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)用對象，采用生命周期評價(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 ,PM CO NOx SOx、THC排放分別降低 、% % % %, 但CO2排放升高%;CNG路徑石油能耗降低99%,CO2 PMNOx和SOx排放分別降低 、% 26% %但CO和THC排放分別升高% 和。因此,天然氣的利用可以 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。主題詞生命周期評價(jià)

2、城市客車節(jié)能減排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. 引言資源我國石油能源相對緊缺，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。大力發(fā)展替代燃料，實(shí)現(xiàn)車用燃料的多元化是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的有 效途徑。我國天然氣儲(chǔ)量相對石油比較豐富，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。天然氣在交通領(lǐng)域的應(yīng)用已有相當(dāng)長的歷史，目前的主要利用方式是壓縮天然氣汽車(CNGV),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

7、批量供應(yīng)，一種新的利用方式 正在興起，這為我國能源多元化 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 析評價(jià)的 方法，在公交客車試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對包括這一路徑在內(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)行了比較。2. 燃料特性與生產(chǎn)供應(yīng)路徑燃料特性比較由表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)；GTLGTL(4) CNG燃料的芳香烴含量幾乎為零，有利于降低THC和顆粒排放； 燃料和CNG燃料硫含量幾乎為零，有利于

8、降低顆粒物排放； 燃料的辛烷值高，與廣泛使用的97號汽油相比，辛烷值高出23個(gè)單位,有利于提高壓縮比，提高燃燒效率。供應(yīng)路徑設(shè)定石油方面,目前我國石油進(jìn)口依存度接近 50%,其中約有60%的進(jìn)口原油 來自中東地區(qū)，因此設(shè)定原油從中東地區(qū)海運(yùn)至中國，然后在國內(nèi)煉油廠生產(chǎn)加工，最后供國內(nèi) 柴油客車使用。天然氣方面,20XX年我國進(jìn)口 291萬噸LNG,其中有248萬噸來自澳 大利亞，占總進(jìn)口量的85%。因此設(shè)定LNG從澳大利亞海運(yùn)至中國，在國內(nèi)加 氣站氣化生產(chǎn)CNG供客車使用。由于澳大利亞正在建設(shè) GTL工廠，為盡量統(tǒng)一燃料來源，設(shè)定GTL燃 料利用澳大利亞的天然氣生 產(chǎn)，然后從澳大利亞海運(yùn)至中國

9、。圖1為三條燃料原料開采-產(chǎn)品生產(chǎn)-運(yùn)輸-利用的路徑設(shè)定。圖1供應(yīng)路徑設(shè)定3. 車輛描述與運(yùn)行路線車輛描述 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)對比運(yùn)行路線為了全面反映北京市公共交通的運(yùn)行狀況，經(jīng)過調(diào)研,選取了包含城市交 通擁堵路段、市內(nèi)快速交通路段、城鄉(xiāng)結(jié)合路段在內(nèi)的試驗(yàn)線路，具體線路如圖2。試驗(yàn)線路總長44km,其中擁堵路段18km,快速 交通路段15km,城鄉(xiāng)結(jié)合路段11km。圖2運(yùn)行路線分析模型模型設(shè)定 在全生命周期評價(jià)模型分析中，在對結(jié)果的影響可以忽略的前 提下,做如下設(shè)定：忽略除海運(yùn)以外的運(yùn)輸

10、和分配環(huán)節(jié)。忽略LNG氣化制取CNG環(huán)節(jié)的能耗和排放。在計(jì)算上游階段某環(huán)節(jié)排放時(shí)，除電力生產(chǎn)外，只考慮該環(huán)節(jié)過程燃料燃 燒所產(chǎn)生的排放，不考慮生 產(chǎn)過程燃料時(shí)產(chǎn)生的排放。每種過程燃料只設(shè)定一種最具代表性的燃燒裝置。上游階段數(shù)據(jù)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)行到該地區(qū)石油儲(chǔ)量豐富，將其開采效率設(shè)為96%。原油從中東 地區(qū) 通過遠(yuǎn) 洋油 輪運(yùn)輸 到中 國,設(shè) 定其 海運(yùn)距 10556公里，油輪的能量消耗率為/(MJ?km)11,使用的燃料為重油，相應(yīng)的運(yùn)輸過程能量效率約為 油、汽油、渣油的生產(chǎn)在 國內(nèi)煉油廠進(jìn)行，其效率根據(jù)國內(nèi)情況分別設(shè)定為(1)能耗數(shù)據(jù) 能耗數(shù)據(jù)包

11、括原料開采、燃料生產(chǎn)以及運(yùn)輸分配等環(huán)節(jié)的%。柴95%、,考慮88% %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)效率與美國接近，所以 主要采用GREET模型中的數(shù)據(jù)11,同時(shí)參考國 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?設(shè)定其海運(yùn)距離為5334公里,油輪的能量消耗率分別 為 /(MJ?km)和J/(MJ?km)11, 相應(yīng)的運(yùn)輸過程能量效率分別為和。LNG和GTL的生產(chǎn)效率分別為90%和65%,并認(rèn)為使用單一天然氣作為過程燃料。電力生產(chǎn)方面使用天然氣

12、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。(2)排放數(shù)據(jù)排放數(shù)據(jù)包括各種燃燒裝置的排放因子，每種過程燃料只設(shè)定一種最具 代表性的燃燒裝置，排放因子參考GREET模型根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況做一定調(diào)整 12,具體的設(shè)定如表 4所示。下游階段數(shù)據(jù)(1) 燃料消耗車輛的燃料消耗來自于12米柴油和CNG公交車實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。其中， 柴油客車的平均百公里油耗量為升,GTL燃料客車的平均百公里油耗量為 升,CNG燃料客車的平均 百公里油耗量為35kg。為便于比較，根據(jù)各燃料的質(zhì)量密度和能量密度，將其轉(zhuǎn) 化為百公里能耗，具體結(jié)果見表5。(2) 排放利用實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)ESC循環(huán)測試，獲

13、得了三種燃料在對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用 的綜合排放和綜合能源消耗，由于循環(huán)測試工況來自于道路運(yùn)行路譜的分析，具 有比較廣泛的代表性，因此認(rèn)為實(shí)際道路運(yùn)行的排放與實(shí)驗(yàn)室ESC測試排放具 有對應(yīng)關(guān)系。利用ESC循環(huán)的燃料消耗和道路運(yùn)行的百公里油耗，將ESC排放 轉(zhuǎn)換到車輛道路運(yùn)行排放14。各種燃料車輛運(yùn)行階段的 CO2排放量采用碳 平衡的方法計(jì)算獲得。三種車輛的排放的具體數(shù)值見表5。表5下游車輛使用階段主要數(shù)據(jù)總能耗(kJ/100km)或排放(g/100km)5.全生命周期分析結(jié)果比較根據(jù)上述的設(shè)定和實(shí)際測試結(jié)果，通過模型計(jì)算，獲得了三種燃料的在公 交客車上使用的能源消耗、污染物排放等指標(biāo)的全生命周期分析

14、結(jié)果，具體數(shù)值如表6所示。表6 還給出了 GTL路徑與CNG路徑相對于傳統(tǒng)柴油路徑的節(jié)能減排效果。表6生命周期分析結(jié)果總能耗(kJ/100km)或排放(g/100km)總能源消耗如圖3所示,在全生命周期內(nèi)，兩種天然氣基燃料路徑的總能源消耗均 高于傳統(tǒng)柴油路徑。其中,GTL路徑的能耗超過柴油路徑%,其原因是GTL燃料在生產(chǎn)階段的效率僅為 65%,遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)柴油生產(chǎn)階段95%的能源效率，而其在使用階段采用了效率基本相同的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。而CNG路徑的能耗超過柴油路徑%,其原因是上游階段和下游使用階段的能源效率都比較低，天然氣開 采、處理和LNG生產(chǎn)的綜合 效率只有%,而傳統(tǒng)柴油從原油開采到產(chǎn)品生產(chǎn)的

15、綜合效率為%,二者在上游階段相比有4個(gè)百 分點(diǎn)的能源效率差距；而在車輛 使用階段,CNG路徑使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為火花點(diǎn)火式，受爆震等因素的限制，其壓縮 比相比傳統(tǒng)壓縮著火式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)要低，導(dǎo)致車輛使用階段燃油消耗高、能源效 率較低。從圖3還可以看出，天然氣基的兩種燃料路徑相比，CNG路徑的總能源 效率要高于GTL路徑。其主 要原因是GTL燃料在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過氣化、FT 合成等化工過程，消耗大量過程能源，僅在此過程就要 消耗35%的過程能源，而 CNG路徑只需要經(jīng)過燃料的液化這一物理過程，能源消耗相對低得多。盡管在車 輛使用階段,GTL路徑的燃料消耗比CNG路徑低，但也不能彌補(bǔ)燃料生產(chǎn)階段的 大量能

16、源消耗，因此GTL路徑的總能源效率較低。如果能夠改進(jìn)燃料生產(chǎn)階段。 高效利用化工過程的余熱,提高GTL生產(chǎn)過 程的能源利用效率,發(fā)揮GTL燃料 與傳統(tǒng)燃料供應(yīng)體系和車輛技術(shù)完全兼容的特性,GTL燃料路徑仍然具有獨(dú)特的競爭優(yōu)勢。石油替代圖4為三種燃料路徑在全生命周期內(nèi)，石油消耗的比較。由圖可以看出， 無論是GTL路徑還是CNG路徑,均能大幅度降低石油能源的消耗，降低幅度均 超過99%。其中不足1%的石油消耗來自于天然氣開 采機(jī)具使用的柴油和海洋運(yùn) 輸過程中油輪燃燒的渣油。因此,使用天然氣基車用燃料是大幅度降低車用石 油 需求的有效途徑之一。污染物排放比較圖5比較了三種燃料路徑在不同階段和全生命周

17、期內(nèi)的常規(guī)污染物排 放和硫化物(SOx)排放?？傮w 上，與傳統(tǒng)柴油路徑相比，除CNG路徑的CO和 THC排放外，兩種天然氣基燃料路徑的排放物都得有所降低，具有減排的能力。(1) PM排放在全生命周期PM排放的比較中，三種燃料路徑的差別主要體現(xiàn)在車輛 使用階段。GTL路徑PM排放量相比柴油路徑減少了 %,其原因是GTL燃料的 芳香烴含量幾乎為零，遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)柴油的含量，因此在車輛使用階段的PM排 放相比柴油路徑降低 %,而兩條路徑在燃料生產(chǎn)階段 PM排放基本相同，所以全 生命周期排放GTL路徑低于柴油路徑。CNG路徑PM排放量相比柴油路徑減少 了 %,其原因是CNG發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花點(diǎn)火方式，在車輛使

18、用階段不產(chǎn)生 PM排放,比 柴油路徑降低%,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。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 %,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，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 %,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%,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%,其主要原因是CNG發(fā)動(dòng) 機(jī)采用火花點(diǎn)火的

19、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%,雖然在生產(chǎn)階段CNG路徑的CO排放量相對 較低，但是綜合排放仍高于柴油路徑。(3) THC排放,三種燃料路徑在燃料生產(chǎn)階段的排放GTL路徑的THC排放量比柴油路徑降,有利 于降低車輛使用階段的THC排在全生命周期THC排放的比較中較少,主要的區(qū)別體現(xiàn)在車 輛使用階段。低%,其原因是GTL燃料芳香烴含量較少 放，比柴油路徑減少%,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%,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

20、柴油路徑高出230%,導(dǎo)致 全生命周期排放較高。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%,其原因是GTL燃料的體積熱值相對較 小,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度相對較低，所以在車輛使用階 段產(chǎn)生的NOx排放量比柴油 路徑低。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)同時(shí)GTL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%。 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 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

21、，燃料生產(chǎn)階段的排放占主要部分 中運(yùn)輸環(huán)節(jié)遠(yuǎn)洋油輪燃燒渣油SOx的排放因子為/kJ,原油鍋爐的排放因子是 g/kJ,其他燃燒裝置的 排放因子均不超過/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 %,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

22、柴油路徑降低 %,其原因GTL 路徑。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/(MJ?km)和J/(MJ?km),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。CO2排放比較由圖6三種燃料的CO2排放的比較可以看出，與傳統(tǒng)柴油路徑相 比,CNG路徑能夠降低CO2排放，而GTL路徑增加了 CO2的排放。CNGCO2CNG路徑降低CO2排放的原因主要來自于 CNG燃料較低的碳

23、含量。 表6的數(shù)據(jù)可知,CNG路徑 的總化石能源消耗量比傳統(tǒng)柴油高 %,但由于 的碳含量只有75%,而傳統(tǒng)柴油碳含量高達(dá) %,其綜合效果是CNG路徑的 排放量比傳統(tǒng)柴油降低了 。GTL路徑導(dǎo)致CO2排放上升的原因在于燃料的生產(chǎn)階段消耗了額外 35%勺天然氣作為過程燃料，這些天然氣燃燒產(chǎn)生大量的 CO2排放。盡管生產(chǎn) GTL的原料天然氣的碳含量低，會(huì)降低CO2排放量，但仍 然不能彌補(bǔ)過多的過 程燃料燃燒導(dǎo)致的CO2排放升高。如果過程燃料采用其他可再生能源，如風(fēng)能、 水能等,GTL路徑的CO2排放可以降低到與CNG相同的水平。全生命周期CO2排放比較綜合節(jié)能減排效果評價(jià)根據(jù)上述分析，將減少石油消耗

24、、降低污染物排放和溫室氣體排放等效果 進(jìn)行綜合考慮，獲得了表7的評價(jià)結(jié)果。GTL路徑和CNG路徑都能夠有效降低石油能耗和常規(guī)污染 物排放。但在溫室氣體排放方面，目前的GTL技術(shù)路徑與當(dāng)前抑制全球氣候變化 的要求不相符,CNG路徑是一種節(jié)能減排效果十分顯著的方案。6.結(jié)論(1) 在全生命周期內(nèi)，兩種天然氣基燃料路徑的總能源消耗均高于傳統(tǒng)柴油路徑。但無論是GTL路徑還是CNG路徑，均能大幅度降低石油能源的消耗，降低幅度均超過99%。因 此,使用天然氣基車用燃料是大幅度降低車用石油需求的有效途徑之一。(2) 與傳統(tǒng)柴油路徑相比，除CNG路徑的CO和THC排放外,兩種天然氣基燃料路徑的排放物都得有所降

25、低，具有減排的能力。(3) 與傳統(tǒng)柴油路徑相比，CNG路徑的CO2排放量比傳統(tǒng)柴油降低了 %, 而GTL路徑提高了 %,因此在溫室氣體排放方面,CNG技術(shù)路線更加具有優(yōu)勢。(4) 將減少石油消耗、降低污染物排放和溫室氣體排放等效果進(jìn)行綜合考慮,CNG路徑的節(jié)能減排效果更 加突出。如果能夠改進(jìn) GTL路徑的燃料生產(chǎn) 階段,發(fā)揮GTL燃料與傳統(tǒng)燃料供應(yīng)體系和車輛技術(shù)完全兼容的特性,GTL燃料路徑仍然具有獨(dú)特的競爭優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)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.20XX(9): 09.黃志甲，張旭.汽車替代燃料發(fā)展戰(zhàn)略的探討J.中國能源.20XX(008): 30-33.張抗.中國天然氣發(fā)展的戰(zhàn)略觀J.天然氣工業(yè).20XX, 22(04):1-4.Chandler K, Malcosky N, Motta R, et al. Alternative Fuel Transit Bus Evaluation P rogram Res