发动机燃用甲醇的减碳预测模型

朱佳隆 华琰 王忠

摘 要：运用低碳燃料甲醇替代汽油和柴油有助于降低CO2、CO和总碳氢排放。通过建立发动机燃用甲醇理论减排模型，预测了未来5年中国燃用甲醇替代汽油/柴油的CO2新增排放。结果表明，甲醇以10～20%的替代率将降低4.1～8.3%的CO2新增年排放。

关键词：甲醇; 发动机; 二氧化碳

中图分类号：U464.1          文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）7-184-002

1.国家减碳战略及政策

党的十九届五中全会上对能源发展提出战略目标，中国在联合国会议上提出“努力争取2060年前实现碳中和”。目前我国碳排放仍然处于高位阶段，超过85%的碳排放来自于能源活动。2020年末，我国非化石能源比重约15%，化石能源占比依然很高[1]，而内燃机动力消耗了三分之二的石油。2020年我国全年原油净进口量达5.42亿吨，原油依存度进一步升至73.5%，成为威胁经济建设和能源安全的不稳定因素[2]。

相较于化石能源，甲醇具有三大优势。第一，保障能源安全。我国是产煤大国，而甲醇主要来源于煤，2018年煤制甲醇4334万吨，约占总产量的67%。第二，经济性好。煤制甲醇工艺对煤品类的要求不高，而煤的多联产进一步降低了甲醇的生产成本，使得甲醇的售价（约2元/升）远低于汽油（约6.5元/升）和柴油（约6.2元/升）。第三，低碳环保。根据姚春德院士[3]的判断，完全燃烧1kg甲醇的碳排放约为相同质量柴油的40～45%。因此，为了保障能源安全并兑现碳中和的承诺，发展甲醇经济是重要的能源取向[4]。2019年八部委联合印发了《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》，借助国家政策推动甲醇汽车产业的发展。

2.发动机燃用甲醇理论减排效果预测

2020年中国汽车总销量为2513万辆，其中乘用车2017.8万辆，商用車513.3万辆，新能源车136.7万辆[5]。将新能源车辆、油耗分布和年行驶里程进行简化，如表1所示。

根据化学反应方程，完全燃烧1kg汽油释放2.27kgCO2，根据C12H26+31.5O2=12CO2+13H2O，完全燃烧1kg柴油释放3.16kgCO2。根据CH3OH+1.5O2=CO2+2H2O，完全燃烧1kg甲醇释放1.375kgCO2。

根据柴油、汽油和甲醇的理化性质，如表2所示。综合考虑甲醇的热值和燃烧热效率，实际发动机试验中替代比约为1.3～1.5[6]，即取1.5kg的甲醇替换1kg的汽油，1.3kg的甲醇替换1kg的柴油。

结合汽车数量、平均油耗、行驶里程和单位燃料碳排放量数据，估算我国2020年发动机燃用柴油和汽油的CO2新增排放总量，并以10%甲醇替代率（M10）作为对比方案，结果如图1所示。甲醇替代10%将4.9亿吨CO2排放总量降低至4.7亿吨，降幅为4.1%。

根据中国汽车工业协会的预测，2021年中国汽车销量有望超过2600万辆，同比增长4%。以4%作为未来5年中国汽车销量的平均增速，以2%作为甲醇替代率的增长速率，预测中国发动机燃用甲醇混合燃料的CO2新增排放总量，如图2所示。随着甲醇替代率的增大，2025年CO2新增排放总量较无甲醇替代降低8.3%。

3.结论

在国家减碳战略的背景下，甲醇以保障能源安全、经济性好和低碳环保的特点替代汽油和柴油，这将大量减少CO2排放。运用发动机燃用甲醇理论减排模型，预测2021～2025年，甲醇以10～20%的替代率降低4.1～8.3%的CO2新增年排放。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51776089）

参考文献：

[1]朱琼芳.我国甲醇及其下游产品市场分析与展望[J]煤化工，2019，47（06）：52-7

[2]刘朝全，姜学峰，戴家权，等.疫情促变局转型谋发展——2020年国内外油气行业发展概述及2021年展望[J]国际石油经济，2021，29（01）：28-37

[3]姚春德，刘辰，耿鹏，等.甲醇柴油双燃料燃烧结合DOC/POC耦合大幅度减少发动机微粒排放的研究[J]环境科学学报，2014，34（11）：2918-24

[4]何光远.发展甲醇经济是重要的能源取向[N]2020-12.16

[5]中国汽车工业协会.2020年汽车工业经济运行情况[M]中汽协会行业信息部，2021

[6]阎文兵，姜绍忠，方林焱，等.一种甲醇/汽油灵活燃料发动机智能控制装置[J]拖拉机与农用运输车，2009，36（06）：122-3+6

[7]蒋德明，佐华.内燃机替代燃料燃烧学[M]西安：西安交通大学出版社，2007

[8]李毅，刘圣华，朱赞，等.提高压缩比对甲醇汽油发动机性能影响的研究[M]中国汽车工程学会年会，中国天津，2008：4

[9]李鲁强，谭建伟，高力平，等.车用M15甲醇汽油的常规污染物排放特性研究[M]中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会暨先进发动机节能及测试技术论坛，2014

[10]凌鑫晨，吴锋，姚栋伟，等.汽油机燃用甲醇汽油的芳香族碳氢排放试验研究[J]内燃机工程，2014，35（04）：55-9