甲醇燃料

甲醇是内燃机和其他发动机的替代燃料,可与汽油结合使用或直接使用(“纯度”)。 它在许多国家的赛车中使用。 在美国,甲醇燃料作为石油基燃料的替代品比乙醇燃料受到的关注较少。 通常,乙醇毒性较小并且具有较高的能量密度,尽管甲醇的可持续生产成本较低,并且是减少碳足迹的较便宜的方式。 然而,为了优化发动机性能,燃料可用性,毒性和政治优势,乙醇,甲醇和石油的混合物可能优于单独使用任何这些单独的物质。 甲醇可以分别由烃或可再生资源,特别是天然气和生物质制成。 它也可以由CO2(二氧化碳)和氢气合成。

甲醇通常用作燃料,通常与汽油混合,但由于缺点,它不像乙醇那样受欢迎。 最突出的优点是其简单的制造,从甲烷开始,或通过有机物的热解。 然而,除非你在工业水平上工作,否则热解是不方便的,否则它将是不经济的。 另一个缺点是它的毒性很高,这就是为什么在处理或使用它时应该特别注意和小心的原因。 甲醇被认为是基本类型的产品石化产品,从中获得各种二级产品。

历史和生产
历史上,甲醇首先通过木材的破坏性蒸馏(热解)生产,因此其通常的英文名称为木材醇。

目前,通常使用甲烷(天然气的主要成分)作为原料来生产甲醇。 在中国,甲醇是用煤制成的燃料。

“生物甲醇”可以通过将有机材料气化成合成气,然后进行常规的甲醇合成来生产。 这条路线可以提供生物质的甲醇生产,效率高达75%。 通过这种途径的广泛生产提出了以低成本提供甲醇燃料并且对环境有益的潜力。 然而,这些生产方法不适合小规模生产。

最近,使用可再生能源和二氧化碳作为原料生产甲醇燃料。 美国冰岛公司Carbon Recycling International于2011年完成了第一个商业规模的可再生甲醇工厂。

主要燃料使用
在石油输出国组织1973年的石油危机期间,里德和勒纳(1973年)提出将煤中的甲醇作为一种经过验证的燃料,拥有完善的制造技术和足够的资源来替代汽油。 Hagen(1976)回顾了从可再生资源合成甲醇及其作为燃料的用途的前景。 然后在1986年,瑞典汽车燃料技术公司(SBAD)广泛审查了醇和醇混合物作为发动机燃料的用途。 它回顾了天然气,非常重油,沥青页岩,煤,泥炭和生物质的甲醇生产潜力。 2005年,2006年诺贝尔奖获得者乔治·奥拉及其同事提出了基于合成甲醇储能的整个甲醇经济。 甲醇贸易行业组织甲醇研究所发布甲醇报告和报告。 Gregory Dolan主任介绍了2008年中国全球甲醇燃料行业。

2011年1月26日,欧盟竞争总局批准瑞典能源署授予5亿瑞典克朗(截至2011年1月约5600万欧元)的奖金,用于建设30亿瑞典克朗(约3.35亿欧元)使用Chemrec的黑液气化技术,在瑞典恩舍尔兹维克的DomsjöFabriker生物炼油厂,生产生物甲醇和BioDME的工业规模实验开发生物燃料工厂。

用途

内燃机燃料
甲醇和乙醇都在比汽油更低的温度下燃烧,并且两者的挥发性都较低,使得在寒冷天气下发动机起动更加困难。 使用甲醇作为火花点火发动机中的燃料可以提供更高的热效率和更高的功率输出(与汽油相比),因为它具有高辛烷值(114)和高蒸发热。 然而,其低能量含量为19.7 MJ / kg,化学计量空气 – 燃料比为6.42:1意味着燃料消耗(以体积或质量为基础)将高于碳氢化合物燃料。 产生的额外水也使得装料相当潮湿(类似于氢气/氧气燃烧发动机)并且在燃烧期间形成酸性产物,阀门,阀座和气缸的磨损可能高于碳氢化合物燃烧。 可以将某些添加剂添加到燃料中以中和这些酸。

与乙醇一样,甲醇含有可溶性和不溶性污染物。 这些可溶性污染物,卤离子如氯离子对醇类燃料的腐蚀性有很大影响。 卤离子以两种方式增加腐蚀; 它们化学地攻击几种金属上的钝化氧化膜,引起点腐蚀,并且它们增加了燃料的导电性。 增加的导电性促进燃料系统中的电,电和普通腐蚀。 可溶性污染物,例如氢氧化铝,其本身是卤离子腐蚀的产物,随着时间的推移阻塞燃料系统。

甲醇(在汽车方面)是吸湿的,意味着它将直接从大气中吸收水蒸气。 因为吸收的水稀释了甲醇的燃料值(尽管它抑制了发动机爆震),并且可能导致甲醇 – 汽油混合物的相分离,所以甲醇燃料的容器必须保持紧密密封。

与汽油相比,甲醇更耐受废气再循环(EGR),这提高了利用奥托循环和火花点火的内燃机的燃料效率。

酸,虽然很弱,甲醇会攻击通常保护铝免受腐蚀的氧化物涂层:

6 CH 3 OH + Al 2 O 3 →2 Al(OCH 3 ) 3 + 3H 2 O.
所得的甲醇盐可溶于甲醇,产生清洁的铝表面,其易被溶解的氧氧化。 此外,甲醇可以作为氧化剂:

6 CH 3 OH + 2 Al→2 Al(OCH 3 ) 3 + 3 H 2
这种相互作用的过程有效地加速腐蚀,直到金属被吃掉或CH3OH的浓度可以忽略不计。 甲醇的腐蚀性已通过甲醇兼容材料和作为腐蚀抑制剂的燃料添加剂得到解决。

由木材或其他有机材料(生物醇)生产的有机甲醇已被建议作为石油基碳氢化合物的可再生替代品。通过添加助溶剂和腐蚀抑制剂,可以在现有载体中使用低含量的甲醇。

赛车
规则要求纯甲醇用于Champcars,Monster Trucks,USAC短跑车(以及侏儒,改装等),以及其他土路系列,如“水浒传”和摩托车赛道,主要是因为,发生事故时,甲醇不会产生不透明的烟雾。 自20世纪40年代后期以来,甲醇还被用作无线电控制,控制线和自由飞行模型飞机(见下文),汽车和卡车的动力装置的主要燃料成分; 这种发动机使用铂丝电热塞,通过催化反应点燃甲醇蒸汽。 拖曳赛车,泥浆赛车和重型改装拖拉机拉马也使用甲醇作为主要燃料来源。 Top Alcohol Dragster中的增压发动机需要使用甲醇,直到2006赛季结束时,印第安纳波利斯500的所有车辆都必须使用甲醇。 作为泥浆赛车的燃料,与汽油和一氧化二氮混合的甲醇比单独的汽油和一氧化二氮产生更多的动力。

从1965年开始,纯甲醇被广泛用于USAC Indy汽车竞赛,当时其中包括印第安纳波利斯500。

在1964年印第安纳波利斯500的第二圈发生七次车祸,导致USAC决定鼓励并随后授权使用甲醇。 当汽油燃料汽车爆炸时,埃迪萨克斯和戴夫麦克唐纳在车祸中丧生。 汽油引发的火灾造成了一团浓浓的黑烟,完全阻挡了迎面而来的汽车轨道。 约翰尼·卢瑟福(Johnny Rutherford)是其他驾驶员之一,驾驶着一辆甲醇燃料汽车,这辆汽车在车祸后也泄漏了。 当这辆汽车从第一个火球的撞击中燃烧时,它形成了一个比汽油车小得多的火焰,一个无黑烟的燃烧。 这一先例以及印第安纳波利斯明星作家乔治摩尔的压力导致1965年转向使用酒精燃料。

在整个活动期间(1979-2007),CART电路使用甲醇。 许多短道组织也使用它,尤其是小型赛车,短跑车和高速公路自行车。 IRL从1996年至2006年使用纯甲醇。

2006年,IRL与乙醇工业合作,使用10%乙醇和90%甲醇的混合物作为燃料。 从2007年开始,IRL改用“纯”乙醇E100。

甲醇燃料也广泛用于飙车,主要用于顶级酒精类,而甲基燃料除了硝基甲烷之外,还可用于顶级燃料类别中10%至20%之间。

一级方程式赛车继续使用汽油作为燃料,但在战前大奖赛中,甲醇常用于燃料中。

甲醇也用于Monster Truck赛车。

汽车燃料的安全性
自20世纪60年代中期以来,纯甲醇已被用于开放式汽车赛车。 与石油火灾不同,甲醇火灾可以用普通水扑灭。 与汽油不同,甲醇基火不可燃烧,燃烧时有明显的火焰。 如果在赛道上发生火灾,则没有火焰或烟雾阻碍快速接近的驾驶员的视线,但这也可能延迟火灾的视觉检测和灭火的开始。 在美国IndyCar赛车中永久性转换为甲醇的决定是1964年印第安纳波利斯500赛车遭遇毁灭性爆炸和爆炸的结果,该赛车击败了车手埃迪萨克斯和戴夫麦克唐纳。 2007年,IndyCars从甲醇转为乙醇。

模型发动机的燃料
在第二次世界大战结束前飞行的自由飞行模型飞机的最早型号发动机使用白色气体和重粘度机油的3:1混合物用于当时用于业余爱好的二冲程火花点火发动机。 到1948年,新型电热塞点火模型发动机开始占领市场,需要使用甲醇燃料与发动塞中的盘绕铂丝进行催化反应,以便发动机运转,通常使用蓖麻油燃料混合物中含有的润滑剂,其比例约为4:1。 由于不再需要火花点火模型发动机所需的车载电池,点火线圈,点火点和电容器,所以模型发动机具有点火点火功能,节省了宝贵的重量并使模型飞机具有更好的飞行性能。 在传统上流行的二冲程和越来越流行的四冲程形式中,目前生产的单缸甲醇燃料发光发动机是用于娱乐用途的无线电控制飞机的通常选择,发动机尺寸范围为0.8 cm3(0.049立方英寸)。 。)至25至32立方厘米(1.5-2.0立方英尺)的位移,以及双缸和多缸对置气缸和径向配置模型飞机发动机的显着更大的位移,其中许多是四冲程配置。 大多数以甲醇为燃料的模型发动机,特别是在北美以外地区生产的发动机,可以很容易地在所谓的FAI规格甲醇燃料上运行。 FAI可能要求这种燃料混合物用于所谓的FAI“F级”国际竞赛中的某些事件,该竞赛禁止使用硝基甲烷作为辉光发动机燃料组件。 相比之下,北美的制造甲醇燃料模型发动机的公司,或者位于该大陆之外且在北美拥有这种微型动力装置的主要市场的公司,倾向于生产能够并且通常在一定比例下运行最佳的发动机燃料中的硝基甲烷,当使用时,其体积可小至5%至10%,并且可占燃料总体积的25%至30%。

毒性
甲醇天然存在于人体和某些水果中,但在高浓度下有毒。 摄入10毫升会导致失明,如果病情未经治疗,60-100毫升可能致命。 像许多挥发性化学物质一样,甲醇不必被吞下就是危险的,因为液体可以通过皮肤吸收,蒸汽通过肺部吸收。 与乙醇混合时,甲醇燃料更安全,即使乙醇百分比相对较低。

美国允许的最大暴露量(40小时/周)乙醇为1900毫克/立方米,汽油为900毫克/立方米,甲醇为1260毫克/立方米。 然而,它的挥发性远低于汽油,因此具有较低的蒸发排放,对等效泄漏产生较低的暴露风险。 虽然甲醇提供了一些不同的毒性接触途径,但有效毒性并不比苯或汽油更差,甲醇中毒更容易成功治疗。 一个重要的问题是甲醇中毒一般必须进行治疗,而完全康复时仍然无症状。

特征性的刺激性气味可减轻吸入风险。 浓度大于2,000 ppm(0.2%)时,通常非常明显,但是较低的浓度可能仍然未被检测到,同时在长时间暴露下仍具有潜在毒性,并且仍可能存在火灾/爆炸危险。 再次,这类似于汽油和乙醇; 甲醇存在标准安全方案,与汽油和乙醇非常相似。

甲醇燃料的使用减少了某些与碳相关的毒素(如苯和1,3丁二烯)的废气排放,并大大减少了燃料泄漏造成的长期地下水污染。 与苯系列燃料不同,甲醇可以快速和非毒性生物降解,只要它被充分稀释就不会对环境造成长期危害。

比较

加油站 能量密度 空气混合比
– 汽油
比能量 热量
汽化
RON MON
汽油和生物汽油 32 MJ / L. 14.6 2.9 MJ / kg空气 0.36 MJ / kg 91-99 81-89
丁醇 29.2 MJ / L. 11.1 3.2 MJ / kg空气 0.43 MJ / kg 96 78
乙醇 19.6 MJ / L. 9 3.0 MJ / kg空气 0.92 MJ / kg 107 89
甲醇 16 MJ / L. 6.4 3.1 MJ / kg空气 1.2 MJ / kg 106 92

生物甲醇
甲醇是内燃机和其他燃料的替代燃料,可以与汽油结合使用,也可以直接使用(“纯”)。 它用于赛车和中国。 在美国,作为石油基燃料的替代品,甲醇燃料受到的关注不如乙醇燃料; 特别是在2000年代,在玉米乙醇的支持下,它提供了一定的政治优势。 通常,乙醇毒性较小并且具有较高的能量密度,尽管甲醇的可持续生产成本较低,并且是减少碳足迹的较便宜的方式。 然而,为了优化发动机性能,燃料可用性,毒性和政治优势,乙醇,甲醇和石油的混合物可能优于使用任何这些单独的物质。甲醇可以分别由化石或可再生资源,特别是天然气和生物质制成。

消防安全
甲醇比汽油更难点燃,燃烧速度慢约60%。 甲醇火以约20%的汽油火速释放能量,导致火焰更冷。这样可以减少危险,使用适当的协议更容易控制火灾。 与汽油火灾不同,水是可接受的,甚至更适合作为甲醇火灾的灭火剂,因为它既可以冷却火焰,又可以将燃料迅速稀释到浓度以下,从而保持自燃性。 这些事实意味着,作为车辆燃料,甲醇比汽油具有很大的安全性。 乙醇具有许多相同的优点。

由于甲醇蒸汽比空气重,除非通风良好,否则它会徘徊在地面附近或坑内。如果甲醇浓度在空气中高于6.7%,它可能被火花点燃,并会在54 F以上爆炸/ 62 C.一旦点燃,未稀释的甲醇火就会发出很少的可见光,这使得在明亮的日光下很难看到火或甚至估计它的大小,尽管在绝大多数情况下,现有的污染物或易燃物在火(如轮胎或沥青)会着色并增强火的能见度。 乙醇,天然气,氢气和其他现有燃料提供类似的防火安全挑战,并且所有这些燃料都存在标准的安全和消防协议。

事实上,低浓度甲醇是可生物降解的,低毒性的,并且在环境中不持久,从而促进事故后环境损害的缓解。 火灾后的清理通常仅需要大量额外的水来稀释溢出的甲醇,然后对流体进行抽真空或吸收回收。 任何不可避免地逃逸到环境中的甲醇都不会产生长期影响,并且充分稀释后会迅速生物降解,几乎不会因毒性而对环境造成损害。 与现有汽油泄漏相结合的甲醇泄漏可导致混合甲醇/汽油泄漏持续比单独使用汽油的时间长约30%至35%。

使用

美国
加利福尼亚州从1980年到1990年开展了一项实验计划,允许任何人将含有15%添加剂的汽油车[模糊]转换为85%甲醇。 超过500辆汽车转换为高压缩和专用85/15甲醇和乙醇。

1982年,三巨头每人获得5,000,000美元的设计和合同,将由国家购买5,000辆汽车。 这是低压缩灵活燃料汽车的早期使用。

2005年,加利福尼亚州州长阿诺德施瓦辛格停止使用甲醇加入由玉米生产商推动的乙醇扩大使用。2007年,该泵的乙醇价格为每加仑3至4美元(每升0.8至1.05美元),而天然气制造的甲醇仍为每加仑47美分(每升12.5美分),而不是泵。

目前,加利福尼亚州没有运营加油站为其泵供应甲醇。 众议员艾略特·恩格尔[D-NY17]在国会提出“开放燃料标准”法案:“要求汽车制造商确保每个此类制造商在美国制造或销售的汽车不少于80%含有85%乙醇,85%甲醇或生物柴油的燃料混合物。“

欧洲联盟
2009年通过的修订后的燃料质量指令允许汽油中甲醇的最高3%v / v混合。

巴西
在1989年至1992年期间由一组科学家建立的试验性试验(包括将汽油与甲醇混合)后,向汽油添加相当大比例的甲醇的动力在巴西得到了非常接近的实施。大规模的试验实验将是由于担心加油站工人的健康状况,他们不得不遵守安全预防措施,在市中心市长的最后一刻对圣保罗进行了否决。 截至2006年,这个想法还没有浮出水面。

印度
印度计划委员会Niti Aayog于2018年8月3日宣布,如果可行,乘用车将使用15%的甲醇混合燃料。 目前,印度的汽车使用高达10%的乙醇混合燃料。 如果获得政府批准,它将每月削减燃料成本10%。在印度,乙醇的价格为每升42卢比,而甲醇的价格估计低于每升20卢比。