天然气基车用替代燃料的节能减排分析

1、天然气基车用替代燃料的节能减排分析【摘要】以城市公交客车为应用对象，采用生命周期评价的方法，分析了 两种进口天然气（CNG和GTL）利用路径与传统柴油相比的石油节约和排放降低效果。分析结果表明，在生命周期范围 内,GTL路径的石油能耗降低 ,PM CO NOx SOx、THC排放分别降低 、% % % %, 但CO2排放升高%;CNG路径石油能耗降低99%,CO2 PMNOx和SOx排放分别降低 、% 26% %但CO和THC排放分别升高% 和。因此,天然气的利用可以 大幅度降低石油燃料的消耗和污染物的排放量， 其中压缩天然气路径的综合节能减排效果优于目前的 GTL技术路径。主题词生命周期评价

2、城市客车节能减排GTL CNGEn ergy Con servati on and Emissi on Reduct ion of Natural Gas BasedAlter nativeVehicle FuelsHAO Ha n, WANG Hewu, LI XihaoQUYANG Min ggao(State Key Laboratory of Automotive Safety and En ergy, Tsin ghua Uni versity)Abstract:The p etroleum-sav ing and emissio n-reductio neffects oftwo

3、imp orted n atural gas p athways (CNG and GTL) werean alyzed and p ared with traditi onal diesel p athway in city bus using life cycle assessme nt method. The results showed that withi nthe full life cycle, the GTL pathway decreased petroleum consump tion by %, and the amou nt of PM, CO, NOx, SOx an

4、d THC emissio n decreased by %, %, %, % and % respectively, while the CO2 emission in creased by %. The CNG p athway decreased p etroleum consump ti on by 99%, and the amou nt of CO2, P M, NOx and SOx emissio n decreased by %, %,26% and % res pectively, while the amount of CO and THC emissi on in cr

5、eased by % and %. Therefore, n atural gasbased alter native vehicle fuels could substa ntially reduce thep etroleum dema nds and p olluti on emissi on, while the CNG p athway had the better gen eral p erforma nee tha n the curre nt GTL p athway.Key words: Life Cycle Assessme nt; City Bus; En ergy Co

6、n servati onand Emissio n Reductio n; GTL; CNG1. 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。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。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。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),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

7、批量供应，一种新的利用方式 正在兴起，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，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；GTLGTL(4) CNG燃料的芳香烃含量几乎为零，有利于降低THC和颗粒排放； 燃料和CNG燃料硫含量几乎为零，有利于

8、降低颗粒物排放； 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。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，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,20XX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%。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，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

9、。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

10、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到该地区石油储量丰富，将其开采效率设为96%。原油从中东 地区 通过远 洋油 轮运输 到中 国,设 定其 海运距 10556公里，油轮的能量消耗率为/(MJ?km)11,使用的燃料为重油，相应的运输过程能量效率约为 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(1)能耗数据 能耗数据包

11、括原料开采、燃料生产以及运输分配等环节的%。柴95%、,考虑88% %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 /(MJ?km)和J/(MJ?km)11, 相应的运输过程能量效率分别为和。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。电力生产方面使用天然气

12、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。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升,GTL燃料客车的平均百公里油耗量为 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

13、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

14、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)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%,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%,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%,而传统柴油从原油开采到产品生产的

15、综合效率为%,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

16、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。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。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

17、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 %,其原因是GTL燃料的 芳香烃含量几乎为零，远少于传统柴油的含量，因此在车辆使用阶段的PM排 放相比柴油路径降低 %,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 %,其原因是CNG发动机采用火花点火方式，在车辆使

18、用阶段不产生 PM排放,比 柴油路径降低%,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。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 %,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 %,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%,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%,其主要原因是CNG发动 机采用火花点火的

19、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%,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,三种燃料路径在燃料生产阶段的排放GTL路径的THC排放量比柴油路径降,有利 于降低车辆使用阶段的THC排在全生命周期THC排放的比较中较少,主要的区别体现在车 辆使用阶段。低%,其原因是GTL燃料芳香烃含量较少 放，比柴油路径减少%,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%,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

20、柴油路径高出230%,导致 全生命周期排放较高。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%,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。CNG路径的NOx排放量比柴油路径降低26%,其原因是CNG发动机同时GTL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%。 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 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

21、，燃料生产阶段的排放占主要部分 中运输环节远洋油轮燃烧渣油SOx的排放因子为/kJ,原油锅炉的排放因子是 g/kJ,其他燃烧装置的 排放因子均不超过/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 %,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

22、柴油路径降低 %,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/(MJ?km)和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。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。CNGCO2CNG路径降低CO2排放的原因主要来自于 CNG燃料较低的碳

23、含量。 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 %,但由于 的碳含量只有75%,而传统柴油碳含量高达 %,其综合效果是CNG路径的 排放量比传统柴油降低了 。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%勺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排放比较综合节能减排效果评价根据上述分析，将减少石油消耗

24、、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

25、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 %, 而GTL路径提高了 %,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。参考文献黄承林.节能减排：汽车工业责无旁贷的使命J.商用汽车.20XX(9): 09.黄志甲，张旭.汽车替代燃料发展战略的探讨J.中国能源.20XX(008): 30-33.张抗.中国天然气发展的战略观J.天然气工业.20XX, 22(04):1-4.Chandler K, Malcosky N, Motta R, et al. Alternative Fuel Transit Bus Evaluation P rogram Res