增湿天然气用作天然气汽车燃料的探讨

天然气工亚1999年7月湿天惠气用作天熟气邊车的记唐晓东西南石油学院化学工程系)(四川石油管理局川中石油天然气勘探开发公司)磨晓东等增湿天然气用作天然气汽车燃料的探讨,天然气工业,1999;19(4):84~87要天然气汽车(NGV)存在动力性下降、续驶行程短和压缩天然气(CNG)加气站投资大等技术经济题,这是由天然气燃料特性所决定的。增湿天然气(wNG)作为NG燃料,恢复NGⅤ动力性,已得到实验验证。wNG技术的基本原理是采用低辛烷值的液体燃料涩夭然气,提升天然气的热值,调整天然气的辛烷值与发动机压缩比匹配,从而恢复NGV动力性,廷长续驶行程,降低加气蛄总授资。该技术的关键是提高天然气中重烃含量和保持WNG组成恒定。提出了采用低辛烷值的轻油和直馏汽油增涩天然气作为车用燃料的观点;经过对WNG技术的可行性和技木分析以及wNG燃料性对NGV性能彩响的计算表明:wNG不仅优于CNG,使NGV的动力性得到部分恢复,续驶行桯大幅度提高、加气站数量和总投资大大降低;两且为轻油和直馏汽油开辟了一个新的应领域主题词天然气汽车燃料增湿可行性研究性能分析自本世纪30年代意大利率先采用天然气作为烷值与发动机的低压缩比不匹配,不能最大限度发汽车燃料以来,NGV已经历了60余年的发展,人类挥天然气的高辛烷值优势。同时,天然气以纯气态已达成天然气是安全、清洁和经济的汽车代用燃料进入发动机燃烧室,体积约占混合气的10%(而汽油的共识,现在国内外都在竟相发展NGV,但其技术不超过2%),使实际进气量减少,造成动力性的必然进步与推广应用还远不能满足人类的需求。实验研损失这是纯气态燃料本身所固有的缺点。此外,究、行车试验和理论计算均表明,NGV还存在动力天然气难以压缩,CNG的能量储存密度(单位MJ/性下降、一次充气行驶距离短和加气站投资大等技L)仅为汽油的22%,在常温、20MPa下使用7个国术经济问题(-3)。就其原因,这些都是由天然气燃产钢瓶或5个进口钢瓶(分别约重500kg、300kg)储料特性所决定的气量仅约60m3,汽车行驶不超过250km,严重影响天然气是一种高辛烷值的气体燃料,辛烷值约了汽车的续驶行程,使加气站的建站间距不得超过为115-130,抗爆震能力强,宜使用压缩比(e)为12250km,加大了加气站的总投资。针对NGV存的汽油发动机。而国产汽车发动机c多为6.0~7.3在的技术经济问题,人们一直在寻求解决办法。提(使用70号汽油),最高达8~9(适使用研究法辛出了以凝析油戊烷为溶剂储存天然气并已开发出烷值RON为90~95号汽油)。显然,天然气的高辛LPG为溶剂储存天然气的近临界流体储气技术,可车是有条件的。若设想上述城市的公共汽车优先考(7):1097~1103虑ANG作燃料,其环境效益、社会效益和经济效益2 Sircar. Golden T C, Rao M B. Activated carbon for gas sep将是显著的。作者衷心希望我国的ANG技术能尽 ration and storage. Carbon1986:4():1-12快取得突破,为我国的天然气汽车产业化作出贡献。3 Orhan Talu. An overview of adsorption storage of naturalgas. Fundamentals of Adsorption, Proc. 4th Int. Conf.otFundamentals of adsorption, Kyoto, May, 1992: 17-221 Quinn D F et al. Natural gas storage, Carbon, 1992, 30(收稿日期1998-03-30编辑王瑞兰κ唐晓东,1963年生,讲师;1985年西南石油学院应用化学专业毕业,1995年获该院化工顽士学位;主要从事石油天然气加工专业的教学和科研工作,已发表论文28篇。地址:(637001)四川省南充市。电话:(0817)2601016转3079。中国煤化工CNMHG第19卷第4期天然气工豐变压缩比技术,以及缸内和缸外气体燃料喷射供气合,形成组成恒定的WNG燃料。WNG的组成由技术等-”)。但是,这些技术只能部分地解决 NGV CNG与液烃辛烷值、发动机ε所要求的辛烷值确的技术问题。为此,笔者提出应用WNG技术解决定。与CNG相比较,wNG的热值大为提高,辛烷值NGV存在的技术经济问题的观点8。下面就该技可以调整到与发动机ε相匹配。因此,wNG能够提术的可行性、基本原理和技术思路,以及WNG燃料高NGⅤ的动力性,增加续驶行程,延长加气站的站性质对NGV性能的影响进行探讨。间距离,降低加气站投资,从而改善NGV的技术经济性能。可行性分析WNG技术的关键在于怎样提高天然气中重烃由纯烃物质的辛烷值表1可以看出,碳氢化合含量和如何保证WNG组成不变。因此,在实施过物的辛烷值与分子量净热值均成逆变关系。这预程中既要考虑天然气与液烃的控制,以及二者之间示可通过改变天然气组成提高其重烃含量,增加燃的合理匹配,又要处理好WNG、汽油与空气之间的料热值,降低燃料辛烷值,适应改装NGv发动机e,合理匹配这需要做大量的试验研究工作。显然,来解决NGV存在的技术经济问题。此观点已得到NGV采用wNG技术后将携带天然气、液烃和汽实验验证(6。例如,近临界流体戊烷储存天然气,油三种燃料增加了燃料的复杂性甲烷气化夹带戊烷形成的燃料气中戊烷含量已达到NGV使用wNG作燃料的技术路线有两种。9.4摩尔百分数能量储存密度较CNG提高约1.9是利用现有的双燃料供给系统,增加一个液烃箱倍,而正、异新戊烷RON分别比甲烷低45.8、17,2和一套专门开发的电控系统(由电控天然气一空气和27.3,混合气的辛烷值肯定较纯甲烷的低。在混合系统、电控液烃喷射系统和液烃一汽油转换开EQ6100汽油机上燃用LPG辅以汽油增湿(加浓)的关等组成)7。这种电控系统可以根据发动机转试验结果也表明,发动机在高转速区域工作时功率速、负荷排气温度、混合气中甲烷浓度和废气含氧完全得到恢复低转速区域工作时功率则高于原机。量等参数的变化,及时改变天然气混入量和喷液烃由此,应用wNG技术改善NGV性能完全可能。量,以保证燃气组成恒定,并实施不同工况下的最佳空燃比控制。工作时,天然气与空气在混合器中进表1miC1-C的辛烷值吗行第一次混合,然后进入化油器与从汽油喷嘴喷出化合物分手置命当值字值的液烃进行第二次混合,形成的均匀混合气最后进名称入发动机,整个过程由电控系统控制。当液烃一汽油转换开关置于汽油通路时,切断液烃通道并关闭乙烷3060.395107.1CNG截止阀,发动机恢复汽油工作状态。二是利用正丙烷4086.456105797.1构丁烷5811.3849390.1发动机循环冷却水(100℃)或气缸排气(300℃烷戊烷72138.38061.761.9500℃),使液烃加热气化,采用比例调节器使之与天烃|己烷|8616424.8然气混合形成组成恒定的燃料气,然后进入混合器庚烷100190.3980与空气均匀混合经化油器喉管进入发动机即可8烷14216.37419异丁烷8112.031101.197WNG燃料特性对NGV性能异戊烷238.04492.390.3新皮烷72137.465855802影响的探讨烷异己烷86164.07573473.5911.燃料特性异庚烷100190.09942246分别采用轻油(C5)、直馏汽油增湿天然气,形114215.73221.723.8成的WNG燃料依次以WNG1、WNG2表示,CNG按甲烷计算。三种基础燃料的基本性能参数见表2。基本原理及技术思路应用文献[1]给出的公式分别计算出的CNG、wNG1、WNG2和汽油(RON93-97)的燃烧特性参将低辛烷值的液烃燃料(简称液烃)如轻油、直数见中国煤化工馏汽油在WNG馏汽油与经逐级减压而来的天然气按一定比例混中的CNMH GNG1和WNG2天然气工业表2基础燃料的基本性能参数的平均分子量依次增大,RON调和到93~94,要求组成平均辛烷值低热值从12下降到8~9(与RON93~95号汽油相当)。与基础燃料形态c%)H%)分子RON(M/ka)CNG相比较低热值下降理想混合气热值上升;分CNG气态75.025.016107.547.51子变更系数增加,意味着wNG燃烧时气缸压力上轻油液态83516.56.560|431升比CNG快在汽油机(类似于定容循环)中气缸压直馏汽油液态8514.5146543.93力得到额外增加这对恢复发动机动力有利。总的表3CNG、WNG和汽油的燃烧特性参数燃料组成平均辛烷值类别液烃要求低热值「理想混和气热值「空燃比「分子变更分子量RON(M/kg)(M/m3)(kg/kg)系数07.5123.20334.151.03394.88~944.813.3781556193~953.73814.961.0581):分子变更系数是指燃料燃烧后生成的摩尔数与反应物的摩尔数之比来看,采用wNG技术后,天然气与液烃燃料的性质变5wNG的技术经济评价得到了互补,从而达到提高NGV动力性、增加一次燃料10k气耗变次气加神量驶行程充气行驶距离的目的。类别厌然气燃油费用然气燃油2对NGV性能的影响(m3)(kg)(元)(m3)(kg)应用文献(1,12,13给出的公式和数据,分别就CNG25.037.562.5WNGl和wNG2两种燃料对NGV性能的影响进行wNc8412431.262.5改装NGv的发动机扭矩气缸充气效率和发动机输6714.2|35.662.5132.593了计算见表4。计算结果表明,使用WNG燃料时,出功率均得到不同程度的恢复,直馏汽油的效果较):CNG轻油(G)直馏汽油和93-97号汽油售价分别按1.50元轻油的效果好一些。/m31.50元/kg、1.80元/kg和3.00元/kg计算;2);汽油箱体积和汽油密度分别按150L0.715g/L计算丧4WNG对NGV性能的影响到700~900km,或孤立加气站的辐射半经从125燃料类别发动机扭矩|气缸充气效率发动机输出功率km达到350-450km(考虑汽车往返距离)覆盖面CNG90~96积增加7.84~12.96倍,大大减少了加气站的数量WNGH95~97和投资。以改装NGV2000辆为例,单车按年均行WNG297-9896-9892-93驶300d日均行程200km计算。使用CNG时,年汽油耗气量约0.3×105m3,需建设加气站20座,总投资约6000万元;若使用WNG技术,分别采用wNG3wNG技术的经济评价和WNG2作燃料时年油、气消耗分别为0.1008NGⅴ分别燃用CNG、WNGI、wNG2和93~95105m3+1.488×10t轻油、0.0804×103m3+1.704号汽油的技术经济对比见表5。表中数据表明,X10‘直馏汽油;只需建设7座或6座加气站,在考NGⅴ的100km油气消耗费用以汽油最高、CNG次虑增加的液烃储罐和加油机设备投资后,加气站(可之、WNG最少(其中WNG1较wNG2还少);与称为WNG站可同时向NGV充装CNG和液烃)总CNG比较,NGⅴ在一次充气量相同情况下,多携带投资仅为2450万元或2118万元,分别只有原来的923kg轻油或132.5kg直馏气油时,一次充气续40.8%和353%。驶行程分别增加了1.976倍、2732倍,甚至大大超前述分析还可以看出NGV采用WNG技术过了汽油燃料的续驶行程。因此,WNG作为NGV后,中国煤化工因此,该技术实燃料时可使CNG加气站的建站距离从250km增加为CNMH轻油和直馏汽第19卷第4期天嚣气工业油辛烷值的技术手段。显然,WNG技术的开发,能辛烷值,为二者开辟了一个新的应用域。够为国内各油气田生产的大量轻油以及小炼油厂生(5)建议国内有关部门组织技术力量尽快开发产的直馏汽油开辟一个新的应用领域。尤其是那些WNG技术。分布在油田内部及周边地区的小炼油厂,它们既无深加工手段,又不允许继续沿用加铅方法提升汽油参考文献辛烷值,生产的直馏汽油最适宜作wNG的原料。1刘有平等天然气燃料特性对CNG汽车动力性能的影综上所述,wNG用作NGV燃料,不仅能够使响石油机械199812(4NcV动力性得到部分恢复,一次充气行程大大增加2李水昌,天然气汽车动力性汽车杂9013)以及加气站数量和投资远远低于CNG加气站;而且3边暱璋等论天然气汽车的若干技术问题汽车杂志能够为轻油、直馏汽油开辟一个新的应用领域,具有1996;(1)4徐文渊.液化天然气、压缩天然气的生产和应用.天然气定的社会效益和经济效益。建议国内有关部门组工业,1993;13(3)织力量尽早开发WNG技术5孙济美等压缩天然气和液化石油气发动机电控喷气技结论术研究天然气工业,1998;18(2)6唐晓东.天然气汽车的储气技术.石油与天然气化工(1)NGV存在动力性下降、续驶行程短和加气1997;26(4)站投资大等技术经济问题,是由天然气燃料特性所7孙济美等气体燃料汽车的电控喷射技术国外石油机决定的。械,1998;9(3)(2)wNG用作NG燃料已得到实验验证。其8唐晓东提高天然气汽车动力性的途径石油与天然气化基本原理是釆用低辛烷值的液烃增湿天然气,提升工,1998;27(4)后者的热值,将天然气的辛烷值调整到与发动机9候芙生主编.炼油工程师手册.北京:石油工业出版社相匹配,改善NGV的技术经济性能;技术的关键是0何渝生等汽车电子技术及控制系统.北京:国防工业出提高天然气中重烃含量和保持WNG组成恒定版社,1997(3)轻油、直馏汽油增湿天然气形成的WNG111A.H高尔铁等汽车拖拉机发动机计算,北京:机工业和WNG2两种燃料的燃料特性、燃烧性能均优于出版社,1985CNG;尤其是使NGV的续驶行程数倍于CNG,乃至12蒋兴阁等译汽车发动机.北京:人民交通出版社,1985超过了汽油燃料,使加气站的建站数量和投资大大13西安交通大学内燃机教研室内燃机原理北京:中国农低于CNG加气站。业机械出版社,19814)WNG技术大幅度提高了轻油和直馏汽油的(收稿日期1998-09-23编辑王瑞兰)重庆市重视推广CNG汽车最近,重庆市政府副秘书长、市CNG汽车领导小组副组长吴连帆主持召开了“重庆市天然气汽车推广应用领导小组第四次联席会”,确定了1999年推广应用CNG汽车的工作思路1.建站以油气两用站合建为主2.改车时,大客车、中巴车、出租车同时进行。政府釆取强有力的行政措施,划定城区一定区域,非CNG汽车不能营运同时,还将规划开辟几条专用CNG汽车公交线路,营运权实行招标。3改车、建站设备以重庆生产的为主,促进重庆市CNG汽车产业的发展。4产业发展上CNG汽车相关产品生产项日一律按市级新产品对待,享受有关新产品优惠政策5建立CNG汽车推广应用和产业发展基金。基金来源由政府拿出-部分引导资金燃油汽车尾气超标罚款共同组成6组织有关院所、企业进一步加大技术开发和攻关力度解决产品存在的不足和缺陷,提高产品的档次和质量7加大招商引资力度,吸引国内、国外企业前来重庆投资建站、改车和参与天然气汽车产业的发展中国煤化工操清摘CNMHG87