燃料乙醇应用对环境的影响

28 Industil Satery安全与环保p2006年第32卷第10期 October 2006环境工程燃料乙醇应用对环境的影响王艳坤张建强孟祥明2(1.西南交通大学环境科学与工程学院成都6100312.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 Environment WANG Yan-kun' ZHANG Jian-qiang' MENG Xiang-ming? (1. School of Enxironmental Science and Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031) Abstract As the renewable energy ethanol is used more and more widely. In order to use it effectively the influence of ethanol on environment is explained from several aspects such as effects on air potential effects on soil and underwater effectiveness of energy and the sustainability of energy. Its obvious advantages are expounded and the existed problems and suggestions are put forward saiming at giving 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耗45.4亿L约占汽油总消耗量的1%同年美国政府步增加而作为主要能源的石油则日益匮乏这种能源的供提出到2010年生物燃料在全美能源中所占比重要提高3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倍达到20%的发展目标。与此同时瑞典和法国亦以小麦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等为原料生产燃料乙醇添加到汽油和柴油中应用。欧盟也突出。采取了相关措施促进生物燃料使用,计划到2005年生物燃20世纪30年代巴西首先开始大范围使用乙醇-汽油混料作为交通运输燃料至少占市场份额的2%到2010年末至合燃料在汽油中掺入22%的乙醇或全部代替汽油。1999少占5.75%到2020年生物质乙醇能源在总能源结构中所年巴西乙醇产量达近130亿L除少量出口外其余全部自占比例将提高到8%4加拿大也将这种混合燃料列入本用。20世纪70年代世界石油危机后10%乙醇与无铅汽国的环境保护计划( Ecologo在我国用玉米生产燃料乙油混合的方法引入美国并在中西部各州占领市场。20世纪醇已受到政府和相关部门的高度重视。河南省吉林省和黑80年代乙醇与柴油混合在技术上的可行性得到了证明。龙江省等地已开始建立推广车用乙醇汽油的试点。到1999于是美国开始以玉米生产燃料乙醇并将其应用于混合燃年全球乙醇产量已达330亿其中有58%用作汽车燃料。料。1999年美国乙醇产量达60亿L其中仅运输部门就消可见燃料乙醇作为新的替代能源正得到越来越广泛的2.28012.17012.06e0参考文献1.94e011.3-011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1.72011.61+01社2002.79-841.50+011.38012楚华李爱民李润东等.湍球塔气体流动的数值模拟.中国电1.271.16e+01力200411)75-771.05019.38003王福军,计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用,北京清.26007.1400华大学出版社2004.123-1256.02004.9000作者简介尹连庆,男1959年生,河北衡水人教授主要从事环境3.79002.6700工程理论研究和教学工作。1.5504.34-01图4矢 vectors量)图(收稿日期2006-01-10)29重视其未来的应用前景不可估量。但是在利用这种新能源燃料的燃烧对氮氧化物排放的影响尚存在争议Spreen and的同时也要充分考虑到它对环境的影响,到趋利避害,合Kass et al67的测试表明乙醇-柴油混合燃料使氮氧化物理利用从而最大限度地发挥其燃料优势。的减少从0到4%-5%不等。美国的监测数据证明了E10与1对空气的影响臭氧浓度增加有关。胡志远等91在乙醇-汽油混合燃料的任何燃料燃烧在释放能量的同时都不可避免地向空气周期评价中得出除E1外其他浓度的混合燃料所产生的氮中排入副产物,乙醇也不例外,但不同燃料燃烧产生副产物氧化物均高于纯汽油。张润铎等的试验表明乙醇柴油混的种类、数量和浓度各不相同因此对空气质量的影响程度合燃料较纯柴油燃烧排放的氮氧化物有明显的增加。但氮自然也不同。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1.1对颗粒物、一氧化碳和烃类物质排放的影响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燃料燃烧过程中颗粒物(PM)一氧化碳(CO)和烃类物明显。质(CH)的产生主要是由于燃料不完全燃烧而引起的,乙醇1.6对其他有害气体排放的影响作为一种含氧有机燃料它的掺入会促进混合燃料的燃烧,其他一些气体的排放有的也会给空气造成污染,例如减少由于燃烧不充分而引起的污染物排放。这一理论在很SO2会引发硫酸烟雾乙烯醛类的臭氧活性较高易造成地多试验中得到了证明Spreen and Kass et al.7的测试表明面臭氧和光化学烟雾等。 Marek and Evanof发现在柴油中10%和15%的乙醇-柴油混合燃料分别使PM减少20%添加乙醇减少了硫的含量,有效地减少了SO2的排放量。还27%和30%-41%汤晓东的试验表明与汽油相比,乙醇有资料报道E10减少了13丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等的排汽油混合燃料的汽车尾气中C、CH的排放量分别下降放增加了甲醇、乙烯、丙酮、甲醛、丙烯醛等的排放30.8%和13.4%湖志远等在乙醇-汽油混合燃料的周期总之,乙醇混合燃料对PM、CO、NO、SO2、CO2、烃类、苯、评价中得出E10(在汽油中掺入10%体积的乙醇)替代汽油甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛、甲醇、乙醇乙烯、1丁二烯、丙可使PM、CO和CH的排放量分别下降44%、2%和15%;中酮等的排放都有不同程度的影响其中大多是积极的也有科院的张润铎等10通过试验证明乙醇-柴油混合燃料替代部分是消极的针对那些排放量增大的气体,可通过改进机纯柴油可使PM、CO和CH的排放量均有不同程度的降低。车结构添加助溶剂使用接触反应转炉改建气体排放控制1.2对温室气体(GHG排放的影响系统等措施加以控制以辅助乙醇混合燃料的使用。生产乙醇的过程很少使用外部化石燃料主要是由生物此外笔者通过对比发现针对同一物质的排放,不同的质提供所需的热能和92%的电能,乙醇的燃烧过程也只是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释放在植物生长过程中储存在植物体内的O2,另外燃料的数据受到各种因素影响如机车燃料的测定技术、各种控制C/H越大释放单位热量的CO2就越多在燃料中掺入一定技术、测试程序、测试条件以及模型的差异等所以建议建量的乙醇可减少C/H也就可以降低CO2的排放量,从而减立严格统一的空气质量模型规范测试技术以确保得到更缓全球变暖。胡志远等在乙醇-汽油混合燃料的周期评可靠的排放数据。另一方面乙醇的添加比例不同对产物价中得出,E10替代汽油可使CO2的排放量下降7%。一些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预测表明生产和使用1L乙醇来代替汽油可减少0.54-细化也就是要针对不同乙醇比例的燃料进行测试对不同0.57kgCO2的排放即汽油燃烧时CO2排放量的90%燃料给予准确的评价为燃料选择提供更详尽可靠的依据。1.3对乙醇排放的影响2对土壤和地下水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在汽油中添加乙醇不仅增大了挥发性也增加了对金属较大的渗透率。这就导致大量乙醇因挥发或渗透而进入空和聚合物的渗透率。乙醇汽油在接触水以后就会发生相气同时也相应增大了其他气体的排放不仅造成损失也污态分离,乙醇进入水相增大了燃料的体积从而增加对地下染了空气。巴西是唯一大范围应用乙醇燃料的国家,大约钢铁储藏罐的腐蚀增加泄漏到周围土壤的风险。在美国中70%-75%的机车使用E20-E2515%-20%的机车使用纯乙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醇其余的使用柴油2001年巴西圣保罗市的空气中乙醇浓应用铝、锌、锡、铅焊接装置或者黄铜装置来储存。一些非金度是洛杉矶的23-78倍12属的材料暴露在乙醇含量高的条件下也会降解如天然橡1.4对乙醛排放的影响胶聚亚胺酯、软木垫圈、皮革、粘合聚酯纤维丝、聚氯乙烯、聚乙醛是一种危险化合物很可能具致癌性,也是聚丙酰胺、甲基丙烯酸塑料等16烯腈(PAN)的前体是带有剧烈毒性的呼吸刺激物是众所泄漏的乙醇会增大粘土的渗透性,一旦与地下水或地表周知的植物毒素。 Knapp等131发现E10的燃烧使乙醛的排水接触将增加汽油中有害物质的溶解性。在周围环境中乙放量变为原来的100%-200%,有时甚至达到700%。据报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醇的降解,从而抑制汽油污染物尤其是二甲苯(TEX)的生于世界上任何一个城市这种潜在的危害应引起关注。物降解影响自然界的自我修复能力增加周围环境的负荷。30除只留下70万17。可见储藏罐的严格标准和燃料系统的防渗漏问题。说明以及监测要求都急需引入。(3)在燃料中添加乙醇会提高燃料的燃烧热效率。在生3能源的有效性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乙醇是含有羟基的含氧燃料在燃烧过程中有自供氧效生变化能源的有效性也会不断提高应该不断进行试验找应燃烧较均匀局部富氧和局部缺氧的几率减少燃烧速度到最佳工艺路线以最大效率发挥乙醇燃料的燃烧热效率和火焰传播速度较高,从而使燃烧的定容性较好,燃烧持续(4)燃料乙醇的使用可减少对化石燃料的依赖,有利于期较短燃烧热效率高。然而乙醇的热值较低混合燃料的人类的可持续发展,其生产使用的可持续性可通过寻找丰富燃料消耗率较高该不足可通过改变工况条件得以改善。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在生命周期评价期间乙醇的净能量价值(NEV)等于它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的燃料能量减去在它生产和运输过程中所消耗的能量。由研究。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总之乙醇作为一种新型替代燃料具有环境污染小、燃相同这就要求对模型进行规范此外通过改变乙醇的生产烧效率高、可再生性强等优势,相信通过不断研究,趋利避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害一定具有更广阔的利用空间和更大的环境经济价值。维和废弃物纤维作原料优化生产条件和工艺过程等都会参考文献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1 Rosillo-Calle Fand Heatford. Alternatives to petroleum fuels for可以减少运输过程中的能量消耗。总之随着技术的进步,乙 transport Brazilian experience. Sci Public policy ,1987,14337-345醇燃料的有效性也会逐渐得到提高。2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4能源的可持续性展酿酒20053x2):13-16乙醇是一种可以通过发酵糖来生产的可再生能源它的3 Wang Saricks Santini Effects of Fuel Ethanol use on Fuel- Cyele Energy and Greenhouse Gas Emissions. Argonne National使用可减少对不可再生的化石燃料的依赖,缓解能源危机, Laboratory Argonne,..1999有利于人类的可持续发展。 4 Alan C Hansen ,Qin Zhang Peter W L Lyne. Ethanol-diesel fuel blends现在利用粮食来生产燃料乙醇的技术已经成熟而且这 -a review. Bioresource Technology 2005 96 277-285也是燃料乙醇生产的主要手段。然而随着人口的剧增粮食5 Sheldldon Duff William Murray Boconversion of forest的短缺,该生产会受到土地、原料等方面的限制从而进一步 productsiindustry waste ecellulosics to fuel ethanol. a review. BIOreSIE"提高了乙醇的成本使得该行业难于创收反而成为国家的 Technology ,99655133补贴对象。另一方面如果通过加大粮食的生产来解决原料6 Spreen,k, Evaluation of oxygenated diesel fuels Final report for Pure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 Energy Corporation prepared at Southwest Research Institute,San生物的多样性。 Antonio,TX.1999为了解决这些问题使乙醇燃料生产可持续地进行下7 Kass MD, Thomas, Storey Met al Emissions from5 59. liter去可以从寻找更加丰富而廉价的原料上着手据资料表 diesel engine fueled with ethanol diesel blends. SAE Technical Paper明8】植物每年通过光合作用能产生高达15.5×100纤维2001-01-2018(SP-1632)素类物质其中纤维素、半纤维素的总量为8.5×10t而每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,200521(2)32-37年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2%左右有很大一部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分未被利用。还有一些废弃物,包括①造纸厂的纤维渣、锯内燃机学报200321(5)21-8末等林业废弃物④城市废弃物如废纸、包装纸等。若10张润贺泓张长斌等.乙醇柴油混合燃料的制备工艺和废气将它们加以利用不仅能降低乙醇成本有效利用资源还能的排放特性环境科学20032(4):1-6减轻环境污染可谓一举多得。因此现在需要有更多有关利 Macedo L G. Greenhouse gas emissions and bioethanol production and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 utilization in Brazil. Biomass and Bioenergy料预处理的方法、适宜菌种的分离筛选、发酵条件的优化和12 Grosjean, Grosjean Moreira LFR. Speciated ambient carbonyls in工艺路线的摸索等等,从而推动燃料乙醇生产的技术革命,R de Janeiro, Brazil. Environ Sci Technol. 2002 36:1389-95促进燃料经济的可持续发展。 13 Knapp KT Stump FD, Tejada SB. The effect of ethanol fuel on the5结论 emissions of vehicles over a wide range of temperatures. Air Waste Mgn(1)燃料乙醇的使用会减少大多数污染物的排放,但有 Assoc ,1998.487)646-53 14 Correa SM Martins EM, Arbilla G. Formaldehyde and acetaldehyde i些气体的排放有所增加应采取必要措施加以控制。不同混 a high traffic street of Rio de Janeiro Brazil. Atmos Environ 2003 37合比例的燃料对空气的影响不同,有待进一步细化研究区23-9别对待。 15 Marek, Evanoff J. The use of ethanol blended diesel fuel in(2)燃料中添加乙醇增加了对容器腐蚀的风险,增大了 unmodified, compression ignition engines An interim case study.in:污染物的溶解度阻碍污染物的生物降解从而增加了土壤 dings the Air and Waste Manacement dsociation4th nmual2006年第32卷第10期 October 2006工业安全与玩 mental Protection Industrial Safety and Envi31鄯善采油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4000m3/d污水处理站于2000年1月投运采用水力旋流+聚结斜管除油+两级精细过滤”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 Causes of Water Quality Deterioration of Oil Field Circulated Water of One Oil Extraction Factory and Its Countermeasures LIN Meng-xiong CHEN Kun WANG Bing ZHONG Sheng XU Feng Southwest Petroleum University Xindu ,Sichuan 610500) Abstract 4 000 m'/ water disposal plant in Shansan Oil Extraction Factory was completed in Nov. 2000 and the processing way was" the water power eddy+ agglutination slope tube eliminates the oil+ two levels fine filters Pouring water quality changes show that water quality has improved greatly when it is purified. But from the clear watering ean to the injection interval water quality goes bad so water quality stability technology research is put forward. Through monitoring every index of water quality in processing system and pouring system the stability of water quality is guaranteed. In this paper factors contributing instability of water quality are analyzed the mechanisms of water quality deterioration are described and some related measures are raised. Keywords Shansan Oil Extraction Factory oil- field cireulated water water quality deteriorutic油田注水即利用注水井把水注入油层以补充和保持油程为污水接收水罐→提升泵→水力旋流器→聚结斜管除油层压力的措施。油田投入开发后油层本身能量不断地被器→轻质滤料过滤器→双滤料过滤器污水储罐→注水泵消耗致使油层压力不断地下降地下原油大量脱气粘度增→计配站→注水井其辅助流程包括污泥回收作业污水加油井产量大大减少还可能造成地下残留大量死油采不回收污泥干化加药系统污油回收等。出来。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空保持或提高设计思路从油站来污水进入采出水处理站的污水接收油层压力,获得较高的采收率,必须对油田进行注水。目前罐污水在接收罐内进行油、水、渣的自然分离去除大部分各个油田大多已进入了2次采油的中后期或3次采油的初的浮油和大颗粒的悬浮物。污水接收罐的出水进入污水提期由于目前3次采油的成本高且效果不显著所以注水开升泵加压后进入全自动污水除油水力旋流器水力旋流器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出水进入全自动高效斜管除油器。污水在除油器内进行聚影响着油田的采出率。在注水开发中注水水质是影响整个结分离后再经轻质滤料过滤器、双滤料过滤器过滤将水中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的细小悬浮颗粒除去达到回注污水水质标准进入注水系管线的运行状态和使用寿命。统。同时站内各构筑物分离出来的污泥进入污泥浓缩罐待1鄯善采油厂油田注水系统流程泥水初步分离后将罐内上清液排至污水回收池,底部污泥油田注水系统流程以鄯善采油厂为例它采用水力旋进入污泥脱水机形成泥饼后装车外运。流+聚结斜管除油+两级精细过滤的处理方式。其主要流2目前注水系统存在的主要问题 16 Argonne National Laboratory. Guidebook for handling storing and 2003. March 5, Serial No. 108-16 dispensing fuel ethanol Chicago Department of Energy18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 Argonne National Laboratory 1995苏理工大学学报199810(3)20-2717.. Government Printing Office The effectiveness of leaking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 underground storage tank clean up programs hearing before the学院在读研究生主要从事环境生态方面的研究。