天然氣替代機(jī)動(dòng)車船燃油的可行性分析

王協(xié)琴

（中國(guó)石油和石化工程研究會(huì)天然氣專業(yè)委員會(huì)，四川 成都 610051）

天然氣替代機(jī)動(dòng)車船燃油的可行性分析

王協(xié)琴

（中國(guó)石油和石化工程研究會(huì)天然氣專業(yè)委員會(huì)，四川 成都 610051）

針對(duì)當(dāng)今交通領(lǐng)域機(jī)動(dòng)車、船排放的尾氣造成嚴(yán)重的污染問題，以及日趨嚴(yán)格的廢氣排放限制標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)的情況，通過(guò)闡述替代機(jī)動(dòng)車、船燃油的清潔能源的基本要求，指出天然氣是機(jī)動(dòng)車、船用燃油最現(xiàn)實(shí)可行的替代燃料。介紹了機(jī)動(dòng)車使用CNG和LNG發(fā)展模式及歷程，分析了道路交通和水上運(yùn)輸領(lǐng)域車船使用LNG燃料所取得的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益、天然氣及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)出的光明前景和巨大商機(jī)以及我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用天然氣的資源供給保障情況，建議加快建立船舶使用LNG燃料的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和船舶LNG加氣站點(diǎn)的設(shè)計(jì)及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)LNG船舶運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展。

機(jī)動(dòng)車機(jī) 動(dòng)船 替代燃料 可行性分析

0 引言

隨著對(duì)交通運(yùn)輸領(lǐng)域車船排放的廢氣造成污染的非議之聲日益高漲，以及日趨嚴(yán)格的排放限制標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，使陸路和水上交通運(yùn)輸業(yè)以及海運(yùn)業(yè)的燃料選擇都將目光投向了能替代燃油的天然氣。為此，筆者擬就天然氣替代機(jī)動(dòng)車、船燃油作為現(xiàn)實(shí)的可行燃料作一個(gè)可行性分析。

1 天然氣替代機(jī)動(dòng)車、船燃油的優(yōu)勢(shì)

交通運(yùn)輸領(lǐng)域用清潔能源替代機(jī)動(dòng)車、船發(fā)動(dòng)機(jī)用燃油，是解決機(jī)動(dòng)車、船排氣污染的有效措施。替代燃油的清潔能源應(yīng)滿足以下要求：資源的可適應(yīng)性、技術(shù)的可靠性、排放的環(huán)保性、成本的經(jīng)濟(jì)性、使用的方便性、政策的可行性。

在當(dāng)今世界正在研發(fā)的諸多清潔能源中，天然氣以資源豐富、價(jià)格低廉、使用方便、技術(shù)成熟可靠等特點(diǎn)，能滿足替代機(jī)動(dòng)車、船燃油的基本要求，成為當(dāng)今現(xiàn)實(shí)可行的，能替代機(jī)動(dòng)車、船燃油的理想清潔能源。我國(guó)和世界其他各國(guó)都在加大用天然氣替代機(jī)動(dòng)車、船用燃油的推廣力度。

當(dāng)前用作機(jī)動(dòng)車、船燃料的天然氣，因承載方式不同而分為壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）兩類，二者各有優(yōu)勢(shì)。通常對(duì)建設(shè)有天然氣管網(wǎng)的城市地區(qū)，包括市內(nèi)公交汽車和出租車宜使用CNG燃料；對(duì)長(zhǎng)途行駛的城際客車、物流運(yùn)輸車和大功率工程車（簡(jiǎn)稱“車卡”，包括牽引車、裝載車、自卸車、混凝土攪拌車、非公路礦用車等），則適合使用LNG燃料。

2 CNG和LNG機(jī)動(dòng)車可行性分析

天然氣作為機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料始于20世紀(jì)30年代的意大利。當(dāng)時(shí)意大利缺少石油，開始用自產(chǎn)天然氣替代燃油用作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。二戰(zhàn)結(jié)束后，世界相繼發(fā)現(xiàn)大油田，且油價(jià)低廉，致使天然氣替代車用燃油的進(jìn)程幾乎停滯，直至經(jīng)歷三次石油危機(jī)，油價(jià)不斷攀升，天然氣替代車用燃油才又提上日程。在高油價(jià)和越來(lái)越嚴(yán)格的機(jī)動(dòng)車排氣污染控制的雙重壓力下，天然氣替代車用燃油的進(jìn)程大大加快。

CNG機(jī)動(dòng)車發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠，多年來(lái)一直是天然氣機(jī)動(dòng)車中的一枝獨(dú)

秀。隨著LNG機(jī)動(dòng)車載儲(chǔ)存器（儲(chǔ)氣瓶、罐）技術(shù)取得成功突破，以及CNG自身存在的一些局限性，使LNG機(jī)動(dòng)車在近幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，呈現(xiàn)了在道路交通領(lǐng)域中CNG和LNG機(jī)動(dòng)車并行發(fā)展的局面。

2.1 CNG機(jī)動(dòng)車

截至2011年，全球共有83個(gè)國(guó)家和地區(qū)在推廣使用CNG機(jī)動(dòng)車，共有機(jī)動(dòng)車1600×104輛，CNG加氣站兩萬(wàn)座。我國(guó)到2011年6月底，已有31個(gè)省、市、自治區(qū)（不含中國(guó)臺(tái)灣和港澳特區(qū)）在使用CNG機(jī)動(dòng)車，機(jī)動(dòng)車保有量為139.2×104輛，加氣站1974座［1］，其保有量已超過(guò)意大利（76×104輛）和印度（110×104輛），僅次于巴基斯坦（285×104輛）、伊朗（207×104輛）、阿根廷（192×104輛）和巴西（187×104輛），居世界第5位。CNG加氣站數(shù)量?jī)H次于巴基斯坦（3273座）居世界第二位。我國(guó)四川省CNG機(jī)動(dòng)車保有量最多，有29.28×104輛，加氣站266座；其次是新疆，有28.2×104輛，加氣站227座，兩省區(qū)占全國(guó)CNG機(jī)動(dòng)車保有量的42%。

美國(guó)是世界第一汽車大國(guó)，但CNG機(jī)動(dòng)車只有13×104輛，但卻很重視在大都市飛機(jī)場(chǎng)的公交交通上使用CNG機(jī)動(dòng)車。在美國(guó)人看來(lái)，大都市飛機(jī)場(chǎng)是十分繁忙的國(guó)際國(guó)內(nèi)快捷旅行的旅客集散地，旅客密度大，服務(wù)車輛多，為了旅客的健康，需要機(jī)場(chǎng)有一個(gè)清潔的大氣環(huán)境。早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)大都市的機(jī)場(chǎng)車隊(duì)就在廣泛使用CNG機(jī)動(dòng)車，包括地勤車、運(yùn)貨車、裝載車、短距離區(qū)間客車，以及不上公路的其他機(jī)場(chǎng)車輛，同時(shí)Delta、全美、聯(lián)合及聯(lián)合快車航空等幾家大航空公司的CNG行李牽引車、叉車等地勤車也加入機(jī)場(chǎng)車隊(duì)運(yùn)行；使用CNG機(jī)動(dòng)車的機(jī)場(chǎng)有洛杉磯國(guó)際機(jī)場(chǎng)等10個(gè)國(guó)際機(jī)場(chǎng)［2］。隨著美國(guó)開發(fā)頁(yè)巖氣取得成功，國(guó)內(nèi)天然氣價(jià)格大大降低，近年來(lái)美國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域也開始在城市大力推廣用天然氣替代公交車燃油的行動(dòng)，洛杉磯市走在前列。該市公交公司于2011年1月12日宣布，已完成對(duì)該市最后2221輛柴油公交車的CNG燃料改造，使洛杉磯市成為全美首個(gè)在公交系統(tǒng)中全面使用清潔燃料的城市。

2.2 LNG機(jī)動(dòng)車

雖然LNG和CNG同為車用天然氣燃料，但CNG為壓縮氣體，密度低，車載儲(chǔ)存器（瓶、罐）質(zhì)量重，使CNG機(jī)動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程受限；而LNG則為液體，密度高，存儲(chǔ)器質(zhì)量輕，適合車輛長(zhǎng)距離行駛。LNG和CNG兩種燃料的車載特點(diǎn)和性能差異見表1。

表1 LNG和CNG的車載特點(diǎn)和性能差異表

從表1可看出：①車載LNG為液體，CNG為壓縮氣體，相同體積的LNG和20MPa壓力的CNG相比，LNG的質(zhì)量為CNG的2.65倍，因此裝載相同質(zhì)量的CNG的儲(chǔ)存器體積就要比LNG大得多，加之CNG儲(chǔ)存器為高壓容器，比低壓LNG儲(chǔ)存器重得多，從而大大降低了CNG機(jī)動(dòng)車的有效載荷；②LNG的能量密度遠(yuǎn)大于CNG，因此車載相同體積的LNG和CNG，LNG機(jī)動(dòng)車有更長(zhǎng)的續(xù)駛里程；③向車充注LNG比充注相同質(zhì)量的CNG用時(shí)更短。譬如，充注375L的LNG只需時(shí)3min，而充注相同質(zhì)量的CNG則需時(shí)20min；④LNG不含硫，因此LNG機(jī)動(dòng)車排放比CNG機(jī)動(dòng)車更清潔環(huán)保；⑤CNG加氣站的用電功率為同規(guī)模LNG加氣站的3倍多，且CNG壓縮機(jī)為最大用電設(shè)備，需要軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)。LNG加氣站則不存在此問題；⑥LNG可像燃油那樣方便地進(jìn)行運(yùn)輸、分配和對(duì)車載儲(chǔ)存器進(jìn)行充注，CNG則不那么方便。

通過(guò)以上對(duì)比可以看出，LNG是替代大功率和長(zhǎng)途行駛機(jī)動(dòng)車燃油的理想清潔燃料。

LNG能否大規(guī)模用作機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，關(guān)鍵是要研制出適合機(jī)動(dòng)車行駛特點(diǎn)的LNG儲(chǔ)存器，這需要將通過(guò)輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)途徑進(jìn)入LNG的熱量降至最低。近年來(lái)真空隔熱技術(shù)已成功解決了這一問題。對(duì)真空隔熱存儲(chǔ)瓶產(chǎn)品進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果表明，在儲(chǔ)瓶灌滿LNG的情況下，5天內(nèi)氣瓶溫度不升

高、不排氣，10天后瓶?jī)?nèi)仍有不低于10%的液體，氣瓶溫度仍保持在-162℃［3］。真空隔熱瓶已能滿足機(jī)動(dòng)車的使用要求，使LNG在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中大規(guī)模使用成為可能。

當(dāng)前使用LNG的機(jī)動(dòng)車，主要是替代使用柴油燃料的大功率城市公交車、城際客車和“車卡”。

LNG替代柴油所帶來(lái)的巨大環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益，使我國(guó)道路交通運(yùn)輸業(yè)大大加快推廣機(jī)動(dòng)車使用LNG燃料的步伐。

1）城市公交車方面。當(dāng)前北京市公交集團(tuán)正在將淘汰的3255輛柴油公交車更換為L(zhǎng)NG公交車，到2013年底，北京市用LNG作燃料的公交車總數(shù)超過(guò)5680輛；河北保定市是當(dāng)前LNG公交車發(fā)展速度較快且普及率較高的城市。該市于2012年9月才開始購(gòu)進(jìn)LNG公交車，到2013年4月全市就已有694輛LNG城市公交車和230輛LNG城際公交車投入營(yíng)運(yùn)，加上氣電混合動(dòng)力車，清潔燃料機(jī)動(dòng)車總數(shù)已達(dá)到1260輛，2013年底突破1700輛。計(jì)劃在今后2～3年內(nèi)，將市區(qū)內(nèi)全部公交車和80%單程在300km以內(nèi)的城際客車（約400輛）使用天然氣燃料，新購(gòu)客車全部為L(zhǎng)NG車。目前，我國(guó)已有近100個(gè)城市推廣LNG公交車。

2）“重卡”車方面。近年來(lái)物流行業(yè)因高油價(jià)導(dǎo)致的高運(yùn)輸成本，使行業(yè)面臨業(yè)務(wù)增加而利潤(rùn)下滑的局面。用LNG替代柴油，不僅可大大降低營(yíng)運(yùn)成本，而且十分環(huán)保，給萎靡不振的物流業(yè)帶來(lái)生機(jī)。LNG“重卡”有全部燃用LNG的單燃料“重卡”和LNG＋柴油的雙燃料“重卡”，訂購(gòu)的新車為單燃料“重卡”，只有那些將原柴油“重卡”進(jìn)行改造后混燒LNG和柴油的才是雙燃料“重卡”。目前使用得最多的是單燃料“重卡”。以占我國(guó)LNG“重卡”市場(chǎng)5成以上份額的陜西重汽集團(tuán)為例，2011年LNG“重卡”銷售量?jī)H有2000輛，2012年增加到8000輛，2013年前5個(gè)月就已售出6500輛。此外，中國(guó)重汽集團(tuán)、福田歐曼重汽等企業(yè)銷售的“重卡”也在快速增長(zhǎng)。目前LNG“重卡”已在新疆、山西、陜西、河北、內(nèi)蒙古、河南、寧夏、江蘇等地廣泛使用，并得到越來(lái)越多的用戶認(rèn)可。

據(jù)中國(guó)道路運(yùn)輸協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)：我國(guó)LNG機(jī)動(dòng)車，包括市內(nèi)公交車、城際客車和“重卡”，2011年僅有0.6×104輛，加氣站241座；2012年為7.1×104輛，加氣站811座，截至2013年4月，LNG機(jī)動(dòng)車已達(dá)到9.4×104輛，加氣站1159座，發(fā)展勢(shì)頭十分強(qiáng)勁。按此發(fā)展速度，預(yù)計(jì)2015年我國(guó)LNG機(jī)動(dòng)車保有量將超過(guò)25×104輛，到2020年將達(dá)到100×104輛，發(fā)展速度處于世界前列。

3 LNG機(jī)動(dòng)船可行性分析

早在1964年LNG燃料就開始應(yīng)用于專門的運(yùn)輸船，但直到2000年才開始用于其他類型船舶。截至2011年底，全球進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的LNG機(jī)動(dòng)船只有22艘，主要為挪威沿海岸運(yùn)行的小型渡輪［4］。另外還有少許海洋供應(yīng)船和巡邏船。

隨著波羅的海、北海、北美沿海設(shè)立排放控制區(qū)（ECA），以及《船舶污染防治國(guó)際公約》規(guī)定，從2015年1月1日起，在ECA航行的船舶所用燃料的硫含量不得超過(guò)0.1%。而且從發(fā)展趨勢(shì)看，設(shè)立ECA的海域還會(huì)擴(kuò)大，迫使世界眾多的海運(yùn)業(yè)主紛紛加緊研發(fā)船舶使用LNG的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。據(jù)挪威船級(jí)社預(yù)測(cè)到2020年，全球以LNG為燃料的新建船舶將達(dá)到1000艘，改裝船的數(shù)量將更多［5］。

近年來(lái)，我國(guó)船用柴油價(jià)格一路攀升，國(guó)前船用柴油成本已占到船舶營(yíng)運(yùn)成本的70%以上，使我國(guó)江河船舶營(yíng)運(yùn)業(yè)陷入困境。加之我國(guó)也將開始對(duì)船舶污染物排放實(shí)施控制，以防止船舶所排廢氣對(duì)江河、湖泊沿岸造成日益嚴(yán)重的污染。用LNG替代船用柴油，既可降低成本又可達(dá)到排放要求，使船運(yùn)業(yè)走出困境，實(shí)現(xiàn)復(fù)蘇。

我國(guó)江河柴油機(jī)動(dòng)船數(shù)量龐大，不可能棄而改用全燃用LNG機(jī)動(dòng)船，因而從2010年開始我國(guó)船運(yùn)業(yè)就著手研發(fā)LNG＋柴油雙燃料動(dòng)力技術(shù)，將現(xiàn)有船舶的柴油燃料系統(tǒng)改造為雙燃料系統(tǒng)，雙燃料中LNG為主燃料，柴油為引燃料。該技術(shù)在長(zhǎng)江、京杭大運(yùn)河、珠江的拖輪、貨輪上進(jìn)行試航模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的參數(shù)穩(wěn)定，智能系統(tǒng)能精確控制兩種燃料供給量，動(dòng)力性與原柴油機(jī)相當(dāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)能方便、快捷進(jìn)行燃料轉(zhuǎn)換，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下污染物排放量明顯降低，其中CO2減排20%，NOX減排40%，SOX減排80%，顆粒物減排90%。噪音也有明顯降低，柴油替代率可達(dá)60%～80%，使燃料成本降低20%左右；改造費(fèi)用低，1～2年便可回收改造成本［6］，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

雙燃料動(dòng)力船試航成功所展現(xiàn)的光明前景，使船運(yùn)業(yè)主們紛紛對(duì)所展船舶進(jìn)行改造，稱之為“油

改氣”。截至2013年5月，我國(guó)已完成“油改氣”的船舶超過(guò)180艘，其中22艘已獲國(guó)家海事局審批，發(fā)展形勢(shì)大大超過(guò)預(yù)期。“油改氣”的船舶除貨輪、拖輪等運(yùn)輸船外，正在推廣使用LNG的機(jī)動(dòng)船還有漁船、旅游船等。

由于至今尚無(wú)船舶使用LNG的技術(shù)規(guī)范和船用LNG加氣站點(diǎn)的設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前實(shí)施的“油改氣”工程，只能按2011-2012年中國(guó)船級(jí)社和國(guó)家海事局先后出臺(tái)的，以LNG為燃料的船舶，在技術(shù)校驗(yàn)和行業(yè)規(guī)范方面的指導(dǎo)性文件進(jìn)行。隨著國(guó)務(wù)院于2012年出臺(tái)《關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見》，我國(guó)計(jì)劃在10年內(nèi)建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化水運(yùn)體系。到2020年全國(guó)水上貨運(yùn)量將達(dá)到300×108t，機(jī)動(dòng)船功率將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增長(zhǎng)60多倍［7］；10年內(nèi)，將建成10座水上LNG加氣站，在長(zhǎng)江沿途布置3000個(gè)LNG機(jī)動(dòng)船加氣點(diǎn)。為此，必須加快建立并盡快頒布船舶使用LNG的技術(shù)規(guī)范和船用LNG加氣站的設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，才能適應(yīng)LNG機(jī)動(dòng)船運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展。

4 機(jī)動(dòng)車、船用天然氣資源供給分析

我國(guó)消費(fèi)天然氣分自產(chǎn)和進(jìn)口兩部分。自產(chǎn)天然氣年均增長(zhǎng)16%，2012年自產(chǎn)天然氣1445.7× 108m3，隨著頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣開發(fā)，自產(chǎn)天然氣量還將大幅增長(zhǎng)；進(jìn)口天然氣分管道天然氣和LNG兩類。隨著中亞、中緬天然氣管道建成投運(yùn)，我國(guó)已可進(jìn)口管道天然氣400×108m3／a以上，待中亞天然氣二期工程建成投產(chǎn)后，進(jìn)口管道天然氣量還會(huì)進(jìn)一步增加；截至2012年我國(guó)已建成投運(yùn)LNG接收終端5座，形成2740×104t／a的LNG接收能力，2012年進(jìn)口LNG1332×104t，約合200×108m3天然氣；還有3座在建和7座擬建，全部接收終端建成后將形成8310×104t／a的接收能力［8］。因此，機(jī)動(dòng)車、船用天然氣資源有充分保障。

截至2012年，我國(guó)天然氣管道總里程已達(dá)6.6× 104km，已基本形成覆蓋全國(guó)各省、市、自治區(qū)的天然氣管網(wǎng)，并向中小城市延伸，為CNG機(jī)動(dòng)車的繼續(xù)快速發(fā)展提供了有利條件；我國(guó)已建成投運(yùn)的LNG工廠達(dá)到79座，大部分位于西部地區(qū)，已形成900×104t／a的生產(chǎn)能力，隨著新建LNG工廠的陸續(xù)投運(yùn)，LNG自產(chǎn)量還會(huì)不斷增加。另外，這些LNG工廠與東部地區(qū)的LNG接收終端相呼應(yīng)，布局合理，有利于我國(guó)的LNG機(jī)動(dòng)車、船的平衡發(fā)展。

5 結(jié)論

1）天然氣是當(dāng)今世界替代道路交通領(lǐng)域機(jī)動(dòng)車燃油的最現(xiàn)實(shí)可行的清潔燃料。

2）在道路交通運(yùn)輸領(lǐng)域，CNG和LNG各有優(yōu)勢(shì)，正在并行發(fā)展。

3）LNG正成為替代內(nèi)陸江河和海洋機(jī)動(dòng)船舶柴油和其他燃料油的首選清潔燃料。

4）目前，在道路交通運(yùn)輸領(lǐng)域尚未形成有效的LNG加氣網(wǎng)絡(luò)，因而存在LNG機(jī)動(dòng)車加氣難的問題，只有增加加氣站點(diǎn)，形成有效網(wǎng)絡(luò)，才能適應(yīng)LNG機(jī)動(dòng)車的高速發(fā)展。

5）當(dāng)前還沒有船舶使用LNG的技術(shù)規(guī)范和船用LNG加氣站點(diǎn)的設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，大大影響了LNG機(jī)動(dòng)船舶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，只有盡快編制完成并頒布LNG機(jī)動(dòng)船的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，才能徹底改變當(dāng)前的被動(dòng)局面。

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（編輯：蔣龍）

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2095-1132（2014）01-0062-04

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.01.017

2013-10-21

2014-01-15

王協(xié)琴（1942-），高級(jí)工程師，中國(guó)石油和石化工程研究會(huì)理事，天然氣專業(yè)委員會(huì)副主任，長(zhǎng)期從事天然氣工程技術(shù)工作。