劉鉞，杜風(fēng)光

（河南天冠企業(yè)集團有限公司，車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室，河南南陽473000）

燃料乙醇在我國油品升級中的替代研究

劉鉞，杜風(fēng)光

（河南天冠企業(yè)集團有限公司，車用生物燃料技術(shù)國家重點實驗室，河南南陽473000）

隨著國內(nèi)環(huán)境的日益惡化，政府針對治理空氣污染PM2.5的政策頻頻出臺，油品標準升級也越來越受到國家關(guān)注。近年來，我國油品質(zhì)量升級步伐很快，但市場上高低標準油品并行現(xiàn)象較為普遍，油品升級困難重重。燃料乙醇既可以替代汽油，同時又是一種優(yōu)良的汽油添加劑和油品高辛烷值組分，對于降低機動車排放、改善空氣質(zhì)量、消除霧霾天氣起到了很好的作用。世界各國燃料乙醇的推廣實踐已經(jīng)證明，汽油中添加乙醇是低成本且簡單有效的油品升級之路。

燃料乙醇；油品升級

自2012年開始，隨著國內(nèi)環(huán)境的日益惡化，政府針對治理空氣污染PM2.5的政策頻頻出臺，而機動車排放是治理PM2.5的重中之重，因此油品標準升級也越來越受到國家關(guān)注。近年來，我國油品質(zhì)量升級步伐很快，從2000年以來，車用汽柴油標準從國一升級到國五，汽油標準從2000年的硫含量不大于1000 ppm下降到國五的不大于10 ppm、下降99%。同期，中國石化持續(xù)加大投入，不斷提升油品質(zhì)量，中國石化《年報》顯示，2000年至2014年累計向煉油板塊投入2615億元。今后，中國石化每年還要投入300億元進行升級改造，為社會提供更多的優(yōu)質(zhì)資源，減少環(huán)境污染［1］。然而，油品升級“中國速度”下隱藏著諸多問題。多位業(yè)內(nèi)人士表示，市場上高低標準油品并行現(xiàn)象較為普遍，甚至出現(xiàn)“劣幣驅(qū)逐良幣”的情況。而且各地對油品升級的執(zhí)行力、監(jiān)管力度不同，部分石油企業(yè)拖延置換，地?zé)捚髽I(yè)壓力大，難以全部按時完成升級，這些都讓借油品升級治霾的效果大打折扣［2］。

燃料乙醇既可以替代汽油，同時又是一種優(yōu)良的汽油添加劑和油品高辛烷值組分，對于降低機動車排放、改善空氣質(zhì)量、消除霧霾天氣起到了很好的作用，為歐美各國實踐所證實。汽油中添加乙醇是低成本且簡單有效的油品升級之路——乙醇的含氧量高，燃燒均勻，熱效率高，從而使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放性都可以得到改善；乙醇的研究法辛烷值較高，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽油的辛烷值，抵消油品升級帶來的不利影響；燃料乙醇屬于清潔、綠色、可再生能源，產(chǎn)品中不含硫，乙醇汽油的應(yīng)用可以直接降低成品油中的硫含量，減少了脫硫的成本。

1　我國汽油油品升級的歷史回顧

我國油品質(zhì)量升級速度逐步加快，用10年左右的時間經(jīng)歷了歐美國家近20年的升級道路。

2003年1月，汽油質(zhì)量升級為國標GB 17930—1999，汽油中硫含量由不大于1500 ppm降低至800 ppm以下。

2005年7月，升級為修訂版國標GB 17930—1999，汽油中硫含量降低至500 ppm以下。

2010年5月，升級為國標GB 17930—2006，即國三汽油標準，汽油中硫含量降低至150 ppm以下。

從2014年1月1日起，升級為國標GB 17930—2011，即國四汽油標準，汽油中硫含量降低至50 ppm以下。

從2013年10月1日起，上海、江蘇沿江8地市以及廣東6地市開始置換國五標準汽油，其他省市開始置換國四汽油。

在2015年4月28日召開的國務(wù)院常務(wù)會上，確定了加強清潔油品生產(chǎn)供應(yīng)，力爭提前完成成品油質(zhì)量升級任務(wù)：一是將2016年1月起供應(yīng)國五標準車用汽、柴油的區(qū)域從原定的京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域內(nèi)重點城市擴大到整個東部地區(qū)11個省市全境；二是將全國供應(yīng)國五標準車用汽柴油時間由原定的2018年1月提前至2017年1月；三是增加高標準普通柴油供應(yīng)，分別從2017年7月和2018年1月起在全國供應(yīng)國四和國五標準普通柴油。

國四標準升級為國五標準，重要的變化是硫含量、錳含量減少和烯烴含量降低。無論是硫還是錳的含量偏高，很容易造成燒不盡的情況，從而造成積累，對汽車的噴嘴、汽油尾氣催化轉(zhuǎn)換器等重要部件造成損害。一些產(chǎn)物如錳的氧化物還會以微粒形態(tài)排放到大氣中，增加了空氣中顆粒物的濃度。汽油質(zhì)量由第三階段升級至四、五階段，從主要指標來看有幾大變化：一是硫含量大幅度降低，由國三的150 ppm降到國四的50 ppm、國五的10 ppm；二是烯烴指標也有所下降，由國三的30%降到國四的28%、國五的25%；三是錳劑添加要從國三的0.016 g/L降低至國四的0.008 g/L［3］。

2　車用乙醇汽油可有效減少汽車尾氣有害物的排放

使用乙醇混合燃料可以改進發(fā)動機的燃燒效果，減少一氧化碳、二氧化硫、未燃碳氫化合物和煙塵以及顆粒物的排放。乙醇的含氧量高，約為34.8%，在燃燒過程中有自供氧效應(yīng)，這意味著同樣質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的空氣質(zhì)量就相對較少，有利于高原地區(qū)的應(yīng)用；同時也能比MTBE以更少的添加量加入汽油中。若在同樣的進氣條件下，乙醇由于自身含氧則使燃燒過程得到改善，燃燒較為均勻，局部富氧和局部缺氧的概率減少，熱效率提高，則發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放性都可以得到改善。

據(jù)法國研究部門測試，與使用普通汽油比較，使用含燃料乙醇5%～7%的汽油，汽車尾氣中CO排放量下降15%～40%，NOX排放量下降50%～70%，未燃燒的碳氫化合物排放量下降2%～7%。美國橡樹嶺國家實驗室研究報告顯示，使用E10乙醇汽油尾氣中NMHC（非甲烷總烴）減少20%，CO減少14%。據(jù)我國汽車研究中心對添加10%燃料乙醇的汽油和普通汽油進行的對比試驗，由于增加了含氧量，汽車尾氣中的CO和碳氫化合物排放量分別下降了30.8%和13.4%，同時使用車用乙醇汽油所產(chǎn)生的溫室氣體CO2要比使用普通汽油減少3.9%。我國廣西環(huán)保監(jiān)測中心站的數(shù)據(jù)顯示，使用E10乙醇汽油后，汽車尾氣中碳氫化合物濃度平均下降42.7%，CO濃度平均下降34.8%。中國交通汽車運輸行業(yè)能源利用監(jiān)測中心數(shù)據(jù)顯示，使用E10乙醇汽油后汽車尾氣中的CO排放量減少了19.7%，NMHC排放量減少了16.4%［4］。

3　汽油中添加乙醇可有效減少芳烴和烯烴的含量進一步改善排放

美國環(huán)保局（EPA）和加州理工學(xué)院的研究發(fā)現(xiàn)，汽油中的芳香族化合物會增加尾氣中顆粒物（PM）的排放，同時也是形成二次細顆粒物PM2.5中有機物的主要成分。有研究顯示，在-29%～24%范圍內(nèi)，顆粒物（PM）減排量和汽油中氧含量成正比例關(guān)系，與溫度無關(guān)。乙醇汽油中含氧量明顯高于普通汽油，非常有利于顆粒物（PM）的減排。因此，在乙醇和芳香族化合物均能增加汽油辛烷值的情況下，使用乙醇代替芳香族化合物作為汽油添加劑，可以有效地減少顆粒物（PM）的排放。Whitten博士在美國第九屆國家乙醇大會上的報告《Air quality and ethanol in gasoline》中指出，使用乙醇汽油代替普通汽油，常規(guī)排量汽車的顆粒物（PM）減排量為36.0%，高排量汽車的顆粒物（PM）減排量可達64.6%。澳大利亞海洋與大氣研究所的研究結(jié)果顯示，E10乙醇汽油替代普通汽油后，細顆粒物（PM2.5）減排量為8.0%～52.0%。美國橡樹嶺國家實驗室的研究表明，與普通汽油相比，E10乙醇汽油的顆粒物（PM）減排量為6%～6.6%，E20乙醇汽油的顆粒物（PM）減排量能達到29.4%～41.8%。北京理工大學(xué)汽車動力性及排放測試國家專業(yè)實驗室和北京汽車研究所也發(fā)現(xiàn)，使用E10乙醇汽油可以比普通汽油減排33.2%的顆粒物［5-6］。

汽油產(chǎn)品質(zhì)量升級，最重要的貢獻就是減少汽車尾氣對大氣的污染，比如烯烴含量的降低，就有利于減少霧霾。烯烴是一種不飽和烴，雖然其辛烷值高，但是揮發(fā)到大氣中則很容易形成霧霾。汽油中的烯烴、芳烴、異構(gòu)烷烴是辛烷值的主要貢獻者，催化汽油的硫含量由50 ppm降到10 ppm時，由于烯烴的飽和，產(chǎn)品的辛烷值會有較大的降低，尤其是采用加氫脫硫的工藝，產(chǎn)品的辛烷值損失平均能達到兩個單位以上。乙醇的研究法辛烷值（RON）較高，為111，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽油的辛烷值。因此，使用乙醇汽油的發(fā)動機可適當提高壓縮比來提高熱效率，從而獲得較好的動力性能和經(jīng)濟性能。

4　汽油中添加乙醇是低成本且簡單有效的油品升級之路

對國內(nèi)的煉化企業(yè)來說，由于催化汽油占汽油總量的70%～80%以上，導(dǎo)致國四、國五標準油品升級的主要工作都集中在催化汽油的脫硫上。國五標準中要求汽油的硫含量進一步降低到10 ppm，這就需要對原來設(shè)計目標為國四標準的催化汽油脫硫裝置進行投資改造，以進一步提高脫硫的程度，同時生產(chǎn)能耗、氫耗也會有所增加，汽油的生產(chǎn)成本相應(yīng)加大。

催化汽油加氫后辛烷值至少損失一個單位以上，而且錳劑添加量的減少也使汽油辛烷值降低，因此需要增加高辛烷值汽油組分，需要新建或改造催化重整裝置和MTBE裝置，明顯降低企業(yè)高標號汽油的產(chǎn)量，對企業(yè)的經(jīng)濟效益將產(chǎn)生較大的影響。因此，如何解決催化汽油脫硫的同時維持產(chǎn)品的辛烷值少損失是煉化企業(yè)在國五標準升級上所需解決的經(jīng)濟和技術(shù)難題。

截至2015年底，全國機動車保有量達2.79億輛，其中汽車1.72億輛；機動車駕駛?cè)?.27億人，其中汽車駕駛?cè)顺^2.8億人［7］。增加的速度和數(shù)量會導(dǎo)致城市汽車保有量的繼續(xù)攀升，PM的排放下降困難。從長遠講，解決霧霾的根本措施是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和合理的城市發(fā)展規(guī)劃；從短期來講，控制機動車的尾氣排放質(zhì)量和急劇增加的機動車數(shù)量是最可行的辦法之一。然而控制機動車的數(shù)量和提高燃油的品質(zhì)相對而言需要的時間和代價巨大，燃料乙醇對于降低機動車排放、改善空氣質(zhì)量、消除霧霾天氣已經(jīng)起到了很好的作用，這已被歐美各國實踐所證實。

汽油中添加乙醇是低成本且簡單有效的油品升級之路：

（1）在汽車尾氣的污染物中，含硫排放物是主要成分，一旦燃油中的硫含量下降，油品質(zhì)量得到提升，燃油燃燒更充分，就能直接減少尾氣中的PM2.5排放。燃料乙醇屬于清潔、綠色、可再生能源，產(chǎn)品中不含硫，乙醇汽油的應(yīng)用可以直接降低成品油中的硫含量，減少了脫硫的成本。

（2）辛烷值是代表汽油抗爆性的指標，這是衡量汽油在汽缸中抗爆震燃燒能力的一種數(shù)字指標，其值高則表示抗爆性好。汽油的辛烷值高，抗爆性好，質(zhì)量也好。不可忽視的是，國五汽油標準中的降低硫含量、禁止添加錳劑在一定程度上降低了辛烷值。在煉油企業(yè)無法完全彌補超低硫化帶來的辛烷值損失的情況下，最終只能通過調(diào)整汽油牌號來解決這一問題。乙醇的研究法辛烷值較高，若在汽油中添加乙醇可以有效提高汽油的辛烷值，消除油品升級帶來的不利影響。同時乙醇屬于清潔燃料，對環(huán)境友好，無類似MTBE污染地下水的潛在威脅。

（3）對于油品升級，最大的障礙在于成本控制。有專家表示，國內(nèi)汽油的升級為了與歐美等發(fā)達國家看齊，減排效果與支付的升級成本相對失衡。按中國石油年產(chǎn)3000萬t汽油測算，由國四標準升級到國五標準，實際減少排放硫1200 t；中國石化按4000萬t汽油產(chǎn)量折算減排的硫為1600 t，按煤炭的含硫1%計算，2家企業(yè)合計減排的硫僅相當于28萬t煤燃燒的排放量，占2014年全國煤炭35億t消費量的0.008%，不足萬分之一。中國石油、中國石化在汽油國四標準到國五標準的升級中，需對現(xiàn)有工藝流程進行改造，投資有可能超過300～400億元，相對減排的總硫來說投資巨大，這還不包括生產(chǎn)國五標準汽油的能耗、損失等方面的成本增加［8］。

5　小結(jié)

燃料乙醇屬于可再生生物能源，原料來源廣泛，取自自然、用于自然，既能實現(xiàn)能源替代，保障我國的能源安全，又能夠增加農(nóng)民收入，有利于促進農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)。隨著燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)的進步和循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，乙醇生產(chǎn)已可以不需要額外的化石能源，同時非糧原料的利用有力地保證了我國的糧食安全，汽油中添加乙醇是真正低成本且簡單有效的油品升級之路。

［1］“三桶油”加速油品升級：國五油將全國普及［N］.證券日報，2015-12-03.

［2］王璐.國內(nèi)迎油品升級大潮低品油退市難重挫治霾成效［N］.經(jīng)濟參考報，2015-12-02.

［3］中石油加快油品升級預(yù)計2016年底全部達國V標準［N］.新華能源，2015-06-02.

［4］馮文生，杜風(fēng)光，游泳.燃料乙醇政策研究及定價機制探討［J］.經(jīng)濟研究導(dǎo)刊，2015（9）：287-290.

［5］蔡慶麗.車用乙醇汽油與大氣環(huán)境保護［J］.百色學(xué)院學(xué)報，2015，28（3）：120-125.

［6］蘇會波，林海龍，李凡，等.乙醇汽油對減少機動車污染排放的機理研究與分析［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2015，9（2）：823-828.

［7］公安部交管局：截至2015年底全國機動車保有量達2.79億輛［EB/OL］.（2016-01-26）.http://www.122.cn/xwzx/jtyw/672430. shtml.

［8］第五階段車用汽油國家標準帶動油品質(zhì)量升級采訪記［N］.中國質(zhì)量報，2014-01-23.

Replacement of Fuel Ethanol in Oil Products Upgrading in China

LIU Yue and DU Fengguang
（State Key Lab of Motor Vehicle Biofuel Technology，He'nan Tianguan Group Co.Ltd.，Nanyang，He'nan 473000，China）

With the increasing deterioration of domestic environment，the government has formulated a series of policies for the control of air pollution PM2.5 and oil standards upgrading has the focus nationwide.In recent years，a great accomplishment has been made in oil products upgrading，however，there are still low-standard oil products in the market.Fuel ethanol can replace gasoline and it is also an excellent additive in gasoline and one of the components of oil with high octane value.The use of fuel ethanol could reduce vehicle emissions，improve air quality，eliminate haze weather and so on.The use experience of fuel ethanol in other countries proved that adding ethanol in gasoline is a low-cost，simple and effective way for oil products upgrading.

fuel ethanol；oil products upgrading

TS262.2；TK6

A

1001-9286（2016）10-0037-03

10.13746/j.njkj.2016148

2016-04-28

劉鉞（1977-），男，高級工程師，研究方向為生物能源與生物化工的實驗室研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，E-mail：liuyue20021@126.com。

優(yōu)先數(shù)字出版時間：2016-07-11；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160711.1353.011.html。