车船加注用液化天然气产品质量指标探讨

2022-04-20韩慧韩新强欧阳清华蔡黎刘川

石油工业技术监督 2022年4期

韩慧，韩新强，欧阳清华，蔡黎，刘川

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院（四川成都 610213）2.中国石油西南油气田公司天然气分析测试重点实验室（四川成都 610213）3.中国石油天然气集团公司天然气质量控制和能量计量重点实验室（四川成都 610213）4.中国石油天然气股份有限公司天然气销售分公司（北京 100000）5.中国石油西南油气田公司重庆气矿（重庆 400700）

0 引言

液化天然气作为交通运输工具的燃料主要是因为它具有环保和经济优势，被认为是一种理想的替代其他燃料的清洁性能源[1]，近年来，液化天然气作为车船用燃料在我国获得快速发展。国家发改委于2017 年6 月发布《加快推进天然气利用的意见》，提出实施交通燃料升级工程，明确要加快天然气车船发展，提高天然气在公共交通、货运物流、船舶燃料中的比重；加快加气站建设，在高速公路、国道省道沿线、矿区、物流集中区、旅游区、公路客运中心等，鼓励发展CNG 加气站、LNG 加气站、CNG/LNG 两用站、油气合建站等，支持具备场地等条件的加油站增加加气功能；交通运输部印发《内河航运发展纲要》，明确要求加大新能源清洁能源推广应用力度，推广LNG 节能环保船舶，完善水上绿色综合服务区、液化天然气加注码头等绿色服务体系建设。

根据LNG 本身的特性和作为车船燃料的使用特点,美国的国际自动机工程师学会（SAE International，原译为美国汽车工程师学会）于2011 年7 月发布了J 2699—2011《液化天然气车用燃料SAE 信息报告》（Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report）。该报告指出，LNG 的组成由于其具有“老化（Weathering）”特性，则会随时间发生变化[2]，在使用过程中应考虑发动机的使用特性等。该文件也指出LNG 在汽车中的使用将对汽车的排放、功能、维保和可靠性等方面产生影响。

中国LNG 标准涵盖了包括国家能源局、交通运输部、质检总局、出入境检验检疫总局等多部门制定的国家标准和行业标准[3]，但现阶段在我国涉及液化天然气质量指标的有：给出了液化天然气（LNG）的一般特性和LNG工业所用低温材料方面以及健康和安全方面指导的GB/T 19204—2020《液化天然气的一般特性》；规定了进出口液化天然气的技术要求、检验规则和质量评价方法的SN/T 2491—2010《进出口液化天然气质量评价标准》[4]和规定了液化天然气质量、试验方法、检验规则及存储与装运要求的GB/T 38753—2020《液化天然气》等3个标准。目前尚无车船用液化天然气燃料的质量控制指标和相关标准，为此有必要开展车船用液化天然气技术要求的标准研究，提出适用于车船发动机且满足国家安全环保要求的液化天然气产品质量标准，从而更好地促进液化天然气作为车船用燃料在我国的推广和应用。本文重点讨论我国天然气、液化天然气和相关汽车使用和排放标准要求，以期讨论形成适宜车船用液化天然气的质量指标要求。

1 国内外标准情况

1.1 国外相关标准的气质指标

SAE International于2011年7月发布的J2699—2011《液化天然气车用燃料SAE信息报告》中并未给出车用LNG质量要求，仅定性描述了汽车对LNG燃料的要求。并特别指出，由于LNG的组成具有“老化（Weathering）”特性，当环境热量传递至储罐内时，沸点最低的气体组分，例如氮气和甲烷，最先从液相蒸发到气相，这一特性提高了沸点较高组分（即乙烷、丙烷和其他重烃）在储罐内液相中的含量，从而直接影响到燃料的组成随时间发生变化。尤其是LNG中的氮气最先蒸发，使储罐内液面之上的气体燃料对于正常的发动机燃烧而言过“贫”（富含氮气）。“老化”还受LNG储罐传热效率、饱和方法及车辆燃料用量的影响[2]。

表1 为目前俄罗斯联邦ГОСТ Р 56021—2014《液化天然气内燃机燃料技术条件》标准对LNG 产品燃料质量等进行的划分或规定。

表1 ГОСТ Р 56021—2014《液化天然气内燃机燃料技术条件》气质指标要求

1.2 国内相关标准的气质指标

1.2.1 液化天然气产品质量标准

国家标准GB/T 38753—2020《液化天然气》[5]中根据甲烷含量和高热发热量对液化天然气进行了分类，并规定了适用于商品液化天然气的质量要求，具体技术指标见表2。

表2 液化天然气质量要求

国家出入境检验标准SN/T 2491—2010《进出口液化天然气质量评价标准》[6]规定了进出口液化天然气的技术要求、检验规则和质量评价方法，适用于进出口液化天然气的质量评价，其质量要求见表3。

表3 SN/T 2491—2010液化天然气技术指标

由两个产品标准的质量要求可以看到在液化天然气产品质量方面，主要还是分为三类指标对其进行规范：①使用特性发热量以及和发热量相关的各类天然气组成；②影响使用环保性的总硫指标；③影响使用和输送等安全性的硫化氢，氧气和氮气等指标。当LNG作为车船用燃料时，理应充分考虑相关指标与此类产品标准的一致性。

1.2.2 车船发动机燃料气质指标

GB 18047—2017《车用压缩天然气》[7]作为将天然气用于汽车燃料的产品质量国家强制标准，其中规定了包括使用特性，环保要求及安全类等三方面的指标要求，规定了车用压缩天然气的技术指标，具体要求见表4。

表4 车用压缩天然气的技术指标要求

JB/T 11792.1—2014《中大功率燃气发动机技术条件第1 部分：天然气发动机》[8]中规范了功率为500 kW 以上的非道路用天然气发动机使用的燃料天然气的技术指标，具体要求见表5。该标准在发热量使用特性方面使用低位发热量进行规定，并对总硫指标的要求较为宽泛。

表5 天然气发动机气质技术指标

1.2.3 车船发动机排放标准基准燃料气质指标

车用发动机的排放标准也是LNG 作为燃料应考虑的。国家强制标准GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[9]中规定了适用于天然气燃用的重型柴油车在型式检验中根据燃料气高位发热量范围不同采用不同基准天然气燃料的技术参数，具体见表6至表9。该标准对天然气质量的要求也应作为确定车船加注用LNG产品质量指标的依据。

表6 基准燃料GR

表7 基准燃料G20

表8 基准燃料G23

表9 基准燃料G25

2 LNG的质量气质分析及要求

2.1 进口液化天然气质量分析

目前国内已投运多个LNG接收站，每个接收站都不是单一气源进口，而且在有现货的情况下，气源组分不断有变化，每个接收站无法明确具体LNG气质组分，但这些接收站LNG来自全球主要LNG供应商，各气源地典型LNG产品的组分情况见表10。

表10 各气源地典型LNG产品组分

2.2 国内液化天然气质量气质分析

国内有以管道气、焦炉煤气乃至煤层气等为原料气的液化天然气生产单位LNG 的出厂指标，其LNG组成等性质见表11。

表11 国内部分LNG液化厂出厂液化天然气检测指标

从表11中数据可以看出，绝大部分国内自产的液化天然气发热量均大于37 MJ/m3。仅有少量的LNG发热量低于此限度，主要是由于煤层气作为液化天然气原料导致。通常煤层气中几乎只有甲烷而不含其他重烃组分，发热量也略低于37 MJ/m3，与表11的统计数据相当。

2.3 LNG发动机厂家对LNG气质的要求

为进一步满足不同发动机厂家对LNG 气体质量的要求。本文调研了不同LNG 车船发动机生产厂家和型号对LNG的要求。包括重汽、济柴、锡柴、潍柴、玉柴、富瑞特、雷诺等。整理调研结果，各种型号的LNG 车船发动机对气质指标的要求分布范围见表12。

表12 车船用LNG发动机厂家气质需求

3 液化天然气指标讨论

综合考虑液化天然气生产工艺流程，在冷却液化前须经过预处理。预处理部分包括原料气过滤、脱酸气单元及脱水脱汞单元，其作用是脱除天然气中含二氧化碳、硫化氢、水、苯和汞等杂质，防止这些杂质腐蚀设备及在低温下冻结堵塞设备和管道，保证冷箱正常运行。根据GB/T 38753—2020《液化天然气》质量要求及车船用LNG 发动机实际需求，结合液化天然气的气质特点，确定了车船用液化天然气的各项气质指标以甲烷、C4+烷烃、二氧化碳、氮气、氧气、总硫、硫化氢及高位体积发热量作为8 项质量指标，见表13。

表13 车船用液化天然气的技术指标

3.1 甲烷含量、高位体积发热量

甲烷含量是车船用液化天然气气质的重要控制指标。作为液化天然气中的最主要成分，甲烷含量直接影响发动机燃料的热值，若LNG燃料中含甲烷在内的所有烷烃含量过低，会导致发动机动力不足，气耗升高，功率受到影响。同时，甲烷作为高抗爆性的燃料，与LNG 发动机的爆震性直接相关。JB/T 11792.1—2014《中大功率燃气发动机技术条件第1部分：天然气发动机》中规定，为了确保发动机的功率和热耗率，燃料天然气应满足甲烷值不低于85%。为与GB/T 38753—2020《液化天然气》中对液化天然气的常规类分类指标一致，车船用发动机目前对LNG燃料气质甲烷摩尔分数的下限宜为86%。

对应的，车船用液化天然气高位发热量范围为不低于37.0 MJ/m3。在LNG 发动机爆发冲程中, 天然气燃烧后生成的水, 立即汽化并随废气一起排出，所以发动机中通常采用燃料的低热值来表现发动机所能利用的能量。根据换算，当液化天然气高位发热量范围不低于37.0 MJ/m3时，其低位发热量已满足在JB/T 11792.1—2014《中大功率燃气发动机技术条件第1部分：天然气发动机》中规定天然气低热值不低于33.5 MJ/m3要求。

3.2 C4+烷烃

多碳烷烃含量过多，会导致LNG燃料的辛烷值变低，发动机发生爆震燃烧，部分未燃混合气因受正常火焰焰面的压缩和热辐射作用而生产大量不稳定的过氧化物。在正常火焰焰面尚未传到之前，过氧化物就发生剧烈分解而自燃，形成一个或多个火焰中心向四面八方传播。爆震燃烧对发动机的危害极大。它不仅导致发动机功率急剧下降，燃料消耗量明显上升，严重时还会引起活塞和气门烧坏，轴瓦破裂等故障，导致发动机损坏或无法正常使用。美国气体研究院（GRI）用ASTM 的辛烷值评定方法测量了天然气燃料的马达法辛烷值（MON），推导出数学关联式来计算气体燃料的辛烷值：

式中：x1为甲烷的摩尔分数；x2为乙烷的摩尔分数；x3为丙烷的摩尔分数；x4为丁烷的摩尔分数；x5为二氧化碳的摩尔分数；x6为氮气的摩尔分数。

由数学关联式可知，天然气中的C2组分能提高燃料抗爆性，C3组分含量会降低燃料的抗爆性，C4组分含量会大幅度地降低燃料的抗爆性。C2、C3对燃料的抗爆性影响远小于C4组分对其的影响。根据调研情况统计，我国LNG 生产企业成品LNG 中C2、C3组分的含量变化幅度较大，各LNG接收站接收的来源全球主要供应商的LNG中C2、C3组分变化也较大，GB/T 38753—2020《液化天然气》也未对指标作出具体规定。因此，不宜对C2、C3的范围进行界定。

LNG 中的C4+烷烃主要包括正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷等烃类。正丁烷等多碳烷烃的存在会大幅度地降低燃料的抗爆性，导致发动机更易发生爆震造成损坏。同时，C4+烷烃含量过高会导致燃料的热值产生波动，对发动机的稳定性造成影响。根据调研，目前国内液化天然气厂家生产的成品LNG和全球主要LNG供应商提供的进口LNG中甲烷C4+烷烃的摩尔数分均在2%以下，依据GB/T 38753—2020中要求，C4+摩尔分数宜不大于2%。

3.3 二氧化碳

液化天然气生产过程的预处理单元已对原料气中的二氧化碳进行了深度脱除，防止低温下二氧化碳冻结堵塞设备和管道，所以成品LNG中已基本不含二氧化碳。全球主要LNG 供应商提供的进口LNG 中也基本不含二氧化碳。依据GB/T 38753—2020《液化天然气》中要求，将二氧化碳摩尔分数限定为不大于0.01%。

3.4 氮气

氮气作为惰性气体，不参与燃烧反应，其含量对LNG燃料的热值有较大影响，含量过高会导致发动机动力不足。同时，由于在LNG中氮气的沸点最低，储存过程中会先于其他组分蒸发，但其相对分子质量大于甲烷，使得下部的氮受热气化，无法挥发出LNG 的表面，从而加速下部密度下降，因此LNG 中氮气的含量越多会使其翻滚的可能性越大。根据GB/T 19204—2020《液化天然气的一般特性》[10]中规定，保持LNG氮气含量低于1%，可预防此类翻滚。氮气摩尔分数宜不大于1.0%。

3.5 氧气

LNG 中氧气的存在可能会造成燃料储罐及发动机内部的腐蚀，影响发动机性能。一般而言LNG中含氧量非常低。根据调研，国内液化天然气厂家生产的成品LNG 和全球主要LNG 供应商提供的进口LNG 中氧气摩尔分数一般在0.1%以下。氧气摩尔分数宜不大于0.1%。

3.6 硫化氢和总硫

LNG 燃料中硫含量过高会腐蚀发动机冷却器及燃烧室组件，进一步影响热交换和热平衡，导致发动机损坏甚至报废。同时，硫含量还直接影响发动机尾气中硫化物排放。在船用燃料方面，国际海事组织（IMO）规定自2020 年1 月1 日起，全球船舶燃油硫含量由不应超过3.5%（质量分数）的标准降至不超过0.5%（质量分数）的标准。在车用燃料方面，GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中规定的适用于装用以天然气或液化石油气作为燃料的点燃式发动机汽车在型式检验中采用的基准NG燃料的含硫量均不大于10 mg/m3。对于LNG 而言，在净化和液化工艺已对硫化氢进行深度脱除，所以基本不含硫化氢和总硫。根据调研，国内液化天然气厂家生产的成品LNG 和全球主要LNG 供应商提供的进口LNG 中硫化氢含量在3.5 mg/m3以下，总硫含量在5 mg/m3以下。为进一步体现LNG作为清洁能源的优势，因此，硫化氢浓度宜不超过3.5 mg/m3，总硫浓度宜不超过5.0 mg/m3。