M85车用燃料的排放特性及催化特性研究
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30安全与环境化工之友
2007.N O .09
在我国整个石油消费市场中车用燃料占到总消费量的35以上并呈急剧上升趋势据汽车行业部门预测到2020年我国汽车保有量为6000万辆在现有基础上翻两番车用汽柴油消耗将超过亿吨大关随着社会汽车保有量的逐年大幅增加汽车尾气排放总量也呈上升之势据国家环保总局预测今年我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率将达到
79左右单从减少汽车尾气有害排放角度考虑甲醇燃料是有效降低汽车尾气污染的重要途径之一甲醇燃料的研究日新月异但是由于现阶段还缺乏相关国家标准多数消费者对甲醇燃料的尾气排放不甚了解尤其对于甲醇燃料的非常规排放更是知之甚少由此导致了很多误解并严重影响了其推广和发展考虑到甲醇燃料的相关技术已经比较成熟本文重点讨论甲醇燃料M 85的尾气排放尤其是非常规排放以及它们的催化特性
1M 85的排放特性
1.1常规排放特性
为了便于比较下面表1.2.3.4给出了汽油和M 85的常规
排放台架试验
对比汽油和M 85的台架试验在常规排放物方面M 85相对于汽油有大幅度的下降其中CO 平均下降50%以上H C 下降70%以上N Ox 下降10%以上
能够有效解决汽车排放污染
尤其对城市人口稠密地区科学证明在人口稠密的城市地区如果
现有汽油的排放能降低13%
就能有效解决交通污染
在上面表格没有列出CO 2的数据CO 2是主要导致全球温室效应的气体也是国际关心问题甲醇分子只含一个碳甲醇汽车排放的CO 2排放低于汽柴油车考虑到油耗略有增加国外由天然气制甲醇的能源转换效率
通过技术改进现已由64提高到72,生产每吨甲醇所产生的C O 2已从380kg 降低到180kg 并有可能降到150kg 国内技术也有长足的进步CO 2
排放也将得到较好的解决
表5.6给出了M 85和汽油的FTP 程序测试的常规排放虽然国内这种测试方法不经常使用但是很能说明问题所以在这里借鉴一下国外数据I E A 这里有必要说明一下表格中数据都是经过普通催化净化
通过表格数据对比可以看出M 85的常规排放相对于汽油无论在20或-7都有大幅度的下降约55%~90%具有明显的优势
1.2非常规排放特性
关于甲醇汽油的非常规排放
国内和国外也有很大的差别国内主要考虑是甲醛和甲醇的排放而国外还要考虑烯烃苯
醛甲醇和硫的排放就其甲醇和汽油本身来说两者的差别很大如表7
所示
M 85车用燃料的排放特性及催化特性研究
高广新
刘丹丹
长安大学汽车学院陕西西安
710064
摘要为缓解我国能源危机和环境污染加深人们对M 85甲醇汽油的认识本文通过大量发动机台架试验和尾气催化转化试验定量和定性对M 85的常规排放和非常规排放进行了分析其中对非常规排放不但详细分析了其产生机理和负荷特性而且简单介绍了试验设备和方法为了便于说明问题在相同的试验条件下分别与汽油进行了对比最后基于催化剂剂老化机理分析如何进一步减少尾气排放尤其是非常规排放结果表明M 85对汽油在常规排放方面有很大改善非常规排放通过专用的催化器完全可以消除影响研究表明M 85燃料应该得到全面的推广关键词甲醇汽油排放催化
中图分类号X8文献标识码A 文章编号1004-0862(2007)05(a )-0030-03表1
M 85的外特性排放数据
表293#的外特性排放数据表3
M 85
负荷特性检测尾气排放数据
3000r /m i
n
表493#负荷特性检测尾气排放数据3000r /m i
n
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化工之友
其中苯的致癌最强根据M 85的比例和不同物质的致癌系
数换算如图1
所示
甲醛及未完全燃烧的甲醇国内外试验较少,它们的收集和分析方法也不尽相同这里推荐使用三种方法气相色谱专用
法便携甲醛分析仪分光光度计无论采取什么方法都必须对原有的设备做必要的改变
主要是增加额外的采集气体的装置
上述表格显示了无论国内还是国外M 85的甲醇和甲醛的排放要高于汽油根据试验表明甲醛的排放要高出汽油3~6
倍甲醇是M 85的新排放至于硫的排放我们单独列出来探讨一下由于甲醇中基本不含硫所以M 85硫的排放很低只占排放体积的0.03%考虑到我国石油硫含量较高M 85的使用必将
大大减少硫的排放
2M 85的排放催化转化特性
我国目前车用催化剂的行业标准9和国家标准都推荐采用断油老化方法但仅有一种寿命考核方法足远不能满足我国车用催化剂开发之需要的我国曾开展了催化剂性能评价试验研究
先后建立了断油和四阶
段的老化方法AR L -102这两种常用的老化试验装置和方法
10在此基础上进一步通过分阶段老化和性能评价试验跟踪催化剂的老化过程分析失活机理催化
剂在车辆行驶中的老化过程是一个复杂的物理
化学变化过程它受到发动机燃烧状况使用的燃油和润滑油的品质汽车运行工况以及安装位置等诸多因素的不同程度的影响在老化机理研究方面国外通过大量的实验室小样试验和台架及车辆道路试验已初步总结出一些有代表性的结论目前普遍认为在车辆正常行驶发动机正常工作且使用普通无铅汽油和合适的润滑油的情况下催化剂的主要失活因素是高温氧化
11这主要是因为在氧化性环境中Pt R h 及
Pt Rh
的烧结随温度升高而加剧特别是R h Pt 氧化物的形成及与氧化铝涂层的复合使得化学反应活性中心大幅度减小
涂层中的-A L2O 3
在高温下转化为-AL2O 3使得物理表面积大幅度F 降一定程度上降低了催化剂的活性另外空燃比的周期性浓稀交替冲击也会加速催化剂的失活根据老化机理和醇类燃料的理化性质相关单位已研制出针对于甲醇汽油的专用催化器2.1M 85常规排放催化特性
评价指标窗口宽度空燃比特性的
60和
80窗口宽度能综合反映催化剂的N O x C O 交点转化率高低和高效转化区域
表5汽车常规排放(I EA )m g/km
表6汽车常规排放(I E A )m g/km
表7甲醇和汽油物质对比
图1
汽油和M 85的致癌度对比
图2
窗口宽度空然比特性
表8
M 85九工况非常规排放
表9
汽车非常规排放物(I EA )
m g/km
表10汽车非常规排放物(I E A )m g/km
表11M 85的常规排放的催化
表12
M 85非常规九工况排放催化效果
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大小具体定义见图2可以看出窗口在浓区的限值由CO 的转化率决定而在稀区的限值由N Ox
决定
表中显示通过专用催化器N O x 的排放大幅度降低普通催化器虽然发动机为闭环电控但是发动机对供油量的修正并不是无限的也就是说当循环供油量修正到极限值尾气中依然有多余的氧气时发动机便不再增加循环供油量由于M 85甲醇汽油的含氧量高于发动机的修正能力发动机的燃烧始终在富氧条件下进行N O x 排放较高N O x
排放是专用催化器的修改重点2.2非常规排放催化特性
甲醛作为一种燃烧的中间产物形式普遍存在于碳氢化合物燃料燃烧过程中并且在碳氢化合物燃料的氧化过程中起着很重要的作用根据谢苗诺夫等人提出的氧化反应机理
在燃烧过程中碳氢化合物与氧开始反应阶段生成大量的甲醛使反应加速甲醇燃烧过程中生成的甲醛是甲醇不完全氧化的中间产物甲醛的生成受温度和氧气浓度的影响在温度超过950K 时甲醇和甲醛在20毫秒内即被完全彻底的氧化了而在温度低于800K 时甲醇的氧化速度明显变慢
并且甲醛也随着时间的增加而慢慢积聚在燃烧过程中缸内气团温度较高甲醇在氧气的作用下快速氧化不会生成太多的甲醛甲醛在高温气团中也不会存在太久如果气缸内氧气浓度大并可在温度不是很高的情况下将促进甲醛的生成而O H 及H 则有助于甲醛的消失但在膨胀及排气过程中温度相对较低在气缸壁和活塞夹缝处的未燃甲醇由于气压的急剧下降而被蒸发其中一部分被氧化成为将会生成甲醛所以当废气进入排气管后甲醛含量会增高[
12]
影响甲醛排放的主要因素是汽油中甲醇的含量当甲醇的含量较高时甲醛的排放也相应升高从发动机的外特性试验可以看出甲醛排放受发动机转速影响较大随着发动机转速的升高迅速降低甲醛排放受负荷影响较小随负荷的增加发动机甲醛排
放整体上呈下降趋势
从发动机的负荷特性试验可以看出
当发动机转速较低时发动机甲醛排放受负荷的影响较小负荷的改变对甲醇汽油的甲醛排放方的影响非常小这是因为在发动机转速较低时发动机温度较低发动机的充气效率较低进气量随节气门开度的变化而变化相应的供油量也随之而变几种因素的共同作用下是甲醇汽油的甲醛排放相对比较稳定而根据发动机中高转速的负荷特性甲醇汽油的甲醛排放随发动机负荷的升高总体呈下降的趋势且发动机转速越高这种趋势越明显这主要是因为在发动机转速较高的情况下发动机的气缸内的气流流动加强且随着节气门开度的增大进气量的增加缸内的气体流动和流量迅速增加且发动机转速升高热损失减少温度升高这些因素均抑制甲醛的生成并可以使燃烧初期以生成的甲醛氧化因此甲醇汽油的
甲醛排放在发动机转数较高时随负荷的升高而降低
表12显示甲醇的主要两种非常规排放在经过专用催化器
后量已经很小甲醇排放为零
甲醛的排放量也小于汽油
3结语
汽车燃用甲醇汽油燃料能够有效地降低汽车的排放污染保护环境汽车燃用甲醇汽油与燃烧汽油相比常规排放物中的CO 下降50%以上H C 下降70%以上N Ox
也有很大的降低常规总排放量甲醇为0.78,汽油为1.9因甲醇不含苯烯烃硫等有毒介质故非常规排放物比汽油燃料好主要的两种非常规排放物高于汽油在经过专用催化器后也能降到汽油水平甚至更低M 85
无论常规排放或非常规排放的催化特性都很好美国能源部国家实验室做出测试报告"汽油与甲醇对生态的影响用百分比衡量汽油100%甲醇为30%美国工程科学院院士罗贝尔塔对甲醇的毒性问题提出看法"正确地使用甲醇不会影响健康如果人们今天第一次引入汽油的话它将不可能进入市场"使用甲醇燃料已在技术上环保上经济上等完全没有问题
关键是传统认识形成阻力
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800842.
12C a r ol L A N e w m an N E et a 1H i gh Tem per a-t ur e D e a ct i vat i on of Thr e e W ay C at al yst SA E Pape r 892
040.13John K .H ochm ut h .C a t al yt i c C ont r ol of E m i ss i ons f r om M -85Fuel ed V e hi cl es.SA E Paper N o.930219.
图3非常规排放2000r /m i n
时随负荷变化曲线