天然气基车用替代燃料的节能减排浅析

1. 引言

资源我国石油能源相对紧缺,随着汽车保有量的持续增加,车用能源安全供应压力剧增,环境空气质 量恶化日趋严重,节能减排成为本世纪汽车工业的主要议题之一[1] 。大力发展替代燃料,实现车用燃料的 多元化是应对这些挑战的有效途径[2] 。我国天然气储量相对石油比较丰富,同时天然气的全球资源储量远 高于石油,天然气在全球能源供应中正逐步占据越来越重要的位置[3] 。

天然气在交通领域的应用已有相当长的历史,目前的主要利用方式是压缩天然气汽车(CNGV)[4] , 随着天然气合成液体燃料(GTL)技术的成熟和产业化发展,GTL 燃料开始批量供应,一种新的利用方式 正在兴起[5] ,这为我国能源多元化的实现提供了更多的选择。本文从节能减排的角度,利用全生命周期分 析评价的方法[6] ,在公交客车试验结果的基础上,对包括这一路径在内的天然气基车用燃料进行了分析并 与传统石油基燃料路径进行了比较。

2. 燃料特性与生产供应路径

2.1. 燃料特性比较

由表 1 可以看出,GTL 燃料与传统柴油燃料特性的主要区别以及 CNG 燃料特性可以总结为以下几点:

(1) GTL 燃料的十六烷值高,与传统柴油相比,十六烷值高出 20 个单位,有利于改善燃料的燃烧性质;

(2) GTL 燃料的芳香烃含量几乎为零,有利于降低 THC 和颗粒排放;

(3) GTL 燃料和 CNG 燃料硫含量几乎为零,有利于降低颗粒物排放;

(4) CNG 燃料的辛烷值高,与广泛使用的 97 号汽油相比,辛烷值高出 23 个单位,有利于提高压缩比,提

高燃烧效率。

2.2. 供应路径设定

石油方面,目前我国石油进口依存度接近 50,其中约有 60的进口原油来自中东地区[7] ,因此设

定原油从中东地区海运至中国,然后在国内炼油厂生产加工,最后供国内柴油客车使用。

天然气方面,2007 年我国进口 291 万吨 LNG,其中有 248 万吨来自澳大利亚,占总进口量的 85[8] 。 因此设定 LNG 从澳大利亚海运至中国,在国内加气站气化生产 CNG 供客车使用。

由于澳大利亚正在建设 GTL 工厂[9] ,为尽量统一燃料来源,设定 GTL 燃料利用澳大利亚的天然气生 产,然后从澳大利亚海运至中国。

图 1 为三条燃料原料开采-产品生产-运输-利用的路径设定。

图 1 供应路径设定

3. 车辆描述与运行路线

3.1. 车辆描述 为了获得客车在运行时的能耗和排放数据,本文选择在北京市公交系统中广泛使用的

CNG 公交开展研究,具体参数见表 2:

表 2 客车参数对比

3.2. 运行路线

为了全面反映北京市公共交通的运行状况,经过调研,选取了包含城市交通拥堵路段、市内快速交通

路段、城乡结合路段在内的试验线路,具体线路如图 2。试验线路总长 44km,其中拥堵路段 18km,快速 交通路段 15km,城乡结合路段 11km。

图 2 运行路线

分析模型

模型设定 在全生命周期评价模型分析中,在对结果的影响可以忽略的前提下,做如下设定:

忽略除海运以外的运输和分配环节。

忽略 LNG 气化制取 CNG 环节的能耗和排放。

在计算上游阶段某环节排放时,除电力生产外,只考虑该环节过程燃料燃烧所产生的排放,不考虑生 产过程燃料时产生的排放。

每种过程燃料只设定一种最具代表性的燃烧装置。

上游阶段数据

(1) 能耗数据 能耗数据包括原料开采、燃料生产以及运输分配等环节的能量效率以及消耗的过程燃料的比例。 其中,原油的开采在中东地区进行,考虑到该地区石油储量丰富,将其开采效率设为 96[10] 。原油

从中东 地区 通过远 洋油 轮运输 到中 国,设 定其 海运距 离 为 10556 公里, 油轮 的能量 消耗 率 为

0.7J/(MJ?km)[11] ,使用的燃料为重油,相应的运输过程能量效率约为 99.3。柴油、汽油、渣油的生产在 国内炼油厂进行,其效率根据国内情况分别设定为 95、88、95.5[12] 。所有环节的过程燃料比例参考 GREET 模型[11] 并根据国内情况做适当修改[12] 。

天然气的开采和处理以及 LNG 和 GTL 的生产均在澳大利亚进行,认为其生产效率与美国接近,所以 主要采用 GREET 模型中的数据[11] ,同时参考国外相关报告数据[13] 。LNG 和 GTL 从澳大利亚通过远洋

油轮运输到中国,设定其海运距离为 5334 公里,油轮的能量消耗率分别为 1.35J/(MJ?km) 和 1.02

J/(MJ?km)[11] ,相应的运输过程能量效率分别为 99.3和 99.5。LNG 和 GTL 的生产效率分别为 90和

65,并认为使用单一天然气作为过程燃料[10] 。电力生产方面使用天然气进行火力发电,效率设定为 40[11] 。各种燃料路径上游阶段的能耗如表 3 所示。

(2) 排放数据

排放数据包括各种燃烧装置的排放因子,每种过程燃料只设定一种最具代表性的燃烧装置,排放因子

参考 GREET 模型根据国内实际情况做一定调整[12] ,具体的设定如表 4 所示。

4.3. 下游阶段数据

(1) 燃料消耗

车辆的燃料消耗来自于 12 米柴油和 CNG 公交车实际运行结果。其中,柴油客车的平均百公里油耗量

为 40.12 升,GTL 燃料客车的平均百公里油耗量为 40.56 升,CNG 燃料客车的平均百公里油耗量为 35kg。 为便于比较,根据各燃料的质量密度和能量密度,将其转化为百公里能耗,具体结果见表 5。

(2) 排放

利用实验室发动机 ESC 循环测试,获得了三种燃料在对应发动机上应用的综合排放和综合

能源消耗, 由于循环测试工况来自于道路运行路谱的分析,具有比较广泛的代表性,因此认为实际道路运行的排放与 实验室 ESC 测试排放具有对应关系。利用 ESC 循环的燃料消耗和道路运行的百公里油耗,将 ESC 排放转 换到车辆道路运行排放[14] 。各种燃料车辆运行阶段的 CO2 排放量采用碳平衡的方法计算获得。三种车辆 的排放的具体数值见表 5。 表 5 下游车辆使用阶段主要数据

总能耗(kJ/100km)或排放(g/100km)

5. 全生命周期分析结果比较

根据上述的设定和实际测试结果,通过模型计算,获得了三种燃料的在公交客车上使用的能源消耗、

污染物排放等指标的全生命周期分析结果,具体数值如表 6 所示。表 6 还给出了 GTL 路径与 CNG 路径相

对于传统柴油路径的节能减排效果。

表 6 生命周期分析结果

总能耗(kJ/100km)或排放(g/100km)

5.1. 总能源消耗

如图 3 所示,在全生命周期内,两种天然气基燃料路径的总能源消耗均高于传统柴油路径。其中,GTL

路径的能耗超过柴油路径 38.3,其原因是 GTL 燃料在生产阶段的效率仅为 65,远低于传统柴油生产阶

段 95的能源效率,而其在使用阶段采用了效率基本相同的发动机技术。而 CNG 路径的能耗超过柴油路

径 23.9,其原因是上游阶段和下游使用阶段的能源效率都比较低,天然气开采、处理和 LNG 生产的综合 效率只有 87.3,而传统柴油从原油开采到产品生产的综合效率为 91.2,二者在上游阶段相比有 4 个百 分点的能源效率差距;而在车辆使用阶段,CNG 路径使用的发动机为火花点火式,受爆震等因素的限制, 其压缩比相比传统压缩着火式柴油发动机要低,导致车辆使用阶段燃油消耗高、能源效率较低。

从图 3 还可以看出,天然气基的两种燃料路径相比,CNG 路径的总能源效率要高于 GTL 路径。其主 要原因是 GTL 燃料在生产过程中要经过气化、FT 合成等化工过程,消耗大量过程能源,仅在此过程就要 消耗 35的过程能源,而 CNG 路径只需要经过燃料的液化这一物理过程,能源消耗相对低得多。尽管在 车辆使用阶段,GTL 路径的燃料消耗比 CNG 路径低,但也不能弥补燃料生产阶段的大量能源消耗,因此 GTL 路径的总能源效率较低。如果能够改进燃料生产阶段。高效利用化工过程的余热,提高 GTL 生产过 程的能源利用效率,发挥 GTL 燃料与传统燃料供应体系和车辆技术完全兼容的特性,GTL 燃料路径仍然 具有独特的竞争优势。

5.2. 石油替代

图 4 为三种燃料路径在全生命周期内,石油消耗的比较。由图可以看出,无论是 GTL 路径还是 CNG 路径,均能大幅度降低石油能源的消耗,降低幅度均超过 99。其中不足 1的石油消耗来自于天然气开 采机具使用的柴油和海洋运输过程中油轮燃烧的渣油。因此,使用天然气基车用燃料是大幅度降低车用石 油需求的有效途径之一。

5.3. 污染物排放比较

图 5 比较了三种燃料路径在不同阶段和全生命周期内的常规污染物排放和硫化物(SOx)排放。总体 上,与传统柴油路径相比,除 CNG 路径的 CO 和 THC 排放外,两种天然气基燃料路径的排放物都得有所 降低,具有减排的能力。

(1) PM 排放

在全生命周期 PM 排放的比较中,三种燃料路径的差别主要体现在车辆使用阶段。GTL 路径 PM 排放 量相比柴油路径减少了 33.9,其原因是 GTL 燃料的芳香烃含量几乎为零,远少于传统柴油 17.4的含量, 因此在车辆使用阶段的 PM 排放相比柴油路径降低 36.1,而两条路径在燃料生产阶段 PM 排放基本相同, 所以全生命周期排放 GTL 路径低于柴油路径。CNG 路径 PM 排放量相比柴油路径减少了 84.7,其原因>

是 CNG 发动机采用火花点火方式,在车辆使用阶段不产生 PM 排放,比柴油路径降低 92.9,所以全生命 周期 PM 排放大大降低。同时可以看出,天然气基的两种燃料路径相比,CNG 路径的 PM 排放量要小于 GTL 路径。

(2) CO 排放

在全生命周期 CO 排放的比较中,GTL 路径 CO 排放量与柴油路径大体相当,只减少了 4.8,其原因

是 GTL 燃料生产效率较低,燃烧了 35的过程燃料,产生了较多的 CO 排放,但是在车辆使用阶段,由

于 GTL 燃料的碳含量为 85,低于柴油燃料的 86.6,在相同的发动机技术条件下,GTL 燃料的燃烧更 加充分,CO 排放减少 23.1,所以综合排放还是低于柴油路径的排放。CNG 路径 CO 排放量比柴油路径 提高 52.9,其主要原因是 CNG 发动机采用火花点火的方式,在气缸壁附近容易燃烧不充分,在车辆使 用阶段造成较多的 CO 排放,比柴油路径提高 87.4,虽然在生产阶段 CNG 路径的 CO 排放量相对较低,

但是综合排放仍高于柴油路径。

(3) THC 排放

在全生命周期 THC>！< 排放的比较中,三种燃料路径在燃料生产阶段的排放较少,主要的区别体现在车 辆使用阶段。GTL 路径的 THC 排放量比柴油路径降低 20.9,其原因是 GTL 燃料芳香烃含量较少,有利 于降低车辆使用阶段的 THC 排放,比柴油路径减少 23.5,所以全生命周期排放较低。CNG 路径的 THC 排放量比柴油路径升高 197.9,其原因是 CNG 发动机采用火花点火的方式,容易产生气缸壁壁面淬熄效 应,在车辆使用阶段造成较多的 THC 排放,比柴油路径高出 230,导致全生命周期排放较高。

(4) NOx 排放

在全生命周期 NOx 排放的比较中,车辆使用阶段的排放占主要部分。GTL 路径的 NOx 排放量比柴油 路径降低 7.3,其原因是 GTL 燃料的体积热值相对较小,发动机燃烧温度相对较低,所以在车辆使用阶 段产生的 NOx 排放量比柴油路径低 9.6。CNG 路径的 NOx 排放量比柴油路径降低 26,其原因是 CNG 发动机燃烧温度较低,降低了车辆使用阶段的 NOx 排放,比柴油路径降低了 27。同时可以看出天然气 基的两种燃料路径相比,CNG 路径的 NOx 排放量要小于 GTL 路径,其原因是 CNG 发动机的燃烧温度更 低一些。

(5) SOx 排放

在全生命周期 SOx 排放的比较中,燃料生产阶段的排放占主要部分,其中运输环节远洋油轮燃烧渣油

的排放因子为 1.42g/kJ,原油锅炉的排放因子是 0.37 g/kJ,其他燃烧装置的 SOx 排放因子均不超过 0.01g/kJ,

因此 SOx 排放主要取决于原油燃烧量以及海洋运输环节。GTL 路径的 SOx 排放量相比柴油路径降低 79.2, 其原因是柴油在燃料生产过程中消耗了大量的原油作为过程燃料,其中原油开采环节有 60的过程燃料是 原油,柴油生产环节 75的过程燃料是原油;同时,由于柴油海运的距离为 10556 公里,而 GTL 的海运 距离为 5334 公里,所以消耗的渣油量也高于 GTL 路径,综合以上原因,柴油路径的生命周期 SOx 排放高

于 GTL 路径。CNG 路径的 SOx 排放量相比柴油路径降低 64.5,其原因 GTL 路径。同时可以看出天然气 基的两种燃料路径相比,CNG 路径的 SOx 排放量要高于 GTL 路径,由于两者在燃料生产过程中不使用原 油,同时车辆使用阶段基本不产生

SOx,差别主要体现在海运使用的渣油量上。LNG 油轮和 GTL 油轮的 能量消耗率分别为 1.35J/(MJ?km)和 1.02 J/(MJ?km),而且两者海运距离相同,所以 LNG 海运使用的渣油更 多,造成了其 SOx 排放更高。 5.4. CO2 排放比较

由图 6 三种燃料的 CO2 排放的比较可以看出,与传统柴油路径相比,CNG 路径能够降低 CO2 排放,

而 GTL 路径增加了 CO2 的排放。

CNG 路径降低 CO2 排放的原因主要来自于 CNG 燃料较低的碳含量。由表 6 的数据可知,CNG 路径 的总化石能源消耗量比传统柴油高 23.9,但由于 CNG 的碳含量只有 75,而传统柴油碳含量高达 86.6, 其综合效果是 CNG 路径的 CO2 排放量比传统柴油降低了 8.5。

GTL 路径导致 CO2 排放上升的原因在于燃料的生产阶段消耗了额外 35的天然气作为过程燃料,这 些天然气燃烧产生大量的 CO2 排放。尽管生产 GTL 的原料天然气的碳含量低,会降低 CO2 排放量,但仍 然不能弥补过多的过程燃料燃烧导致的 CO2 排放升高。如果过程燃料采用其他可再生能源,如风能、水能 等,GTL 路径的 CO2 排放可以降低到与 CNG 相同的水平。

全生命周期CO2排放比较

5.5. 综合节能减排效果评价

根据上述分析,将减少石油消耗、降低污染物排放和温室气体排放等效果进行综合考虑,获得了表 7

的评价结果。GTL 路径和 CNG 路径都能够有效降低石油能耗和常规污染物排放。但在温室气体排放方面,目前的 GTL 技术路径与当前抑制全球气候变化的要求不相符,CNG 路径是一种节能减排效果十分显着的

方案。

6. 结论

(1) 在全生命周期内,两种天然气基燃料路径的总能源消耗均高于传统柴油路径。但无论是 GTL 路径还

是 CNG 路径,均能大幅度降低石油能源的消耗,降低幅度均超过 99。因此,使用天然气基车用燃 料是大幅度降低车用石油需求的有效途径之一。

(2) 与传统柴油路径相比,除 CNG 路径的 CO 和 THC 排放外,两种天然气基燃料路径的排放物都得有所 降低,具有减排的能力。

(3) 与传统柴油路径相比,CNG 路径的 CO2 排放量比传统柴油降低了 8.5,而 GTL 路径提高了 23.4, 因此在温室气体排放方面,CNG 技术路线更加具有优势。

(4) 将减少石油消耗、降低污染物排放和温室气体排放等效果进行综合考虑,CNG 路径的节能减排效果更 加突出。如果能够改进 GTL 路径的燃料生产阶段,发挥 GTL 燃料与传统燃料供应体系和车辆技术完 全兼容的特性,GTL 燃料路径仍然具有独特的竞争优势。