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1、1天然气基车用替代燃料的节能减排分析【摘要】以城市公交客车为应用对象，采用生命周期评价的方法，分析了两种进口天然气（CNG 和 GTL）利用路径与传 统柴油相比的石油节约和排放降低效果。分析结果表明，在生命周期范围内，GTL 路径的石油能耗降低 99.4%，PM、CO、NOx、 SOx、THC 排放分别降低 33.9%、4.8%、7.3%、79.2%、20.9%，但 CO2 排放升高 23.4%；CNG 路径石油能耗降低 99%，CO2、PM、NOx 和 SOx 排放分别降低 8.5%、84.7%、26%、64.5%，但 CO 和 THC 排放分别升高 52.9%和 197.9%。因此，天然气
2、的利用可以 大幅度降低石油燃料的消耗和污染物的排放量，其中压缩天然气路径的综合节能减排效果优于目前的 GTL 技术路径。 主题词 生命周期评价 城市客车 节能减排 GTL CNG Abstract: The petroleum-saving and emission-reduction effects of two imported natural gas pathways (CNG and GTL) were analyzed and compared with traditional diesel pathway in city bus using life cycle assessmen
3、t method. The results showed that within the full life cycle, the GTL pathway decreased petroleum consumption by 99.4%, and the amount of PM, CO, NOx, SOx and THC emission decreased by 33.9%, 4.8%, 7.3%, 79.2% and 20.9% respectively, while the CO2 emission increased by 23.4%. The CNG pathway decreas
4、ed petroleum consumption by 99%, and the amount of CO2, PM, NOx and SOx emission decreased by 8.5%, 84.7%, 26% and 64.5% respectively, while the amount of CO and THC emission increased by 52.9% and 197.9%. Therefore, natural gasbased alternative vehicle fuels could substantially reduce the petroleum
5、 demands and pollution emission, while the CNG pathway had the better general performance than the current GTL pathway. Key words: Life Cycle Assessment; City Bus; Energy Conservation and Emission Reduction; GTL; CNG 21. 引言 资源我国石油能源相对紧缺，随着汽车保有量的持续增加，车用能源安全供应压力剧增，环境空气质 量恶化日趋严重，节能减排成为本世纪汽车工业的主要议题之一1 。
6、大力发展替代燃料，实现车用燃料的 多元化是应对这些挑战的有效途径2 。我国天然气储量相对石油比较丰富，同时天然气的全球资源储量远 高于石油，天然气在全球能源供应中正逐步占据越来越重要的位置3 。 天然气在交通领域的应用已有相当长的历史，目前的主要利用方式是压缩天然气汽车（CNGV）4 ， 随着天然气合成液体燃料（GTL）技术的成熟和产业化发展，GTL 燃料开始批量供应，一种新的利用方式 正在兴起5 ，这为我国能源多元化的实现提供了更多的选择。本文从节能减排的角度，利用全生命周期分 析评价的方法6 ，在公交客车试验结果的基础上，对包括这一路径在内的天然气基车用燃料进行了分析并 与传统石油基燃料路
7、径进行了比较。 2. 燃料特性与生产供应路径 2.1. 燃料特性比较 由表 1 可以看出，GTL 燃料与传统柴油燃料特性的主要区别以及 CNG 燃料特性可以总结为以下几点： (1) GTL 燃料的十六烷值高，与传统柴油相比，十六烷值高出 20 个单位，有利于改善燃料的燃烧性质； (2) GTL 燃料的芳香烃含量几乎为零，有利于降低 THC 和颗粒排放； (3) GTL 燃料和 CNG 燃料硫含量几乎为零，有利于降低颗粒物排放； (4) CNG 燃料的辛烷值高，与广泛使用的 97 号汽油相比，辛烷值高出 23 个单位，有利于提高压缩比，提 高燃烧效率。 32.2. 供应路径设定石油方面，目前我国
8、石油进口依存度接近 50%，其中约有 60的进口原油来自中东地区7 ，因此设 定原油从中东地区海运至中国，然后在国内炼油厂生产加工，最后供国内柴油客车使用。 天然气方面，2007 年我国进口 291 万吨 LNG，其中有 248 万吨来自澳大利亚，占总进口量的 85%8 。 因此设定 LNG 从澳大利亚海运至中国，在国内加气站气化生产 CNG 供客车使用。 由于澳大利亚正在建设 GTL 工厂9 ，为尽量统一燃料来源，设定 GTL 燃料利用澳大利亚的天然气生 产，然后从澳大利亚海运至中国。 图 1 为三条燃料原料开采-产品生产-运输-利用的路径设定。 图 1 供应路径设定3. 车辆描述与运行路线
9、 3.1. 车辆描述 为了获得客车在运行时的能耗和排放数据，本文选择在北京市公交系统中广泛使用的 CNG 公交开展研究，具体参数见表 2： 表 2 客车参数对比 3.2. 运行路线为了全面反映北京市公共交通的运行状况，经过调研，选取了包含城市交通拥堵路段、市内快速交通 路段、城乡结合路段在内的试验线路，具体线路如图 2。试验线路总长 44km，其4中拥堵路段 18km，快速 交通路段 15km，城乡结合路段 11km。 图 2 运行路线分析模型 模型设定 在全生命周期评价模型分析中，在对结果的影响可以忽略的前提下，做如下设定： 忽略除海运以外的运输和分配环节。 忽略 LNG 气化制取 CNG
10、环节的能耗和排放。 在计算上游阶段某环节排放时，除电力生产外，只考虑该环节过程燃料燃烧所产生的排放，不考虑生 产过程燃料时产生的排放。 每种过程燃料只设定一种最具代表性的燃烧装置。 上游阶段数据 (1) 能耗数据 能耗数据包括原料开采、燃料生产以及运输分配等环节的能量效率以及消耗的过程燃料的比例。 其中，原油的开采在中东地区进行，考虑到该地区石油储量丰富，将其开采效率设为 96%10 。原油 从中东 地区 通过远 洋油 轮运输 到中 国，设 定其 海运距 离 为 10556 公里， 油轮 的能量 消耗 率 为 0.7J/(MJkm)11 ，使用的燃料为重油，相应的运输过程能量效率约为 99.3
11、%。柴油、汽油、渣油的生产在 国内炼油厂进行，其效率根据国内情况分别设定为 95%、88%、95.5%12 。所有环节的过程燃料比例参考 GREET 模型11 并根据国内情况做适当修改12 。 天然气的开采和处理以及 LNG 和 GTL 的生产均在澳大利亚进行，认为其生产效率与美国接近，所以 主要采用 GREET 模型中的数据11 ，同时参考国外相5关报告数据13 。LNG 和 GTL 从澳大利亚通过远洋 油轮运输到中国，设定其海运距离为 5334 公里，油轮的能量消耗率分别为 1.35J/(MJkm) 和 1.02 J/(MJkm)11 ，相应的运输过程能量效率分别为 99.3%和 99.5
12、%。LNG 和 GTL 的生产效率分别为 90%和 65%，并认为使用单一天然气作为过程燃料10 。电力生产方面使用天然气进行火力发电，效率设定为 40%11 。各种燃料路径上游阶段的能耗如表 3 所示。(2) 排放数据排放数据包括各种燃烧装置的排放因子，每种过程燃料只设定一种最具代表性的燃烧装置，排放因子 参考 GREET 模型根据国内实际情况做一定调整12 ，具体的设定如表 4 所示。4.3. 下游阶段数据 (1) 燃料消耗 车辆的燃料消耗来自于 12 米柴油和 CNG 公交车实际运行结果。其中，柴油客车的平均百公里油耗量 为 40.12 升，GTL 燃料客车的平均百公里油耗量为 40.5
13、6 升，CNG 燃料客车的平均百公里油耗量为 35kg。 为便于比较，根据各燃料的质量密度和能量密度，将其转化为百公里能耗，具体结果见表 5。 (2) 排放 利用实验室发动机 ESC 循环测试，获得了三种燃料在对应发动机上应用的综合排放和综合能源消耗， 由于循环测试工况来自于道路运行路谱的分析，具有比较广泛的代表性，因此认为实际道路运行的排放与 实验室 ESC 测试排放具有对应6关系。利用 ESC 循环的燃料消耗和道路运行的百公里油耗，将 ESC 排放转 换到车辆道路运行排放14 。各种燃料车辆运行阶段的 CO2 排放量采用碳平衡的方法计算获得。三种车辆 的排放的具体数值见表 5。 表 5 下
14、游车辆使用阶段主要数据 总能耗（kJ/100km）或排放（g/100km） 5. 全生命周期分析结果比较 根据上述的设定和实际测试结果，通过模型计算，获得了三种燃料的在公交客车上使用的能源消耗、 污染物排放等指标的全生命周期分析结果，具体数值如表 6 所示。表 6 还给出了 GTL 路径与 CNG 路径相 对于传统柴油路径的节能减排效果。 表 6 生命周期分析结果 总能耗（kJ/100km）或排放（g/100km） 5.1. 总能源消耗 如图 3 所示，在全生命周期内，两种天然气基燃料路径的总能源消耗均高于传统柴油路径。其中，GTL 路径的能耗超过柴油路径 38.3%，其原因是 GTL 燃料在
15、生产阶段的效率仅为 65%，远低于传统柴油生产阶 段 95%的能源效率，而其在使用阶段采用了效率基本相同的发动机技术。而 CNG 路径的能耗超过柴油路 径 23.9%，其原因是上游阶段和下游使用阶段的能源效率都比较低，天然气开采、处理和 LNG 生产的综合 效率只有 87.3%，而传统柴油从原油开采到产品生产的综合效率为 91.2%，二者在上游阶段相比有 4 个百 分点的能源效率差距；而7在车辆使用阶段，CNG 路径使用的发动机为火花点火式，受爆震等因素的限制， 其压缩比相比传统压缩着火式柴油发动机要低，导致车辆使用阶段燃油消耗高、能源效率较低。 从图 3 还可以看出，天然气基的两种燃料路径相
16、比，CNG 路径的总能源效率要高于 GTL 路径。其主 要原因是 GTL 燃料在生产过程中要经过气化、FT 合成等化工过程，消耗大量过程能源，仅在此过程就要 消耗 35%的过程能源，而 CNG 路径只需要经过燃料的液化这一物理过程，能源消耗相对低得多。尽管在 车辆使用阶段，GTL 路径的燃料消耗比 CNG 路径低，但也不能弥补燃料生产阶段的大量能源消耗，因此 GTL 路径的总能源效率较低。如果能够改进燃料生产阶段。高效利用化工过程的余热，提高 GTL 生产过 程的能源利用效率，发挥 GTL 燃料与传统燃料供应体系和车辆技术完全兼容的特性，GTL 燃料路径仍然 具有独特的竞争优势。 5.2. 石油替代 图 4 为三种燃料路径在全生命周期内，石油消耗的比较。由图可以看出，无论是 GTL 路径还是 CNG 路径，均能大幅度降低石油能源的消耗，降低幅度均超过 99%。其中不足 1%的石油消耗来自于天然气开 采机具使用的柴油和海洋运输过程中油轮燃烧的渣油。因此，使用天然气基车用燃料是大幅
