燃料乙醇应用对环境的影响_王艳坤

#28#环境工程

工业安全与环保

Indus trial Safety and Envi ronmental Protec tion

2006年第32卷第10期Oc tober 2006

燃料乙醇应用对环境的影响*

王艳坤 张建强 孟祥明

1

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2

(1. 西南交通大学环境科学与工程学院 成都610031; 2. 天津大学环境科学与工程学院 天津300072)

摘 要 燃料乙醇作为可再生的替代能源被越来越广泛地利用。从对空气的影响、对土壤和地下水的潜在影响、能源的有效性和能源的可持续性4个方面阐述了燃料乙醇使用对环境的影响效应, 既说明了其显著的优势, 又提出了存在的问题及相关建议, 旨在更充分地发挥燃料乙醇的能源价值。 关键词 燃料乙醇 环境 能源

Effect of Fuel Ethanol on Environm ent

WANG Yan kun 1 Z HANG Jian

qiang 1 MENG Xiang ming 2

(1. Sc hool o f Environmental Sc ie nce and Enginee ring , Southwest Jiaotong U ni versity Chengdu 610031)

Abstract As the renewable energy, ethanol is used more and more widely. In order to use it effec tively, the i nfluence of ethanol on env-i ronment is explai ned from several aspec ts, s uch as effects on air, potential effects on s oil and underwater, effectivenes s of energy and the s us -tainability of energy. Its obvious advantages are expounded and the exi sted problems and s ugges tions are put forward, aiming at givi ng full play to energy value.

Keywords ethanol fuel environment energy

随着世界人口的增加和更多国家的工业化, 能源消费稳步增加, 而作为主要能源的石油则日益匮乏, 这种能源的供需矛盾必然影响到经济的发展和社会的安定, 因此世界各国纷纷展开新的替代能源的研究与开发, 其中以燃料乙醇最为突出。

20世纪30年代巴西首先开始大范围使用乙醇-汽油混合燃料

[1]

耗45. 4亿L, 约占汽油总消耗量的1%[3]。同年, 美国政府提出到2010年生物燃料在全美能源中所占比重要提高3倍, 达到20%的发展目标。与此同时, 瑞典和法国亦以小麦等为原料生产燃料乙醇, 添加到汽油和柴油中应用。欧盟也采取了相关措施促进生物燃料使用, 计划到2005年生物燃料作为交通运输燃料至少占市场份额的2%, 到2010年末至少占5. 75%, 到2020年生物质乙醇能源在总能源结构中所占比例将提高到8%[4]。加拿大也将这种混合燃料列入本国的环境保护计划(Ecologo) [5]。在我国, 用玉米生产燃料乙醇已受到政府和相关部门的高度重视。河南省、吉林省和黑龙江省等地已开始建立推广车用乙醇汽油的试点。到1999年, 全球乙醇产量已达330亿L, 其中有58%用作汽车燃料。 可见,

燃料乙醇作为新的替代能源正得到越来越广泛的

, 在汽油中掺入22%的乙醇或全部代替汽油。1999

年巴西乙醇产量达近130亿L , 除少量出口外其余全部自用[1]。20世纪70年代, 世界石油危机后, 10%乙醇与无铅汽油混合的方法引入美国并在中西部各州占领市场。20世纪80年代, 乙醇与柴油混合在技术上的可行性得到了证明。于是, 美国开始以玉米生产燃料乙醇, 并将其应用于混合燃料。1999年美国乙醇产量达60亿L, 其中仅运输部门就消

参考文献

1 钟秦. 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例. 北京:化学工业出版社, 2002. 7984

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3 王福军. 计算流体动力学分析) ) ) CFD 软件原理与应用. 北京:清华大学出版社, 2004. 123125

作者简介:尹连庆, 男, 1959年生, 河北衡水人, 教授, 主要从事环境工程理论研究和教学工作。

(收稿日期:2006

0110)

图4 矢量(vectors) 图

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重视, 其未来的应用前景不可估量。但是在利用这种新能源的同时也要充分考虑到它对环境的影响, 做到趋利避害, 合理利用, 从而最大限度地发挥其燃料优势。1

燃料的燃烧对氮氧化物排放的影响尚存在争议:Sp reen and Kass et al.

[6,7]

的测试表明乙醇-柴油混合燃料使氮氧化物

的减少从0到4%5%不等。美国的监测数据证明了E10与臭氧浓度增加有关。胡志远等[9]在乙醇-汽油混合燃料的周期评价中得出, 除E10外其他浓度的混合燃料所产生的氮氧化物均高于纯汽油。张润铎等[10]的试验表明乙醇柴油混合燃料较纯柴油燃烧排放的氮氧化物有明显的增加。但氮氧化物的排放除与燃料有关外还受空气与燃料比例等因素的影响, 所以乙醇的引入对氮氧化物的排放的影响幅度并不明显。1. 6

对空气的影响

任何燃料燃烧在释放能量的同时都不可避免地向空气

中排入副产物, 乙醇也不例外, 但不同燃料燃烧产生副产物的种类、数量和浓度各不相同, 因此对空气质量的影响程度自然也不同。

1. 1 对颗粒物、一氧化碳和烃类物质排放的影响

燃料燃烧过程中颗粒物(PM ) 、一氧化碳(CO) 和烃类物质(C H) 的产生主要是由于燃料不完全燃烧而引起的, 乙醇作为一种含氧有机燃料, 它的掺入会促进混合燃料的燃烧, 减少由于燃烧不充分而引起的污染物排放。这一理论在很多试验中得到了证明:Spreen and Kass et al. 27%和30%

[6, 7]

对其他有害气体排放的影响

其他一些气体的排放有的也会给空气造成污染, 例如

SO 2会引发硫酸烟雾, 乙烯、醛类的臭氧活性较高, 易造成地面臭氧和光化学烟雾等。Marek and Evanoff [15]发现在柴油中添加乙醇减少了硫的含量, 有效地减少了SO 2的排放量。还有资料报道, E10减少了1, 3丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等的排放, 增加了甲醇、乙烯、丙酮、甲醛、丙烯醛等的排放。

总之, 乙醇混合燃料对PM 、CO 、NO x 、SO 2、CO 2、烃类、苯、甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛、甲醇、乙醇、乙烯、1, 3丁二烯、丙酮等的排放都有不同程度的影响, 其中大多是积极的, 也有部分是消极的, 针对那些排放量增大的气体, 可通过改进机车结构, 添加助溶剂, 使用接触反应转炉, 改建气体排放控制系统等措施加以控制, 以辅助乙醇混合燃料的使用。

此外, 笔者通过对比发现针对同一物质的排放, 不同的研究者得出的结论也不尽相同, 这主要是因为相当多的排放数据受到各种因素影响, 如机车燃料的测定技术、各种控制技术、测试程序、测试条件以及模型的差异等。所以建议建立严格统一的空气质量模型, 规范测试技术, 以确保得到更可靠的排放数据。另一方面, 乙醇的添加比例不同, 对产物的排放影响也不相同, 所以对混合燃料的研究还有待于具体细化, 也就是要针对不同乙醇比例的燃料进行测试, 对不同燃料给予准确的评价, 为燃料选择提供更详尽可靠的依据。2 对土壤和地下水的影响

在汽油中添加乙醇不仅增大了挥发性, 也增加了对金属和聚合物的渗透率。乙醇-汽油在接触水以后就会发生相态分离, 乙醇进入水相, 增大了燃料的体积, 从而增加对地下钢铁储藏罐的腐蚀, 增加泄漏到周围土壤的风险。在美国中央对运输的研究中建议:纯乙醇或乙醇含量高的汽油燃料不应用铝、锌、锡、铅焊接装置或者黄铜装置来储存。一些非金属的材料暴露在乙醇含量高的条件下, 也会降解, 如天然橡胶聚亚胺酯、软木垫圈、皮革、粘合聚酯纤维丝、聚氯乙烯、聚酰胺、甲基丙烯酸塑料等[16]。

泄漏的乙醇会增大粘土的渗透性, 一旦与地下水或地表水接触将增加汽油中有害物质的溶解性。在周围环境中, 乙醇还会优先得到微生物的降解, 使微生物和环境条件适应乙醇的降解, 从而抑制汽油污染物尤其是二甲苯(B TEX) 的生物降解, 影响自然界的自我修复能力, 增加周围环境的负荷。20世纪80年代末, 美国环保署提出了泄漏地下储藏管计划万中的测试表明

10%和15%的乙醇-柴油混合燃料分别使PM 减少20%

41%; 汤晓东[8]的试验表明, 与汽油相比, 乙醇

-汽油混合燃料的汽车尾气中CO 、C H 的排放量分别下降30. 8%和13. 4%; 胡志远等[9]在乙醇-汽油混合燃料的周期评价中得出, E10(在汽油中掺入10%体积的乙醇) 替代汽油可使PM 、CO 和CH 的排放量分别下降44%、26%和15%; 中科院的张润铎等[10]通过试验证明乙醇-柴油混合燃料替代纯柴油可使PM 、CO 和CH 的排放量均有不同程度的降低。1. 2 对温室气体(GHG) 排放的影响

生产乙醇的过程很少使用外部化石燃料, 主要是由生物质提供所需的热能和92%的电能, 乙醇的燃烧过程也只是释放在植物生长过程中储存在植物体内的CO 2, 另外燃料的C/H 越大, 释放单位热量的CO 2就越多, 在燃料中掺入一定量的乙醇可减少C/H, 也就可以降低CO 2的排放量, 从而减缓全球变暖。胡志远等

[9]

在乙醇-汽油混合燃料的周期评

价中得出, E10替代汽油可使CO 2的排放量下降7%。一些预测表明生产和使用1L 乙醇来代替汽油可减少0. 540. 57kg CO 2的排放, 即汽油燃烧时CO 2排放量的90%[11]。1. 3 对乙醇排放的影响

低比例乙醇混合燃料与纯汽油相比有较高的蒸气压和较大的渗透率。这就导致大量乙醇因挥发或渗透而进入空气, 同时也相应增大了其他气体的排放, 不仅造成损失也污染了空气。巴西是唯一大范围应用乙醇燃料的国家, 大约70%75%的机车使用E20E25, 15%20%的机车使用纯乙醇, 其余的使用柴油, 2001年巴西圣保罗市的空气中乙醇浓度是洛杉矶的2378倍[12]。1. 4 对乙醛排放的影响

乙醛是一种危险化合物, 很可能具致癌性, 它也是聚丙烯腈(PAN) 的前体, 是带有剧烈毒性的呼吸刺激物, 是众所周知的植物毒素。Knapp 等[13]发现E10的燃烧使乙醛的排放量变为原来的100%

200%, 有时甚至达到700%。据报

道在巴西的4个主要城市空气中乙醛的体积分数要明显高于世界上任何一个城市[14]。这种潜在的危害应引起关注。1. 5 对氮氧化物排放的影响

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除, 只留下70万[17]。可见储藏罐的严格标准和燃料系统的说明以及监测要求都急需引入。3

防渗漏问题。

(3) 在燃料中添加乙醇会提高燃料的燃烧热效率。在生命周期评价中净能量价值会随着生产技术的进步和革新发生变化, 能源的有效性也会不断提高, 应该不断进行试验找到最佳工艺路线以最大效率发挥乙醇燃料的燃烧热效率。

(4) 燃料乙醇的使用可减少对化石燃料的依赖, 有利于人类的可持续发展, 其生产使用的可持续性可通过寻找丰富廉价的替代原料降低成本以及配套生产技术的成熟化而实现, 因此应加强利用各种廉价原料生产燃料乙醇的工艺优化研究。

总之, 乙醇作为一种新型替代燃料具有环境污染小、燃烧效率高、可再生性强等优势, 相信通过不断研究, 趋利避害, 一定具有更广阔的利用空间和更大的环境经济价值。

参考文献

1 Ros illo-Calle, Fand Heatford J. Alternatives to petroleum fuels for trans -port:Brazilian experience. Sci Public policy, 1987, 14:3373452 李盛贤, 贾树彪, 顾立文. 利用纤维素原料生产燃料酒精的研究进

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diesel engine fueled wi th ethanol diesel blends. SAE Technical Paper 2001-01-2018(SP-1632)

8 汤晓东. 乙醇汽油的安全生产及环境保护. 石油化工安全技术, 2005, 21(2) :3237

9 胡志远, 戴杜, 张成, 等. 木薯乙醇-汽油混合燃料生命周期评价.

内燃机学报, 2003, 21(5) :2186

10 张润铎, 贺泓, 张长斌, 等. 乙醇柴油混合燃料的制备工艺和废气

的排放特性. 环境科学, 2003, 24(4) :16

11 M acedo L G. G reenhouse gas emis sions and bi oethanol produc tion and u -tilization i n Brazil. Bi omass and Bioenergy

12 Gros jean D, G rosjean E, M orei ra LFR. Speciated ambient carbonyls in

Rio de J aneiro, Brazil. Environ Sci Technol. 2002; 36:13899513 Knapp KT, Stump FD, Tejada SB. The effect of ethanol fuel on the e -missi ons of vehicles over a wide range of te mperatures. Air Was te Mgmt Ass oc, 1998. 48(7):64653

14 Corre a SM, Martins EM , Arbilla G. Formal dehyde and acetaldehyde in

a hi gh traffic s treet of Rio de Janeiro, Braz il. Atmos Environ 2003; 37:239

15 Marek N, Evanoff, J. The use of ethanol blended diesel fuel in unmod-i

fied, compression i gnition engines:An interi m case study. In:Proceed -ings of the Air and Was te Manage ment Associati on 94th Annual Confer -ence and Exhi bition, O rlando, FL. 2001

能源的有效性

乙醇是含有羟基的含氧燃料, 在燃烧过程中有自供氧效

应, 燃烧较均匀, 局部富氧和局部缺氧的几率减少, 燃烧速度和火焰传播速度较高, 从而使燃烧的定容性较好, 燃烧持续期较短, 燃烧热效率高。然而乙醇的热值较低, 混合燃料的燃料消耗率较高, 该不足可通过改变工况条件得以改善。

在生命周期评价期间, 乙醇的净能量价值(NE V ) 等于它的燃料能量减去在它生产和运输过程中所消耗的能量。由于在生命周期评价期间选择的评价模型不同造成结论不尽相同, 这就要求对模型进行规范。此外通过改变乙醇的生产原料和生产过程也会改变它的净能量价值, 例如使用植物纤维和废弃物纤维作原料, 优化生产条件和工艺过程等, 都会减少生产过程中的能量消耗, 通过建立中转站和路线优化也可以减少运输过程中的能量消耗。总之随着技术的进步, 乙醇燃料的有效性也会逐渐得到提高。4

能源的可持续性

乙醇是一种可以通过发酵糖来生产的可再生能源, 它的

使用可减少对不可再生的化石燃料的依赖, 缓解能源危机, 有利于人类的可持续发展。

现在利用粮食来生产燃料乙醇的技术已经成熟, 而且这也是燃料乙醇生产的主要手段。然而随着人口的剧增, 粮食的短缺, 该生产会受到土地、原料等方面的限制, 从而进一步提高了乙醇的成本, 使得该行业难于创收, 反而成为国家的补贴对象。另一方面如果通过加大粮食的生产来解决原料的问题那么会相应地减少其他种类植物的种植, 从而影响到生物的多样性。

为了解决这些问题, 使乙醇燃料生产可持续地进行下去, 可以从寻找更加丰富而廉价的原料上着手。据资料表明[18], 植物每年通过光合作用能产生高达15. 5@1010t 纤维素类物质, 其中纤维素、半纤维素的总量为8. 5@1010t 。而每年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2%左右, 有很大一部分未被利用。还有一些废弃物, 包括:¹造纸厂的纤维渣、锯末等; »林业废弃物; ¼城市废弃物, 如废纸、包装纸等。若将它们加以利用, 不仅能降低乙醇成本, 有效利用资源, 还能减轻环境污染, 可谓一举多得。因此现在需要有更多有关利用植物纤维和废弃物纤维生产燃料乙醇的技术研究, 包括原料预处理的方法、适宜菌种的分离筛选、发酵条件的优化和工艺路线的摸索等等, 从而推动燃料乙醇生产的技术革命, 促进燃料经济的可持续发展。5

结论

(1) 燃料乙醇的使用会减少大多数污染物的排放, 但有

些气体的排放有所增加, 应采取必要措施加以控制。不同混合比例的燃料对空气的影响不同, 有待进一步细化研究, 区别对待。

(2) 燃料中添加乙醇增加了对容器腐蚀的风险, 增大了污染物的溶解度, 阻碍污染物的生物降解, 从而增加了土壤和地下水污染的风险, 需要给予重视, 及时规范储藏容器, 提

2006年第32卷第10期 工业安全与环保

October 2006Industrial Safety and Environmental Protection

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鄯善采油厂油田回注水水质劣化原因及对策

林孟雄 陈坤 王兵 钟升 胥锋

(西南石油学院 四川新都610500)

摘 要 鄯善采油厂4000m 3/d 污水处理站于2000年11月投运, 采用/水力旋流+聚结斜管除油+两级精细过滤0的处理方式。注水水质变化表现为来水经净化处理后水质有较大改善, 但从清水罐到注入井段水质又存在变坏的问题, 为此提出鄯善采油厂回注水水质稳定技术研究。通过对处理系统和注水系统全程的水质各个指标的监测, 保证注水水质的稳定。分析了造成水质不稳定的因素, 对水质劣化的机理进行了阐述, 并提出相应的水质稳定措施。 关键词 鄯善采油厂 油田回注水 水质劣化

Analysis on the C auses of Water Quality Deterioration of Oil F ield C irculated Water

of One Oil Extraction F actory and Its C ountermeasures

LIN Meng xiong CHEN Kun WANG Bing ZHONG Sheng X U Feng

(Southwest Pet roleum U nive rsity Xindu, Sic huan 610500)

Abstract 4000m 3/d water disposal plant i n Shans an Oil Extrac tion Factory was completed i n Nov. 2000and the processi ng way was /the water power eddy +agglutination slope tube eli mi nates the oil +two levels fi ne fil ters 0. Pouri ng water quali ty changes show that water qual-i ty has improved greatly when it is purified. But from the clear wateri ng can to the i njecti on interval, water quality goes bad, so water quali ty s tabili ty technol ogy research i s put forward. Through monitoring every inde x of water quality in processing system and pouring system, the s ta -bility of water quality is guaranteed. In this paper, factors contributi ng instability of water quali ty are anal yzed, the mechanis ms of water quali ty de terioration are described and some related measures are raised.

Keywords Shansan Oil Extrac tion Fac tory oil-field circulated water water quality deteriorution

油田注水即利用注水井把水注入油层, 以补充和保持油层压力的措施

[1]

程为:污水接收水罐y 提升泵y 水力旋流器y 聚结斜管除油器y 轻质滤料过滤器y 双滤料过滤器y 污水储罐y 注水泵y 计配站y 注水井。其辅助流程包括:污泥回收, 作业污水回收, 污泥干化, 加药系统, 污油回收等。

设计思路:从油站来污水进入采出水处理站的污水接收罐, 污水在接收罐内进行油、水、渣的自然分离, 去除大部分的浮油和大颗粒的悬浮物。污水接收罐的出水进入污水提升泵, 加压后进入全自动污水除油水力旋流器, 水力旋流器出水进入全自动高效斜管除油器。污水在除油器内进行聚结分离后再经轻质滤料过滤器、双滤料过滤器过滤, 将水中的细小悬浮颗粒除去, 达到回注污水水质标准进入注水系统。同时站内各构筑物分离出来的污泥进入污泥浓缩罐, 待泥水初步分离后, 将罐内上清液排至污水回收池, 底部污泥进入污泥脱水机, 形成泥饼后装车外运。2 目前注水系统存在的主要问题

rial No. 10816

18 汪维云, 朱金华, 吴守一. 纤维素科学及纤维素酶的研究进展. 江

苏理工大学学报, 1998, 19(3) :2027

作者简介:王艳坤, 女, 1982年出生, 西南交通大学环境科学与工程学院在读研究生, 主要从事环境生态方面的研究。

。油田投入开发后, 油层本身能量不断地被

消耗, 致使油层压力不断地下降, 地下原油大量脱气, 粘度增加, 油井产量大大减少, 还可能造成地下残留大量死油, 采不出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空, 保持或提高油层压力, 获得较高的采收率, 必须对油田进行注水。目前各个油田大多巳进入了2次采油的中后期或3次采油的初期, 由于目前3次采油的成本高且效果不显著, 所以注水开发仍然是当前油气开采的主要方式, 而注水开发得好坏直接影响着油田的采出率。在注水开发中注水水质是影响整个油田开发效果的最根本因素, 也影响整个注水污水系统设备管线的运行状态和使用寿命。1

鄯善采油厂油田注水系统流程

油田注水系统流程以鄯善采油厂为例, 它采用/水力旋

流+聚结斜管除油+两级精细过滤0的处理方式。其主要流

16 Argonne Nati onal Laboratory. Gui debook for handli ng, s toring, and dis -pensi ng fuel ethanol. Chicago, IL:U. S. Depart ment of Energy, Ar -gonne National Laboratory; 1995

17 U. S. Government Printing Office. The effecti venes s of leaking under -ground storage tank clean up progra ms heari ng before the s ubcommittee on environment and haz ardous materials. Was hington DC:Committee on

of M (