甲醇燃料的应用现状及其展望.pdf

ISSN 1674-8484CN 11-5904/U汽车安全与节能学报,第14 卷 第 5 期,2023 年J Automotive Safety and Energy,Vol.14 No.5,2023甲醇燃料的应用现状及其展望姚春德1，姚安仁*2（1.天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300354，中国；2.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072，中国）摘 要：甲醇的物性与汽油、柴油相近，常温、常压下是液体，生产资料丰富，方便储存、运输和加注。绿色甲醇已经被国际航运界公认为低碳和碳中和的燃料，在船舶动力上应用日益增长。中国是具有全球最大甲醇产能以及最大产量的国家，产能和产量都占全球近 60%。甲醇生产不仅可用煤炭和天然气做原料，更具有用可再生电力制氢，然后与二氧化碳合成绿色甲醇的能力。中国对甲醇用作替代石油燃料的研发工作由来已久，不仅在工农业领域得到大量应用，而且也大量应用在交通运输领域。自20世纪70年代以来开展的甲醇在内燃机上替代汽油、柴油研究，目前已经在应用技术上取得根本突破。不仅在乘用车、商用车得到规模应用，也在工程机械、内燃机车和中高速船舶动力应用上取得突破，实现甲醇应用技术完全独立自主。该综述简要介绍甲醇的生产、对甲醇毒性的认识、绿色甲醇的发展、甲醇在工农业和交通领域方面的应用概况，重点介绍在车辆、船舶、内燃机车、发电机组的汽油机和柴油机上应用甲醇的技术特点，指出其发展存在问题并展望甲醇应用的未来。关键词：甲醇；甲醇燃料；甲醇热力燃烧；甲醇汽车；甲醇船舶中图分类号：TQ 517.4 文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.05.001Review on methanol as fuel for engines and its future prospectYAO Chunde1,YAO Anren*2(1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China2.School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300354,China)Abstract:Methanol is liquid under ambient temperature and atmosphere,of which is close to gasoline and diesel fuel.It can be produced out by a wideranging raw material,such as coal,natural gas,biomass and by carbon dioxide synthetized with hydrogen called the green methanol.The green methanol has been recognized as the fuel with low carbon emission even carbon neutrality,which has been used as marine fuel more and more widely.China is the country with largest productive capacity and production for methanol in global,of which it occupies 60%of global productive capacity and production.China took methanol as fuel to substitute for petroleum oil for many years since 40 years ago.Methanol now has been used as fuel for versatile utility,such as cooking,heat generation for civil and industrial use,furthermore for transportation and constructive machine.The review introduces the methanol production,cognition for methanol toxicity,development of green methanol 收稿日期/Received：2023-09-11。修回日期/Revised：2023-09-19。基金项目/Supported by：国家自然科学基金重点课题（51336005）。第一作者/First author：姚春德（1955），男（汉），安徽，教授。E-mail：。*通讯作者/Corresponding author：姚安仁，工学博士。E-mail：。1/13521 535汽车安全与节能学报522第 14 卷 第 5 期 2023 年and practices of methanol in industrial and civil,emphasizes the technical characteristics for utilities in vehicle,marine,locomotive and generation set,and points out the challenges methanol facing with while development as well as its prospect of future development in those fields.Key words:methanol;methanol fuel;thermal combustion of methanol;methanol vehicles;marine methanol甲醇又称木醇、木精，自被人类发现以来，便被人被用作烹煮的燃料。20 世纪 20 年代被人工合成大规模生产后，便成为最重要的基本化工原料1。到了20世纪 70 年代因为爆发了石油危机，人们认识到为了保障石油的使用安全，需要寻找石油的替代燃料,它再次进入人们的视野。在大规模的研究中，甲醇作为生产工艺成熟、生产相对容易、生产原料丰富、燃烧也比较清洁的的产品，特别是甲醇在“制、储、运、加”以及使用安全的优势，得到全球高度关注。近年来，由于全球气候变暖，减少二氧化碳（CO2）排放以控制全球温度的变化已经成为大家的共识。在这样的大环境下，人们认识到采用捕集到的 CO2与可再生能源所发电力制取的氢气合成甲醇，即所谓的电制燃料（e-Fuel），以其作为替代石油的“碳中性”燃料，是实现全球“碳中和”目标的重要出路。因此，一个将甲醇作为“碳中和”燃料以减少石油燃料使用的时代正在到来。中国作为世界上第 2 大经济体，每年能源的需求量极大。由于中国能源的特点是“缺油、少气、相对富煤”，自改革开放以来中国经济快速腾飞，能源需求随之迅猛增长，1993 年中国成为石油净进口国。截止到目前石油进口带来的对外依存度已经超过 70%,因此,保障能源安全一直是中国经济发展的重中之重。当全球在 20 世纪 70 年代出现石油危机后，中国也与全球一样大力开展石油替代燃料的研究工作。中国的煤炭资源比较丰富，采用甲醇替代石油成为必然的选择。与国外不同的是，将煤制甲醇作为替代石油产品的研发工作，并不像国外那样随着石油危机结束而放弃，中央政府和一些甲醇生产条件较好的地方政府一直对甲醇作为燃料的研究和开发给予了长期支持。目前从煤炭、天然气制甲醇到今天利用 CO2和氢气合成甲醇规模化生产，中国已经成为全球最大的甲醇生产国，无论产能和产量都稳居世界之首，年产量占全球的 60%，年产能超过 1 亿 t，产量超过 0.8 亿 t2。在应用技术的研发上，从基础研究到具体应用技术以及工程化推广，从工农业和民生应用，如交通领域的乘用车到商用车，已经形成在热力和动力领域全面应用甲醇作为燃料的局面。随着可再生能源发电制氢与 CO2合成甲醇技术的产业化，这种具有碳中和意义的甲醇正在得到全球的认可。可以说，中国的甲醇在多领域应用中已经走到了全球的前列。甲醇作为燃料在热力和动力领域正在为国家实现碳中和的目标做着自己的贡献。随着全球对控制气候变暖的认识逐步加深，减少CO2排放已经成为全社会的共识。甲醇作为可以采用可再生能源所发电力制造的氢同时又消纳 CO2而生产出的绿色产品正得到快速发展。伴随甲醇产量的增加和所具有的碳中和特点，甲醇的作用正从原有的化工原料的主角回归到其作为燃料的初衷。绿色甲醇的生产和广泛应用将会成为动力和热力应用领域燃料重要角色。1 甲醇的基本知识1.1 甲醇的特性甲醇的理化特性。甲醇的化学结构式为 CH3OH；常温常压下为液体；甲醇化学组分单一，不含硫、具有抗爆性好、含氧量高等特点，在空气中燃烧火焰略显蓝色，日光下该火焰不可见，见图1。甲醇与汽油和柴油的各种理化特性比较见表1。（a）化学结构（b）常温常压下状态（c）燃烧时火焰图 1 甲醇化学结构及基本性状523姚春德，等：甲醇燃料的应用现状及其展望由表 1可见，甲醇的理化特性与汽油和柴油的差异很大。甲醇作为燃料时与汽、柴油的区别及特点主要表现在以下几个方面：甲醇的密度与汽油和柴油相近，常温和常压下同为液体，因此在加注体系上也类似于现有汽油、柴油的加油系统。甲醇的低热值远低于汽油、柴油，不到后者的一半。甲醇与汽油、柴油的互溶性。甲醇是极性分子，汽油、柴油是非极性分子。因此，甲醇与汽油、柴油不互溶。甲醇的冰点比汽柴油都要低，可在温度很低的严寒地带使用。甲醇自燃温度与汽油的上限接近，但与柴油相差甚远。因此在使用上，采用类似于汽油的工作方式相对容易，但用于柴油的压燃方式较为困难。甲醇的汽化潜热是汽柴油的 34 倍，高的汽化潜热以及低的蒸汽压和较低的沸点，将导致混合气形成困难和发动机起动困难，但可以降低进气温度，提高充气效率；同时，由于甲醇的汽化潜热大，可以改善发动机燃烧后的内部冷却，改善发动机的动力性，降低排气温度。甲醇的着火界限为 6.7%36.5%，比柴油和汽油都要宽得多。因此甲醇能够在较宽的混合气浓度范围内工作，稀燃性好，适合于稀薄燃烧，选择运转工况有较大的自由度。甲醇的辛烷值明显比汽油高，其研究法辛烷值（RON）能达到114.4，因而甲醇可用作提高汽油的辛烷值添加剂。甲醇的十六烷值只有 3，比柴油的要低得多，自燃温度也近450C，自身着火能力差，在压燃式发动机中直接燃烧甲醇很困难。甲醇因为含氧，因此甲醇完全燃烧所需的空气量也减少，理论空燃比 6.5，比汽、柴油都低。由以上甲醇与汽油和柴油的特性相比较可知，甲醇在以燃烧产生热量来提供能量而言，因其热值低，所以需要燃料的消耗会较多。但是甲醇的其他特性会在内燃机动力燃烧方面发挥其特有的优越的一面。1.2 甲醇的安全性甲醇是无色、常温常压下略带一点醇气味的液体，作为基础化学品广泛应用在生活中，与人类密切接触。比如，汽车内用于清洁前风挡的俗称“玻璃水”的清洁剂，除冰、防冻液以及野炊和餐馆里的固体酒精加热块等。但是，因为甲醇是无色液体，一旦被误饮会对人体造成很严重的伤害。就毒性而言，无论是人类的皮肤接触、还是气体吸入，甲醇对人体健康的影响与汽油相比，都相差无几。唯一需要注意的是在使用中一定不能饮用。表 2 中甲醇与汽油对人体的健康影响对比。表 2 甲醇的毒性及其对人体的影响指标甲醇汽油吸入低浓度毒性310可能性10吸入高浓度毒性1010可能性34皮肤接触毒性98可能性33口服毒性1010可能性8（2）3注：10 为毒性和可能性最大；括号中的数字表示添加剂存在时的可能性表 1 甲醇与汽油和柴油的理化特性比较性质/单位甲醇汽油柴油化学式CH3OHC4C14 的烃类化合物C16C23 的烃类化合物相对分子质量32.0495120180200C/H 原子量比3.05.67.46.47.2密度（20C）/（kg L-1）0.7920.720.780.820.86冰点/C-96-57-1-4沸点/C64.727225180370闪点/C124575自燃温度/C450350468260350汽化潜热/（kJ kg-1）1 167310270着火界限（体积分数）/%6.736.51.46.71.58.2低热值/（kJ kg-1）19 93043 03042 500辛烷值（RON）114.48998十六烷值30104555理论空燃比（空气与燃料质量比）/（kgkg-1）6.514.814.6汽车安全与节能学报524第 14 卷 第 5 期 2023 年由表 2可知，甲醇对人体的总危害要比汽油小得多。低浓度时，甲醇的毒性要小于汽油的毒性；高浓度时二者相当。甲醇的蒸汽压低于汽油,处于高浓度甲醇蒸汽的概率低于汽油。尽管口服的毒性甲醇远超过汽油，但如果甲醇在使用中加入一定的制剂加以区别，那么对使用者的毒性就与汽油相近了。甲醇、乙醇、汽油都有挥发性，因此使用中也会造成环境空气中含有微量蒸汽。国家在职业卫生标准中，规定了作业场所空气中甲醇蒸汽含量最高允许值为 50 mg/m3，以保护作业人员职业健康。中国化工行业生产甲醇历史悠久，目前甲醇产能已经超过 1.0 亿 t。在如此巨大的甲醇产业层面上以及长期安全生产监管统计中，并无因甲醇中毒发生的死亡事故，可见甲醇生产、储存、运输、销售和使用各环节的安全性是完全可控，所采用的安全技术与措施也是有效、可靠的3。甲醇燃料在空气中燃烧时无烟、无焰，在可见光环境中几乎不可见,因此，在储存和运输中不仅要防止其泄露，还要考虑到一旦泄露因周边环境因素引起着火时因看不见火焰而遭成人员灼伤。甲醇作为燃料，在运输、存储时严格按照有关规范操作。2012 年国家工业与信息化部组织了历时 5 年的甲醇汽车试点。参加试点运行的甲醇汽车有 1 024 辆，累积里程1.84 亿 km，搜集了上亿数据量，组织相关人员 2 500人次体检，检测相关加注站点、维修工场等环境空气中甲醇含量112 次。试点运行中，无论甲醇汽车驾驶员和乘坐甲醇出租汽车的乘客，对于使用甲醇燃料的环境氛围都一致反映感觉不到与汽油车的差异性。由于甲醇的挥发性远低于汽油，车辆行驶中车内的空气环境要优于普通汽油燃料车。在这些数据的基础上，试点工作对于甲醇汽车的适应性、可靠性、经济性、安全性和环保性给出了权威结论：“环保性方面，甲醇汽车常规污染物排放符合国家排放标准，非常规污染物甲醛排放低于规定限值，与汽油车处于同一数量级，颗粒物排放相比柴油车降低。安全性方面，甲醇和汽油毒性程度基本一致，其职业危害程度均为轻度危害，试点地区均未出现影响涉醇人员人体健康的病例，涉醇场所空气中甲醇浓度均低于我国职业接触限值。”这从另一侧面也证明了甲醇燃料、甲醇汽车的安全性与环保性4。1.3 甲醇的生产1.3.1 常规甲醇的生产甲醇自 20 世纪 20 年代德国化学家 F.费舍尔和H.托罗普舍提出用合成气（一氧化碳和氢气混合物）生产甲醇的方法费托法（F-T 法）之后，甲醇正式进入大规模工业生产。在过去的数十年里，甲醇的合成工艺经过不断的改进，现在已经相当成熟，合成甲醇的选择性高于 99.8%，能量利用率接近 75%。甲醇的生产一般原料主要来自煤炭、天然气、焦炉气等。中国的甲醇产量约 70%产自煤炭，13%来自天然气，其余来自焦炉煤气。目前，全球几乎所有的甲醇都是由合成气制备，典型的工艺流程包括合成气的制备、净化和压缩、甲醇合成以及粗甲醇精馏等工序。图 2 是以煤炭为原料生产甲醇的工艺流程，采用固定床气化方法制取水煤气作为合成甲醇的原料，可分为单醇和合成氨联产甲醇工艺。后者规模较小，一般不超过 10万t。另一种是采用水煤浆的气流床气化工艺制取水煤气，这种方式单套规模可达 20万t 以上。空气空分氢气CO2渣煤气化变换净化压缩精馏甲醇合成氢回收氢气产品甲醇驰放气图 2 煤制甲醇的工艺流程示意图 用于甲醇生产的合成气主要由 CO、H2以及 CO2等组成，可以通过对诸如煤炭、焦炭、天然气、石油、重油、乙炔尾气和沥青之类的任何含碳物质进行重整或部分氧化而获得。合成气的制备工艺视不同的原料有很大的差异，但最终的合成气需满足下列要求才能保证进一步合成甲醇工序的稳定运行。以合成气生产甲醇的过程中要严格控制合理的氢碳比例，具体工艺按照化学当量比要求。甲醇合成的化学计量式为：CO+2H2 CH3OH.（1）CO2+3H2 CH3OH+H2O.（2）由反应式（1）和（2）可知，H2与 CO 合成甲醇的化学当量比为 2，与 CO2合成甲醇的化学当量比为 3。当 CO 和 CO2都存在时，H2与 CO 和 CO2的总当量比（f 或 M）应满足方程式（3）或（4）的要求10：f=2,n(H2)n(CO)+1.5n(CO2)（3）525姚春德，等：甲醇燃料的应用现状及其展望 M=2.n(H2)-n(CO2)n(CO)+n(CO2)（4）而实际生产过程中控制的合理氢碳比一般要比化学当量比略高些，即 f2.10 2.15 或 M2.0 2.05。过量的 H2有利于减少羰基铁的生成和高碳醇的生成，也有利于将甲醇合成产生的大量热带走，在提高催化剂选择性的同时延长其使用寿命。另外，由不同的原料经过不同的工艺制成的甲醇合成气的组成往往很不相同，经常偏离上述 f 或 M 值。以天然气为原料采用蒸汽转化法所得的合成气 H2过多，需要在转化前或转化后加入CO2来调节氢碳比；而以煤为原料所制得的粗合成气中氢碳比又太低，需要设置变换工序使过量的 CO变换为 H2，再将过量的 CO2除去，见图 3 所示。国际上几乎都是采用天然气制取甲醇，中国的天然气资源不丰富，所以仅在新疆、四川、陕西和黑龙江等地由天然气制取生产甲醇。汽包脱硫装置转化炉废热锅炉热回收烟气放空原料天然气至压缩合成工序蒸汽外供燃料天然气给水图 3 天然气制甲醇的工艺流程示意1.3.2 绿色甲醇的生产甲醇化学结构是 1 个碳，3 个氢和 1 个羟基。按照制取方法一般划分为灰醇、蓝醇、绿醇5。灰醇指在生产过程中有CO2排放，如煤制、天然气直接制甲醇。蓝醇指氢气与来自于其他工业排放，火电厂、水泥厂、钢厂等排出的非可再生 CO2合成制取的甲醇。蓝醇中的氢气即便是可再生电力获得的绿氢，只能被定义为“蓝色”甲醇或者“低碳”甲醇。绿醇是指用来自可再生电力电解的氢气与来自生物质相关产业的 CO2（比如直接来自生物质或直接从空气中捕捉的的 CO2），一起合成的甲醇。该路径关联“生物质能的碳捕集与封存（bioenergy with carbon capture and storage，BECCS，）。之所以这样定义绿醇，是因为生物质本身生长是吸收 CO2，又称之为“负碳”过程，该过程与自空气中捕集的 CO2一样，以这样的 CO2与绿色氢气合成获得甲醇称之为“绿醇”。目前绿醇广泛采用的方法源自冰岛利用捕集的CO2与可再生电制氢合成甲醇的公司（Carbon Recycle International，CRI）提出的技术。该技术源自于美国南加州大学 1995 年诺贝尔化学奖获得者乔治 奥拉提出的采用如光伏、风力以及地热等可再生能源制氢与CO2合成甲醇的方法。2012 年在冰岛建立并投产了一个以该方法利用地热发电制氢，与捕集到的 CO2合成制甲醇，年产量 4 008 t 的装置6。2015 年冰岛国为此引进一批中国吉利汽车公司生产甲醇燃料乘用车，利用 CRI 公司生产的甲醇作燃料，在该国开始甲醇燃料乘用车的实际试验运行。中国吉利汽车集团采用 CRI技术，建成一个利用焦炉煤气中氢气与 CO2合成的年产 11万 t 甲醇的装置，于 2023 年 2 月投入运行7。2020 年中国科学院大连化物所在甘肃兰州建成一个利用光伏制氢8，然后与 CO2合成制甲醇的千吨产量的装置。这种以可再生能源的电力如光伏、风力等形式产生的电力制取的氢，然后与捕捉到的 CO2合成甲醇，此产业得到全球的高度关注并得到快速的发展。中国是CO2排放大国，又具有丰富的风光电的资源。近年来，上述的甲醇生产技术得到快速发展9。氢与 CO2合成制甲醇其技术和工艺路线反应基本原理如式（2）所示。按照该工艺路线，生产中获得的是甲醇水溶液，需要进一步经过精馏，去除其中的水。甲醇已经成为全球高度关注的新型人造燃料能源。甲醇生产在全球已经形成重要的产业，生产原料广泛，产能和产量巨大，运输和加注安全、方便，与现有的石油燃料供应体系高度融合。随着船舶对绿色甲醇的需求快速增长，特别是采用可再生能源（如可再生电力）制氢与生物质产生的CO2合成的甲醇，自身具有“碳中和”属性，得到全球的高度关注并且迅速发展。生物质包括农林业的秸秆、木材加工后废木屑、畜牧业产生的废弃物等材料，以及速生的植物如芦竹、藻类等物质。因生物质属于“负碳”类的物质特性，成为了生产甲醇的良好原料。中国是农业大国，每年产生的类似生物质量很大，采用其作生产绿色甲醇的原料，对于减少 CO2排放，实现碳中和具有积极意义10。另外，采用可再生电力制取的绿氢，与工业界产生的 CO2合成为蓝醇，能将 CO2变废为宝。由于在减少碳排放方面发挥重要作用，也受到高度关注。2 甲醇燃料的应用现状中国是世界最大的甲醇生产国，也是最大的甲醇消费国。除了在化工领域的广泛应用外，作为燃料也得到广泛应用。2022 年已经接近 1 000万t，其中车用超过 100万t。随着绿醇的需求量日益增加以及实现双碳目标的强力驱动，甲醇的生产和应用将会逐步增长。汽车安全与节能学报526第 14 卷 第 5 期 2023 年随着时代的发展和进步，甲醇正在从原有的基本化工产品角色转向未来燃料能源，会在人类可持续发展中发挥重要作用。2.1 民用和工业上应用现状自被人类发现以来，甲醇首先便被用作民用的燃料。目前这种甲醇以热力方式广泛应用于应用烹饪、锅炉、窑炉、取暖等方面，同时也在农业方面应用于干燥和植物大棚气体增肥以及加温等方面。甲醇燃料在工农业应用十分广泛。用于工业窑炉烧制瓷器的瓷器品相好、质量高，深受市场欢迎11。用于替代煤炭的制热锅炉时，一方面改善了原有的工作环境，实现炉温的自动控制，而且省去了每天用来输运煤炭大量车辆和人员，同时省去了易于造成扬尘的堆煤场和煤渣场。减轻了 人力负担，减轻了场地要求，改善了工作环境12。在用于农业烤烟中，不同于燃用煤炭时采用的反射式加热，直接用尾气加热，提高了燃料的热效率13。在农业植物大棚应用中，不仅得益于甲醇易于自动控制，而且甲醇燃烧后的尾气中含水量较高，可充分利用尾气CO2气肥作用的同时还可以调温和调湿 14。2.2 甲醇在车船领域的应用现状2.2.1 甲醇燃料在国外车辆上应用甲醇作为车用燃料开发始于 20 世纪的第二次世界大战。由于作战国的石油燃料缺乏，便开始用褐煤采用费托发合成甲醇以替代汽油燃料。二战后，由于石油燃料供应充足，此项工作便相应停止。到 20 世纪 70年代中东爆发战争，作为产油国为了反对以美国为代表的西方国家对以色列的支持，对其进行石油禁运。因此，发生了第1次“石油危机”。为了应对该次危机，西方开启了石油替代燃料的研究。1973 年12月,由美国麻省理工大学教授 T.R.Reed 和 R.M.Lerner 在 科学 杂志上发文 甲醇：即刻可用的多功能燃料（Methanol-A Versatile Fuel for Immediate Use）15。该文作者称甲醇不仅可以作为替代燃料以解当前石油短缺的困局，而且甲醇含氧可以大幅度减少汽油的排放，一时间甲醇再次被提到替代燃料的位置。在石油公司的支持下，美国的福特汽车公司为此开发含量 85%甲醇的 M85 专用车型，开展了为期10 年的甲醇试用工作16。在部分地区，如加州等地设置了甲醇加注站。随着石油供应的缓和以及石油价格的回落，甲醇作为燃料在美国市场上不具有竞争性，加之美国政府对农产品生产乙醇的支持，为期10 年的甲醇试点随之结束。期间美国的商用车应用甲醇的计划也没再执行9。欧洲包括日本、韩国在此过程中也有一些研究和试验，尤以汽车大国德国的工作为甚。德国开发的应用甲醇燃料的桑塔纳车曾在 1984年的洛杉矶奥运会上作为大会用车。随着对 CO2等温室气体排放的关注，全球对采用甲醇作为低碳燃料的关注也随之提高。2018 年瑞典在国际商用车展上展出由斯堪尼亚（Scania）开发的甲醇商用车17，但是尚未见到产品上市。2.2.2 中国车用甲醇燃料的发展中国对车用甲醇的研究始于 20 世纪 70 年代，与国际同步，但工作的重点主要是部分高等院校和研究院所针对甲醇燃料的特点开展的一些基础研究。20 世纪 80 年代开始，德国和美国福特公司提供甲醇乘用车与中国科学院合作，德国大众汽车公司为与中科院开展合作还赠送一批燃用甲醇的桑塔纳牌化油器轿车，随后美国福特汽车公司也送来其甲醇燃料轿车，与中国有关部门合作研究甲醇燃料在车辆上的适用性。21世纪初，在中国国家科技部门支持下，山西大力推广在该地的甲醇燃料应用工作。在此工作基础上，2012 年由国家工信部开展了由山西、陕西、甘肃、贵州以及上海的“四省一市”甲醇汽车的试点工作18。试点中要求采用纯甲醇做燃料，车辆做一定适应性改造。燃料加注定点进行，参加人员在试点前后进行健康监测。本着因地制宜、积极稳妥、安全可控的原则，重点引导和支持试点地区开展运行工作，于 2018 年底完成并通过了验收。试点工作从动力性、经济性、环保性、安全性、可靠性和适用性对车用甲醇进行全方位考核，消除了社会上对甲醇的疑虑与担心。在试点工作基础上，2019 年3月19日，工信部等 8 个部委联合发布 关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见19。2020 年11月环保部发布甲醇汽车尾气的检测方法,该年的 12月工信部发布了甲醇汽车纳入国家公告管理的通告。自此，甲醇燃料汽车在中国的发展已经全面得到政府的支持。甲醇汽车目前主要采用点燃式和压燃式 2 种。与现有的汽油和柴油相比，甲醇发动机应用时存在蒸发性不良、自燃点高等特点。特别是 15C 以下不蒸发的特点，给其在发动机上应用带来一定的困难。经过多年的研究和发展，中国甲醇车辆采用自己独有的技术，即点燃式甲醇车，采用汽油辅助起动，充分暖车并使发动机温度达到一定水平，在电控系统控制下转为向进气道喷入纯甲醇做燃料，与空气形成混合气后在气527姚春德，等：甲醇燃料的应用现状及其展望缸内由火花塞点燃。压燃式的柴油机则采用纯柴油起动，充分暖车并使发动机温度达到一定水平，在电控系统控制下向转为向进气管喷入纯甲醇做燃料，与空气形成混合气，在气缸中与喷进的柴油一起燃烧。甲醇的辛烷值超过 105，混合气点火能量与汽油相近。因此，甲醇比较适合在点燃式上应用。图 4a 单点喷射系统，图 4b 则是多点式燃油喷射系统。为了解决甲醇难以冷起动的困难，目前甲醇车多采用起动时由专门的喷射系统向进气道喷入汽油，待暖车后机体温度上升到一定水平，切换到图 4b 的甲醇多点喷射系统工作，因此该系统需要装有 2 套燃料供应系统。起动用的汽油和运行中的甲醇由专门开发的电控系统统一管理。单点喷射多点喷射进气歧管进气歧管节气门节气门（a）单点喷射系统（b）多点式燃油喷射系统图 4 甲醇汽车混合气形成方式图 5 是吉利公司生产的点燃式甲醇商用车发动机。由该图可见该机的进气管下方布置了一个甲醇燃料轨，经该甲醇轨连通甲醇喷嘴向发动机供应甲醇。点燃式甲醇发动机的工作模式与电控初期汽油机相近，发动机性能需要按照燃料性质的差异进行标定和调整20。甲醇轨图 5 点燃式甲醇燃料发动机图 6 是甲醇发动机安装在乘用车机舱内的情形。该发动机盖上明确表明 M100，提示燃料是纯甲醇M100。采用甲醇燃料的发动机尾气需要进行控制。目前点燃式甲醇发动机采用的是当量混合浓度，为了让尾气满足国家的排放法规要求，在排气管上设置氧传感进行闭环控制，配合三元催化转化器。经过三效催化转化器处理，甲醇发动机尾气排放完全可以符合国家对车辆尾气排放的法规要求。目前在中国推广应用的甲醇车有乘用车和商用车，总数量已经超过 3万台。乘用车以出租车为主。近年来，除了单一燃料的甲醇车之外，还发展了混合动力版的甲醇车以及具有增程作用的甲醇燃料商用车。随着未来碳排放控制政策逐步加严，具有减碳功用的甲醇动力会得到更多的发展。图 6 乘用车机舱内的甲醇发动机除了点燃式甲醇车辆得到大量应用之外，甲醇在压燃式发动机上应用也得到很大的发展。按照甲醇特性，甲醇直接压燃便遇到很大的困难。归纳起来，甲醇直接应用于压燃存在 3 个难点，一是自燃点高，二是甲醇蒸发性差，三是与柴油不互溶。为此，要在压燃式发动机上使用甲醇燃料的方法主要有：1）甲醇柴油乳化法；2）火花塞点燃或电热塞预热法；3）甲醇添加助燃剂法；4）从进气道吸入或高温熏蒸法使甲醇形成混合气，气缸内与柴油一起燃烧法。以上方法经过多年的应用，只有方法1）方法 4）得到实际应用和发展。柴油/甲醇组合燃烧（diesel methanol compound combustion,DMCC）技术就是解决上述难点的方式21。所谓组合燃烧就是起动用纯柴油，充分暖车达到一定温度后，向进气管喷甲醇，使之与空气形成均质混合气，然后在气缸中与喷进的柴油一起燃烧22。因为组合燃烧起动时是用柴油，因而甲醇压燃的冷起动难点得到解决。同时，发动机温度升高到能使甲醇气化的水平才将其喷进进气道与空气混合，也解决了甲醇蒸发性差的问题。为解决甲醇与柴油不互溶，在 DMCC 燃烧方式的发动机上加装一套甲醇喷射系统，甲醇与柴油各自独立供应。自此，甲醇压燃方式的 3 大难点都得以克服。因此，DMCC 是保证甲醇能以压燃方式工作的可行方式。图 7 是柴油/甲醇双燃料方式工作的发动机外观布置。汽车安全与节能学报528第 14 卷 第 5 期 2023 年甲醇轨甲醇管甲醇喷嘴图 7 柴油/甲醇双燃料发动机在 DMCC 的燃烧方式中，主工作模式是柴油与甲醇混合气一起燃烧，也就是柴油甲醇二元燃料的燃烧方式。柴油甲醇二元燃料燃烧与常规柴油喷进气缸的着火与燃烧不同，前者是将柴油喷进甲醇与空气的混合气中，而后者是直接喷进空气中。常规柴油机在压缩冲程中被压缩的是空气，柴油是直接喷进压缩后的热空气中燃烧。而柴油甲醇二元燃料燃烧中，柴油是喷进已经成为均质的甲醇混合气一起燃烧。因此，从燃烧模式上，柴油甲醇二元燃烧方式将纯柴油单一的扩散燃烧改变为扩散与甲醇燃料均质混合气一起燃烧的模式。这种方式和 2015 年由美国威斯康星麦迪逊大学的学者 R.D.Reritz 提出的反应活性压燃着火（reactivity controlled compression ignition，RCCI）方式类似，所不同的是 RCCI 采用的进气道喷进汽油，而柴油甲醇二元燃料燃烧中进气道喷进的是甲醇23。针对柴油甲醇二元燃料燃烧方式开展的研究表明，该方式具有多种燃烧模式24，并且对 NOx和碳烟的此消彼长关系有弱化作用25。柴油机按 DMCC 燃烧方式运行时需要加装具有合适的尾气处理装置。与点燃式甲醇发动机类似，DMCC发动机尾气中也会在低小负荷时排放出一些未燃甲醇和未燃甲醛以及其他一些由燃烧产生的排放物。为此，为了满足当今严格的排放法规要求，需要在发动机的尾气后处理系统加装氧化催化转换器（diesel oxidation catalyst,DOC）26和颗粒过滤器（diesel particles filter,DPF）。研究发现，由于甲醇含氧，燃烧清洁并且速度快，排放颗粒少，可以不需要在 DPF 前加装再生的装置。图 8 给出了DPF 运行 DMCC 双燃料燃烧过程前后对比27。采用柴油甲醇二元燃料燃烧模式并结合废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）以及加装尾气后处理 DOC 和带催化物的颗粒过滤器（catalyst diesel particles filter，CDPF），经过精确标定后，DMCC 发动机不需要加装尿素还原装置（selected catalyst reduction，SCR），其排放浓度可达到国家现行的排放法规稳态试验循环的要求。由表 3 所示表数据可见，双燃料发动机的热效率相较于纯柴油机，在同样条件下，热效率高出1.4 个百分点，即升高了3.67%；原机在纯柴油条件下，氮氧化物（NOx）排放超过 10 g/kWh，而 DMCC 能够满足国标0.4 g/kWh的限值要求。对比纯柴油发动机，DMCC 发动机的 NOx减少的幅度达 96%28 表 3 DMCC 发动机与纯柴油发动机排放性能比较排放浓度/g (kWh)-1BTE%NOxPMCOTHCBSFC国 VI 限值0.4010.001.500.13原机11.356.200.480.21原机+DOC+CDPF10.640.400.050.14222.538.1DMCC0.3835.0210.603.50DMCC+DOC+CDPF0.367.660.040.35214.639.5甲醇在压燃式发动机上应用实例。装备有 DMCC技术的重卡参加了2012 年由中国工信部组织的“四省一市”的甲醇汽车试点。在陕西榆林地区进行了历时 3 年的运行。图 9 是当年参加运行的车辆。除了参加了工信部的甲醇汽车试点之外，在中国其他地方,如上海、天津、山西、陕西、内蒙、黑龙江等多个区域也有加装DMCC 系统的重卡运行。经过长期运行表明，与点燃式相比，压燃式发动机具有相对较高的热效率29。中国甲醇汽车已经走在世界前列，不仅在乘用车领域，而且在商用车都得到广泛应用。一批围绕甲醇燃料，甲醇发动机以及甲醇车辆的标准也相应建立。除了柴油与甲醇均质混合气一起燃烧的模式之外，另一种采用可同时喷出两种燃料的喷嘴，并实现缸内直喷的燃烧方式的双燃料甲醇发动机也开发出来。图10 是山西榆新甲醇发动机有限公司开发的柴油甲醇双燃料发动机。该机的柴油和甲醇采用各自不同的共轨，（a）DPF 加载后（b）DPF 被动再生图 8 DPF 运行 DMCC 前后对比529姚春德，等：甲醇燃料的应用现状及其展望柴油加压到 200 MPa，甲醇加压到 60 MPa，然后各自送入同一个喷嘴，在缸内喷进 2 种燃料一起燃烧做功。此外，采用电热塞预热的方法实现甲醇压燃也被开发出来30。图 9 参加工信部甲醇汽车试点的陕重汽重卡甲醇柴油轨图 10 采用双燃料喷嘴的甲醇压燃式发动机2.3 甲醇燃料在国内外船舶上应用在国际航运界对运用甲醇作燃料的呼声非常高。国 际 海 事 组 织（International Marine Organization，IMO）于 2018 年 9月在伦敦召开关于甲/乙醇等低闪点燃料第 5 次会议，国际船舶安全委员会（Marine Safety Committee，MSC）于 2020 年11月102 次会议通过了 甲醇/乙醇燃料船舶安全导则（MSC.1/Circ.1622），为船东和运营方选择甲醇作为燃料提供了法律指导31，已成为全球 IMO 成员国船舶动力使用甲醇应用规范。甲醇作为低碳清洁燃料应用到船舶动力上，已经得到国内外有关部门的许可，并为船舶未来低碳化运行提供了政策上的保障。近 20 年来国外兴起了对甲醇燃料船舶的研究，其中欧洲分别在高速船用动力和低速船应用甲醇燃料方面处于世界领先水平。2013 年，德国曼恩公司（MAN）初步完成了船用甲醇低速机的研发。2015 年为“Stena Germanica”号客滚渡船安装了1台瓦锡兰6ZAL40S 甲醇柴油双燃料发动机，使该船成为世界上第1 艘甲醇动力船。2016 年，搭载 MAN 公司设计开发的 MAN ME-LGI 发动机的甲醇运输船下水运行。截止到 2021年 4月，全球正在运行的甲醇燃料船舶共有 17 艘，其中包括11 艘化学品油船、1 艘客滚渡轮、1 艘引航船、1 艘干散货船共计14 艘双燃料船，还包括以甲醇为唯一燃料的 2 艘旅游船和 1 艘渡轮。为加快脱碳进程，世界最大的集装箱航运公司 A.P.穆勒-马士基（A.P.Moller-Maersk）宣