天然气替代机动车船燃油的可行性分析

时间：2024-07-28

王协琴

（中国石油和石化工程研究会天然气专业委员会，四川成都 610051）

天然气替代机动车船燃油的可行性分析

王协琴

（中国石油和石化工程研究会天然气专业委员会，四川成都 610051）

针对当今交通领域机动车、船排放的尾气造成严重的污染问题，以及日趋严格的废气排放限制标准陆续出台的情况，通过阐述替代机动车、船燃油的清洁能源的基本要求，指出天然气是机动车、船用燃油最现实可行的替代燃料。介绍了机动车使用CNG和LNG发展模式及历程，分析了道路交通和水上运输领域车船使用LNG燃料所取得的经济和环保效益、天然气及其相关产业展现出的光明前景和巨大商机以及我国交通运输领域规模应用天然气的资源供给保障情况，建议加快建立船舶使用LNG燃料的相关技术规范和船舶LNG加气站点的设计及建设标准，以适应LNG船舶运输业的高速发展。

机动车机动船替代燃料可行性分析

0 引言

随着对交通运输领域车船排放的废气造成污染的非议之声日益高涨，以及日趋严格的排放限制标准的出台，使陆路和水上交通运输业以及海运业的燃料选择都将目光投向了能替代燃油的天然气。为此，笔者拟就天然气替代机动车、船燃油作为现实的可行燃料作一个可行性分析。

1 天然气替代机动车、船燃油的优势

交通运输领域用清洁能源替代机动车、船发动机用燃油，是解决机动车、船排气污染的有效措施。替代燃油的清洁能源应满足以下要求：资源的可适应性、技术的可靠性、排放的环保性、成本的经济性、使用的方便性、政策的可行性。

在当今世界正在研发的诸多清洁能源中，天然气以资源丰富、价格低廉、使用方便、技术成熟可靠等特点，能满足替代机动车、船燃油的基本要求，成为当今现实可行的，能替代机动车、船燃油的理想清洁能源。我国和世界其他各国都在加大用天然气替代机动车、船用燃油的推广力度。

当前用作机动车、船燃料的天然气，因承载方式不同而分为压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）两类，二者各有优势。通常对建设有天然气管网的城市地区，包括市内公交汽车和出租车宜使用CNG燃料；对长途行驶的城际客车、物流运输车和大功率工程车（简称“车卡”，包括牵引车、装载车、自卸车、混凝土搅拌车、非公路矿用车等），则适合使用LNG燃料。

2 CNG和LNG机动车可行性分析

天然气作为机动车发动机燃料始于20世纪30年代的意大利。当时意大利缺少石油，开始用自产天然气替代燃油用作汽车发动机的燃料。二战结束后，世界相继发现大油田，且油价低廉，致使天然气替代车用燃油的进程几乎停滞，直至经历三次石油危机，油价不断攀升，天然气替代车用燃油才又提上日程。在高油价和越来越严格的机动车排气污染控制的双重压力下，天然气替代车用燃油的进程大大加快。

CNG机动车发展时间长，工艺相对简单，技术成熟可靠，多年来一直是天然气机动车中的一枝独

秀。随着LNG机动车载储存器（储气瓶、罐）技术取得成功突破，以及CNG自身存在的一些局限性，使LNG机动车在近几年内实现快速发展，呈现了在道路交通领域中CNG和LNG机动车并行发展的局面。

2.1 CNG机动车

截至2011年，全球共有83个国家和地区在推广使用CNG机动车，共有机动车1600×104辆，CNG加气站两万座。我国到2011年6月底，已有31个省、市、自治区（不含中国台湾和港澳特区）在使用CNG机动车，机动车保有量为139.2×104辆，加气站1974座［1］，其保有量已超过意大利（76×104辆）和印度（110×104辆），仅次于巴基斯坦（285×104辆）、伊朗（207×104辆）、阿根廷（192×104辆）和巴西（187×104辆），居世界第5位。CNG加气站数量仅次于巴基斯坦（3273座）居世界第二位。我国四川省CNG机动车保有量最多，有29.28×104辆，加气站266座；其次是新疆，有28.2×104辆，加气站227座，两省区占全国CNG机动车保有量的42%。

美国是世界第一汽车大国，但CNG机动车只有13×104辆，但却很重视在大都市飞机场的公交交通上使用CNG机动车。在美国人看来，大都市飞机场是十分繁忙的国际国内快捷旅行的旅客集散地，旅客密度大，服务车辆多，为了旅客的健康，需要机场有一个清洁的大气环境。早在20世纪90年代，美国大都市的机场车队就在广泛使用CNG机动车，包括地勤车、运货车、装载车、短距离区间客车，以及不上公路的其他机场车辆，同时Delta、全美、联合及联合快车航空等几家大航空公司的CNG行李牵引车、叉车等地勤车也加入机场车队运行；使用CNG机动车的机场有洛杉矶国际机场等10个国际机场［2］。随着美国开发页岩气取得成功，国内天然气价格大大降低，近年来美国交通运输领域也开始在城市大力推广用天然气替代公交车燃油的行动，洛杉矶市走在前列。该市公交公司于2011年1月12日宣布，已完成对该市最后2221辆柴油公交车的CNG燃料改造，使洛杉矶市成为全美首个在公交系统中全面使用清洁燃料的城市。

2.2 LNG机动车

虽然LNG和CNG同为车用天然气燃料，但CNG为压缩气体，密度低，车载储存器（瓶、罐）质量重，使CNG机动车续驶里程受限；而LNG则为液体，密度高，存储器质量轻，适合车辆长距离行驶。LNG和CNG两种燃料的车载特点和性能差异见表1。

表1 LNG和CNG的车载特点和性能差异表

从表1可看出：①车载LNG为液体，CNG为压缩气体，相同体积的LNG和20MPa压力的CNG相比，LNG的质量为CNG的2.65倍，因此装载相同质量的CNG的储存器体积就要比LNG大得多，加之CNG储存器为高压容器，比低压LNG储存器重得多，从而大大降低了CNG机动车的有效载荷；②LNG的能量密度远大于CNG，因此车载相同体积的LNG和CNG，LNG机动车有更长的续驶里程；③向车充注LNG比充注相同质量的CNG用时更短。譬如，充注375L的LNG只需时3min，而充注相同质量的CNG则需时20min；④LNG不含硫，因此LNG机动车排放比CNG机动车更清洁环保；⑤CNG加气站的用电功率为同规模LNG加气站的3倍多，且CNG压缩机为最大用电设备，需要软启动方式启动。LNG加气站则不存在此问题；⑥LNG可像燃油那样方便地进行运输、分配和对车载储存器进行充注，CNG则不那么方便。

通过以上对比可以看出，LNG是替代大功率和长途行驶机动车燃油的理想清洁燃料。

LNG能否大规模用作机动车的发动机燃料，关键是要研制出适合机动车行驶特点的LNG储存器，这需要将通过辐射、对流、传导途径进入LNG的热量降至最低。近年来真空隔热技术已成功解决了这一问题。对真空隔热存储瓶产品进行的测试结果表明，在储瓶灌满LNG的情况下，5天内气瓶温度不升

高、不排气，10天后瓶内仍有不低于10%的液体，气瓶温度仍保持在-162℃［3］。真空隔热瓶已能满足机动车的使用要求，使LNG在交通运输领域中大规模使用成为可能。

当前使用LNG的机动车，主要是替代使用柴油燃料的大功率城市公交车、城际客车和“车卡”。

LNG替代柴油所带来的巨大环保效益和经济效益，使我国道路交通运输业大大加快推广机动车使用LNG燃料的步伐。

1）城市公交车方面。当前北京市公交集团正在将淘汰的3255辆柴油公交车更换为LNG公交车，到2013年底，北京市用LNG作燃料的公交车总数超过5680辆；河北保定市是当前LNG公交车发展速度较快且普及率较高的城市。该市于2012年9月才开始购进LNG公交车，到2013年4月全市就已有694辆LNG城市公交车和230辆LNG城际公交车投入营运，加上气电混合动力车，清洁燃料机动车总数已达到1260辆，2013年底突破1700辆。计划在今后2～3年内，将市区内全部公交车和80%单程在300km以内的城际客车（约400辆）使用天然气燃料，新购客车全部为LNG车。目前，我国已有近100个城市推广LNG公交车。

2）“重卡”车方面。近年来物流行业因高油价导致的高运输成本，使行业面临业务增加而利润下滑的局面。用LNG替代柴油，不仅可大大降低营运成本，而且十分环保，给萎靡不振的物流业带来生机。LNG“重卡”有全部燃用LNG的单燃料“重卡”和LNG＋柴油的双燃料“重卡”，订购的新车为单燃料“重卡”，只有那些将原柴油“重卡”进行改造后混烧LNG和柴油的才是双燃料“重卡”。目前使用得最多的是单燃料“重卡”。以占我国LNG“重卡”市场5成以上份额的陕西重汽集团为例，2011年LNG“重卡”销售量仅有2000辆，2012年增加到8000辆，2013年前5个月就已售出6500辆。此外，中国重汽集团、福田欧曼重汽等企业销售的“重卡”也在快速增长。目前LNG“重卡”已在新疆、山西、陕西、河北、内蒙古、河南、宁夏、江苏等地广泛使用，并得到越来越多的用户认可。

据中国道路运输协会统计：我国LNG机动车，包括市内公交车、城际客车和“重卡”，2011年仅有0.6×104辆，加气站241座；2012年为7.1×104辆，加气站811座，截至2013年4月，LNG机动车已达到9.4×104辆，加气站1159座，发展势头十分强劲。按此发展速度，预计2015年我国LNG机动车保有量将超过25×104辆，到2020年将达到100×104辆，发展速度处于世界前列。

3 LNG机动船可行性分析

早在1964年LNG燃料就开始应用于专门的运输船，但直到2000年才开始用于其他类型船舶。截至2011年底，全球进行商业化运营的LNG机动船只有22艘，主要为挪威沿海岸运行的小型渡轮［4］。另外还有少许海洋供应船和巡逻船。

随着波罗的海、北海、北美沿海设立排放控制区（ECA），以及《船舶污染防治国际公约》规定，从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过0.1%。而且从发展趋势看，设立ECA的海域还会扩大，迫使世界众多的海运业主纷纷加紧研发船舶使用LNG的节能环保技术。据挪威船级社预测到2020年，全球以LNG为燃料的新建船舶将达到1000艘，改装船的数量将更多［5］。

近年来，我国船用柴油价格一路攀升，国前船用柴油成本已占到船舶营运成本的70%以上，使我国江河船舶营运业陷入困境。加之我国也将开始对船舶污染物排放实施控制，以防止船舶所排废气对江河、湖泊沿岸造成日益严重的污染。用LNG替代船用柴油，既可降低成本又可达到排放要求，使船运业走出困境，实现复苏。

我国江河柴油机动船数量庞大，不可能弃而改用全燃用LNG机动船，因而从2010年开始我国船运业就着手研发LNG＋柴油双燃料动力技术，将现有船舶的柴油燃料系统改造为双燃料系统，双燃料中LNG为主燃料，柴油为引燃料。该技术在长江、京杭大运河、珠江的拖轮、货轮上进行试航模式下，发动机在不同工况下的参数稳定，智能系统能精确控制两种燃料供给量，动力性与原柴油机相当，发动机能方便、快捷进行燃料转换，在发动机额定工况下污染物排放量明显降低，其中CO2减排20%，NOX减排40%，SOX减排80%，颗粒物减排90%。噪音也有明显降低，柴油替代率可达60%～80%，使燃料成本降低20%左右；改造费用低，1～2年便可回收改造成本［6］，具有明显的经济和环保效益。

双燃料动力船试航成功所展现的光明前景，使船运业主们纷纷对所展船舶进行改造，称之为“油

改气”。截至2013年5月，我国已完成“油改气”的船舶超过180艘，其中22艘已获国家海事局审批，发展形势大大超过预期。“油改气”的船舶除货轮、拖轮等运输船外，正在推广使用LNG的机动船还有渔船、旅游船等。

由于至今尚无船舶使用LNG的技术规范和船用LNG加气站点的设计建设标准，当前实施的“油改气”工程，只能按2011-2012年中国船级社和国家海事局先后出台的，以LNG为燃料的船舶，在技术校验和行业规范方面的指导性文件进行。随着国务院于2012年出台《关于加快长江等内河水运发展的意见》，我国计划在10年内建成畅通、高效、平安、绿色的现代化水运体系。到2020年全国水上货运量将达到300×108t，机动船功率将在现有基础上增长60多倍［7］；10年内，将建成10座水上LNG加气站，在长江沿途布置3000个LNG机动船加气点。为此，必须加快建立并尽快颁布船舶使用LNG的技术规范和船用LNG加气站的设计建设标准，才能适应LNG机动船运输的高速发展。

4 机动车、船用天然气资源供给分析

我国消费天然气分自产和进口两部分。自产天然气年均增长16%，2012年自产天然气1445.7× 108m3，随着页岩气等非常规天然气开发，自产天然气量还将大幅增长；进口天然气分管道天然气和LNG两类。随着中亚、中缅天然气管道建成投运，我国已可进口管道天然气400×108m3／a以上，待中亚天然气二期工程建成投产后，进口管道天然气量还会进一步增加；截至2012年我国已建成投运LNG接收终端5座，形成2740×104t／a的LNG接收能力，2012年进口LNG1332×104t，约合200×108m3天然气；还有3座在建和7座拟建，全部接收终端建成后将形成8310×104t／a的接收能力［8］。因此，机动车、船用天然气资源有充分保障。

截至2012年，我国天然气管道总里程已达6.6× 104km，已基本形成覆盖全国各省、市、自治区的天然气管网，并向中小城市延伸，为CNG机动车的继续快速发展提供了有利条件；我国已建成投运的LNG工厂达到79座，大部分位于西部地区，已形成900×104t／a的生产能力，随着新建LNG工厂的陆续投运，LNG自产量还会不断增加。另外，这些LNG工厂与东部地区的LNG接收终端相呼应，布局合理，有利于我国的LNG机动车、船的平衡发展。