NG之技

文_宋喜秀



NG之技

文_宋喜秀

气体车用燃料为数众多：CNG、LNG、ANG、NGH、LPG等，涉及工艺、成本、实用性等诸多原因，使用最多的还是CNG和LNG。本文特对比分析了各种气体燃料的技术路线。

绿色可持续发展的新理念，开启了能源供给侧结构性改革的新征程。全面认识气体燃料，尤其是天然气(英文缩写：NG)技术的优势与潜力，刷新能源创新格局，对于促进气体燃料汽车技术优化升级具有重要的现实意义。

天然气的主要成分是轻烷烃，其中甲烷(CH4)占绝大多数，另有少量的乙烷(C2H6)、丙烷和丁烷。轻烷烃组分结构的先天优势，决定了天然气作为汽车动力燃料的突出特点：分子结构中的氢原子比重高于汽油等燃料，燃烧产物更加低碳环保；沸点低而燃点高，燃烧过程更加安全可靠；甲烷的辛烷值与异辛烷不相上下，更优于93#汽油的93％，抗爆燃能力强，可以采用比汽油机更高的压缩比提高燃烧效率。以天然气作为动力燃料的汽车，英文缩写NGV(Natural Gas Vehicle)，曾有环保人士美其名曰“开往春天的汽车”。除了优势，天然气也有先天不足：常温常压条件下，低热值不高，能量密度偏低，直接用作汽车动力燃料时，续航里程十分有限，加气过程又相对较慢。

人们在NG的改进上，也是投入了相当大的精力。2009年颁布实施的GB/T 18437—2009《燃气汽车改装技术要求》，使燃油车加NG的“油改气”热潮蔚然成风；2016年1月1日实施的《大气污染防治法》第59条规定的“在用重型柴油车、非道路移动机械未安装污染控制装置或者污染控制装置不符合要求，不能达标排放的，应当加装或者更换符合要求的污染控制装置”，给NG技术新的生机。下面就来介绍一下，目前比较常用的NG路线。

表1　NG、CNG与汽油的热力学指标对比

1　CNG

压缩天然气，英文缩写CNG的理论基础在于保持环境温度不变(绝热)的条件下，增加容器对于气体的压力，可以相应减少气体体积，从而提高气体的单位热值、能量密度等各种热力学性能指标。

1.1 高压有上限

将0.1～0.8 MPa 的低压天然气，通过天然气压缩机加压到20～25 MPa的高压，存储在高压储气钢瓶中，就变成了CNG。从NG到CNG，天然气的气体状态保持不变，压力提高了250倍，体积缩小到1/250左右，密度由原来的0.72kg/m3提高到了2.5kg/m3左右，其他性能指标也发生了显著变化(见表1)。

从理论上来说，增加气瓶容积或者进一步提高气体压力，就能够增加车载CNG质量，进而延长CNG汽车的续航里程了。但实际上，高压有上限，气瓶容积和耐压水平不仅有气瓶材料材质和制作工艺水平的限制，还有有关车辆总体布局的质量轴荷、外廓尺寸等参数方面的技术要求。20～25 MPa 的存储压力，是各种工程技术能够兼容的最高上限。

高压有上限，短途最划算。由于CNG压力及容积的局限性，使其仅适用于气源富集地区周围的城市公交、轻型物流等短途运输车辆范围。

1.2 压缩有底线

有一利必有一弊。从加气站的压缩机、加气机到车载CNG储气瓶，CNG的高压之路充满了“三高”风险。

一是产品标准高。天然气压缩机加压过程中，很容易把水分、PM颗粒等杂质带入加气柱，进而通过加气机、车载气瓶进入汽车发动机，造成发动机故障及排放指标恶化。为此加气站在加压之前，还必须对天然气进行过滤、计量、调压、深度脱水等预处理，保障出站的CNG质量符合国家标准GB 18047《车用压缩天然气》的各项规定(见表2)。

二是配套要求高。为了保证汽车加气作业速度和CNG流量要求，加气站还要购置多级压缩机组及足够多的储气柱等储气装置。加气站的高投入需要加气价来回报，才能形成车流与气网相互呼应的CNG产业链。如果“车多站少”造成加气站堵车，或者“车少站多”引起气价倒挂，都是不利于NG产业发展的。在我国沿海发达地区，功能齐全、密集分布的NG接收和加售网点与川流不息的NGV已经形成了良性循环。

三是气罐的安全管理。CNG储气装置属于典型的压力容器，有3道安全管理关。首先是检测关，CNG储气产品检验应按照GB 17258—2011《车用压缩天然气钢瓶》，Q/JB THB007《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》等标准规定的流程进行静水压力爆破试验、压力循环测试、耐火测试、坠落试验和枪击试验等安全测试和试验；其次是监督关，压力容器的生产、安装、维修、改造等过程都必须接受有关部门的检查验收和监督；最后是防护关，车载CNG供气系统还要设计防爆、防撞和防漏的各种安全保护装置，预防安全事故发生。

表2　GB　18047《车用压缩天然气》规定的部分内容

1.3 燃烧是关键

从化学原理分析，CNG比燃油清洁，但是，把清洁能源转化为现实技术，还必须符合发动机的热力学规律。CNG不能直接供给发动机燃烧室燃烧，必须经过减压并与空气进行混合，形成质量为16.7:1的空燃比才能供给发动机。

与燃油发动机燃烧方式类似，天然气发动机也有点燃与压燃2大类，混合气喷射控制也有直喷与电喷2种模式。压燃式NGV适用于柴油机改造，继承了柴油机高效率的工作方式，启动时用全柴油压燃，加载时只增加天然气的流量，通过改变天然气与柴油的比例增加发动机功率，这就是现在的 “柴油+天然气”双燃料发动机。

据统计，截止2015年6月30日，我国CNG公交车保有量虽然已经突破20.5万辆，居世界第一位。尽管如此，也仅占汽车保有量1.63亿辆的1.2‰，显示了无限广阔的市场空间。但是，就短途运输市场而言，风起云涌的电动汽车似乎更具优势：整备质量更低、加速减速更快、补充电能更便捷、维修保养更容易……二者PK，NG之技，需另辟蹊径。

表3　LNG的物理性质

2　LNG

气体不仅可以压缩，还可以冷凝。天然气的物理性质表明，甲烷的沸点是—162℃。也就是说，以甲烷为主要组成的天然气低温冷却至—162℃，即可成为密度更高的LNG(液化天然气)。

由表3可以看出，LNG的密度是NG的620(424/0.72)倍，是CNG的170(424/2.5)倍，所以，LNG是密度最高的天然气浓缩产品。用作汽车动力燃料，则是性价比最高最适合长途运输的绿色能源。

2.1 液化化解污染

天然气经过深度冷冻之后，变成了最干净的液体——杂质在液化过程中变成固体被清除，LNG几乎是液态的纯甲烷了。无色、无味、无毒的LNG，经过车载吸热气化装置气化之后，就是最洁净最环保最安全的可燃气体了。

从美国查特(CHART)工业公司1990年发明车用LNG气瓶至今，LNG贸易曾经一度成为全球能源市场的新热点，LNG汽车也经过了20余年的高利润黄金时代。

2.2 气化化作互动

LNG低温储罐为双层结构，内胆一般选择耐低温合金钢储存低温液体，承受介质的压力和低温。外壳为内胆的保护层，通常选用常用的容器钢。外壳与内胆之间的真空绝热空间充装珠光砂等绝热材料，承受介质的重力负荷及真空负压。

低温储罐内的LNG经过吸热、气化和调压，在维持低温储罐内部气相空间与液相空间压力平衡，同时为发动机提供足够压力的常温天然气。出液管路安装在储罐下面，有利于LNG液体从储罐底部管路出液；出气管路安装在储罐上面，与出液管路并联在一起，出气管路中的顺序阀保证优先供应气态天然气到发动机；供气管路中安装有增压汽化器和增压阀、过流阀、调压阀等控制装置，汽化器的安装高度低于储罐的最低液位。低温储罐出液以储罐的内部压力为动力，当储罐内的气体压力低于增压汽化器和增压阀的设定压力值时，增压阀打开，罐内液体流入增压汽化器，液体气化产生气体，经气相管补充到罐体内，使罐体内部压力回升，当压力回升到增压阀的设定压力值以上时，增压阀关闭，增压过程结束；如果吸热、气化和调压供气过程出现气体泄漏，供气管路上的过流阀会自动关闭并停止供气。

由于天然气的天然特性及低温储罐内外温差的存在，LNG会自动吸热、自动气化，并突破密封装置在罐体外蒸发，储罐蒸发率一般低于0.2％。LNG蒸发到一定程度，低温储罐内部压力下降，发动机就会无法启动。必须补充气源或充装LNG，才能恢复罐內压力，维持发动机工作状态。为了保证出气管路与出液管路的密封性与安全性，LNG安装过程必须严格执行GB/T 20734-2006《液化天然气汽车专用装置安装要求》。

安全可靠的LNG增压气化过程，为LNG汽车长距离续航提供了技术保障，能够全面覆盖市区公交、城际客运、重型货运等各种专用车市场，令电动汽车望尘莫及。

2.3 冷凝凝聚冷能

LNG经过汽化器气化后进入发动机，气化过程释放包括气化潜热和升温显热在内的大约830 kJ/kg的冷能，这一部分冷能在技术上完全可以回收，并与各类专用汽车的特定功能系统的制冷装置进行热交换。如发动机的散热系统，驾驶室的致冷空调系统，冷链运输车的冷冻系统等。但是，气化过程释放的冷能与专门的制冷装置进行热交换，需要增加配置，增加配置又会增加成本。只有进一步优化配置、简化结构、降低购置和应用成本，才能立于不败之地。

3　常温温存数NG

除了CNG汽车、LNG汽车，在NG汽车大家庭中，还有LPG、ANG 和NGH等3种常温NG车型。

3.1 常温液化LPG

实验证明，甲烷可以溶解在丙烷、丁烷或其混合溶剂中，而且溶解度随压力的增加和温度的降低而提高。所以，人们将原油提炼过程中产生的LPG(液化石油气)定义为丙烷、丁烷的混合物。实际上，以常温液态的形式存储的LPG是石油和天然气在适当的压力条件下形成的混合物，丙烷含量95％以上，还有少量的丁烷、丙烯、丁烯，因为LPG存储和流通成本低廉，燃烧释放的热量高于LNG，曾经广泛应用于人们的生产生活。

液化石油气来自于油气田和炼油厂。炼油厂液化石油气由于含有大量的烯烃，不能直接作为汽车燃料。油气田液化石油气主要是丙烷、丁烷组成，可直接作为汽车燃料。在中国香港等地区，以LPG为燃料的轻型汽车、公交车不乏其例。

LPG发动机普遍由汽油机改装而成。LPG单位重量提供的能量(低热值)比汽油高8％，所以，在理论上LPG汽车具有更低的油耗和更高的续航里程。

表4　轻质烷烃热值表

3.2 温存载体ANG

由于超级活性炭的比表面积高达3 000 m2/g，美国、加拿大、日本等国利用超级活性炭进行储气的吸附储存天然气，英文缩写ANG(Absorbed Nature Gas，)的研究越来越多，日本丰田公司不仅在汽车尾气净化领域使用了超级活性炭，甚至试图将ANG技术用作汽车燃料来源。

吸附储气的原理是在储气容器中以特殊方法装填超级活性炭作为吸附剂，利用气体表面分子与气体分子之间的作用力远远高于气体分子之间作用力的规律，使吸附剂表面附近的气体浓度大大高于气相主体浓度。由于孔径越小，气体分子之间的这种作用力越强，所以微孔能够被气体分子全部填满。国内相关实验证明，装有吸附剂的1 m3的气瓶，在3.5 MPa压力条件下可以容纳120～170 m3天然气。

当然，将ANG用于汽车还要采取升温、降压等解吸技术，才能将天然气迅速释放出来。

3.3 继往开来NGH

NGH是天然气水合物(Nature Gas Hydrate)的简称。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“气冰” “可燃冰”和“固体瓦斯”。NGH可以在低压常温条件下长期存储，NGH燃烧几乎不产生任何残渣，是NG众兄弟中运输和存放成本最低的形态。

据估计，陆地上20.7％和大洋底90％的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。近几年来发现的海底天然气水合物贮存量，超过已知天然气、石油和煤蕴藏量总和的2倍，所以是一种潜在燃料资源。

2007年5月1日，我国在南海珠江口成功钻获NGH实物样品，成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到NGH实物样品的国家。据测算，南海蕴藏的NGH为700 亿t石油当量。

目前，NGH用在交通设备上，还存在一系列的技术和工程障碍。需将NGH中的气体先分解释放，然后再燃烧，而不能直接燃烧水合物。尽管如此，人们还是对NGH汽车充满了期待。