清洁燃料

 　　与之相反的不清洁燃料是煤炭、石煤、含铅汽油、柴油等，燃烧量产生大量二氧化硫、铅蒸汽、碳黑等有害物质，要尽量限制使用或转化为清洁燃料后使用，如将煤炭转化为煤气后使用。

　　交通工具所消耗的能源占总能源消耗的比例是相当大的。国民经济的持续快速发展，带动了汽车工业的快速发展，同时也带来了汽车尾气污染等问题，汽车排放的污染物对人类的身体健康造成很大危害。著名的美国洛杉矶光化学烟雾污染事件，就是由于汽车尾气和工业废气排放造成的。我国城市的大气污染也日趋严重，煤烟、工业扬尘、汽车有害物的排放是危害大气的三大污染源。其中大约63%的一氧化碳、50%的氮氧化物、73%的烃类（包括有机挥发物VOC）、80%的铅（烷基铅）来自于汽车尾气排放，汽车排放污染已成为城市大气的主要污染源之一。

　　（1）清洁汽油

　　汽油是汽车最常用的燃料。汽油和空气混合后被吸入发动机汽缸中，通过压缩使气体混合物升压，达到一定程度后点火便会剧烈燃烧，但一部分汽油不等点火就超前发生了爆炸式燃烧，这种不能控制的燃烧过程称为爆震。汽油的爆震既损失能量、浪费燃料，又损坏汽缸。爆震现象与汽油的化学组成有关，汽油中直链烷烃在燃烧时发生的爆震程度比较大，而芳香烃和带有支链的烷烃则不易发生爆震。经过比较发现，汽油中以正庚烷的爆震程度最大，而异辛烷的爆震程度最小。人们把衡量爆震程度大小的标准叫做辛烷值，把正庚烷的辛烷值定为0，异辛烷的辛烷值定为100。汽油的辛烷值越高，汽油的抗爆震性能越好。

　　辛烷值是车用汽油最重要的质量指标，采用抗爆震剂是提高车用汽油辛烷值的重要手段。四乙基铅

　　〔Pb（C2H5）4〕是最常用的汽油抗爆震剂，只要少量的四乙基铅就能大大提高汽油的辛烷值。从1921年起，四乙基铅作为有效而又经济的汽油抗爆震剂被广泛使用。四乙基铅是一种带有水果味、具有毒性的油状液体，它的毒性要比铅及铅的化合物大100倍。由于汽油中添加了四乙基铅，导致铅随汽车尾气被排放到大气中。当人长期通过呼吸或食物摄入有机铅时，就会在体内蓄积，铅是唯一的人体不需要的微量元素，它几乎对人体的所有器官都能造成损害。此外，铅的存在还可使汽车尾气净化装置中的催化剂“中毒”而失去净化效果。因此，早在1972年12月，美国宣布逐步淘汰含铅汽油，到1996年1月1日，美国已实现全面禁止含铅汽油。日本1985年也实现了普通汽油无铅化。我国从1990年起，在北京、上海、广州等少数大城市首先使用无铅汽油，并于2000年1月1日开始执行实施新的汽车排放污染物控制标准（GB14761—1999），规定2000年7月1日起全国范围内停止生产、使用和销售含铅汽油。

　　所谓无铅汽油，是指提炼过程中没有添加含铅抗爆震剂的汽油，而是添加甲基叔丁基醚（MTBE）作为高辛烷值组分。这种组分沸点低，可以改善汽油的蒸发性能，对汽车的启动、加速以及提高发动机的功率有利。无铅汽油还可以减少汽车废气中的一氧化碳和氮氧化物的含量，大大减轻了对环境的污染。无铅汽油在燃烧时仍可能排放有害气体、颗粒物和冷凝物三大物质，对环境、人体健康的危害依然存在。其中，有害气体以一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物为主。颗粒物以聚合的碳粒为核心，可长期悬浮于空气中，易被人体吸入。冷凝物指尾气中的一些有机物，包括未燃油、醛类、苯、多环芳烃、苯并[α]芘等多种污染物，在高温尾气中呈气态，遇外界冷空气可凝结，通常吸附在颗粒物上，可随颗粒物吸入到人体肺脏深处长期滞留，具有一定的致癌性。其次，为了保持去铅后汽油辛烷值的稳定，需对原油进行催化裂化、烷基化等精炼，由此又不可避免地造成烯烃、芳烃类物质含量的增加，从而增加了尾气中烯烃、甲醛、苯及苯环类物质的排放。芳烃燃烧时产生较高的温度，不仅增加了尾气中的氮氧化物，还可使汽油燃烧不完全。

　　当前世界各国非常重视提高燃料的质量，推荐使用清洁汽油。中国国家环保总局已于1999年颁布了《车用汽油有害物质控制标准》，该标准要求氧含量不小于2.7%；硫含量不大于0.08%，苯含量不大于2.5%（体积分数），芳烃含量不大于40%（体积分数），烯烃含量不大于35%（体积分数）。新标准的实行将使我国汽车尾气污染大幅度下降。配合采用电喷发动机（电子控制汽油喷射式发动机）和三元催化装置，将使燃油更充分的燃烧，可使尾气污染减少。

　　（2）天然气及液化石油气

　　利用天然气、液化石油气代替汽油作为机动车燃料具有以下优点。

　　①资源丰富、污染小。据统计，1994年底，全世界可开采的天然气储量为140万亿立方米，我国已探明的储量为1.53万亿立方米。在今后相当长的时间内，有充足的能源保障。同时，天然气或液化石油气以气态方式进入发动机，能与空气完全混合，从而使燃烧充分，大大降低废气排放。与汽油相比，其碳氢化合物的排放可下降90%左右，CO下降80%，NOx下降40%，且无铅污染，是一种理想的清洁能源。

　　②抗爆震性能好，燃料经济。天然气、液化石油气辛烷值大于100，高于汽油5%~10%，具有很强的抗爆震性。天然气储量丰富，开采运输方便，相同发热量情况下天然气、液化石油气价格低于汽油价格，比燃油汽车可节约燃料费约50%。

　　③技术成熟。天然气、液化石油气汽车对发动机改动幅度不大，技术已基本成熟。

　　④使用安全。汽油具有很大的挥发性，随着气温升高挥发性加强，而汽车燃料系统从构造上并没有十分严密的封闭措施，因此汽车在发生交通事故或漏油后极易引发火灾。而天然气、液化石油气被压缩储存在经专门设计加工的高强度的气瓶内，传输和加注均是在严格封闭的管道中进行的，比较安全。即使发生漏气现象，由于天然气的密度小于空气，在空气中遇风而被驱散，加上天然气燃点高（537℃以上），不易形成可燃性混合气，所以天然气汽车一般不易发生火灾。

　　⑤汽车发动机寿命延长。由于天然气、液化石油气燃烧比较完全，汽缸不积炭，可减少发动机磨损，从而节约维修费用，延长发动机使用寿命。

　　目前天然气的储存方法应用最广的是压缩天然气（CNG）技术，它是将天然气压缩至储气瓶内，其压力大约为20MPa，在汽车上经过减压设备减压后供内燃机燃烧。另一种大有前途的天然气的储存技术是吸附天然气（ANG），它是在气瓶内加入特殊的吸附剂，可在较低的压力下存储天然气，存储密度与CNG相当，目前优良的吸附剂还有待开发。

　　利用天然气作为汽车燃料的主要不足是动力性低、燃料容器耐压性、密封性等要求高，加气站建设投资大，发动机混合与控制技术要求高等缺点。

　　（3）二甲醚

　　二甲醚（DME）也是一种比较理想的汽车代用燃料。二甲醚的分子式为CH3OCH3，在常温、常压下为无色、无味气体。常温下蒸气压为0.5MPa，在同等温度下，二甲醚的饱和蒸气压低于液化气，极易压缩液化，储存运输比液化石油气更安全。

　　目前二甲醚主要用作溶剂、制冷剂、抛射剂和合成其他化工产品的中间体。由于二甲醚分子中自身含氧，组分单一，因此燃烧性能好，热效率高，燃烧过程中无残留物、无黑烟，CO、NOx排量低，是公认的清洁能源。近年来，许多国家已将二甲醚作为代替柴油、液化石油气的潜在能源来开发和应用。

　　①替代柴油发动机的燃料。

　　使用柴油发动机的汽车的主要问题是尾气氮氧化物的排放和颗粒物质黑烟的生成。研究表明，二甲醚是柴油发动机理想的替代燃料。二甲醚十六烷值大于55，具有优良的压缩性，非常适合于压燃式发动机，可用作柴油机的代用燃料。研究表明，柴油发动机改用二甲醚后，发动机完全消除了黑烟排放，氮氧化物排放降低50%~70%，未燃碳氢化合物排放降低30%，CO排放降低20%，排放指标不仅满足欧洲Ⅱ和Ⅲ号标准，而且接近欧洲于2005年实施的排放标准和美国加州的超低排放标准。

　　②替代液化石油气作民用清洁燃料。

　　二甲醚的物理性质与液化石油气相似，可替代液化石油气作为民用清洁燃料。其特点一是可燃性好，二甲醚本身就是含氧燃料添加剂，其燃烧充分、完全，无碳析出，几乎无残留物，废气无毒，符合卫生标准；二是液化压力低，常温下二甲醚的蒸气压低于液化气和天然气，在室温下即可压缩成液体，可用液化气储罐灌装，能确保运输安全。同时因其常温下为气体，不需预热，随用随开，快捷方便；三是无毒性，二甲醚对人体呼吸道、皮肤有轻微刺激作用，但对人体无毒性反应；四是安全可以控制，其爆炸下限比液化气高1.3倍，爆炸隐患大大缩小；五是燃烧值高。

　　（4）燃料乙醇

　　燃料乙醇是用粮食或植物生产的可加入汽油中的品质改善剂。车用乙醇汽油中，乙醇既是一种能源，又是一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分，用以代替四乙基铅和甲基叔丁基醚。用乙醇作增氧剂，可显著降低汽车尾气中的有害物质，可以降低一氧化碳排放量约30%~38%，起到净化空气的作用。更重要的是乙醇是太阳能的一种表现形式，在整个自然界这个大系统中，乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染和非常清洁的闭路循环过程，是一种非常理想的绿色能源。

　　将剩余粮食转化为燃料乙醇，是解决当前粮食问题及国家石油短缺、环境恶化的较好的解决方案，而且对于农业、能源、环保、交通等方面将起到积极的推动作用。2000年在河南天冠集团投产的年产20万吨变性燃料乙醇项目，标志着我国燃料乙醇作为汽车动力燃料之一的开始。

　　（5）生物柴油

　　所谓生物柴油就是利用含油植物或动物油脂作为原料，经反应改性成为可供内燃机使用的一种燃料，是典型的绿色能源。生物柴油是优质的石油柴油代用品。它和传统的柴油相比，具有润滑性能好，储存、运输、使用安全，抗爆震性好，燃烧充分，环保及可再生性等优良性能。目前世界各国大多使用20%生物柴油与80%石油柴油混配，可用于任何柴油发动机和直接利用现有的油品储存、运输和分销设施。使用生物柴油，可使柴油车尾气中有毒有机物排放量减小90%，颗粒物减小80%，无SO2和有机铅排放，CO2和CO排放量仅为使用传统柴油的10%。以生物柴油为燃料的发动机，其废气排放指标不仅可满足欧洲Ⅱ号标准，而且可满足更加严格的欧洲Ⅲ号标准。

　　柴油分子是由15个左右的碳链组成的，研究发现植物油分子则一般由14~18个碳链组成，与柴油分子的组成相近。按化学成分分析，生物柴油燃料是一种高级脂肪酸甲酯，它是通过以不饱和油酸C18为主要成分的甘油酯分解而获得的。

　　目前生物柴油主要用化学法生产，主要原料为菜子油和豆油等植物油或动物油脂、废餐饮油等，与甲醇或乙醇在酸或碱性催化剂和230~250℃下进行酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中还可产生10%左右的副产品甘油。

　　化学法生产生物柴油的主要问题是生产成本高。据统计，生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此，采用廉价原料及提高转化从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。美国已开始通过基因工程方法研究含油量高的植物，日本采用工业废油和废煎炸油，欧洲是在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物。

　　化学法合成生物柴油有以下缺点：工艺复杂、醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置，能耗高；色泽深，由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质；酯化产物难于回收，成本高；生产过程有废碱液排放。

　　为解决上述问题，人们开始研究用生物酶法合成生物柴油，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯或乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。但目前主要问题有：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%~60%；短链醇对酶有一定毒性，酶的使用寿命短；副产物甘油和水难于回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有毒性，使固定化酶的使用寿命缩短。