北京机动车的保有量已经突破300万辆。8月17日到20日,为了确保2008年北京奥运会空气质量测试的顺利开展,北京实行机动车单双号出行的车辆限行措施,4天中每天约有130万辆机动车停驶。但据报道,北京在实施限行措施的4天里,虽然空气质量都达到了良,但污染指数也都上了90;8月21日车辆刚刚恢复正常行驶,空气污染指数又飙升到属轻微污染的116,与实施限行措施的前一天16 日的情况完全一样。
有人认为,如果北京长期采用此类限行,将可能刺激消费者的用车需求——一家拥有两辆车分别配上单双号,方便出行。
自今年7月1日起,全国范围内机动车已经开始实施国Ⅲ排放标准。但从目前的情况看,对于改善空气质量,如果仅仅单方面对车辆强制推行国Ⅲ排放,而难以提供满足国Ⅲ标准的高品质燃油,这种油车不匹配的矛盾从长远看不仅损及消费者权益,更难以达到真正减少废气排放的初衷。
对此,清华大学工程力学系燃烧研究室的傅维镳教授认为,要对乳化油燃烧给予更多关注,因为在柴油中掺水20%~30%进行燃烧,可以使油耗、NOX及碳烟三者同时下降。
乳化油是指将燃油(汽油、柴油或重油)70%~90%掺水近30%~10%,再加添加剂0.5%~1%,而后通过专用设备进行乳化所得。
由于NOX与碳烟的排放相互矛盾,即任何使NOX降低的措施,都会使碳烟增加,反之亦然。这已成为内燃机真正实现降低排放的瓶颈。目前只有油掺水燃烧能使两者同时下降。
傅维镳教授从1995年开始,就从煤的燃烧研究转到油掺水燃烧研究,对柴油机的清洁燃烧进行了长达12年的研究。
他说,“在掺水量较大的情况下,柴油机燃烧室温度降低,从而使NOX与碳烟都下降;同时通过催化重整或燃料热解产生氢气的条件,可使油耗大幅度下降。”
对油掺水燃烧节能减排的工作原理,傅教授解释说,“水的蒸发导致内燃机气缸温度下降,使NOX排放量明显降低,这是改善内燃机排放的重要途径。而且由于水比油蒸发的速度快,它能起到把大油滴变成小油滴的作用,从而强化了燃烧(这并非一般人认为的‘微爆’现像),这是其节能的主要原因。但加水量最多不能超过20%~30%,过量反而达不到节能效果。”
过去,美国、日本以及欧洲等发达国家,对乳化油燃烧的研究结果表明,其节油率仅仅在4%左右,这明显是“节油不节钱”,很难引起人们应用的兴趣,这也是油掺水研究发展缓慢的原因。
傅维镳教授告诉记者,“清华大学工程力学系燃烧研究室经过10年的努力,现已能使柴油乳化油通过添加乙醇(甲醇或二甲醚),使其净节油率(扣掉甲、乙醇或二甲醚的能量消耗)达到10%左右;若不考虑乙醇(甲醇或二甲醚)的能耗,单从柴油的节油效果讲,其节油率可高达15%~20%,其意义重大,这将大大地延缓石油的耗烬。同时碳烟基本消失,NOX约下降20%~30%,使油耗、碳烟与NOX三者同时下降。”
他认为,目前国内普遍在汽油车中推广汽油加乙醇的燃烧,其实许多内燃机专家认为这种燃烧方法并不可取。因为乙醇是一种含氧燃料,它对消除碳烟特别有效,但NOX稍增加。汽油机本来就不产生碳烟,只是NOX较高,但乙醇对NOX不仅不降低,反而增加。乙醇对CO及HC排放有好处,但这对汽油机不是最主要的,而且并不节油。相反,柴油机的碳烟排放较高,NOX也高,因此如果加入乙醇到柴油机中更有利。如果将乙醇、柴油和水混合成三元乳化液加入柴油机中应用,其节能率只有3%~4%。如果将乙醇通过排气道中高温排气加热(若温度不够,可加备用电加热器进行加热以提高温度),这样将乙醇燃料热分解后(放出大量H2和少量CO或CH4),通过进气道进入气缸就能使其净节油率达到约10%左右,突破了乳化油在柴油机中燃烧的节油率(约4%左右)的限制。除了添加乙醇燃料外,在进气道通入甲醇、二甲醚燃料也能达到同样效果。
这种方法简便、可靠,柴油机基本上不做改动。建议可在柴油发电机组、船舶或火车上的柴油机中首先应用,因为在这些领域,启动后有较稳定的工作条件,如运营时间较长等,有较大的空间可被利用。等取得了经验后再在汽车上推广。
这项节油的技术原理是“燃料(甲醇、乙醇、二甲醚)热解制氢气”,是氢气和乳化油燃烧共同作用才产生良好的节油效果。以添加二甲醚燃料为例,燃用含水量(质量)15%的乳化油,利用排气尾热再加上电阻炉加热达到700℃高温时,在内燃机进气道通入二甲醚后,纯柴油的油耗不断下降,其节油率最大可达19%;在扣除被消耗的二甲醚以及电加热能量后,净节油率 约10%。
傅维镳教授说,“燃料受热分解产生氢气,这和直接向柴油机供氢相比有很大的优越性。因为直接向柴油机供氢,氢燃料的运输、存储和安全都是很大的问题。燃料热解制氢这种全新思路对于实际工程应用非常有利。”
此外,他认为,凡是能加热分解出足量氢气的燃料,配合乳化油的燃烧,都可以在柴油机燃烧中获得较大幅度的节油。
傅维镳教授经反复实验后认为,在乳化油中加醇、醚燃料的燃烧方式中,其中乳化油最佳含水量为15%~29%,最佳乙醇(甲醇、二甲醚)的流量为5ml/min,“这样就能达到最佳的节油效果”。
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除了燃料热解制氢能向柴油机供氢外,傅维镳教授说,“还有一种方式是‘催化重整制氢’,即一般条件下,燃料(纯柴油)与水是不发生化学反应的,但在催化剂(一般为镍基,如金属镍)的作用下,在其表的油及水蒸气在400℃~500℃时能产生反应,把油和水中的H2释放出来,产生H2和CO。这也是获得氢气的一种方式。”
这项技术的研发成熟目前还仅局限于单缸柴油机上,傅维镳教授所在的研发小组目前正在作多缸机实验,预计今年年底能完成多缸机研究。傅教授认为,“大型柴油机要做到大幅节油、减少碳烟和NOX的排放量,改变以往柴油机傻大黑粗的形象,现在只能依靠水。我认为未来水是一种最好的替代物,我们应格外重视对水的研究。”
即使技术成熟,未来的市场推广也极为困难。这项技术可以直接提供给终端用户使用,如铁路、船舶码头等等,但首先在理念上,人们就有一个认识和接受的过程;同时在节能、减排、降低污染、保护环境等方面,也需要政府出台鼓励使用的支持政策,技术的应用和推广才有可能。
此前,傅维镳教授还曾专门为了技术的应用去了中国南车集团机车车辆厂,这是一家大型的内燃机车生产企业,是中国铁路主要的轨道交通运输装备制造和服务商。但此行并没有取得良好的效果。傅维镳教授不无遗憾地说,“如果采用这项技术对机车进行尾气改造,每车大概只需投入几万元,但年节省能源支出能达到上百万元,经济效益非常可观。”
傅维镳教授最后表示,“CO2排放是最难解决的问题,而这是一种很好的降低CO2的方法,根本不同于水变油,它掺入水,节约的是燃料。”