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2 0 1 4 年 第8 卷 第 1 期 天 然 气 技 术 与 经 济 Na t u r M Ga s Te c h n o l o g y a n d Ec o no my Vo 1 ． 8． No ． 1 F e b ． 2 01 4 d o i 1 0 ．3 9 6 9／ j ． i s s n ．2 0 9 5 1 1 3 2 ． 2 0 1 4 ．0 1 ． 0 1 7 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6 1 0 0 5 1 摘要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C N G和L NG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L N G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L N G燃料的相关技术规范和船舶L N G加气站点的设计及建设标准，以适应 L N G船舶运输 业的高速发展 。 关键词 机动车机动船蕾代燃料可行性分析 文献标志码B 文章编号2 0 9 5 1 1 3 2 2 0 1 4 0 1 0 0 6 2 0 4 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。 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 C N G 和液化天然气 L N G 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 C NG 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L N G燃料 。 1 天然气替代机动车、船燃油的优势 2 C N G fl L N G机动车可行性分析 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。 天然气作为机动车发动机燃料始于2 0 世纪3 0 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。 C N G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 收稿 日期 2 0 1 31 02 1 修订 日期 2 0 1 40 1 1 5 作者简介上协琴 1 9 4 2 一 ，高级工程师，中国石油和石化工程研究会理事，天然气专业委员会副主任，} ∈ 期从书天然气 程技 术T作。 62／N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o m y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第4 3 期 天然气技术与经济 市场与价格 秀。随着 L N G 机动车载储存器 储气瓶 、罐 技术取 得成功突破 ，以及C N G自身存在的一些局限性，使 L N G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C N G 和L N G 机动车并行发展的局面。 2 ． 1 C N G机动车 截至2 0 1 1 年 ，全球共有 8 3 个国家和地区在推广 使用 C N G机动车 ，共有机动车 1 6 0 0 1 0 4 辆，C N G加 气站两万座。我国到2 0 1 1 年 6 月底 ，已有3 1 个省 、 市、自治区 不含中国台湾和港澳特区 在使用 C N G 机动车 ，机动车保有量为 1 3 9 ． 2 x 1 0 辆 ，加气站 1 9 7 4 座 [ J ] ，其保有量已超过意大利 7 6 1 0 辆 和印度 1 1 0 1 0 辆 ，仅 次于 巴基斯坦 2 8 5 x 1 0 4 辆 、伊 朗 2 0 7 1 0 辆 、阿根 廷 1 9 2 1 0 辆 和 巴西 1 8 7 1 0 辆 ，居世界第5 位。C N G 加气站数量仅次于巴基斯 坦 3 2 7 3 座 居世界第二位。我国四川省C N G 机动车 保有量最多，有2 9 ．2 8 1 0 4 辆 ，加气站2 6 6 座 ；其次 是新疆，有 2 8 ． 2 1 0 辆 ，加气站2 2 7 座，两省区占全 国C N G机动车保有量的4 2 ％。 美国是世界第一汽车大国，但 C N G机动车只有 1 3 1 0 4 辆，但却很重视在大都市飞机场的公交交通上 使用 C N G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2 0 世纪9 0 年代，美国 大都市的机场车队就在广泛使用 C N G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D e l t a 、全美 、联合 及联合快车航空等几家大航空公司的C N G 行李牵引 车 、叉车等地勤车也加入机场车队运行 ；使用C N G 机动车的机场有洛杉矶国际机场等 1 O 个国际机场 ] 。 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 2 0 1 1 年 1 月 1 2日宣布 ， 已完成对该市最后2 2 2 1 辆柴油公交车的C N G 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 L N G机动车 虽然L N G和C N G同为车用天然气燃料 ，但C N G 为压缩气体 ，密度低 ，车载储存器 瓶 、罐 质量 重 ，使 C N G机动车续驶里程受限；而 L N G则为液 体 ，密度高，存储器质量轻 ，适合车辆长距离行 驶 。L N G和 C N G两种燃料 的车载特点 和性能差异见 表 1 。 表 1 L N G I 3 C N G的车载特点和性能差异表 说明1 ． 计算热值 时，L N G组成视为纯 甲烷，C N G压力为2 0 MP a ；2 ． C N G 气质符合我国民用燃料天然气Ⅱ 类技术指标。 从表 1 可看出① 车载L N G 为液体，C N G 为压 缩气体 ，相同体积的L N G和 2 0 M P a 压力的C N G相 比，L N G的质量为C N G的2 ．6 5 倍，因此装载相同质 量的C N G的储存器体积就要 比L N G大得多 ，加之 C N G储存器为高压容器 ，比低压 L N G储存器重得 多 ，从而大大降低 了C N G机动车的有效载荷 ；② L N G的能量密度远大于 C N G，因此 车载相 同体积 的 L N G和C N G ，L N G 机动车有更长的续驶里程；③ 向 车充注 L N G比充注相同质量的 C N G用时更短。譬 如 ，充注 3 7 5 L的L N G只需时 3 mi n ，而充注相 同质 量的C N G则需时2 0 m i n ；④ L N G 不含硫，因此L N G 机动车排放比C N G机动车更清洁环保 ；⑤ C N G 3 气 站 的用 电功 率 为 同规模 L N G加气 站 的 3 倍 多 ，且 C N G压 缩 机为 最大 用 电设备 ，需 要 软启动 方式 启 动。L N G加气站则不存在此问题；⑥ L N G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 ，C N G则不那么方便。 通过 以上对 比可 以看 出 ，L N G是替代大功率和 长途行驶机动车燃油的理想清洁燃料。 L N G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L N G 储存器 ， 这需要将通过辐射 、对流、传导途径进人 L N G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L N G的情况下，5 天内气瓶温度不升 天然气技术与经济 ／ 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 卷 王协琴天然气替代机动车船燃油的可行性分析 第 1 期 高 、不排气，1 0 天后瓶内仍有不低于 1 0 ％的液体 ， 气瓶温度仍保持在一 1 6 2 ％[ 3] 。真空隔热瓶已能满足 机动车的使用要求，使 L N G 在交通运输领域中大规 模使用成为可能。 当前使用 L N G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” 。 L N G 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 L NG 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 3 2 5 5 辆柴油公交车更换为 L N G公交车 ，到 2 0 1 3 年底 ，北京市用 L N G 作燃料的公交车总数超过 5 6 8 0 辆；河北保定市是当前L N G公交车发展速度较 快且普及率较高的城市。该市于2 0 1 2 年 9 月才开始 购进L N G公交车 ，到2 0 1 3 年4 月全市就已有6 9 4 辆 L N G城市公交车和2 3 0辆 L NG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 1 2 6 0 辆 ，2 0 1 3 年底 突破 1 7 0 0 辆 。计划在今后 2～3 年 内，将市 区内全部公交车和 8 0％单程在 3 0 0 k m以 内的城际客车 约4 0 0 辆 使用天然气燃料，新购客车 全部为 L N G车 。 目前 ，我国 已有近 1 0 0个城市推广 L N G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 L N G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 。L NG “ 重 卡 ”有全 部燃 用 L N G的单燃 料 “ 重 卡”和 L N G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L N G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 L N G “ 重 卡”市场 5 成 以上份额 的陕西重汽集 团为例 ，2 0 1 1 年 L N G “ 重 卡”销 售量仅 有 2 0 0 0辆 ，2 0 1 2 年 增加 到 8 0 0 0 辆 ，2 0 1 3 年前 5 个月就 已售出 6 5 0 0 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 L N G “ 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L N G机动车， 包括市 内公交车 、城际客车和 “ 重卡” ，2 0 1 1 年仅有 0 ． 6 1 0 辆 ，加气站 2 4 1 座 ；2 0 1 2 年为 7 ． 1 X 1 0 辆 ，加 气站 8 1 1 座 ，截至2 0 1 3 年4 月，L N G机动车已达到 6 4／N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o my 9 ．4 1 0 4 辆，加气站 1 1 5 9 座，发展势头十分强劲。按 此发展速度 ，预计 2 0 1 5 年我国 L N G机动车保有量将 超过 2 5 x 1 0 辆 ，到 2 0 2 0 年将达到 1 0 0 1 0 辆 ，发展速 度处于世界前列。 3 L N G 机动船可行性分析 早在 1 9 6 4年 L N G燃料就开始应用于专 门的运输 船 ，但直到 2 0 0 0 年才开始用 于其他类 型船舶 。截至 2 0 1 1 年底 ，全球进行商业化运营的 L N G机动船只有 2 2 艘 ，主要为挪威沿海岸运行 的小型渡轮 H ] 。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 E C A ，以及 船舶污染防治国际公约 规定，从 2 0 1 5 年1 月 1 日 起，在E C A 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 E C A 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L N G的节能环保技术。据挪威船级 社预测到2 0 2 0 年 ，全球以L N G为燃料的新建船舶将 达到 1 0 0 0 艘 ，改装船的数量将更多 E s I 。 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7 0％ 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L N G 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 L N G机动船 ，因而从 2 0 1 0 年开始我 国船运 业就着手研发 L N G- 4 - 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 L N G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C O 减排2 O％， N O 减排 4 0％，S O 减排 8 0％，颗粒物减排 9 O％。噪 音也有明显降低 ，柴油替代率可达6 0％～8 0％，使 燃料成本降低2 0 ％ 左右；改造费用低，1 ～ 2 年便可 回收改造成本 ，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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第4 3 期 天然气技术与经济 市场与价格 改气” 。截至2 0 1 3 年5 月，我国已完成 “ 油改气”的 船舶超过 1 8 0 艘 ，其中2 2 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 L N G的机动船还有 渔船 、旅游船等。 由于至今尚无船舶使用L N G的技术规范和船用 L N G加气站点的设计建设标准，当前实施的 “ 油改 气”工程，只能按2 0 1 l 一 2 0 1 2 年中国船级社和国家海 事局先后出台的，以L N G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2 0 1 2 年出台 关于加快长江等内河水运发展的意 见 ， 我国计划在 l 0 年内建成畅通、高效、平安、绿 色的现代化水运体系。到2 0 2 0 年全国水上货运量将 达 到 3 0 0 x 1 0 。 t ，机动船功率将 在现有基础上增 长 6 0 多倍 ；1 0 年内，将建成 l 0 座水上L N G 3 U 气站，在 长江沿途布置3 0 0 0 个L N G 机动船加气点。为此，必 须加快建立并尽快颁布船舶使用 L N G的技术规范和 船用L N G加气站的设计建设标准，才能适应L N G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 1 6％，2 0 1 2 年 自产天然气 1 4 4 5 ． 7 1 0 m ，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 L N G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4 0 0 x 1 0 m ／ 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 2 0 1 2 年我 国已建成投运 L N G 接收终端 5 座 ，形成 2 7 4 0 1 0 t ／ a 的L N G接收能 力，2 0 1 2 年进口L N G 1 3 3 2 x 1 0 4t ，约合2 0 0 x 1 0 m 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 8 3 1 0 x 1 0 t ／ a 的接收能力 ] 。因此，机动 车、船用天然气资源有充分保障。 截至 2 0 1 2 年 ，我 国天然气管道总里程 已达 6 ． 6 1 0 4 k in，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C N G 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 L N G 工厂达到7 9 座，大部分位于西部地区，已形成 9 0 0 x 1 0 t ／ a 的生产能力 ，随着新建L N G工厂的陆续 投运 ，L N G自产量还会不断增加。另外 ，这些 L N G 工厂与东部地区的 L N G接收终端相呼应 ，布局合 理 ，有利于我 国的L N G机动车 、船的平衡发展。 5 结论 1 天然气是当今世界替代道路交通领域机动车 燃油的最现实可行的清洁燃料。 2 在道 路交通 运输领 域 ，C N G和 L N G各有优 势 ，正在并行发展。 3 L N G正成为替代内陆江河和海洋机动船舶柴 油和其他燃料油的首选清洁燃料。 4 目前 ，在道路交通运输领域尚未形成有效的 L N G加气 网络 ，因而存在 L N G机动车加气难 的问 题 ，只有增加加气站点 ，形成有效网络，才能适应 L N G 机动车的高速发展。 5 当前还没有船舶使用 L N G的技术规范和船用 L N G加气站点的设计建设标准，大大影响了L N G机 动船舶产业的快速发展 ，只有尽快编制完成并颁布 L N G 机动船的相关规范标准 ，才能彻底改变当前的 被动局面。 参考文献 [ 1 ]李永昌．中国燃气汽车的发展历程掠影 [ J ] ．油气世界 ， 2 0 1 2 2 6 - 1 6 ． [ 2 ]王协琴．美国大都市飞机场的天然气汽车[ J ] ． 天然气汽 车信息，1 9 9 7 2 2 3 ． [ 3 ]肖雄建．发展 L N G重卡四个问题须解决 E J 3 ．油气世界 ， 2 o 1 2 9 2 3 2 4 ． [ 4 ]王鲁荃．L N G点亮中国船用燃料市场新前景[ J ] _ 油气世 界 ，2 0 1 2 8 9 1 2 ． [ 5 ]王沛仕．L N G动力船 的现状与发展趋势 [ J ] ．油气世界 ， 2 0 1 3 7 3 O 一 3 2 ． [ 6 ]卞学庄．长江物流 L N G船舶工程 [ J ] ．油气世界 ，2 0 1 1 7 2 2 2 5 ． [ 7 ]黄跃峰．内河运输 L N G船舶技术发展动 向[ J ] ．油气世 界 ，2 0 1 3 2 2 9 3 0 ． [ 8 ]钱伯 章．中国L N G市场 与前 景 [ J ] ．油 气世 界 ，2 0 1 1 1 1 5 1 1 ． 编辑 蒋龙 天然气技术与经济 ／ 65 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m