2007年06月09日 星期六 10:41
一、概述 液化天然气LNG是天然气在常压下冷却至-162℃后液化形成,在此过程中已除去硫、汞等杂质,是非常清洁的无透明液体燃料,液化后其体积缩小625倍,运输及贮存方便,燃烧时产生的污染比燃用其它燃料少得多,而且节省燃油费50%以上,由于发动机“烧损”的机油少,汽缸不积碳,减少了发动机磨损,从而节约了维修费用,因此液化天然气车将对车主具有较大的吸引力. 以天然气代替汽油和柴油作为汽车燃料,可降低尾气污染物的排放,是解决城市大气污染的有效措施.LNG汽车技术在20世纪80年代,美国、加拿大、德国和法国等国开始研究,上世纪90年代初技术已趋成熟,并开始小规模推广,美国着名的Mack公司与Waste Management Inc.公司联合,成功地生产液化天然气发动机已逾20年,美国通用公司也准备批量生产配备ECOTEC发动机带有增压器的新型EVI液化天然气汽车. 目前,美国许多加油站已经能给汽车加注液化天然气,这些液化天然气是由专门的槽车从液化天然气厂家运过来的,在美国西南部的亚利桑那州、加利福尼亚州、科罗拉多州、得克萨斯州、宾夕法尼亚州已经建立了非常广泛的加气网站. 美国还有为数众多的公司专门生产与车用液化天然气相关的燃气部件及低温设备,如Kaiser Brencar公司生产容积为70～500L、压力为的低温储存罐和能保证一次加气后行驶450km的液化天然气燃料供给系统,已经有1500多辆汽车安装了该公司的产品. 欧洲的梅赛德斯－奔驰公司、曼公司、Messer公司、宝马公司以及其它一些公司也生产液化天然气汽车,其中德国迪梅赛德斯－奔驰公司和Messer公司开发了液化天然气垃圾清运车,该车仅在法兰克福市就投入使用80多辆. 曼公司准备批量生产使用18吨液化天然气的 型重型冷藏车最引人注目,在这种液化天然气冷藏车上,液化天然气既用作燃料,又用作致冷剂,仅制冷一项,每天就能节约15L柴油. 现在液化天然气在比利时、芬兰、德国、荷兰、挪威、法国、西班牙、英国以及其他一些国家的汽车得到了广泛应用,据称日产、福特两大集团也正全力以赴开发液化天然气燃料汽车. 去年年底,我国一些标号的成品油价格上涨了6％,今年3月31日起,北京、上海、广东、重庆、湖北、河北、安徽等地的汽油价格又开始上调,其中,90号、93号汽油的价格上涨幅度约达5%,为近年来之最,同时据俄罗斯网站报道,今年4月以来美国汽车加油站的油价再攀新高,已经达到美元/加仑, 而且今夏还有继续上涨的势头 ,因此,油价逐渐上涨将是世界性的,大力发展燃气汽车,特别是液化天然气汽车已成为我国的当务之急. 我国经济发达地区人口密集,对环境保护的要求将日趋严格,同时在这些地区,大批轿车正在进入家庭,未来车用燃料的价格将是私人购车行为不可忽视的重要因素,有人预言车用石油性燃料的涨价会促使微型轿车的大幅增长,但应看到全欧洲的轿车排量平均在左右,而且根据美国车市的汽车愈是降价消费者愈是青睐大功率车型的现象,可以肯定的说,车内空间好于微型轿车的紧凑型轿车及中级轿车依然是未来私车的大方向,因为追求舒适性是所有用户的天性,这就为舒适性及燃料经济性兼顾的液化天然气乘用车拓展了极大的发展空间. 近年来,由于我国对道路基本建设的投入加大,高速优质公路四通八达,载货汽车正在向重型化方向发展,客车也在向大型化、豪华型方向发展,因此开发液化天然气重型载货汽车、液化天然气大型客车必将影响深远. 以重型载货汽车为例,如果开发出专门的液化天然气车型,由于发动机排放的颗粒废物特别少,就可以不需要安装昂贵的、目前性能又不太可靠的尾气颗粒过滤器,相对于柴油机所装配的昂贵的喷射系统及排气后处理系统,液化天然气重型载货汽车将具有无可比拟的自身优势. 而且利用液化天然气还可以改变以往汽车空调的设计思路.目前汽车空调装置是基于压缩致冷机开发的,结构复杂,具有控制继电器盒、电子真空阀、气化－加热器、转速真空稳定器、过滤－干燥器、冷凝器电机－风扇、冷凝器以及压缩机等,可以想象如此众多的装置都要靠汽车发动机提供动力,那必然会明显降低汽车的有效功率,如果把液化天然气既用作燃料同时又用作致冷剂的话,这些问题也都会迎刃而解. 可以预计,随着我国排放法规的日益严厉,中、重型液化天然气汽车必将更多地取代气、柴油汽车. 虽然考虑到储供气装置包括车载部分,从整体上说目前天然气发动机的成本还是高一些,但据俄罗斯汽车和汽车发动机研究所国家技术中心计算,由俄罗斯里金客车厂生产的里柯斯-5256型柴油车改装为天然气汽车所需费用,在它投入运行后9个月就可收回,因为它减少了燃油-润滑油的消耗,而且在工厂直接生产天然气发动机的成本要比诸如柴改气等方法的成本低10%. 再者,新型结构的液化天然气发动机还可以提高压缩比,进一步提高燃气发动机的经济性,并同时减少尾气中有害成分的排放,顺利达到未来国家日趋严格的排放标准. 使用压缩天然气和使用液化天然气的俄罗斯吉尔汽车的燃料系统各项指标的对比表如下：
俄罗斯吉尔－130型汽车分别使用汽油、压缩天然气和液化天然气时的主要数据表如下：
从上表可以很容易看出,使用液化天然气优于使用压缩天然气,正因如此世界各国的天然气汽车的重心也已经由压缩天然气汽车转向液化天然气汽车. 近年来,我国一些企业也加快了液化天然气汽车的开发,2002年11月28日,北京通州客车总厂技术中心研制出液化天然气公交车.河南省濮阳中原油田燃气汽车改装厂于2002年12月改造生产出我国第一辆液化天然气汽车,并开发出了“新型LNG储罐"、"LNG流动加气车",而且还投资1亿多元建成了天然气净化液化处理厂,已经实现日处理汽车用天然气15万立方米,保证北京、山东、河南等地的罐装液化天然气的供应.该公司还计划,到2005年建成80座压缩天然气加气站和50座液化天然气加气站,向北京供应液化天然气.LNG汽车由于天然气装载量大,一般为CNG装载量的3倍,这可大大地减少市区加气站的数量,相应地减轻了市区布设天然气加气站的压力. 下面主要对LNG汽车加气站技术的发展与应用作如下阐述. 二、LNG汽车加气站技术 1 LNG的气源条件 国外从20世纪70年代开始大规模建设LNG工厂,总规模达到7000万t/a,占世界天然气销售量的20％.且以每年7％的速度增长.我国LNG工业起步较晚.1999年上海建成规模为2万m3/d的LNG调峰站.2001年中原油田建成液化能力为30万m3/d的天然气液化工厂,新疆吐哈油田正在建设天然气液化工厂.同时,深圳大鹏湾将建接收300万t/a的LNG码头工程．将于2006年投入运行.福建莆田、浙江宁波、山东青岛等地的进口LNG项目也在进行之中.目前中油股份公司西南油气田分公司正在四川省建设LNG中试规模的生产厂,按工程进度计划预计在2005年中旬投产,其第一年产量万m3/a,第二年产量万m3/a,第三年产量万m3/a,即年产液化天然气产品5386吨. 根据国家2002年公布2001~2020年国内同期天然气产量将分别达到625×108m3、968×108m3和1420×108m3.同时为解决我国能源问题,权威部门预计到2010年底将进口LNG3000万吨左右.可见,LNG气源是稳定的. 2 LNG汽车加气站工艺与设备 1工艺流程 美国休斯敦LNG加气站的工艺流程：规模为日加气量120辆车.站内有42m3的深冷储罐2座,储存温度为℃.低温离心泵将储罐内LNG经加气机加到车辆上.泵工作压力为 – ０.62 MPa,排量为114 L／min.加气机使用一部 mn质量流量计,用于计量由储罐至加气车辆的气量,另一部 mm质量漉量计计量从汽车返回储罐的气态天然气量.国内LNG加气站工艺见下图. 图LNG加气站工艺流程 a卸车流程：由LNG低温泵将LNG槽车内 LNC卸至LNG储罐. b加气流程：储罐内LNG由LNG低温泵抽出,通过加气机向汽车加气. c调压漉程：卸车完毕后,用LNG低温泵从储罐内抽出部分LNG通过LNG气化调压后进入储罐,当储罐压力达到设定压力时停止气化. LNG加气站的主要技术指标：加气能力气态：1．2×104～2．4×104m/d；可加气LNG汽车公交车台数：50～100辆／d；加气时间：5～10 min/辆；加气机加气压力： MPa；加气机计量精度：±％. 加气站能实现从槽车卸液,低温储罐上下进液；储罐有液位保护系统、防泄漏系统和自动调压系统；加气机能实现计量加气和定量加气功能；自动控制系统对泵可进行三挡变频调速,以实现低速循环、加气及储罐上进液功能. 目前北京引进的全套LNG加气站设备不含LNG槽车的价格,据了解约为400多万元不到500万元.具权威工业专家估计,如果全部或部分控制部分等引进,其设备的总投资约为200万元左右. 2加气站设备 LNG加气站设备主要包括LNG槽车、LNC储罐、调压气化器、LNG低温泵、加气机及LNG车载系统.LNG槽车目前单台最大容积为37m3引进国外的每辆140万元左右,国产80万元左右,槽车设计压力 MPa,运行压力 MPa.LNC储罐由内、外壳组成,采用真空粉末绝热技术,目前可做到200m3,大多为100m3以下.调压气化器是空温式气化器.LNG车载瓶目前国内可生产3种规格,45L,300 L和410 L,分别用于轿车、中型车和公交车. LNG储罐内层材质为不锈钢,外层为碳钢,而车载瓶内外层均为不锈钢. 27m3LNG运输槽车简介：该槽车一次可装运27 m3 LNG产品,相当于×104 m3天然气.考虑到LNG等介质的低温特性－160℃,采用真空纤维绝热技术对槽车进行绝热,贮槽内筒及管道材料选用0Crl8Ni9奥氏体不锈钢,外筒选用16MnR低合金钢钢板.内外筒支承选用耐低温的,且绝热性能较好的环氧玻璃钢.该槽车整车装备质量为 t 不含牵引车,允载总质量为34 t,满载总质量为 t.牵引汽车底盘采用定型的北方奔驰NDl926S型带卧罐汽车底盘.整车外形尺寸长、宽、高分别为 m、 m和 m.槽车包括进排液系统、进排气系统、自增压系统、吹扫置换系统、仪控系统、紧急截断阀与气控系统、安全系统、抽空系统、测满分析取样系统.针对LNG的易燃易爆特点,设计已采取了以下安全措施：紧急截断控制措施、易熔塞、阻火器、吹扫置换系统、导静电接地及灭火装置.另外还有40m3规格的LNG运输槽车. 3 LNG汽车特点 因同容积LNG储罐装载天然气是CNG的~3倍,国外大型LNG货车一次加气可连续行驶l000～1300 km,非常适合长距离运输.LNG加气站占地少,一座加气150辆/d的加气站占地仅几百平方米.由于LNG是液态,便于运输,建LNG汽车加气站不受天然气管网的制约. LNG的燃点为650℃,比汽柴油、LPG的燃点高,点火能也高于汽柴油、LPG,所以比汽柴油、LPG更难点燃.LNG的爆炸极限为5％～15％,且气化后密度很低,因而稍有泄漏即挥发扩散；而LPG燃点为466℃,爆炸极限为％～％,且气化后密度大于空气,泄漏后不易挥发；汽油燃点为427℃,爆炸极限为％～％；柴油燃点为260℃,爆炸极限为％～％.由此可见.LNG汽车比LPG、汽油、柴油汽车更安全.从经济性角度来说,1 m3的天然气行驶里程等效于1.14 L燃油.如果按2002年汽柴油价格为～元,汽油平均元/L计算,天然气按元/m3计算,使用LNG作燃料比燃油便宜27％.按年运行6万km计算,中型车耗油约13200 L,大型车约20400 L,则使用LNG可分别节约10157元和15699元,汽车行驶里程越长,则越节约燃料费用.从环境保护保护观点看,LNG汽车的尾气排放可达到欧洲III号标准.按2002年原料价格和生产定额指标估算,LNG汽车改装费用如采用国产储罐改装件．中型车投资约万元,重型车约万元．则约需年即可收回投资. 美国LNG车辆气瓶图片 美国LNG车辆气瓶技术指标
4 LNG汽车原理工作图及照片 城市正常行驶和交通拥挤条件下各种燃料污染物的排放对比表g/km
从上表中说明：在城市正常行驶时,CNG、LPG的排放物中CO、NOX、固体颗粒物比汽油要少；NOX、固体颗粒物比柴油有较大幅度的减少,因为NOX、固体颗粒物是柴油排放最多的污染物.在交通拥挤时行驶,CNG、LPG与汽油相比污染排放量较接近,而比柴油排放的NOX、固体颗粒物要少.LPG的CO、NOX排放高于CNG.2各种燃料在22℃和-7℃条件下污染物排放量对比见下表 各种燃料在22℃和-7℃条件下污染物排放量对比表
从上表说明：在正常温度条件下,CNG、LPG汽车尾气排放的CO、NOX比改质汽油要少,NOX比改质柴油更少.在低温条件下,CNG、LPG汽车尾气排放的CO比改质汽油要少,NOX比改质柴油更少.3 LNG与CNG、LPG主要技术指标对比见下表LNG与CNG、LPG主要技术指标对比表
由LNG与CNG、LPG主要技术指标对比表可知：LNG技术指标远远严于CNG、LPG.LNG中含硫量之低,即使98号车用汽油也所不及,也低于欧美的技术指标.为此LNG汽车污染排放量应该远远低于CNG、LPG和燃油汽车.4 运行的燃油和燃气汽车的经济对比 1汽车耗油量 大巴包括公交车或出租车均按日行驶柴油车700公里,汽油车500公里,其中大巴耗油量26kg/100km,出租车6kg/100km计.大巴柴油车耗油量182kg/da,出租车30kg/da. 2燃气对燃油汽车的替代率 1m3天然气替代0.815kg汽油约1.1L汽油；替代0.906kg柴油约1.08L柴油.1kgLPG替代1.06kg汽油或1.18kg柴油. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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