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乙醇柴油车辆排放对空气质量影响分析 * 邱兆文1李亚林1邓艳宁2 1． 长安大学 汽车学院， 西安 710064; 2． 宁波工程学院 机械工程学院， 浙江 宁波 315211 摘要 为了明晰车用乙醇柴油对空气质量的影响， 在乙醇柴油混合燃料理化特性的基础上， 分析了乙醇柴油混合燃料 常规和非常规污染物的排放特性， 并探讨了其应用对空气质量的影响。分析结果表明 与纯柴油相比， 乙醇柴油混合 燃料改善了碳烟排放， 有助于降低大气中的颗粒物含量， 但 HC 排放量增加， 且 CO 和 NOX排放结果存在争议， 有待进 一步研究; 乙醛、 乙醇等醛酮类非常规排放物增加， 对空气质量和人体健康都有负面的影响。 关键词 乙醇柴油; 排放特性; 空气质量; 影响分析 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409020 IMPACT ANALYSIS OF ETHANOL DIESEL VEHICLE EMISSION ON AIＲ QUALITY Qiu Zhaowen1Li Yalin1Deng Yanning2 1． School of Automobile，Changan University，Xian 710064，China; 2． School of Mechanical Engineering，Ningbo University of Technology，Ningbo 315211，China AbstractIn order to understand this fuels impact on air quality，the physicochemical property of ethanol diesel was analyzed and the influence on air quality was discussed． Analysis results showed that compared with pure diesel fuel，the blended fuel of ethanol diesel could improve the emission of soot，and reduce the content of PM in atmosphere． However，this kind of blended fuel made the HC emission increase，and some results about CO and NOxwere contradictory and need continuing research． The aldoketones emissions，such as acetaldehyde and ethyl alcohol，being increased had negative effect on air quality and human health． Keywordsethanol diesel;emission characteristics;air quality;impact analysis * 中国博士后科学基金资助项目 2013M532006 ; 陕西省科技统筹创 新工程项目 2012KTZB03- 01- 04 ; 浙江省社会科学界联合会研究课题 2013Z43 。 收稿日期 2013 －10 －22 0引言 为减少我国石油能源消耗， 进一步降低柴油机排 放污染， 研究人员将目光投向了车用乙醇柴油燃料。 乙醇来源广泛， 可利用玉米、 甘蔗等生物资源生产， 也 可由乙醛氢化或乙烯水合制成， 且其价格低廉， 理化 性能与柴油接近。此外， 乙醇理论空燃比较低， 对柴 油进气系统要求较低［1- 2 ］。乙醇的生产和消费过程可 形成无污染的闭路循环， 排放的 CO2重新被其生产 原料吸收， 可减缓全球变暖趋势 。“十一五” 期间， 我 国燃料乙醇产业在 可再生能源法 的推动下发展较 快， 燃料乙醇使用量从 2005 年的 102 万 t 增加到了 2010 年的 180 万 t。根据我国可再生能源发展“十 二五” 规划 ， 到 2015 年生物燃料乙醇利用量要达到 400 万 t［3 ］。 乙醇柴油混合燃料最早着手研究是在 20 世纪初， 后因石油大规模、 低成本开发而被淘汰。随着人们环 保意识的增强和石油资源的日益减少， 乙醇柴油混合 燃料重新得到了重视。在国外， 巴西、 美国、 德国等国 是乙醇柴油混合燃料生产使用大国。美国 ADM 公司 已经开展了乙醇柴油混合燃料的研究工作， 含乙醇 15、 其他添加剂5、 柴油 80的乙醇柴油混合燃料 已在柴油车上进行了386km 的行车试验。日本的洋马 公司经多次试验已基本解决乙醇与柴油混合的分层问 题， 正着力进行乙醇柴油混合燃料的发动机使用试验。 泰国科学技术和环境部、 泰国国家石油公司与美国福 88 环境工程 Environmental Engineering 特汽车公司合作研究开发生物乙醇燃料用于柴油 车 ［ 4 ］。巴西菲亚特汽车测试中心将乙醇添加在 B20 调 和生物柴油中， 研究了乙醇柴油混合燃料的燃烧与排 放的变化规律 ［ 5 ］。国内对车用乙醇柴油混合燃料的研 究虽从20 世纪 90 年代早期就已经起步， 但其基本途 径是对柴油机改进后， 采用乙醇与柴油分别供给的方 法进行双燃料试验， 并取得了可行的结论。目前， 国内 外在柴油机上燃烧乙醇柴油混合燃料的研究主要集中 在以下几个方面 乙醇柴油混合燃料的理化特性研究; 乙醇柴油混合燃料的制备方法以及最佳掺混比的研 究; 在对发动机参数不做任何调整时燃烧乙醇柴油混 合燃料的经济性和排放特性 ［ 2- 4 ］。 普遍认为乙醇是一种清洁燃料， 但乙醇柴油混合 燃料排放特性表明其 HC 排放增加， 醛酮类污染物排 放也随之增加。对醛酮类污染物的监测和研究一直是 环境科学的研究重点， 这些非常规排放物虽属微量排 放物 排放体积分数量级为 0 ～1 10 －4 ， 但它们在乙 醇燃料大规模应用中的累积排放量及其对环境的潜在 影响仍不可忽视。在乙醇柴油混合燃料理化特性的基 础上， 分析了车用乙醇柴油混合燃料常规和非常规污 染物的排放特性， 探讨了乙醇柴油混合燃料排放对空 气质量的影响， 以期明晰该燃料的环境友好性。 1乙醇柴油混合燃料理化特性 从表 1 可以看出乙醇柴油混合燃料特点为 1 乙醇含氧量高达 34. 8， 可改善柴油燃烧过程， 提高 燃烧速率; 2乙醇密度与柴油接近， 黏度远小于柴 油， 约是柴油的 1/3， 掺混可降低柴油黏度， 改善混合 燃料雾化质量; 3乙醇的辛烷值较高， 具有一定的抗 爆性; 4乙醇闪点比柴油闪点低， 约是柴油的 1/5， 燃料的运输、 存放和使用过程更加安全; 5乙醇汽化 相变吸热大， 有利于柴油机高温部分的冷却; 6乙醇 十六烷值较柴油小很多， 随掺混比例的增加， 混合燃 料的十六烷值迅速下降， 将影响混合燃料的着火性 能; 7乙醇的低热值约为柴油的低热值的 60， 因 而燃用乙醇柴油混合燃料在理论上会导致动力性 下降。 2乙醇柴油车辆常规排放物排放特性及空气质量影 响分析 2. 1常规污染物排放特性 2. 1. 1CO 排放特性 CO 主要是混合气不完全燃烧的产物。与纯柴油 相比， 乙醇柴油混合燃料 CO 排放研究结果可以分三 表 1乙醇和柴油理化特性的对比 Table 1Physicochemical property comparison between ethanol and diesel 理化性质柴油乙醇 化学式 C16～ C23烃类混合物C2H5OH 相对分子质量180 ～20046 含氧量/ 0. 434. 8 密度/ kg L －1 0. 820. 79 黏度 20 ℃ / MPa s3. 71. 2 低热值/ MJ kg －1 42. 526. 7 汽化潜热/ kJ kg －1 301904 十六烷值40 ～558 辛烷值 ＲON 114 辛烷值 MON 95 比热容 20 ℃ / kJ kg －1 1. 92. 27 自燃温度/℃200 ～220 420 沸点/℃ 180 ～367078 闪点/℃ 65 ～6813 ～14 凝固点/℃ －1 ～ －4－144 类 1与纯柴油相比， 中、 低负荷时， 乙醇柴油混合燃 料 CO 排放量增加; 高负荷时，两者 CO 排放量相差 不大 ［4- 5 ］。或在整个负荷范围内， 乙醇柴油混合燃料 的 CO 排放量比纯柴油略高， 且随乙醇比例的增加 CO 排放量增加 ［6 ］。研究结果虽略有差异但其基本 趋势均为乙醇柴油混合燃料 CO 排放量高于纯柴油 排放量。2与纯柴油相比， 相同负荷时， 乙醇柴油混 合燃料 CO 的排放量降低， 且随乙醇比例的增加 CO 排放量逐渐降低 ［7- 8 ］。3乙醇柴油混合燃料和纯柴 油 CO 排放量相当， 差别不大 ［9 ］。由于发动机参数、 工况、 乙醇添加比例、 助溶剂的添加与否、 助溶剂种类 以及测定方法等的不同， 研究结果存在一定的差异甚 至矛盾， 需要统一标准进一步进行科学准确的试验。 2. 1. 2NOx排放特性 NOx排放主要受高温、 富氧以及高温持续时间影 响。与纯柴油相比， 乙醇柴油混合燃料 NOx排放研究 结果主要有两类情况 1与纯柴油相比， 低负荷时， 乙醇柴油混合燃料 NOx排放量明显降低， 且随乙醇比 例的增加 NOx排放量逐渐降低; 高负荷时， 乙醇柴油 混合燃料 NOx排放量略低［4 ］。或乙醇柴油混合燃料 与纯柴油 NOx排放规律基本一致， 与纯柴油相比， 乙 醇柴油混合燃料 NOx排放量明显降低， 且随乙醇比例 的增加下降明显 ［6， 9 ］。第一类研究结果表明与纯柴 油相比， 乙醇柴油混合燃料能改善柴油机 NOx排放。 2与纯柴油相比， 小负荷时， 两者 NOx排放量相差不 大， 中、 高负荷时， 乙醇柴油混合燃料 NOx排放量略 98 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 高， 全负荷时， 乙醇柴油混合燃料 NOx排放量升高明 显 ［5 ］。或与纯柴油相比， 乙醇柴油混合燃料 NO x排放 量增加， 且随乙醇比例的增加， NOx排放量增加明显， 在最大负荷的 80 ～ 90 时上升幅度最大 ［7， 10 ］。第 二类研究结果表明与纯柴油相比， 乙醇柴油混合燃料 使柴油机 NOx排放恶化。与 CO 排放研究结果类似， NOx排放研究结果也存在差异和矛盾， 这种差异也是 多种试验参数不一致造成的， 同样需要统一标准进一 步的研究。 2. 1. 3HC 排放特性 汽车尾气中的 HC 主要由以下原因造成 多种原 因造成的不完全燃烧; 燃烧室壁面的淬熄作用; 热力过 程中的狭缝效应; 壁面油膜和积炭的吸附作用。与纯 柴油相比， 乙醇柴油混合燃料 HC 排放研究结果基本 一致 在发动机所有工况下， 乙醇柴油混合燃料的 HC 排放量均比纯柴油的高。并随着柴油中乙醇比例的增 加， HC 排放增加， 中低转速、 低负荷时尤为明显 ［ 4- 6， 9 ］。 2. 1. 4碳烟排放特性 柴油机排气中碳烟组成复杂， 它是一种类似石墨 形式的含炭物质并凝聚和吸附了相当数量的高分子量 的聚合物。在发动机所有工况下， 乙醇柴油混合燃料 的碳烟排放量均比纯柴油的低， 且随乙醇比例的增加， 排气烟度下降明显， 在中高负荷时尤其显著 ［ 4- 5， 7- 8， 10 ］。 2. 2空气质量影响分析 道路交通是大气污染的主要来源之一， 尤其是机 动车排放 PM2. 5， 是造成雾霾天气频发的重要污染源。 同时， 大气颗粒物和气体污染物对光的吸收和散射会 减弱光的信号， 降低能见度， 对光的散射是能见度降 低的主要原因， 颗粒物的散射能使能见度降低60 ～ 90。大颗粒物对能见度影响不是很大， 主要是小颗 粒物， 尤其是大小与可见波长相近的颗粒物。因此通 常认为散射主要与 PM2. 5有关。很多研究还认为颗粒 物具有 “原伞效应” ， 它能吸收太阳的辐射， 减少紫外 线， 使地面辐射减少， 降低温度。在很多的研究模型 中也发现， 在颗粒物增加不多的情况下， 地面有增温 现象。同时也有研究认为， 颗粒物越多， 增温效应越 大。另外， 大气中颗粒物还会与水汽结合形成降雨， 并且颗粒物的酸碱度会影响降雨的酸碱度。最后， 颗 粒物中 PM10可以通过呼吸进入人体体内， PM2. 5还可 以通过呼吸进入人体的肺泡里， 因此这两种颗粒物对 人体的危害是非常大的。大量流行病学研究资料也 表明， 可吸入颗粒物 PM10的浓度的上升与疾病的发 病率、 死亡率的关系密切， 其中尤其是和呼吸系统疾 病和心脏病关系密切［11 ］。 颗粒物对环境和人体健康都有严重影响， 其中柴 油机是颗粒物排放的主要来源之一。乙醇柴油混合燃 料可有效降低碳烟排放， 而且乙醇柴油混合燃料 PM 粒径大于柴油 PM 粒径， 含碳量低， 对人体危害小。所 以燃烧乙醇柴油混合燃料可以降低大气中颗粒物含 量， 减小其对人体的伤害。Miyamoto 研究也表明， 当燃 料中的氧量达到30时就会实现无烟排放 ［ 12 ］。 3乙醇柴油车辆非常规污染物排放特性及空气质量 影响分析 3. 1非常规污染物排放特性 3. 1. 1乙醛排放特性 乙醛是一种具辛辣刺激性气味的有害气体， 它是 乙醇不完全燃烧形成的产物。纯柴油燃烧只产生微 量乙醛， 其排放乙醛的最大值为 2. 2 μL/L。添加 30乙醇得到的混合燃料， 其燃烧排放的乙醛在低负 荷点 3. 7 kW 时， 为8. 6 μL/L［8 ］。随着乙醇掺混比例 的增加， 尾气中乙醛占总羰基污染物的比例上呈上升 趋势。此外， 羰基污染物中乙醛含量和甲醛相比， 乙 醛所占比例均高于甲醛［13 ］。研究认为燃料中乙醇的 加入是排放中乙醛增加的直接原因且小负荷时乙醛 排放高于大负荷 ［14 ］。总之， 研究结果普遍认为与纯 柴油相比， 乙醇柴油混合燃料乙醛排放量增加。 3. 1. 2乙醇排放特性 纯柴油燃烧时， 排气中没有检测到乙醇， 乙醇的加 入是排放中乙醇增加的直接原因， 且乙醇排放的增加 是由于添加的乙醇在混合燃料中分布不均匀导致自身 燃烧不完全所致。研究认为小负荷时乙醇排放高于大 负荷; 通过欧 Ⅱ 十三工况排放测试规程， 测试了乙醇和 乙醛欧 Ⅱ 十三工况的排放值， 发现排气中乙醇的排放量 远大于乙醛。添加 30乙醇得到的混合燃料， 其燃烧 排放的乙醇在低负荷点 3. 7 kW 时高达 132 μL/L。乙 醇的排放浓度随乙醇掺混比的增加而增加 ［ 8， 14 ］。 3. 1. 3其他羟基污染物排放 羰基化合物是大气中重要的化合物， 主要包括醛 酮类污染物， 属于挥发性有机化合物， 极易散发在空 气中。它的直接来源是生物体和化石燃料的不完全 燃烧， 二次来源是大气光化学反应。城市大气中的羰 基类污染物主要来自汽车尾气排放， 其中柴油机醛酮 类污染物主要来自燃油及燃烧过程中产生的 HC 的 转化， 是不完全氧化的产物。 09 环境工程 Environmental Engineering 无论燃用何种比例的乙醇柴油混合燃料， 柴油机 尾气中含有的羰基污染物中甲醛和乙醛的含量最多， 其次是丙烯醛、 丙酮、 丙醛、 丁烯醛， 这六种醛酮化合 物占总羰基污染物排放的 90 左右。而且小分子醛 更容易在压燃式发动机中产生; 此外， 尾气中总羰基 污染物的比排放量在各个转速下都随着负荷的增加 而降低， 且在小负荷时各种羰基污染物的比排放量均 高于大负荷。此外， 研究还发现对于具有强毒性的丙 烯醛， 其受转速影响较大， 一般情况下在高转速下含 量较高， 且掺烧 15 乙醇的混合燃料可以降低丙烯 醛占总羰基污染物的比例。丙酮的生成则和混合燃 料的掺烧比例有很大关系， 掺烧比例越大燃烧过程中 越容易生成丙酮。与纯柴油相比， 混合燃料尾气中丙 醛的含量较少。对于其他高碳数羰基污染物， 其生成 量较少， 所占总羰基污染物的比例与乙醇掺烧量及转 速、 负荷的关系不明显［13 ］。 3. 2空气质量影响分析 与纯柴油相比， 乙醇柴油混合燃料的乙醛、 乙醇 及酮类等醛酮类化合物的排放均增加。醛酮类化合 物是大气中挥发性有机物的重要组成部分， 不仅是一 次污染物更是二次污染物， 这类化合物在大气光化学 反应中扮演着重要的角色， 是产生羟基自由基的重要 前体物， 也是大气中有机酸和光氧化剂臭氧及过氧乙 酰硝酸酯 PAN 的重要前驱物， 其自身也是城市大气 中光化学烟雾的主要成分。醛酮类化合物能进一步 氧化成有机酸造成对酸沉降的贡献或吸附在大气颗 粒物上， 形成二次气溶胶。另外醛酮类化合物对人体 健康也有害， 例如甲醛对人的眼睛、 皮肤和呼吸道有 着强烈的刺激作用， 会导致头疼、 恶心、 疲劳、 干渴等 症状， 目前已被国际癌症研究机构 IAＲC 证实对人 体具有致癌作用， 乙醛、 丙烯醛、 甲基乙基酮等也对人 体有毒或具有潜在致癌性［15 ］。因此需要进一步的研 究改善排放降低影响和危害。 4结语 与纯柴油相比， 乙醇柴油混合燃料改善了碳烟排 放， 有助于降低大气中颗粒物含量， 但 HC 排放量增 加， 而 CO 和 NOx排放存在争议， 需要进一步的研究。 与纯柴油相比， 乙醇柴油混合燃料的乙醛、 乙醇、 酮类排放物的排放量增加， 对空气质量和人体健康都 有巨大危害。 由于乙醇柴油 CO 和 NOx排放存在争议， 有待提 出科学统一的标准进行进一步的试验研究， 以便更加 客观分析乙醇柴油的清洁性。同时对乙醇柴油非常 规排放物的研究不能局限于醛类、 酮类污染物的排 放， 其实乙醇柴油混合燃料排放物中还包括复杂的苯 类化合物和硫化物， 它们经过复杂的大气反应会对臭 氧形成因素造成影响， 还会影响光化学反应， 进而影 响空气质量， 所以也需要做进一步的监测研究。 此外， 由于助溶剂的添加以及添加种类的不同会 造成醛酮类污染物排放水平的不同， 同时助溶剂也是 避免柴油和乙醇分层的必要添加剂， 所以可以通过研 究助溶剂来降低醛酮类污染物排放水平， 从而改善空 气质量。 参考文献 ［1］冯国林． 乙醇柴油混合燃料的研究进展［J］ ． 精细石油化工进 展， 2011， 12 7 46- 50. ［2］于娜娜， 高志谨， 秦兵杰． 乙醇柴油混合燃料的研究进展［J］． 精细与专用化学品， 2013， 21 2 41- 43. ［3］李振宇， 李顶杰， 黄格省， 等． 燃料乙醇发展现状及思考［J］ ． 化 工进展， 2013， 32 7 1457- 1467. ［4］赵小洋， 陈振斌， 张雷， 等． 柴油机燃烧乙醇柴油混合燃料的燃 油经济性及排放特性研究［J］． 汽车工程学报， 2012， 2 1 40- 46. ［5］李铭迪， 王忠， 许广举， 等． 乙醇/柴油混合燃料燃烧过程与排放 试验研究［J］ ． 农业工程学报， 2012， 28 2 29- 34. ［6］董彪， 顾勤， 汪家全， 等． 代用燃料在柴油机中的应用研究［J］． 现代车用动力， 2011 4 5- 9. ［7］王旭荣， 田国芝． 乙醇柴油混合燃料对柴油机排放特性的影 响［ J］ ． 中国农机化学报， 2013， 34 1 95- 97. ［8］陆克久， 徐寅生． 柴油机燃烧乙醇柴油混合燃料的排放特性研 究［ J］ ． 小型内燃机与摩托车， 2009， 38 6 63- 66. ［9］李会芬， 黄锦成， 陈国栋， 等． 乙醇柴油混合燃料发动机的经济 性和排放特性的试验研究［J］． 小型内燃机与摩托车， 2011， 40 4 67- 70. ［ 10］王建昕， 闫小光， 程勇， 等． 乙醇柴油混合燃料的燃烧与排放 特性［ J］． 内燃机学报， 2002， 20 3 225- 229. ［ 11］杨耀， 邰阳， 张燕． 大气颗粒物的危害及其解析技术研究综 述［ J］ ． 北方环境， 2010， 22 5 82- 87. ［ 12］汪家全， 孙平， 梅德清， 等． 乙醇柴油混合燃料发动机的颗粒物 排放及其热解动力学分析［J］． 农业工程学报， 2011， 27 S2 110- 113. ［ 13］李方成． 醇类/柴油混合燃料羰基化合物排放特性及生成机理 的研究［ D］ ． 天津 天津大学， 2009. ［ 14］吕庆生． 乙醇/柴油发动机乙醇和乙醛排放的测试技术研究与 分析［ D］． 吉林 吉林大学， 2004. ［ 15］徐竹， 庞小兵， 牟玉静． 北京市大气和降雨中醛酮化合物的污染 研究［ J］． 环境科学学报， 2006， 26 12 1948- 1954． 第一作者 邱兆文 1975 － ， 工学博士， 副教授， 研究方向为汽车排放 与交通环境。qzw chd． edu． cn 19 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control