液化天然气的研究现状及在车用燃料方面的应用

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1、液化天然气的研究现状及在车用燃料方面的应用液化天然气的研究现状及在车用燃料方面的应用【 【摘要摘要】 】天然气是一种清洁环保的能源，在石油价格不断攀升及石油危机冲击的背景下，世界 各国都在加大时天然气开采及贫易的投入。液化天然气由于其自身的优势，目前已进入高速 发展时期。本文从各个方面对 LNG 工业的现状作了一个总结，并在此基础上讨论了液化天 然气面临的问题及在汽车燃料方面的应用前景。 【 【关关链词链词】 】液化天然气 现状 燃料液化天然气（LNG）是天然气在常压下冷却至-162后形成，为无色透明液体，外观 如普通自来水。液化后其体积缩小 600 倍，使之便于运输及贮存。成为优质的化工原料

2、以 及工业和民用燃料。液化天然气升温气化后即为普通天然气，为无色无味气体，比空气轻， 主要成份为甲烷，具体成份见下表： 天然气的主要成分 Wt%甲烷乙烷丙烷正丁烷异丁烷戊烷其他气体91.464.712.590.540.570.010.09液化天然气在液化过程中已除去硫、汞等杂质，是非常清洁的燃料。 LNG(液化天然气)是能源结构中的重要组成部分，它不仅使能源结构多元化，也由于 其运输灵活而扩大了清洁燃气的使用区域范围。因此，这种液化气体具有极大的市场潜力。 目前，全球人均消费液化气达到 15 kg，但我国由于多方面因素所致，目前还较为滞后，随 着我国对环境保护的重视和对高效、清洁能源认识的深入

3、，对 LNG 的开发和应用重视程 度逐渐提高。同时，由于我国幅员辽阔,资源分布不均衡，因此 LNG 蕴藏着巨大市场。 LNG 在国内生产和消费都刚起步，目前只有中原油田、新疆和上海少量生产。但已规划在 珠江三角洲、长江三角洲、福建和浙江建进口 LNG 港口，准备大量进口 LNG。同时,中石 化和中石油都已起动 LNG 开发项目，在 2005 年后国内 LNG 的生产、进口和消费量都会 有较大幅度增长。 一一 液化天然气的冷能利用成为制约天然气发展的重要问题液化天然气的冷能利用成为制约天然气发展的重要问题 1.1. LNGLNG 冷能的梯级利用冷能的梯级利用 为了制取不同温位下相同数量的冷能(冷

4、量),要消耗不同的功率。温位越低，即冷量的 品位越高，低温价值越大，要得到这样的冷量，消耗的功就越多。高压 LNG 具有从 120 K 到常温这一温度范围内不同温位的冷能，如果能分成多段在不同的温位下充分利用，就可 以取得最大的效益。因此，一些学者提出了 LNG 冷能应梯度综合、集成利用的建议。从 理论上讲，这无疑是正确的,可最大限度地、也是最充分地回收利用 LNG 的冷能，达到最 大程度节约能源的目的。但从工程实际来看，要这样做却是很不容易的。 首先，几种不同的 LNG 冷能利用方法对不同温位的冷能数量要求是否相当、能否很 好地衔接?即利用最低温位冷能的 A 方法所留下的中等温位冷能及高温位

5、冷能是否恰好符 合利用中等温位冷能的 B 方法之所需? B 方法所留下的同品质高温位冷能与 A 方法所留下 的高温位冷能是否相同?是否恰好符合利用高温位冷能的 C 方法之所需?这在实际上是很难 衔接好的。 其次，除 LNG 冷能用于发电因其产业链很短，可以说不受其他因素干扰外，其他的 LNG 冷能利用产业链都很长,会受到市场、资源、环境、运输等诸多因素的影响，从冷能 梯级利用的角度可能是比较匹配的项目，却在其他因素上存在诸多困难和矛盾，放在一起 很难实现。 因此，笔者认为,当前首要的问题是加快实施 LNG 冷能的利用。过多考虑 LNG 冷能的 梯级利用，可能反而会延缓甚至阻碍 LNG 冷能利用

6、的脚步。根据日本的经验，空气液化分离、液体二氧化碳和干冰、低温冷库和深冷发电都是利用 LNG 冷能的成熟方法。据文 献的数据，日本东京煤气公司 Negishi 终端在 19931994 年 1 年中被利用了冷能的 95 万吨 LNG 中，36.3%用于空气液化分离，56.3%用于深冷发电，其余用于生产液体二氧化碳和干 冰及低温冷库。其中，空气的液化分离是最合理、最能充分利用 LNG 低温位冷能的方法； 低温冷库是节能效果最明显的 LNG 冷能利用方法;深冷发电是最可能大规模利用 LNG 冷能 的方法。这几种 LNG 冷能利用的方法，我国目前的技术水平都能自主掌握、独立实现。 以目前较为成熟的

7、LNG 冷能利用技术为基础，在现有及即将建设的 LNG 接收站做到尽可 能充分的冷能利用，应是第一位的当务之急。 2.2. LNGLNG 气化后的管输压力气化后的管输压力 LNG 接收站加压气化并升温到常温后的天然气需送到有一定距离的城市，输气压力与 送气距离、送气量及输气管管径有关。在本文开头提到的规划书中明确的输气压力是 9.5 MPa。输气压力是根据管输要求确定的，这无可非议，问题是在确定输气压力时还宜充分 考虑到 LNG 冷能利用的要求。前已提到，生产液体空分产品的空分装置及生产为其他产 业链服务的内压缩气体空分产品的空分装置是 LNG 冷能利用最充分、最合理的方式，日 本、我国台湾省

8、等都有利用 LNG 冷能的空分装置在运行中。在这些空分装置中,要用到高 压的特殊氮压机和两个换热通道间压差很大的板翅式换热器。LNG 是易燃易爆的介质,安 全是首先要考虑的第一要素。因此，在确定天然气的管输压力时必须同时考虑如空分装置 等冷能利用装置中的一些特点和要求。 由此可以看出，LNG 接收站规划设计单位应在一开始就对输气压力、输气距离、输气 管径及 LNG 冷能的安全有效利用这几个相互关联和影响的因素作深入的论证和经济性分 析比较，找到一个合理、经济和安全的规划方案。 二二 液化天然气在汽车燃料方面的应用液化天然气在汽车燃料方面的应用 目前，用作汽车燃料的天然气大多是以压缩天然气(CN

9、G)的形式存储。将天然气在常 态下压缩并存储在 20MPa 以上的高压罐内，因而储罐体积较大、安全性能差、车载重、一 次行驶里程短、充气时间较长，很大程度上制约了天然气汽车的发展；从实用效果上看， 液化天然气汽车弥补了 CNG 汽车的许多不足，它是以液态存储的方式代替压缩存储，因 而存储体积大大减小，且能量密度大，一次充注行驶里程长，是一种更具发展优势的汽车 燃料。 1.LNG1.LNG 用作汽车绿色燃料的优势用作汽车绿色燃料的优势 目前，作为燃油汽车的替代燃料主要有天然气、液化石油气、太阳能、氢气及甲醇等。 液化石油气的储量较少决定了液化石油气汽车(廿 GV)很难有大的发展，而太阳能受地域和

10、 天气影响较大，决定了其只能作为一种辅助能源。氢气和甲醇的运行费用较高，且氢能的 运用技术还远不成熟。因而污染较小、使用技术成熟且储量丰富的天然气作为现代汽车的 绿色燃料是有极大优势的。天然气发动机效率高、噪音小、废气几乎可以自由排放，作为 汽车燃料近几年也取得了很大的发展，许多国家已成功开发出了以天然气为燃料的新型汽 车，主要有压缩天然气汽车(CNGV)、吸附天然气汽车(ANGV)和液化天然气汽车(LNGV)。 其中吸附天然气汽车还未进人商业推广阶段，目前存在着压缩天然气和液化天然气之争， 这里主要就 CNGV 和 LNGV 进行比较。压缩天然气是使用高压压缩机将天然气压缩存储， 燃烧时通过

11、减压装置减压释放，工艺流程相对简单，因而，目前 CNGV 的使用较为广泛。 然而，CNG 的最大缺点是存储体积大、储气量小(一般为 12-16m)，能量存储密度低、汽车 连续行驶里程短、加气时间长。CNG 存储压力高(20MPa 以上)，对钢制气瓶储罐的制造要 求高，因而危险性也大。 LNGV 起步较晚，但德国戴姆勒一奔驰公司推出的液化天然气技术系统(LNGT)一经面 世就向世人展示了一种安全、经济、环保的汽车驱动新概念。LNG 是一种比 CNG 更优质的燃料，它是将天然气在 110K 的低温下液化，在液化过程中首先要进行纯化处理，分离 凝析油、重烃，除去 H2O、CO2、H2S 以及有机硫化

12、物等杂质。因而，LNG 不含硫和氮， 其主要成分是甲烷，着火点低，燃烧调节方便，无黑烟，单位发热量高(55700kJ/kg)，品质 稳定，燃尽后也无灰渣和焦油，主要排放物是二氧化碳和水蒸气，是很好的“绿色”燃料。 2.2. LNGVLNGV 的发展所存在的问题的发展所存在的问题 不可避免的，任何新生事物的发展都不是完美的，液化天然气汽车的工业化也存在着 急需解决的问题。特别是我国的 LNGV 常处于试验阶段，液化天然气汽车要走出实验室， 在我国的汽车工业中取得一席之地，需要天然气工业、汽车工业、低温与制冷工业的协作。 目前的天然气发动机技术已经比较成熟，而对于低温制冷行业有以下几个方面还需要大

13、力 的研究和发展。 (l)首先要解决汽车燃用 LNG 的自然汽化问题 无论采用多好的绝热技术，都会有漏热。低温容器(杜瓦)里的液化天然气受漏热作用 会汽化，如果汽车处在正常运行状态，汽化后的天然气很快被发动机所消耗，因而不成问 题。但如遇意外故障(如天气、道路、车辆等原因)，汽车不能行驶，杜瓦内的气体量会越 来越多，压力越来越高。一般低温容器设计为非耐压容器，因此内部压力的升高是非常危 险的。目前的做法是，一旦压力超过规定极限，容器的安全阀会自动打开释放多余气体， 其结果是把天然气排向大气，污染了环境，在车库里滞留久了还会有燃爆的危险。因而必 须设计绝热性能优越的 LNGV 车用储罐。要求日蒸

14、发率(NER)小于 1%，即带液静置 7d 安 全阀不起跳。液体充装率为 80%一 90%(低温液体在密闭存储条件下都有充装率的要求)。 液位和压力指示灵敏、准确，抗干扰能力强。现在国外(特别是德国)的低温技术已经达到 这个要求，我国的低温技术接近这个水平，还有待于大力的发展。 (2)LNG 必须能够大规模并且廉价的生产 国外从 20 世纪 70 年代就开始大规模生产，至今其总生产规模己达 1x108t/a，占世界 天然气销售量的 20%，且以每年 5%7%的速度增长。我国天然气资源丰富，但是天然气的 液化产业还不够发达，因而还有很大的发展空间。 (3)LNG 的生产以及充灌、计量、储运等配套

15、设施也必须逐步完善，这需要各级政府部 门的大力扶持、鼓励和引导。 3.3.小结小结 针对设计的液化天然气汽车的冷量回收汽车制冷空调系统，可以得出以下的几个优点: (l)采用液化天然气(LNG)作为汽车燃料及对其进行冷量回收，用于汽车空调，不但解决 了汽车尾气污染，还杜绝了 CFC 制冷工质的泄露，保护了大气臭氧层，彻底实现了“绿色 汽车”的环保理念。 (2)对液化天然气(LNG)进行冷量回收用汽车空调，可将天然气液化生产所耗能量的 30% 加以回收利用，并且节省了压缩制冷所消耗动力(约占发动机输出动力的 10%)，因而也就 最大限度地利用了 LNG 燃料的总能量，节省了汽车燃料，降低了汽车运行

16、成本。用乙二 醇做冷媒，进行有效蓄冷，可以满足不同行车工况下的冷量供应。 (3)降低了汽车的生产成本，节约了安装空间。该空调系统无任何机械运动部件，运行 平稳，无噪音污染，维护费用低。近几年，LNG 工业的快速发展以及相应政策的制定落实 为液化天然气汽车(LNGV)的发展奠定了基础。目前，我国的汽车工业还不够发达，较之发 达国家汽车数量较少，但随着经济的发展和加人 WTO，我国的汽车工业将大有发展潜力， 考虑到可持续发展及能源结构多样化的需要，我国的汽车工业应该直接紧跟世界前沿技术。 我国不大的汽车业规模减轻了改装和淘汰旧车所带来的包袱，也没有技术改造带来的更新 换代需要的高成本，这些都极有利于液化天然气汽车在我国的应用与推广。相信随着天然 气工业与低温工业的协调发展，LNGV 在我国将有着广阔的发展前景。参考文献： 1 邢云等.中国液化天然气产业现状及前景分析.天然气工业,2009,29(1):120-123. 2 张位平. 中国发展液化天然气面临的机遇和挑战J. 中外能源 2009,6(14):18-22. 3 吴志新,等.液化天然气汽车的研究