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油品替代战略的综合分析

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2022/11/30

石油化工检测

石油替代战略的综合分析

摘要：国际上石油替代问题于20世纪后期即已提出，当时仅侧重于推广应用乙醇汽油，此后又进一步推出生物柴油。以往，中国关于石油替代的论述往往局限于个别品种，范围较窄，全面论述者并不多见。对此，立足于中长期目标，结合各国国情，试图就石油替代中所用运输燃料或能源的不同品种和类型、相应运输车辆的驱动机械类型进行剖析，并从技术经济和碳排放分析入手，以发展意义角度进行讨论。

关　键　词：石油替代；运输燃料；驱动机械；运输车辆；战略分析

引言：

世界各国发展经济过程中交通运输行业首当其冲，促进了石油消费的持续增长。自20世纪后期，有些学者提出石油产能将出现“峰值”，预测供不应求的局面随之而来，将成为能源危机的一种表现。为了应对这一局面，乙醇、甲醇汽油和生物柴油相继问世，其后又发展了新型煤化工技术，尤其以煤制油和煤制烯烃技术实现产业化为标志。目前，天然气成功替代了部分汽油和柴油，多项生物质替代石油的途径正在被研究和开发，逐渐形成了多条途径通向替代石油基运输燃料的局面。另一方面，石油基运输燃料的碳排放数量仅仅逊于煤基燃料，只有通过合理替代才能实现低碳化。然而，石油替代尚处于早期阶段，不少途径是否能发展成康庄大道还待实践，对于当前综合地进行论述和评价的文章十分罕见。因此试图收集国内外最新资料，鉴于自己的水平程度，尝试结合中国国情对石油替代问题作一综合论述。由于数据来源、文章篇幅和水平所限，对此作于简要的分析以及概述。首先，概括介绍石油替代的基本概念。石油加工产品主要应用于交通运输燃料（包括道路运输、农业和其它行业的动力设备、内河水路交通运输和海洋运输、航空客货运输等）、润滑油料、沥青产品以及石油化工基本原料和衍生化学品。前者在应用中燃烧，大部分以CO₂的方式排入大气；后者大部分属于耐用品和易耗品，最终被降解或作为垃圾处理。上述石油产品均可用非石油燃料生产。半个多世纪前，曾使用煤气或天然气作为汽车燃料，用煤化工途径生产现在的石油化工产品。当然这并非简单的重复，而是螺旋式上升，技术水平已经明显提高。使用煤、天然气或其它非石油一次能源生产类似石油烃或其它有机物，仍然作为内燃机燃料驱动汽车属于石油替代的一类，使用电力驱动汽车的是另一类石油替代。随着非常规石油的开发并形成规模生产，弥补了常规石油的紧缺。但它们仍然是通过常规炼油工艺加工为常规石油产品，因此不类属石油替代，属于石油补充的范畴^【1】。

图１形象化地表达了石油替代的路径网络和内容。第一列有４种一级能源，可转化为第二列４种燃料或次级能源（电能、氢能），或化合物燃料（烃燃料或醇醚酯等含氧碳基燃料）；第二列燃料或动力可作为能源，提供第三列动力机械或发电、蓄电设备，还可驱动第四列的４类汽车（内燃机汽车、混合动力或插电式混合动力汽车、燃料电池汽车以及纯电动汽车）。笔者将分别论述和探讨 ① 石油资源和供应；②烃类运输燃料替代；③内燃机的燃料经济；④混合动力汽车；⑤天然气驱动汽车；⑥储电式电能驱动汽车———纯电动汽车；⑦自发电（氢能）驱动汽车———燃料电池汽车等７个问题。

如下图：图1

图1石油替代网络图

１　石油资源和供应

１．１　石油资源

20世纪70年代，随着石油消费的迅速增长，欧美等资本经济体制国家开始掌握自身的经济命脉，廉价石油时代宣告终结。此后，虽然有新的石油资源发现，但剩余储量渐趋平稳，很多大油田的剩余可采储量越过了以 Campbell为代表的部分学者提出的世界石油总体接近“峰值”的预测。

当前世界经济最令人忧虑的情况之一，是石油价格的持续猛涨。纽约原油价格在今年7月初为每桶38美元，10月初就冲破50美元大关，与三个月和一年前相比，涨幅分别为三分之一与一倍，达到了21年来的最高峰。

美国摩根斯坦利公司原来预计油价要到今年底才越过50美元，结果却提前一个季度到来。这种涨势看来还会继续。据美国能源市场经济学家弗勒格估计，原油价格明年可能达到60美元一桶，后年更可能攀升到80美元一桶。

油价猛涨必然影响到世界经济发展。全球经济增长一个百分点，每天油耗要增加50万桶，而每桶原油价格上涨10个美元，通货膨胀率就会升高半个百分点。油价上涨会促使企业的生产与销售增加成本，紧缩开支，减少员工，增加失业，从而严重影响世界经济发展。现在已经有人担心，油价飙升会使上个世纪70年代初世界石油危机与西方经济衰退的情况卷土重来。

２　供应

我国石油资源集中分布在渤海湾、松辽、塔里木、鄂尔多斯、准噶尔、珠江口、柴达木和东海陆架八大盆地，其可采资源量17.2亿吨，占全国的81.13%；天然气资源集中分布在塔里木、四川、鄂尔多斯、东海陆架、柴达木、松辽、莺歌海、琼东南和渤海湾九大盆地，其可采资源量18.4万亿立方米，占全国的83.64%。

2 烃类等运输燃料替代

2.1 多种燃料或能源替代技术

长期以来，内燃机一直使用汽油、柴油等石油烃燃料；近年来，除了以气态或液态天然气作为内燃机燃料外，进一步开发了以煤炭和生物质为原料生产的多种烃产品或含氧烃化合物，它们均可作为内燃机燃料，主要有以下５类。

（１）煤制油（直接液化、间接液化）生成的烃。

（２）天然气部分氧化得到合成气，再经Ｆ－Ｔ（费托）合成生成的烃。

（３）生物质经不同途径生成的烃。一个工艺路径为生物质快速热分解得到生物原油，生物原油进一步加工得到烃产品；另一个路径为生物质气化得到合成气，再经Ｆ－Ｔ合成生产烃产品。

（４）生物油脂或类脂质加氢转化生成烃。

（５）煤炭或生物质生产的醇醚酯产品。包括①生物质发酵制乙醇、丁醇；②煤或天然气制甲醇、二甲醚；③生物油脂酯交换制生物柴油等^[2]。

２．２　煤制油替代

煤制油工艺，包括直接液化和间接液化工艺已经产业化，中国在该领域的技术水平已居世界前列。当煤价低于400RMB/t、原油价高于100USD/bbl时(1磅=0.00045359237吨 )，煤制油会显现出较好的经济效益。直接液化工艺对煤质的要求苛刻，而且所生产出的柴油质量比较差；间接液化工艺所生产的柴油十六烷值高，达到７０以上。这两个工艺可以互补。两种煤液化工艺技术均能产喷气燃料，间接液化工艺可产高质量的润滑油、石蜡和液蜡产品，但直接液化工艺则不行。需要指出的是，煤液化排放CO₂多，并且新鲜水消耗量大。这些问题有待研究解决。

２．３　天然气替代

天然气部分氧化得到合成气，再经Ｆ－Ｔ合成生成烃的技术适用于天然气资源丰富的地区。我国只能在个别地区小规模应用。天然气直接应用的前景看好，但取决于其与汽油的油差价。压缩天然气（CNG）比较适用于城市出租汽车；液化天然气（LNG）则比较适用于城市公交汽车和长途货运汽车，后者应设法解决大面积供应的问题。

２．４　生物质制烃

生物质转化制烃是当前研发的热点。美国能源部做了不少前期工作，期望生物质快速热分解及生物原油加氢能够与已有炼油厂相结合，计划５年内建成示范工厂。生物质气化经Ｆ－Ｔ合成途径生产油品，由于气化和净化过程难题较多，一般不被看好。但美国空军研究部门提出的将煤和生物质“共气化”的途径，可在一定条件下应用，以解决仅仅用煤炭为原料经过气化和Ｆ－Ｔ合成生产喷气燃料CO₂排放量较大的问题。生物油脂经酯交换工艺生产的第一代生物柴油，在质量方面存在安定性差、掺合比小，在成本上存在原料价位高，在供应上存在渠道不畅（大企业出资，与种植农户经济联系差）等问题。虽然酯交换技术不断改进，但根本问题难以解决。用生物油脂或类脂类物质加氢转化生产生物柴油被称为第二代生物柴油技术，产品质量远优于酯交换法生产的第一代生物柴油。作者认为，第一代生物柴油迟早将让位给第二代。近年来，美国能源部另起炉灶，大力研究开发20年前曾经做过的微藻炼油技术，将其作为替代石油基运输燃料的另一支柱。两项微藻制油研发工作均取得了进展。一项工艺需将含大量水的微藻首先浓缩到固含量大于20％，然后经高压水分解，油、水两相提取物分别经加氢处理得到烃产品；另一项工艺是将浓缩的微藻经溶剂萃取，萃取物加氢处理得到烃产品。两项微藻制油工艺可望将烃产品的成本先降低到5 USD/gal（1gal＝3.785L），然后进一步降到具有市场竞争力的3USD/gal。总之，生物质制烃途径优于其它途径。但多数需要氢源对产品进行处理，故需要与炼油厂结合；另一个要求是必须达到一定规模的工厂，这又反过来受生物质供应量的制约。

２．５　生物质制醇

用粮食作原料经过发酵制乙醇、丁醇的技术已经成熟，美国和巴西分别用玉米和甘蔗为原料大规模生产乙醇替代了大量汽油。中国出于不与民争粮、不与农民争地的国情，重点是运用农业生产剩余且年达几亿吨的秸秆做原料。已经证明，目前正在示范的以甜高粱和木薯做原料生产醇类替代燃料可行，但存在制约因素。纤维素发酵制乙醇技术在国内外研究开发已十余年，成本逐渐下降，可望十年后不高于粮食乙醇（无补贴）。当前的技术难题是降低纤维素，尤其是半纤维素转化酶的糖化效率和成本。管理上存在的问题是，在收获季节快速有效收集和储存秸秆，消除私燃秸秆事件。要对已有的秸秆发电厂进行整顿和关闭，逐步将秸秆原料让位给纤维素制乙醇工业。丁醇燃料虽然在性能上优于乙醇燃料，但产率偏低，使用纤维素原料尚不成熟；同时，加油站管理难度大，推广前景难料。

２．６　煤或天然气制醇醚

煤或天然气制甲醇、二甲醚是成熟技术，制甲醇已形成大规模产业。甲醇替代汽油早已通过国内外实践，低掺合比的甲醇汽油在国内几省已经推广应用，高掺合比的甲醇汽油需改造发动机，也开始试用。存在的问题是需设置专门的加油站加甲醇燃料，如在一般加油站加甲醇燃料，与千家万户接触，易造成毒害事故和环境污染，因此大规模应用仍然存在争议。笔者认为全国甲醇替代汽油的比例可能低于５％。二甲醚替代柴油曾风靡一时，但用于城市公交车辆不如CNG，核心问题是储存效率和性价比。用于替代民用液化石油气也有类似问题。

3 内燃机的燃料经济

3.1 燃油经济

目前绝大部分汽车是用内燃机驱动，进一步可划分为汽油发动机和柴油发动机。油耗是发动机性能的主要标志，在一定条件下汽车每行驶100km的油耗（L），或反过来每升油耗行驶的公里数定义为燃油经济FE(Fuel economy)。随着技术进步，国家公布每年的燃油经济指标，旨在推动节约能源并减少碳排放。预测中长期的FE指标取决于今后燃油供应、环境要求和政府政策构成的各种情景，它将影响石油基运输燃料的替代程度^[3]。

3.2 公路运输燃油经济

今后，随着国民经济的发展，公路货运数量将大幅度增长，公路运输中重型卡车比重较大，柴油消耗增多，大吨位卡车的燃油经济是节能的重点。根据国外经验，5轴40t的重型卡车空载时油耗为0.20kg/km，满载时油耗为0.32kg/km；挂车牵引较灵活而且省油，32t挂车FE为2.9km/L，38t挂车FE为2.6km/L。《将来的运输能源》的另一篇系列文章中预测的低碳情景美国中型和重型卡车的燃油经济数据列于表3，可见重型车改进的效果好于中型车。该文提到2050年对比2010年的重型卡车降低燃油经济指标为25％～50％，其中内燃机改进15％～20％，传动系统改进4％～7％，混合动力系统改进5％～10％，其余改进合计18％～35％（以上分项改进效果不能加成合计）^[4]。

4 混合动力汽车的发展

4.1 混合动力汽车

混合动力汽车（HEV）在２０世纪后期已经开发成功并投入批量生产，由于价格较高，市场占有率低。近年来，随着油价上升，销售形势有所好转。一辆车中内燃机和电动机两种动力并存称为混合动力车。单纯混合动力汽车中，电动机只提供辅助动力，靠汽车刹车或下坡时回收能量，储存于蓄电池备用，不需外来电力；根据行车条件（城市或高速公路），比单一内燃机驱动大约节省燃油10％～20％。插电式混合动力汽车（PHEV）的电动机功率较大，需外来电力定期向蓄电池充电。PHEV 又分为两种，一种是串联式，内燃机只用于发电，然后驱动电机，又称为“增程式插电混合动力汽车；另一种是并联式，内燃机和电机都能驱动车轮，又称“调合式插电混合动力汽车”。PHEV比单一内燃机驱动可节省燃油30％～50％，价格也相应增加。从碳减排的角度，插电式混合动力汽车当电网中清洁电力比率高时效果好，当电网中煤电（在无CO₂捕集和封存(CCS,Carbon capture and sequestration)电力比率高时则效果差，从发展趋势判断PHEV的市场占有率将逐渐上升。

HEV和PHEV的优点是节省石油，噪音小，瞬间力矩响应快。其减少碳排放的数量取决于外来电力的燃料来源，经济效益则根据购置费用、政府补贴、电力驱动里程、燃油费用和使用时间而定，一般在5年内回收增加的购置费是可能的。缺点是充电麻烦，而且时间长。

4.1 插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Vehicle，简称PHV）是一种新型的混合动力电动汽车。区别于传统汽油动力与电驱动结合的混合动力，插电式混合动力驱动原理、驱动单元都与电动车无异，之所以称其为混合动力，是这类车上装备有一台为电池充电的发动机。在日常使用过程中，它又可以当作一台纯电动车来使用，只要单次使用不超过电池可提供的续航里程（一般做到50公里以上问题不大），它就可以做到零排放和零油耗。

插电式混合动力汽车采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。当司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，或者单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。比如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，可以单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。^[2]

5 天然气汽车（ＮＧＶ和ＬＮＧＶ）的发展

5.1 压缩天然气汽车

天然气可作为替代石油的内燃机燃料，利用方式有压缩气态（ＣＮＧ）和冷冻液态（ＬＮＧ）两种。压缩天然气汽车是以压缩天然气（简称CNG）作汽车燃料的车辆，对在用车来讲，将定型汽油车改装，在保留原车供油系统的情况下，增加一套专用压缩天然气装置，形成压缩天然气汽车，燃料的转换仅需拨动开关。加充一次天然气可行驶200公里左右，特别适合公共汽车、市内的士、往返里程不超过200公里的中巴车以及单位其它车辆。

天然气燃点高达650度以上，不易点燃；密度低为0.48，很难形成遇火燃烧浓度；辛烷值高达130抗爆性能好，爆炸极限仅为5-15%，因而与汽油相比更为安全。车用贮气瓶都经火烧、爆炸、坠落、枪击等测试合格后使用。中外发展天然气汽车60年来，从未出现过因天然气爆炸、燃烧而导致车辆事故的事例。　　

5.2 液化天然气汽车

液化天然气即为液态的天然气 (Liquefied Natural Gas)。天然气经过除液、除酸、干燥、分馏和低温冷凝处理，使天然气在超低温（-162°C）常压状态下液化，成为液化天然气。被液化后，液化天然气是气体形态的600份之一，便于长距离运输和大量储存。

LNGV用于短途公交客车经过３处使用，每处１０辆，效果不如柴油车，其燃料消耗大，操作费用高，有利点是颗粒排放少，但ＮＯｘ排放严重超标，与柴油车不相上下。２０１２年，中国国内已经将 LNGV 纳入鼓励范围，近两年内增长迅猛。LNG 和柴油的价格比在．６０～０．６５之间的地区容易推广，个别价格比高达０．８０以上的地区，如华南，推广受阻。２０１４年６月底，国内LNG项目总产能达３．６万ｔ／ｄ，加上进口的资源，总的供应能力接近１亿ｍ３／ｄ（含建设中项目）。河南省某物流企业已拥有LNG加气站７座，ＬCNG货车３５０台，客车１１９台。中国石油集团规划在河南省高速公路网建设１２６座加气站，在国道和省道网建设１２２座加气站。山东省某企业提出将LNG推广到全省。今后 LNG加气站网络在国内的形成有赖于CNG网络的发展。可在１５０ｋｍ范围内建设一片加注站，据此以估计使用LNG替代柴油的规模^[5]。

6 纯电动汽车的发展

6.1 纯电动汽车的优缺点

取消混合动力汽车所组合的内燃机及其驱动系统就简化为单纯的电动汽车。结构简化并不意味着技术进步，因为纯电动汽车只能用蓄电池储存的能量行驶，依靠蓄电池的能量密度决定行驶里程，依靠蓄电池的功率密度决定启动功率。还要按照蓄电池的寿命决定电池的更换。早期的纯电动汽车使用铅酸蓄电池，适合于活动范围很小的载客或运货。改用镍镉电池或锂离子电池，可将行驶里程延长到百公里级，但一般仍限于城市内的客货运输。当公路上的充电站普及之后，活动范围可扩大到半径３００ｋｍ。概括来说，推广应用纯电动汽车的主要障碍是短距离和电池的更换。燃料费用的节省可能抵不上购置维修费的增加，好处是以清洁电力替代油品并减少碳排放，煤电为主的地区则是以发电厂的高空排放替代道路上的汽车尾气污染性排放。将纯电动汽车和混合动力汽车、燃料电池汽车合称新能源汽车，予以大力开发、推广应用，具有深远的意义。发达国家多年来纯电动汽车发展也举步维艰。

7 燃料电池汽车的发展

7.1 燃料电池汽车发展历程

燃料电池汽车的研制起步很早，示范汽车曾经用７天时间从美国西海岸行驶到东海岸。但是一系列技术经济难题使产业化步伐十分缓慢。从改善城市环境角度，发达国家首先采用燃料电池汽车确有必要。在2003年，美国政府即令能源部把氢能和燃料电池汽车列为重大攻关项目，资助大批研发与示范课题，组织很多科研院校攻关；每年召开汇报和评估会议，投入不少资金和精力，成果突出。但因难度极大，原定目标值迄今仍未实现。在氢能领域，廉价氢的生产（分散或集中）、储存和运输、向汽车加入氢的加氢站的一整套方案均属重大课题。车载高压储氢瓶的研制和价位问题突出。如果采用车上制氢原料（甲醇、石脑油或其它在车上能分解产氢的化合物），就需要微型车载制氢设备。研制成功后因该设备启动时间长而被否决。氢的出厂价格目标值是２ＵＳＤ／ｋｇ，加氢站氢价格目标值是３ＵＳＤ／ｋｇ^[6]。在燃料电池领域，单个电池和电池组的研发涉及众多课题，其中包括，铂电极材料性能优异，但用量大则成本高，存在供应条件和废料回收问题；低铂化又影响性能和寿命，铂合金需筛选；隔膜材料选择问题；电池组有空气管理、加湿管理和系统集成等问题。燃料电池组的价格（ＵＳＤ／（ｋＷｈ））应比照汽油内燃机的价位。此外还有安全、科普宣传、社会教育等问题，兹不多述。

8 小　结

对石油资源、替代燃料和替代能源、动力机械的类型和效率以及相应的车辆分别作了扼要介绍，初步形成了石油基运输燃料的网络描述。人们在改善交通运输、提高生活质量并改善生活环境的过程中，通过多年来的持续创新活动和今后几十年的努力，将能逐渐适应经济增长和环境保护的双重目标。当然，这样的任务非常艰巨，科学家、企业家和高层决策者要勇于担当。

参考文献：

[1] 李大东，张宝吉．石油资源的高效利用[J]．世界石油工业，2008,15（5）：38-45.

[2] 司云航，朱玉琴，邹榕梅，等.我国车用柴油标准现状及发展趋势［J］.石油与天然气化工，2014,43(1):82-86.

[3] 李志光. 煤制油技术发展综述[J]. 中国高新技术企业. 2008(23)

[4] 孙杨.基于LMDI方法的交通运输能源消耗研究[J].能源消耗,2014,11(2).

[5] 文代志,陆军.液化天然气(LNG)汽车综述[J]. 装备制造技术. 2012(07)

[6] 马玥.燃料电池汽车发展的研究与分析[J]. 上海汽车. 2006(06)

附件：

油品替代战略的综合分析.doc
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