天然氣基車用替代燃料的節(jié)能減排分析

1、天然氣基車用替代燃料的節(jié)能減排分析【摘要】以城市公交客車為應(yīng)用對(duì)象，采用生命周期評(píng)價(jià)的方法，分析了兩種進(jìn)口天然氣（CNG 和 GTL）利用路徑與傳 統(tǒng)柴油相比的石油節(jié)約和排放降低效果。分析結(jié)果表明，在生命周期范圍內(nèi)，GTL 路徑的石油能耗降低 99.4%，PM、CO、NOx、 SOx、THC 排放分別降低 33.9%、4.8%、7.3%、79.2%、20.9%，但 CO2 排放升高 23.4%；CNG 路徑石油能耗降低 99%，CO2、PM、NOx 和 SOx 排放分別降低 8.5%、84.7%、26%、64.5%，但 CO 和 THC 排放分別升高 52.9%和 197.9%。因此，天然氣的

2、利用可以 大幅度降低石油燃料的消耗和污染物的排放量，其中壓縮天然氣路徑的綜合節(jié)能減排效果優(yōu)于目前的 GTL 技術(shù)路徑。 主題詞 生命周期評(píng)價(jià) 城市客車 節(jié)能減排 GTL CNG Abstract: The petroleum-saving and emission-reduction effects of two imported natural gas pathways (CNG and GTL) were analyzed and compared with traditional diesel pathway in city bus using life cycle assessment

3、 method. The results showed that within the full life cycle, the GTL pathway decreased petroleum consumption by 99.4%, and the amount of PM, CO, NOx, SOx and THC emission decreased by 33.9%, 4.8%, 7.3%, 79.2% and 20.9% respectively, while the CO2 emission increased by 23.4%. The CNG pathway decrease

4、d petroleum consumption by 99%, and the amount of CO2, PM, NOx and SOx emission decreased by 8.5%, 84.7%, 26% and 64.5% respectively, while the amount of CO and THC emission increased by 52.9% and 197.9%. Therefore, natural gasbased alternative vehicle fuels could substantially reduce the petroleum

5、demands and pollution emission, while the CNG pathway had the better general performance than the current GTL pathway. Key words: Life Cycle Assessment; City Bus; Energy Conservation and Emission Reduction; GTL; CNG 1. 引言 資源我國(guó)石油能源相對(duì)緊缺，隨著汽車保有量的持續(xù)增加，車用能源安全供應(yīng)壓力劇增，環(huán)境空氣質(zhì) 量惡化日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排成為本世紀(jì)汽車工業(yè)的主要議題之一1 。大力

6、發(fā)展替代燃料，實(shí)現(xiàn)車用燃料的 多元化是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的有效途徑2 。我國(guó)天然氣儲(chǔ)量相對(duì)石油比較豐富，同時(shí)天然氣的全球資源儲(chǔ)量遠(yuǎn) 高于石油，天然氣在全球能源供應(yīng)中正逐步占據(jù)越來越重要的位置3 。 天然氣在交通領(lǐng)域的應(yīng)用已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，目前的主要利用方式是壓縮天然氣汽車（CNGV）4 ， 隨著天然氣合成液體燃料（GTL）技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，GTL 燃料開始批量供應(yīng)，一種新的利用方式 正在興起5 ，這為我國(guó)能源多元化的實(shí)現(xiàn)提供了更多的選擇。本文從節(jié)能減排的角度，利用全生命周期分 析評(píng)價(jià)的方法6 ，在公交客車試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)包括這一路徑在內(nèi)的天然氣基車用燃料進(jìn)行了分析并 與傳統(tǒng)石油基燃料路徑進(jìn)

7、行了比較。 2. 燃料特性與生產(chǎn)供應(yīng)路徑 2.1. 燃料特性比較 由表 1 可以看出，GTL 燃料與傳統(tǒng)柴油燃料特性的主要區(qū)別以及 CNG 燃料特性可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)： (1) GTL 燃料的十六烷值高，與傳統(tǒng)柴油相比，十六烷值高出 20 個(gè)單位，有利于改善燃料的燃燒性質(zhì)； (2) GTL 燃料的芳香烴含量幾乎為零，有利于降低 THC 和顆粒排放； (3) GTL 燃料和 CNG 燃料硫含量幾乎為零，有利于降低顆粒物排放； (4) CNG 燃料的辛烷值高，與廣泛使用的 97 號(hào)汽油相比，辛烷值高出 23 個(gè)單位，有利于提高壓縮比，提 高燃燒效率。 3. 車輛描述與運(yùn)行路線 3.1. 車輛描述

8、為了獲得客車在運(yùn)行時(shí)的能耗和排放數(shù)據(jù)，本文選擇在北京市公交系統(tǒng)中廣泛使用的 CNG 公交開展研究，具體參數(shù)見表 2： 表 2 客車參數(shù)對(duì)比 上游階段數(shù)據(jù) (1) 能耗數(shù)據(jù) 能耗數(shù)據(jù)包括原料開采、燃料生產(chǎn)以及運(yùn)輸分配等環(huán)節(jié)的能量效率以及消耗的過程燃料的比例。 其中，原油的開采在中東地區(qū)進(jìn)行，考慮到該地區(qū)石油儲(chǔ)量豐富，將其開采效率設(shè)為 96%10 。原油 從中東 地區(qū) 通過遠(yuǎn) 洋油 輪運(yùn)輸 到中 國(guó)，設(shè) 定其 海運(yùn)距 離 為 10556 公里， 油輪 的能量 消耗 率 為 0.7J/(MJkm)11 ，使用的燃料為重油，相應(yīng)的運(yùn)輸過程能量效率約為 99.3%。柴油、汽油、渣油的生產(chǎn)在 國(guó)內(nèi)煉油廠進(jìn)

9、行，其效率根據(jù)國(guó)內(nèi)情況分別設(shè)定為 95%、88%、95.5%12 。所有環(huán)節(jié)的過程燃料比例參考 GREET 模型11 并根據(jù)國(guó)內(nèi)情況做適當(dāng)修改12 。 天然氣的開采和處理以及 LNG 和 GTL 的生產(chǎn)均在澳大利亞進(jìn)行，認(rèn)為其生產(chǎn)效率與美國(guó)接近，所以 主要采用 GREET 模型中的數(shù)據(jù)11 ，同時(shí)參考國(guó)外相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù)13 。LNG 和 GTL 從澳大利亞通過遠(yuǎn)洋 油輪運(yùn)輸?shù)街袊?guó)，設(shè)定其海運(yùn)距離為 5334 公里，油輪的能量消耗率分別為 1.35J/(MJkm) 和 1.02 J/(MJkm)11 ，相應(yīng)的運(yùn)輸過程能量效率分別為 99.3%和 99.5%。LNG 和 GTL 的生產(chǎn)效率分別為 9

10、0%和 65%，并認(rèn)為使用單一天然氣作為過程燃料10 。電力生產(chǎn)方面使用天然氣進(jìn)行火力發(fā)電，效率設(shè)定為 40%11 。各種燃料路徑上游階段的能耗如表 3 所示。是 CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花點(diǎn)火方式，在車輛使用階段不產(chǎn)生 PM 排放，比柴油路徑降低 92.9%，所以全生命 周期 PM 排放大大降低。同時(shí)可以看出，天然氣基的兩種燃料路徑相比，CNG 路徑的 PM 排放量要小于 GTL 路徑。 (2) CO 排放 在全生命周期 CO 排放的比較中，GTL 路徑 CO 排放量與柴油路徑大體相當(dāng)，只減少了 4.8%，其原因 是 GTL 燃料生產(chǎn)效率較低，燃燒了 35%的過程燃料，產(chǎn)生了較多的 CO 排放，

11、但是在車輛使用階段，由 于 GTL 燃料的碳含量為 85%，低于柴油燃料的 86.6%，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)條件下，GTL 燃料的燃燒更 加充分，CO 排放減少 23.1%，所以綜合排放還是低于柴油路徑的排放。CNG 路徑 CO 排放量比柴油路徑 提高 52.9%，其主要原因是 CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花點(diǎn)火的方式，在氣缸壁附近容易燃燒不充分，在車輛使 用階段造成較多的 CO 排放，比柴油路徑提高 87.4%，雖然在生產(chǎn)階段 CNG 路徑的 CO 排放量相對(duì)較低， 但是綜合排放仍高于柴油路徑。 (3) THC 排放 在全生命周期 THC 排放的比較中，三種燃料路徑在燃料生產(chǎn)階段的排放較少，主要的區(qū)別

12、體現(xiàn)在車 輛使用階段。GTL 路徑的 THC 排放量比柴油路徑降低 20.9%，其原因是 GTL 燃料芳香烴含量較少，有利 于降低車輛使用階段的 THC 排放，比柴油路徑減少 23.5%，所以全生命周期排放較低。CNG 路徑的 THC 排放量比柴油路徑升高 197.9%，其原因是 CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花點(diǎn)火的方式，容易產(chǎn)生氣缸壁壁面淬熄效 應(yīng)，在車輛使用階段造成較多的 THC 排放，比柴油路徑高出 230%，導(dǎo)致全生命周期排放較高。 (4) NOx 排放 在全生命周期 NOx 排放的比較中，車輛使用階段的排放占主要部分。GTL 路徑的 NOx 排放量比柴油 路徑降低 7.3%，其原因是 GTL

13、 燃料的體積熱值相對(duì)較小，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度相對(duì)較低，所以在車輛使用階 段產(chǎn)生的 NOx 排放量比柴油路徑低 9.6%。CNG 路徑的 NOx 排放量比柴油路徑降低 26%，其原因是 CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度較低，降低了車輛使用階段的 NOx 排放，比柴油路徑降低了 27%。同時(shí)可以看出天然氣 基的兩種燃料路徑相比，CNG 路徑的 NOx 排放量要小于 GTL 路徑，其原因是 CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度更 低一些。 (5) SOx 排放 在全生命周期 SOx 排放的比較中，燃料生產(chǎn)階段的排放占主要部分，其中運(yùn)輸環(huán)節(jié)遠(yuǎn)洋油輪燃燒渣油 的排放因子為 1.42g/kJ，原油鍋爐的排放因子是 0.37 g/k

14、J，其他燃燒裝置的 SOx 排放因子均不超過 0.01g/kJ， 因此 SOx 排放主要取決于原油燃燒量以及海洋運(yùn)輸環(huán)節(jié)。GTL 路徑的 SOx 排放量相比柴油路徑降低 79.2%， 其原因是柴油在燃料生產(chǎn)過程中消耗了大量的原油作為過程燃料，其中原油開采環(huán)節(jié)有 60%的過程燃料是 原油，柴油生產(chǎn)環(huán)節(jié) 75%的過程燃料是原油；同時(shí)，由于柴油海運(yùn)的距離為 10556 公里，而 GTL 的海運(yùn) 距離為 5334 公里，所以消耗的渣油量也高于 GTL 路徑，綜合以上原因，柴油路徑的生命周期 SOx 排放高 于 GTL 路徑。CNG 路徑的 SOx 排放量相比柴油路徑降低 64.5%，其原因 GTL 路

15、徑。同時(shí)可以看出天然氣 基的兩種燃料路徑相比，CNG 路徑的 SOx 排放量要高于 GTL 路徑，由于兩者在燃料生產(chǎn)過程中不使用原 油，同時(shí)車輛使用階段基本不產(chǎn)生 SOx，差別主要體現(xiàn)在海運(yùn)使用的渣油量上。LNG 油輪和 GTL 油輪的 能量消耗率分別為 1.35J/(MJkm)和 1.02 J/(MJkm)，而且兩者海運(yùn)距離相同，所以 LNG 海運(yùn)使用的渣油更 多，造成了其 SOx 排放更高。 參考文獻(xiàn) 1 黃承林. 節(jié)能減排: 汽車工業(yè)責(zé)無旁貸的使命J. 商用汽車. 2007(9): 09. 2 黃志甲, 張旭. 汽車替代燃料發(fā)展戰(zhàn)略的探討J. 中國(guó)能源. 2001(008): 30-33

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