油依存度进一步升至73.5%,成为威胁经济建设和能源安全的不稳定因素[2]。

相较于化石能源,甲醇具有三大优势。第一,保障能源安全。我国是产煤大国,而甲醇主要来源于煤,2018年煤制甲醇4334万吨,约占总产量的67%。第二,经济性好。煤制甲醇工艺对煤品类的要求不高,而煤的多联产进一步降低了甲醇的生产成本,使得甲醇的售价(约2元/升)远低于汽油(约6.5元/升)和柴油(约6.2元/升)。第三,低碳环保。根据姚春德院士[3]的判断,完全燃烧1kg甲醇的碳排放约为相同质量柴油的40~45%。因此,为了保障能源安全并兑现碳中和的承诺,发展甲醇经济是重要的能源取向[4]。2019年八部委联合印发了《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,借助国家政策推动甲醇汽车产业的发展。

2.发动机燃用甲醇理论减排效果预测

2020年中国汽车总销量为2513万辆,其中乘用车2017.8万辆,商用車513.3万辆,新能源车136.7万辆[5]。将新能源车辆、油耗分布和年行驶里程进行简化,如表1所示。

根据化学反应方程,完全燃烧1kg汽油释放2.27kgCO2,根据C12H26+31.5O2=12CO2+13H2O,完全燃烧1kg柴油释放3.16kgCO2。根据CH3OH+1.5O2=CO2+2H2O,完全燃烧1kg甲醇释放1.375kgCO2。

根据柴油、汽油和甲醇的理化性质,如表2所示。综合考虑甲醇的热值和燃烧热效率,实际发动机试验中替代比约为1.3~1.5[6],即取1.5kg的甲醇替换1kg的汽油,1.3kg的甲醇替换1kg的柴油。

结合汽车数量、平均油耗、行驶里程和单位燃料碳排放量数据,估算我国2020年发动机燃用柴油和汽油的CO2新增排放总量,并以10%甲醇替代率(M10)作为对比方案,结果如图1所示。甲醇替代10%将4.9亿吨CO2排放总量降低至4.7亿吨,降幅为4.1%。

根据中国汽车工业协会的预测,2021年中国汽车销量有望超过2600万辆,同比增长4%。以4%作为未来5年中国汽车销量的平均增速,以2%作为甲醇替代率的增长速率,预测中国发动机燃用甲醇混合燃料的CO2新增排放总量,如图2所示。随着甲醇替代率的增大,2025年CO2新增排放总量较无甲醇替代降低8.3%。

3.结论

在国家减碳战略的背景下,甲醇以保障能源安全、经济性好和低碳环保的特点替代汽油和柴油,这将大量减少CO2排放。运用发动机燃用甲醇理论减排模型,预测2021~2025年,甲醇以10~20%的替代率降低4.1~8.3%的CO2新增年排放。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51776089)

参考文献:

[1]朱琼芳.我国甲醇及其下游产品市场分析与展望[J]煤化工,2019,47(06):52-7

[2]刘朝全,姜学峰,戴家权,等.疫情促变局转型谋发展——2020年国内外油气行业发展概述及2021年展望[J]国际石油经济,2021,29(01):28-37

[3]姚春德,刘辰,耿鹏,等.甲醇柴油双燃料燃烧结合DOC/POC耦合大幅度减少发动机微粒排放的研究[J]环境科学学报,2014,34(11):2918-24

[4]何光远.发展甲醇经济是重要的能源取向[N]2020-12.16

[5]中国汽车工业协会.2020年汽车工业经济运行情况[M]中汽协会行业信息部,2021

[6]阎文兵,姜绍忠,方林焱,等.一种甲醇/汽油灵活燃料发动机智能控制装置[J]拖拉机与农用运输车,2009,36(06):122-3+6

[7]蒋德明,佐华.内燃机替代燃料燃烧学[M]西安:西安交通大学出版社,2007

[8]李毅,刘圣华,朱赞,等.提高压缩比对甲醇汽油发动机性能影响的研究[M]中国汽车工程学会年会,中国天津,2008:4

[9]李鲁强,谭建伟,高力平,等.车用M15甲醇汽油的常规污染物排放特性研究[M]中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会暨先进发动机节能及测试技术论坛,2014

[10]凌鑫晨,吴锋,姚栋伟,等.汽油机燃用甲醇汽油的芳香族碳氢排放试验研究[J]内燃机工程,2014,35(04):55-9

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