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甲醇能源的发展与应用现状

发布日期:2020-09-02  来源:能源与节能  作者:白秀娟  浏览次数:509
 当今世界面临的两大难题为能源安全和环境污染。减少对传统能源的依赖,寻找可替代能源是当今国家发展的主要能源战略。中国资源结构为缺油、少气、富石油对外依存度逐年攀升,2018 年达到 69.8%,汽车保有量超过 3.1×108 辆,所以,实现能源自给、多元化以及保障能源安全迫在眉睫。而液态低碳 CH3OH来源广泛,没有硫化物和颗粒物排放,不仅可以通过高效环保的方法从煤炭、天然气等传统能源中制取,还可以通过安全、清洁的可再生的生物质和 CO2 加氢制取。随着 CO2 合成 CH3OH 技术的突破[1],CH3OH 生产中 CO2 可以通过捕集工业排放获得,H2 可从工业副产品中获得,合成过程利用可再生能源,这样不仅极大地减少了环境中 CO2 的排放,还实现了可循环再生,是真正的绿色环保能源。目前,CH3OH 作为具有前景的绿色能源,主要应用在两个方面:a) 作为内燃机燃料直接燃烧产生动力;b) 通过 CH3OH 制氢为燃料电池提供 H2。下面就从 CH3OH 这两方面的发展与应用现状入手做简单综述。

1 甲醇内燃机

1.1 应用现状

CH3OH 作为内燃机燃料具有高辛烷值、高层流火焰传播速度、高汽化潜热等优点,已经成为最具潜力的内燃机替代燃料[2]。国内外的研究者对 CH3OH 作为内燃机燃料在动力性、经济性和排放性方面的性能研究已经做了大量工作[3- 4]。在实际应用方面,各大汽车厂商和发动机企业也对CH3OH 的应用进行了大量的研发与应用工作,特别是吉利汽车,不仅在乘用车上应用了 CH3OH 技术,在重卡上也搭载了甲醇内燃机,并已完成各项实验工作。吉利汽车自 2005 年底启动研发工作,至今 14 a 研发历程,突破了多项关键技术,开发了多项发明专利,积累了甲醇发动机、甲醇汽车的研发经验,开发完成了多款甲醇动力和甲醇汽车。吉利商用车自 2014 年成立就开始策划甲醇动力在商用车中的应用,2015 年正式开发商用车甲醇发动机,历时 4 a,首款甲醇动力商用车已经小批量生产。在工信部 5 省市甲醇汽车试点项目中,吉利投入 1 008 台,占试点车辆总数近 90%;在冰岛市场测试运行项目中,吉利甲醇汽车运行近 3.5 a 时间;在市场推广中,甲醇汽车累计推广应用近 2×104 台2019 年 3 月,中国八部委联合发布 《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》(工信部联节 〔2019〕61 号),这对中国甲醇燃料、甲醇汽车来说,是 40多年发展史上一个重要的里程碑,具有十分重要的意义。

1.2 甲醇汽车推广应用存在的问题

首先,标准法规体系亟待完善。2019 年 3 月,《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》 要求新生产甲醇汽车按照 GB 17691—2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法 (中国第六阶段) 规定的方法和限值进行型式检验。甲醇汽车技术条件、甲醇汽车污染物排放等相关标准未发布,无法申报国六公告。其次,部分标准不适用甲醇汽车,比如:在国标机动车安全运行技术条件中,危险品运输车燃料供给系统要求是单油箱,容积≤400 L。甲醇汽车需要汽油辅助启动,底盘上有 2 个油箱,400 L 甲醇重卡续驶里程约400 km,不能满足大多危险品运输车的运距要求。最后,CH3OH 燃料加注问题。试点城市西安、贵阳已有若干 CH3OH 加注站。但因为补贴问题,只愿给出租车加注,而不是重卡。与出租车不同,重卡运行范围广,对加注站的布局范围要求更高。所以,甲醇汽车应用推广中遇到的问题,需要政策导向和资本的大力加持才能保证 CH3OH 燃料的推广应用。

2 甲醇燃料电池

2.1 应用现状

CH3OH 燃料不仅可以作为内燃机的替代燃料,还可以通过 CH3OH 重整制氢直接为燃料电池提供 H2。由于氢燃料电池具有高效环保的优点,成为了车载动力最有前景的替代能源。曹湘洪院士在氢能开发与利用的关键问题中也提出,氢能是实现一次能源高效利用的最有效途径,是最清洁的二次能源,系统完整的技术支持是实现氢能开发利用的关键[5]。但由于制氢、储氢以及加氢站等各种技术问题,目前氢能还没有大范围的应用。因为 CH3OH 具有能量密度高、易存储、来源广泛、安全可靠以及可现场制氢等优点,是车载燃料电池理想的动力能源。甲醇燃料电池不仅可以应于乘用车,也可以应用于物流车、大巴车、船舶等交通领域市场。

国外对载氢燃料电池技术已有多年的研发经验,并陆续发布燃料电池车型,比如日本丰田的 Mirai 车型、本田 Clarity,德国的奔驰车型,韩国现代的 FCV,而美国加州是全球最大的燃料电池乘用车市场。国内最近开始关注氢燃料电池技术,中国自 2002 年开发第一款燃料电池车开始,现已经过十几年的技术更新,也正逐步接近世界先进水平。目前,上汽集团的乘用车荣威车型已投入市场,国内首款量产车型大通FCV80 宽体轻客在 2017 年开启发售。现在以郑州宇通客车、北汽福田汽车为代表的商用车已经开发出来第三代燃料电池客车。东风特汽、中国重汽也将开发各自的燃料电池车。当前,国内外的氢燃料电池车都是直接以 H2 为动力源,以 CH3OH 为动力源的燃料电池车型还比较少。国内各科研机构以及企业已经开展了关甲醇燃料电池结构、材料、性能等各方面的研究工作,各大车企和能源公司也开始研究甲醇燃料电池的应用。在商用车领域,2018 年 10 月,由东风汽车公司开发的全球首批基于 CH3OH 重整氢燃料电池轻型卡车在昆山国际车展举行正式投入商业运营发布仪式。

2.2 存在的问题

CH3OH 重整制氢的工艺有:CH3OH 裂解制氢、CH3OH 部分氧 化制 氢、CH3OH 水 蒸气重 整制 氢和CH3OH 自热重整制氢[6]。其中,CH3OH 水蒸气重整制氢由于其产氢率高、CO 含量低以及反应条件温和,是车载燃料电池的最佳能源。但 CH3OH 经过重整器后会产生 H2,同时还伴有微量的 CO,而微量的 CO 会使贵基催化剂中毒,所以,要求 CO 的质量浓度必须小于 12.5 mg/m3 [7- 8]。另外,甲醇燃料电池电化学反应中需要使用催化剂,一般分为贵金属和非贵金属 2 种,由于贵金属,比如铂,价格昂贵,所以目前非贵金属,比如基催化剂是研究的热点[9- 13]。除了催化剂的研究之外,高效、紧凑、低成本的微通道反应器也是目前甲醇燃料电池研究的热点问题[14- 16]。

3 结语

在节能减排的大背景之下,各国的能源结构也由单一的化石能源向不同的新能源形式转变。由于CH3OH燃料节能环保、来源广泛等优点而成为理想的替代能源。目前,在交通领域,CH3OH 燃料主要应用在内燃机以及燃料电池上,虽然在应用当中还存在诸多问题,但是随着技术的进步以及国家的相关支持,CH3OH 燃料将具有广阔的应用市场。

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