車船加注用液化天然氣產品質量指標探討

韓慧，韓新強，歐陽清華，蔡黎，劉川

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院（四川 成都 610213）2.中國石油西南油氣田公司天然氣分析測試重點實驗室（四川 成都 610213）3.中國石油天然氣集團公司天然氣質量控制和能量計量重點實驗室（四川 成都 610213）4.中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售分公司（北京 100000）5.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦（重慶 400700）

0 引言

液化天然氣作為交通運輸工具的燃料主要是因為它具有環保和經濟優勢，被認為是一種理想的替代其他燃料的清潔性能源[1]，近年來，液化天然氣作為車船用燃料在我國獲得快速發展。國家發改委于2017 年6 月發布《加快推進天然氣利用的意見》，提出實施交通燃料升級工程，明確要加快天然氣車船發展，提高天然氣在公共交通、貨運物流、船舶燃料中的比重；加快加氣站建設，在高速公路、國道省道沿線、礦區、物流集中區、旅游區、公路客運中心等，鼓勵發展CNG 加氣站、LNG 加氣站、CNG/LNG 兩用站、油氣合建站等，支持具備場地等條件的加油站增加加氣功能；交通運輸部印發《內河航運發展綱要》，明確要求加大新能源清潔能源推廣應用力度，推廣LNG 節能環保船舶，完善水上綠色綜合服務區、液化天然氣加注碼頭等綠色服務體系建設。

根據LNG 本身的特性和作為車船燃料的使用特點,美國的國際自動機工程師學會（SAE International，原譯為美國汽車工程師學會）于2011 年7 月發布了J 2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE 信息報告》（Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report）。該報告指出，LNG 的組成由于其具有“老化（Weathering）”特性，則會隨時間發生變化[2]，在使用過程中應考慮發動機的使用特性等。該文件也指出LNG 在汽車中的使用將對汽車的排放、功能、維保和可靠性等方面產生影響。

中國LNG 標準涵蓋了包括國家能源局、交通運輸部、質檢總局、出入境檢驗檢疫總局等多部門制定的國家標準和行業標準[3]，但現階段在我國涉及液化天然氣質量指標的有：給出了液化天然氣（LNG）的一般特性和LNG工業所用低溫材料方面以及健康和安全方面指導的GB/T 19204—2020《液化天然氣的一般特性》；規定了進出口液化天然氣的技術要求、檢驗規則和質量評價方法的SN/T 2491—2010《進出口液化天然氣質量評價標準》[4]和規定了液化天然氣質量、試驗方法、檢驗規則及存儲與裝運要求的GB/T 38753—2020《液化天然氣》等3個標準。目前尚無車船用液化天然氣燃料的質量控制指標和相關標準，為此有必要開展車船用液化天然氣技術要求的標準研究，提出適用于車船發動機且滿足國家安全環保要求的液化天然氣產品質量標準，從而更好地促進液化天然氣作為車船用燃料在我國的推廣和應用。本文重點討論我國天然氣、液化天然氣和相關汽車使用和排放標準要求，以期討論形成適宜車船用液化天然氣的質量指標要求。

1 國內外標準情況

1.1 國外相關標準的氣質指標

SAE International于2011年7月發布的J2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報告》中并未給出車用LNG質量要求，僅定性描述了汽車對LNG燃料的要求。并特別指出，由于LNG的組成具有“老化（Weathering）”特性，當環境熱量傳遞至儲罐內時，沸點最低的氣體組分，例如氮氣和甲烷，最先從液相蒸發到氣相，這一特性提高了沸點較高組分（即乙烷、丙烷和其他重烴）在儲罐內液相中的含量，從而直接影響到燃料的組成隨時間發生變化。尤其是LNG中的氮氣最先蒸發，使儲罐內液面之上的氣體燃料對于正常的發動機燃燒而言過“貧”（富含氮氣）。“老化”還受LNG儲罐傳熱效率、飽和方法及車輛燃料用量的影響[2]。

表1 為目前俄羅斯聯邦ГОСТ Р 56021—2014《液化天然氣內燃機燃料技術條件》標準對LNG 產品燃料質量等進行的劃分或規定。

表1 ГОСТ Р 56021—2014《液化天然氣內燃機燃料技術條件》氣質指標要求

1.2 國內相關標準的氣質指標

1.2.1 液化天然氣產品質量標準

國家標準GB/T 38753—2020《液化天然氣》[5]中根據甲烷含量和高熱發熱量對液化天然氣進行了分類，并規定了適用于商品液化天然氣的質量要求，具體技術指標見表2。

表2 液化天然氣質量要求

國家出入境檢驗標準SN/T 2491—2010《進出口液化天然氣質量評價標準》[6]規定了進出口液化天然氣的技術要求、檢驗規則和質量評價方法，適用于進出口液化天然氣的質量評價，其質量要求見表3。

表3 SN/T 2491—2010液化天然氣技術指標

由兩個產品標準的質量要求可以看到在液化天然氣產品質量方面，主要還是分為三類指標對其進行規范：①使用特性發熱量以及和發熱量相關的各類天然氣組成；②影響使用環保性的總硫指標；③影響使用和輸送等安全性的硫化氫，氧氣和氮氣等指標。當LNG作為車船用燃料時，理應充分考慮相關指標與此類產品標準的一致性。

1.2.2 車船發動機燃料氣質指標

GB 18047—2017《車用壓縮天然氣》[7]作為將天然氣用于汽車燃料的產品質量國家強制標準，其中規定了包括使用特性，環保要求及安全類等三方面的指標要求，規定了車用壓縮天然氣的技術指標，具體要求見表4。

表4 車用壓縮天然氣的技術指標要求

JB/T 11792.1—2014《中大功率燃氣發動機技術條件第1 部分：天然氣發動機》[8]中規范了功率為500 kW 以上的非道路用天然氣發動機使用的燃料天然氣的技術指標，具體要求見表5。該標準在發熱量使用特性方面使用低位發熱量進行規定，并對總硫指標的要求較為寬泛。

表5 天然氣發動機氣質技術指標

1.2.3 車船發動機排放標準基準燃料氣質指標

車用發動機的排放標準也是LNG 作為燃料應考慮的。國家強制標準GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[9]中規定了適用于天然氣燃用的重型柴油車在型式檢驗中根據燃料氣高位發熱量范圍不同采用不同基準天然氣燃料的技術參數，具體見表6至表9。該標準對天然氣質量的要求也應作為確定車船加注用LNG產品質量指標的依據。

表6 基準燃料GR

表7 基準燃料G20

表8 基準燃料G23

表9 基準燃料G25

2 LNG的質量氣質分析及要求

2.1 進口液化天然氣質量分析

目前國內已投運多個LNG接收站，每個接收站都不是單一氣源進口，而且在有現貨的情況下，氣源組分不斷有變化，每個接收站無法明確具體LNG氣質組分，但這些接收站LNG來自全球主要LNG供應商，各氣源地典型LNG產品的組分情況見表10。

表10 各氣源地典型LNG產品組分

2.2 國內液化天然氣質量氣質分析

國內有以管道氣、焦爐煤氣乃至煤層氣等為原料氣的液化天然氣生產單位LNG 的出廠指標，其LNG組成等性質見表11。

表11 國內部分LNG液化廠出廠液化天然氣檢測指標

從表11中數據可以看出，絕大部分國內自產的液化天然氣發熱量均大于37 MJ/m3。僅有少量的LNG發熱量低于此限度，主要是由于煤層氣作為液化天然氣原料導致。通常煤層氣中幾乎只有甲烷而不含其他重烴組分，發熱量也略低于37 MJ/m3，與表11的統計數據相當。

2.3 LNG發動機廠家對LNG氣質的要求

為進一步滿足不同發動機廠家對LNG 氣體質量的要求。本文調研了不同LNG 車船發動機生產廠家和型號對LNG的要求。包括重汽、濟柴、錫柴、濰柴、玉柴、富瑞特、雷諾等。整理調研結果，各種型號的LNG 車船發動機對氣質指標的要求分布范圍見表12。

表12 車船用LNG發動機廠家氣質需求

3 液化天然氣指標討論

綜合考慮液化天然氣生產工藝流程，在冷卻液化前須經過預處理。預處理部分包括原料氣過濾、脫酸氣單元及脫水脫汞單元，其作用是脫除天然氣中含二氧化碳、硫化氫、水、苯和汞等雜質，防止這些雜質腐蝕設備及在低溫下凍結堵塞設備和管道，保證冷箱正常運行。根據GB/T 38753—2020《液化天然氣》質量要求及車船用LNG 發動機實際需求，結合液化天然氣的氣質特點，確定了車船用液化天然氣的各項氣質指標以甲烷、C4+烷烴、二氧化碳、氮氣、氧氣、總硫、硫化氫及高位體積發熱量作為8 項質量指標，見表13。

表13 車船用液化天然氣的技術指標

3.1 甲烷含量、高位體積發熱量

甲烷含量是車船用液化天然氣氣質的重要控制指標。作為液化天然氣中的最主要成分，甲烷含量直接影響發動機燃料的熱值，若LNG燃料中含甲烷在內的所有烷烴含量過低，會導致發動機動力不足，氣耗升高，功率受到影響。同時，甲烷作為高抗爆性的燃料，與LNG 發動機的爆震性直接相關。JB/T 11792.1—2014《中大功率燃氣發動機技術條件第1部分：天然氣發動機》中規定，為了確保發動機的功率和熱耗率，燃料天然氣應滿足甲烷值不低于85%。為與GB/T 38753—2020《液化天然氣》中對液化天然氣的常規類分類指標一致，車船用發動機目前對LNG燃料氣質甲烷摩爾分數的下限宜為86%。

對應的，車船用液化天然氣高位發熱量范圍為不低于37.0 MJ/m3。在LNG 發動機爆發沖程中, 天然氣燃燒后生成的水, 立即汽化并隨廢氣一起排出，所以發動機中通常采用燃料的低熱值來表現發動機所能利用的能量。根據換算，當液化天然氣高位發熱量范圍不低于37.0 MJ/m3時，其低位發熱量已滿足在JB/T 11792.1—2014《中大功率燃氣發動機技術條件第1部分：天然氣發動機》中規定天然氣低熱值不低于33.5 MJ/m3要求。

3.2 C4+烷烴

多碳烷烴含量過多，會導致LNG燃料的辛烷值變低，發動機發生爆震燃燒，部分未燃混合氣因受正常火焰焰面的壓縮和熱輻射作用而生產大量不穩定的過氧化物。在正常火焰焰面尚未傳到之前，過氧化物就發生劇烈分解而自燃，形成一個或多個火焰中心向四面八方傳播。爆震燃燒對發動機的危害極大。它不僅導致發動機功率急劇下降，燃料消耗量明顯上升，嚴重時還會引起活塞和氣門燒壞，軸瓦破裂等故障，導致發動機損壞或無法正常使用。美國氣體研究院（GRI）用ASTM 的辛烷值評定方法測量了天然氣燃料的馬達法辛烷值（MON），推導出數學關聯式來計算氣體燃料的辛烷值：

式中：x1為甲烷的摩爾分數；x2為乙烷的摩爾分數；x3為丙烷的摩爾分數；x4為丁烷的摩爾分數；x5為二氧化碳的摩爾分數；x6為氮氣的摩爾分數。

由數學關聯式可知，天然氣中的C2組分能提高燃料抗爆性，C3組分含量會降低燃料的抗爆性，C4組分含量會大幅度地降低燃料的抗爆性。C2、C3對燃料的抗爆性影響遠小于C4組分對其的影響。根據調研情況統計，我國LNG 生產企業成品LNG 中C2、C3組分的含量變化幅度較大，各LNG接收站接收的來源全球主要供應商的LNG中C2、C3組分變化也較大，GB/T 38753—2020《液化天然氣》也未對指標作出具體規定。因此，不宜對C2、C3的范圍進行界定。

LNG 中的C4+烷烴主要包括正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷等烴類。正丁烷等多碳烷烴的存在會大幅度地降低燃料的抗爆性，導致發動機更易發生爆震造成損壞。同時，C4+烷烴含量過高會導致燃料的熱值產生波動，對發動機的穩定性造成影響。根據調研，目前國內液化天然氣廠家生產的成品LNG和全球主要LNG供應商提供的進口LNG中甲烷C4+烷烴的摩爾數分均在2%以下，依據GB/T 38753—2020中要求，C4+摩爾分數宜不大于2%。

3.3 二氧化碳

液化天然氣生產過程的預處理單元已對原料氣中的二氧化碳進行了深度脫除，防止低溫下二氧化碳凍結堵塞設備和管道，所以成品LNG中已基本不含二氧化碳。全球主要LNG 供應商提供的進口LNG 中也基本不含二氧化碳。依據GB/T 38753—2020《液化天然氣》中要求，將二氧化碳摩爾分數限定為不大于0.01%。

3.4 氮氣

氮氣作為惰性氣體，不參與燃燒反應，其含量對LNG燃料的熱值有較大影響，含量過高會導致發動機動力不足。同時，由于在LNG中氮氣的沸點最低，儲存過程中會先于其他組分蒸發，但其相對分子質量大于甲烷，使得下部的氮受熱氣化，無法揮發出LNG 的表面，從而加速下部密度下降，因此LNG 中氮氣的含量越多會使其翻滾的可能性越大。根據GB/T 19204—2020《液化天然氣的一般特性》[10]中規定，保持LNG氮氣含量低于1%，可預防此類翻滾。氮氣摩爾分數宜不大于1.0%。

3.5 氧氣

LNG 中氧氣的存在可能會造成燃料儲罐及發動機內部的腐蝕，影響發動機性能。一般而言LNG中含氧量非常低。根據調研，國內液化天然氣廠家生產的成品LNG 和全球主要LNG 供應商提供的進口LNG 中氧氣摩爾分數一般在0.1%以下。氧氣摩爾分數宜不大于0.1%。

3.6 硫化氫和總硫

LNG 燃料中硫含量過高會腐蝕發動機冷卻器及燃燒室組件，進一步影響熱交換和熱平衡，導致發動機損壞甚至報廢。同時，硫含量還直接影響發動機尾氣中硫化物排放。在船用燃料方面，國際海事組織（IMO）規定自2020 年1 月1 日起，全球船舶燃油硫含量由不應超過3.5%（質量分數）的標準降至不超過0.5%（質量分數）的標準。在車用燃料方面，GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中規定的適用于裝用以天然氣或液化石油氣作為燃料的點燃式發動機汽車在型式檢驗中采用的基準NG燃料的含硫量均不大于10 mg/m3。對于LNG 而言，在凈化和液化工藝已對硫化氫進行深度脫除，所以基本不含硫化氫和總硫。根據調研，國內液化天然氣廠家生產的成品LNG 和全球主要LNG 供應商提供的進口LNG 中硫化氫含量在3.5 mg/m3以下，總硫含量在5 mg/m3以下。為進一步體現LNG作為清潔能源的優勢，因此，硫化氫濃度宜不超過3.5 mg/m3，總硫濃度宜不超過5.0 mg/m3。

4 結論及建議

1）車船加注用液化天然氣標準由于其使用的特殊性，有必要進行針對性的產品質量控制，并制定相關標準對其進行規范。

2）車船加注用液化天然氣產品質量指標宜在現有液化天然氣產品指標的要求基礎上，增加排放和使用方面的要求，進一步體現液化天然氣作為清潔能源在交通領域的優勢。