摘 要

伴随着石油资源的日益消耗、大气环境的日益污染、燃料价格的日益增长，传统发动机行业面临着严峻的挑战，导致维系整个世界正常运转的动力之源面临着重大威胁，因此必须寻求合适的发动机代替能源以从根本上解决石油资源消耗、大气环境污染等迫在眉睫的重大问题。

甲醇因其物质特性与汽油柴油等相近、生产成本低、含氧量高、燃烧清洁等特质，因此可作为发动机的代替燃料。

本文研究甲醇作为发动机代用燃料应用技术分析，首先主要介绍了煤制甲醇、天然气制甲醇、焦炉煤气制甲醇以及二氧化碳加氢制甲醇等技术特点以及各甲醇生产技术的能耗、成本以及碳排放。接着对甲醇性质进行了介绍，包括甲醇的物理化学性质、毒性、腐蚀溶胀性等特性，同时通过甲醇与汽油和柴油各参数的具体对比分析出甲醇作为发动机代替燃料的可行性分析。论文主体从压燃式发动机和点燃式发动机两方面分别介绍了甲醇通过不同技术在发动机上应用后所得到的动力性、经济性、排放性的变化，同时对比分析出各应用技术的优缺点。

研究显示，甲醇在点燃式发动机上应用时，发动机在动力性、经济性、CO、HC、等常规排放物排放性都会有所改善，但是需要注意的是会出现甲醛等非常规排放。甲醇在压燃式发动机上应用时，对柴油机工况变化比较敏感，柴油机工况不同，其经济性能、动力性能、排放性能也都会表现出不同的结果。

关键词：甲醇、发动机、经济性能、动力性能、排放性能

Abstract

With the increasing consumption of oil resources, the increasing pollution of the atmospheric environment and the increasing price of fuel, the traditional engine industry is facing severe challenges, resulting in a major threat to the source of power to maintain the normal operation of the whole world. Therefore, it is necessary to find suitable alternative energy sources to fundamentally solve the urgent major problems of oil resource consumption, and atmospheric environment pollution, etc.

Methanol can be used as a substitute fuel for engines due to its similar material characteristics to gasoline and diesel, low production cost, high oxygen content, clean combustion and other characteristics.

This paper studies the technologies of methanol as an alternative fuel for engines. Firstly, the technical characteristics of coal to methanol, natural gas to methanol, coke oven gas to methanol and carbon dioxide hydrogenation to methanol are mainly introduced, as well as the energy consumption, cost and carbon emissions of various methanol production technologies. Then, the properties of methanol are introduced, including its physical and chemical properties, toxicity, corrosion swelling and other characteristics. At the same time, the feasibility analysis of methanol as an engine substitute fuel is analyzed by comparing methanol with gasoline and diesel. The main body of the paper introduces the changes of power, economy and emission of methanol after different technologies are applied to the engine from compression ignation engine and spark ignition engine respectively, and compares and analyzes the advantages and disadvantages of each application technology.

Research shows that when methanol is applied to an spark ignition engine, the engine's power, economy, and conventional emissions will be improved, but it is important to note that there will be unconventional emissions such as formaldehyde. When methanol is applied to compression ignition engines, it is very sensitive to the changes of diesel engine operating conditions. Different diesel engine operating conditions have different results in economy, power and emission.

Keywords：Methanol, Engine, Economy, Power, Emission

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1节约石油资源 1

1.1.2降低化石燃料污染物排放 2

1.1.3降低能耗成本 2

1.2国内外研究发展概况 2

1.2.1国外研究发展概况 2

1.2.2国内研究发展概况 3

1.3本文研究内容 4

第2章 甲醇燃料 5

2.1甲醇制取 5

2.1.1煤制甲醇 5

2.1.2天然气制甲醇 5

2.1.3焦炉煤气制甲醇 6

2.1.4二氧化碳加氢制甲醇 7

2.1.5甲醇技术对比 7

2.2甲醇特性 8

2.2.1物理化学性质 8

2.2.2毒性以及环境安全性 8

2.2.3腐蚀溶胀性 8

2.2.4燃烧特性 8

2.2.5甲醇与汽油柴油性质对比 9

第3章 甲醇作为发动机代替燃料应用分析 10

3.1甲醇在点燃式发动机上的应用 10

3.1.1甲醇掺烧 11

3.1.2甲醇裂解 12

3.1.3甲醇水蒸气重整 14

3.1.4直接燃烧甲醇 14

3.1.5各技术对点燃式发动机性能的影响对比 16

3.2甲醇在压燃式发动机上的应用 16

3.2.1乳化液法 17

3.2.2助燃法 18

3.2.3直接压燃法 19

3.2.4柴油引燃法 20

3.2.5各技术对压燃式发动机性能的影响 21

第4章 总结与展望 23

4.1总结 23

4.2展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1节约石油资源

自从人们发现石油的效用开始，其便成为人类十分重要且宝贵的财富，但是很遗憾这种财富是不可再生的。随着社会经济发展，工业规模扩大，石油对于人们生活方方面面的影响日益增强，石油价格的剧烈波动将直接影响一个国家全体国民的生活。石油的用处颇为广泛，且十分重要，可以带来巨大的经济利益。这势必会使各国对石油资源进行残酷的争夺。

纵观当今世界近几十年，因为石油资源而产生的国家与地区之间的争端、冲突乃至战争从来都没有间断过。中东地区战争不断、人民生活在水深火热当中，不断忍受着战争的摧残与折磨，惶惶不可终日，而这一切的罪魁祸首就是人们对石油的不可或缺。暂且撇开世界各国对石油的争端不谈，就现如今世界的快速发展进步而言，几乎所有的进步与发展都离不开石油等化石能源的消耗，如若不改变这种能源使用现状，在可见的未来，石油资源必然枯竭，那时候因为石油而引发的世界问题可不仅仅局限在中东，而是全球，没人可以置身事外。因此必须高度重视对石油代替资源的研究。

从全球范围来看石油问题尚且如此突出，更遑论单单一个中国，更何况我国还是一个“缺油”的国家，再加上人口众多，我国人均石油占有量不及世界平均水平的一半，甚至不足美国的1/10。国家相关部分曾经对此进行过统计与调查，调查统计资料显示^[1]，我国于1993年正式成为了石油净进口国，且在当年的对外依存度便达到了6%，之后，我国对外石油的依存度也是逐年增加，据国土资源部统计，在2014年我国石油的总产量约为2.1亿吨，对外依存度接近60%，据预测到2020年时，我国石油的对外依存度将达到70%以上，这对我国经济的可持续发展战略以及能源安全来说是一个极大的隐患^[1]。而在我国所有的石油消耗中，内燃机的消耗量占总消耗量的一半以上^[2]。面对石油能源日益短缺的现状，我们迫切需要改善能源结构，寻找开发替代能源。

甲醇燃料具有成本低廉、来源广泛、清洁环保、生产技术成熟、应用领域广等特点，使其作为发动机替代燃料具有巨大优势。近年来，我国甲醇产能远大于需求，长此以往，将不利于甲醇行业的发展。为此，发展甲醇燃料，既可以减少石油等资源的消耗量，同时也还可以促进甲醇行业的发展，进而可以为我国产业结构调整做出贡献^[3]。

1.1.2降低化石燃料污染物排放

近年来，随着经济社会的快速蓬勃发展，化石燃料的大量使用，我们的生活大环境质量也是急剧的下降。雾霾、温室效应、酸雨等危害让每个人都难逃其咎，也让每个人都深受其害。比如发动机尾气当中的CO、氮氧化物、硫化物、HC化合物、颗粒物等都对人体、对环境危害极大^[4]：

①CO：CO是一种无色无味的气体，它可以与人体内的血红蛋白结合生成羰基血红蛋白，严重削弱血液对人体的供氧能力^[5]。

②氮氧化物：二氧化氮被人体吸收后会与人体内的水结合生成硝酸，引起咳嗽、气喘

甚至肺气肿和心肌损伤等重大疾病^[6]。同时氮氧化物也是地面附近形成含有毒臭氧的光化学烟雾的主要因素之一。光化学烟雾能够降低人体细胞的新陈代谢，加快人的衰老^[7]。

③HC混合物：这种混合物含有200多种烃类化合物，部分会对人有致癌作用；同时HC混合物也是产生光化学烟雾的罪魁祸首之一。

④颗粒物：这种颗粒物过多会形成雾霾，被人体吸入体内后，可危害人体的血液、骨骼、神经等组织^[8]。

由上可知，诸如汽油机、柴油机的运行给环境和人类带来的危害十分严重。因此从降低污染物排放方面来说发展清洁能源也势在必行。

1.1.3降低能耗成本

由于石油资源的日益稀缺，加上其在世界各地分布极其不均，所以燃用石油等化工燃料成本巨大。通过对比燃料的低热值可计算出燃料的消耗率，甲醇燃料的低热值为19.45MJ/kg，是汽油、柴油和液化石油气等化石燃料的一半左右，所以产生同样的热量，甲醇的消耗量将会是柴油、汽油或液化石油气的2倍左右，但其价格仅为柴油或液化石油气的三分之一至四分之一，所以相比化石燃料，甲醇燃料具有较好的经济性^[2]。

1.2国内外研究发展概况

1.2.1国外研究发展概况

国外对甲醇燃料的应用研究开始于二十世纪七十年代，主要是由于受到两次石油危机的影响^[9]。

1976年，第一次国际醇燃料会议在瑞典召开。此后，甲醇作为汽车替代燃料在欧美各国进行了非常广泛的应用^[10]。

1988年，美国在加利福尼亚州建立了60座甲醇汽油站。同时美国政府还颁布了一些有助于甲醇汽油发展的政策，例如对购买甲醇汽车的用户进行财政补贴，并且免费提供甲醇燃料等，以促进甲醇汽车的发展。在良好政策的推动下，加利福尼亚州能源委员会在 1978至 1998年期间展开了世界规模最大的甲醇汽车示范项目^[11]。

1983年日本创立了日本甲醇燃料联合公司，他们主张把纯甲醇（M100）作为汽车代用燃料^[12]。

二十世纪八十年代末期，加拿大皇家军事学院在汽油机上研究了高比例甲醇汽油的冷起动性能。研究发现经过重新标定，燃用M85甲醇汽油时，冷起动特性和原汽油机相似^[13]。

1991年，本田公司苦心孤诣，经过深入研究设计开发了一款灵活燃料汽车，即可以随意切换燃用燃料（纯汽油与M85）。其研究表明，灵活燃料的应用可以使该款发动机的最大扭矩可以提高约8%，另外因为燃用了甲醇燃料，所以对气门的磨损更小；但是燃用甲醇燃料有一个很明显的缺点就是其非常规排放（甲醛等）高于汽油机^[14]。

1994年，加拿大进行了长达三年的以甲醇为燃料的公交车的试运营，参加试验的柴油公交车和甲醇公交车各6辆，每年累计行程达7.1万公里。运营试验结果表明，相比于柴油机车，甲醇车的颗粒物和氮氧化物等常规排放物更低，但甲醛等非常规排放明显高于柴油车^[15]。

1.2.2国内研究发展概况

与国外相似，我国对甲醇燃料的研究应用基本也开始于上世纪70年代，主要也是在车用甲醇燃料领域。目前，车用甲醇汽油和甲醇燃料技术已经相当成熟，并且于2009年相继出台了GB/T23510—2009《车用燃料甲醇》和GB/T23799—2009《车用甲醇汽油（M85）》标准^[2]。国内对甲醇柴油双燃料进行研究主要是通过台架试验对甲醇柴油双燃料发动机的燃烧和排放性能进行研究。身为最早研究将甲醇燃料应用于柴油机上的高校之一的长安大学，在该研究中取得了丰硕的研究成果，例如柴油和甲醇的混合技术、柴油-甲醇双燃料供给系统技术、甲醇柴油发动机排放控制技术等大量技术成果^[16]。

1983年山西交通科技研究所和中科院环境化学研究所进行了M15示范试验，试验总行程高达683万公里。此后，山西汾阳运输公司组织了475辆中型货车进行了M15商品化运营，运营总里程达到8000万公里以上^[11]。

1996年6月，大同云岗汽车公司在太原投入了13辆灵活燃料甲醇中巴车试运营，安全运营30万公里以上。

1997年，山西佳新能源化工有限公司创建了50辆甲醇轻型客车车队进行商业应用示范^[11]。

除了在车用燃料领域内进行甲醇研究，我国对民用燃料、锅炉用燃料、发电用燃料等领域的甲醇燃料应用也进行了研究，但是相比与在车用燃料中的研究，明显不足^[2]。由此也可预见，在未来对甲醇作为发动机代用燃料进行研究是非常有意义且有前景的。

1.3本文研究内容

本文研究甲醇作为发动机代用燃料应用技术分析，主要内容包括甲醇制取、甲醇特性分析、甲醇在发动机上的应用技术介绍与对比分析。

在甲醇制取部分主要介绍目前应用较为广泛的甲醇制取方法以及尚未商业利用但具有光明前景的一些甲醇制取方法，简要介绍各制取方法的生产流程以及各甲醇制取方法的能耗、成本、碳排放。

甲醇作为发动机代用燃料，必须有作为发动机燃料的潜质。关于甲醇特性主要对甲醇物理化学性质、毒性与环境安全性、腐蚀溶胀性、燃烧特性进行介绍并且与原燃料对比，进而分析出甲醇对原燃料的可代替性。

甲醇作为发动机代替燃料在发动机上的应用作为本文的核心内容，主要分为甲醇在点燃式发动机的应用技术和甲醇在压燃式发动机上的应用技术两部分来介绍。主要介绍的有甲醇在发动机上的应用技术方法，如甲醇与汽油掺烧、甲醇裂解等。然后对燃烧甲醇与燃烧传统燃料以及各甲醇燃烧利用技术后发动机所表现出的动力性能、排放性能、经济性能进行对比分析，从而分析找出甲醇在发动机上最适合的应用技术。

第2章 甲醇燃料

2.1甲醇制取

甲醇作为发动机代替燃料应用，其优势不仅体现其应用于发动机时，发动机动力性、经济性、排放性相比于传统发动机的改善，同时也体现在其制取过程中相较于汽、柴油的优势。目前发展比较完善的、且能够进行大规模制取甲醇的手段有煤制甲醇、天然气制甲醇、焦炉煤气制甲醇等方法，同时具有光明前景的有二氧化碳加氢制甲醇技术。

2.1.1煤制甲醇

煤制甲醇的工艺路线包括煤气化、CO变换、净化、甲醇合成及甲醇精馏等工艺过程^[17]。

煤气化是指固体煤炭在氧气、水蒸气作用下生成 、CO、、 等气态物质的过程，是煤制甲醇的核心工序。

CO变换工序主要目的是调整粗煤气中的氢碳比（-）/（CO ），该工艺过程在甲醇合成中必不可少，甲醇生产反应中一般选择氢碳比为2.0-2.2。具体反应化学方程式如下：

（2-1）

净化工序是为了吸收变换气中因为多余的 、、COS等酸性气体。因为上述气体会使催化剂中毒，所以必须要净化。因此净化工序主要是为了吸收掉这些气体。

甲醇合成工序中主要发生、、CO生产甲醇的反应，同时也无可避免的伴随一些副反应。

甲醇精馏的目的是将合成的粗甲醇进行精制，因为在合成甲醇的过程中存在大量副反应，因此会产生杂质，所以需要对甲醇进行精馏。

经研究计算可知，煤制甲醇的能耗为1.94吨标准煤/吨，经济成本为2866元/吨，另外需要注意的是每生产一顿甲醇会产生3.49吨的排放。

2.1.2天然气制甲醇

天然气生产甲醇工艺流程简单, 生产成本相对较低。天然气制甲醇是最为成熟的甲醇利用技术，以天然气为原料生产甲醇的生产流程一般包括天然气压缩、天然气脱硫、天然气转化、转化气压缩、甲醇合成、粗甲醇精制等工艺^[18]。