第6章汽车节能与环保技术(3)

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6.6.2吸附天然气与天然气、液化天然气的比较 ANGV与CNGV相比,因其储气压力低(3.5~ 6.0MPa),派生出一系列的优点:储气瓶的制造工 艺简单、成本低;ANG充气设备仅需中压压缩机即 可,充气站的建站费用低;汽车改装费用也较低。 ANGV与LNGV相比,虽然没有后者的行驶里程长, 但可以节省天然气液化的高昂能耗,并可免除
料(美国NKl200G型发动机LNG气瓶采用的是玻璃 纤维和铝箔交替分层)要求具有低的导热系数与低 的密度,夹层的厚度为100~200mm,气瓶的内层是 由不锈钢制成的液体容器,夹层的外层由普通钢板 焊接成形。气瓶的夹层也可以制成一定厚度如60 mm的真空空隙气层,作为绝缘层使用。 外部直径为0.5 m、瓶长约1m的LNG气瓶,大 约可以储存液化天然气80~90 L。 c.液气混存。 瓶内下部为液化天然气,约占有效容器的90%, 瓶内上部约有10%的容积,为液化天然气蒸发而成 的带压气态天然气。发动机运行时瓶内的天然气体 液态与气态两种状态并存。
由于LNG蒸发气化时甲烷成分先行蒸发,致使 气化部分的甲烷含量比液态部分的含量高,而在储 存过程中较高甲烷含量的气态部分会逐步释放损失, 从而导致液态燃料中的甲烷含量和LNG品质逐步下 降,进而使发动机的性能恶化。这种情况对于甲烷 含量不高的某些LNG品种将会比较明显。 目前尚无根本性的解决办法,一般性的措施是 根据汽车使用的要求和LNG的蒸发损失速率选定气 瓶的大小,再就是尽可能随加随用,尽量缩短LNG 在车上的存储时间。 正常的释放损失可带来一定的安全问题,故 LNG的汽车不可存放于密闭、通风不良的车库内。 天然气的液化和储运技术略。
a.褐煤、石油焦、沥青、木质素等为原料均能 制备出高储气能力的天然气吸附剂。其中以木质素 为原料制取的粉状吸附剂其比表面可达2912m2/g, 在6.0MPa、25℃的储气条件下对甲烷的吸附能力可 超过30.0(wt%),大大超过了澳大利亚CSIRO能源 化学所提出的可以工业应用的吸附剂甲烷吸附量 17.0(Wt%)的指标。 以石油焦为原料制取的块状吸附剂(实验室样 品)其比表面达2399m2/g ,块密度为0.59g/ml,在25 ℃时,若压力为4.0MPa,甲烷吸附量为17.5(Wt%), 体积比(V/V)为148。若压力为6.0MPa,甲烷吸附量 为23.0(Wt%),体积比(V/V)为181,达到并超过了 美国Amoco公司用石油焦制得的GX-32型吸附剂的 水平。
液化天然气气瓶的特点: a.低压。 气瓶内压力一般略高于1.0MPa,比压缩天然气 气瓶压力小得多。液化天然气气瓶是按低压容器来设 计,质量较小。为保证安全,当气瓶内的饱和蒸气压 达到1.6MPa时,压力泄放阀开启泄气,以避免气瓶 内压力过高。 b.超低温。 天然气中的主要成分甲烷,在-161.5℃的低温下 才被液化。在压力状态下,沸点升高,一般储存于气 瓶内液化天然气的温度为-125℃ ~-161.5 ℃ 。为了 防止液化天然气的过早汽化,要求气瓶具有优良的低 温绝热性能,瓶内设有绝缘材料制成的夹层,绝缘材
6.6吸附天然气在汽车上的应用 6.6.1概述 吸附天然气(ANG)是一种新兴的天然气储存方 法。它是将天然气储存于具有吸附性能的某些物质 的空隙中。 美国于1980年率先开始吸附法储存天然气汽车 燃料技术的研究。从事该技术研究的主要有两个联 合 组 织 , 一 是 由 美 国 联 合 碳 化 物 公 司 (Union Corbide Corporation)资助的NYSERDA(New York state energy resarch and developnent authority)和 NYGAS(New York gas group) 联 合 组 织 , 二 是 AGLARG(Atlanta gas light adsorption research group)国际联合组织(包括9个成员)。前者于1985年
获得了美国第一份天然气吸附剂专利。两个组织定 期交流和讨论有关天然气吸附剂的研究和ANG汽车 的开发技术。十几年来主要工作包括7个方面: a.高吸附能力的天然气吸附剂开发; b.高储气能力的天然气吸附剂成型技术开发; c.吸附热对储气能力的影响及降低吸附热影响 的储气技术研究; d.与汽车匹配的吸附储存容器的研究; e.行车试验及吸附剂的寿命试验研究; f.吸附机理及吸附理论研究; g. ANG汽车的经济可行性分析。 通过研究,得出了以下主要结论:
此外,使用LNG不再需要设置高压加气站。 液化天然气的缺点是制气加工与储存技术复杂, 包括绝热、蒸发、保存及使用多方而,成本较高。 天然气液化装置按其功用有调峰型和基本负荷 型之分,前者一般建在输气管道的末站,在供气低 谷时将天然气液化并储存起来,在供气高峰时,再 将液化天然气气化并输入管道,补充供气的不足。 后者一般建在气田或港口等便于运输的地方,所生 产的LNG供远离气源的地区使用或外运出口。 国外对LNG的应用很重视。如目前在美国30多 条公交线路的数千辆公交车已经使用了LNG(液化 天然气)清洁燃料。而日本虽然没有将LNG直接用
于汽车,但充分利用LNG便于远洋储运的优点,从 沙特阿拉伯等国进口LNG,之后仍以CNG方式应 用于汽车。 在我国,液化天然气产业已开始起步。中国科 学院分别与吉林油田和绵阳燃气公司合作建造的日 产12m3 和日产7.2m3 的天然气液化装置,大庆油田 的口产33m3 (气态为2万m3)天然气液化示范工程, 正在进行或已经建成。
由表可知,KF天然气吸附剂对C1~C4有良好 的吸附与脱附性能(常温),而对C4以上组成的吸附 可逆性较差。 此外,吸附剂对硫有较强的吸附能力,可望用 于天然气的精脱硫。吸附剂300次寿命试验其吸附 能力有所下降可能与吸附剂对重组分和硫的不可逆 吸附有直接关系。针对这一特点,在ANGV上可加 小型预处理保护装置,以减少气质对储气瓶中吸附 剂性能的影响。 d.行车试验表明,吸附天然气汽车的一次充气 行驶里程可达100多千米。
汽车节能与环保技术
第6章第三部分
6.5液化天然气在汽车上的应用 6.5.1概述 液 化 天 然 气 (LNG) 系 由 天 然 气 在 超 低 温 (< 161.5℃)下液化而得。天然气液化后的体积等于其 标准状态下的1/625。由于在液化过程中除去了二氧 化碳和硫化氢等杂质,LNG比CNG更为清洁。 前已谈到,CNG应用于汽车有许多优点.故受 到各国普遍重视。但是CNG能量密度偏低(压力为 20MPa的CNG,其相对于汽油的容积系数为4.47), 它派生出高压气瓶的质量和容积大、汽车的续驶里 程短等缺点。这些缺点,使得CNG的应用范同受到 一定的局限。 随着低温技术和绝热技术的快速发展,近年来
6.5.2液化天然气汽车的工作原理和主要组成 液化天然气汽车与压缩天然气汽车的工作情况 基本相同,主要区别是燃料储存状态和储存容器不 同。LNG以低压(≈1 MPa)、超低温(-161.5℃)绝热
液体状态储存,储气瓶的基本特征是超低温绝热。 而CNG以高压(20 MPa)、常温、气体状态储存,储 气瓶的基本特征是高压。另外,液化天然气蒸发变 成气体时,吸收的热量较多,应采用可靠的蒸发汽 化系统。而CNG供气过程虽然也需要加热,但程度 轻得多。 液化天然气发动机的工作原理,除部分输送过 程外,与压缩天然气发动机基本相同。大多应用于 汽油机,以预混、外源点火方式工作。燃料供给过 程为:气瓶中的超低温液化天然气(LNG)从气瓶出 来,通过蒸发器蒸发汽化后与空气混合进入燃烧室 中。
能量密度比CNG高许多的LNG也受到汽车界的高 度重视。LNG相对于汽油的容积系数为1.57,实用 容 积 系 数 为 1.963 。 亦 即 在 相 同 的 燃 料 容 积 下 , LNG的续驶里程等于CNG的2.85倍,在相同的燃料 容器容积下,LNG的续驶历程等于CNG的2.28倍。 反过来,若续驶里程相同,LNG的容积比CNG小 许多。 液化天然气还具有储存效率高、占地少、运输 经济可靠等优点。用专门的LNG槽车、轮船,把边 远、沙漠、海上油气田以及新区分散的天然气,经 液化后进行长距离运输到销售地,比地下管道输气 可节省大量投资,而且方便可靠,风险性小,适应 性强。
真空进气式LNG燃料供给系统的布置如下图所 示。它包括LNG气瓶、阀门组件、调压器、管汇、 压力泄放阀、蒸发器及电子控制系统等。
从气瓶内流出的天然气蒸气处于-125℃以下的 低温,要经过加热器8,从冷却系鼓风流中取得热 量而汽化。以液态流出的天然气则经过蒸发器9由 冷却水或废气中得到热量促使蒸发。两者经自动转 换阀10控制操纵后,流入过滤器13及两级减压调节 器14,减压后的液化天然气通过低压线路16送入气 体混合器18与空气混合后供发动机使用。 液化天然气经加热与蒸发以后得到的天然气气 体的物理化学性质与压缩天然气固有的性质一样, 因此在发动机上的调节与使用也是一样的。 液化天然气气瓶上设有几种阀门,如液气充灌 阀、输出阀、蒸气输出阀、最大充量液面指示器以 Βιβλιοθήκη Baidu压力泄放阀等。
下表是国内外典型ANG汽车的行车试验数据。
e.依据行车试验结果进行的经济分析表明,尽 管ANG汽车需要高吸附性能的吸附剂作储气介质, 但由于其储气压力远低于CNG汽车,ANG汽车的 实际投资,日常操作与管理费用将低于CNG汽车。
ANG作为一种先进的天然气储存方式已受到一 些国家的重视,美国、加拿大、澳大利亚、日本、 英国、中国等国家对该技术进行了较为深入的研究。 美国希望继续改进天然气吸附剂,提高其低压吸附 性能,实现ANGV的家庭自给充气。
a.理论上充气压力为3.5MPa时,ANG所储存的 天然气可以达到并超过20.0MPa时CNG所储存的天 然气量。 b. ANG汽车启动、加速等性能与汽油车相当, 在速度为100km/h时,ANG汽车亦能表现出良好的 汽车行驶性能。 c.经济分析表明,以ANG、CNG、LNG为燃 料的三种天然气汽车中,ANG汽车是最经济的。 美国的AGLARG组织所研制的PVDC型炭天然 气 吸 附 剂 在 3.45MPa 、 25℃ 时 的 有 效 储 气 量 为 135(V/V)。美国Amoco公司的AX-2型天然气吸附剂 在3.6MPa、25 ℃时的甲烷吸附量达160(V/V)。日 本大孤气体公司采用煤焦油沥青为原料生产的
下表为国内外几种天然气吸附剂的性能。
b.所开发的天然气吸附剂制造工艺吸附剂成型 技术,在生产上是可以实现的。年产10吨吸附剂规
模的装置批量生产的粉状吸附剂在常温、6.0MPa 时,甲烷吸附量达24.0~26.4(Wt%);批量生产的 块状吸附剂(40×40mm)甲烷吸附量达21.9(Wt%), 都接近实验室的最佳产品指标。 c.该吸附剂用于吸附油田天然气的性能是稳定 的,可用于现场天然气贮存。使用某油田“深冷” 加工后的天然气进行300次吸附剂充放气寿命试验, 结果表明粉状吸附剂能力仅下降15%,块状吸附剂 的吸附能力仪下降18%,而且吸附剂再生后其吸附 性能可恢复到原有的95%以上。该油田“深冷”干 气与经吸附剂吸附后释放的天然气组成见后表。
AMB吸附剂在3.1MPa、25℃时对甲烷的储存量可 达150(V/V)。加拿大魁北克大学等单位采用高比表 面粉末吸附剂,用2%的PVA作粘结剂,在压力大 于140MPa时加压成型,使型炭密度达0.7g/cm3,这 种吸附剂在3.45MPa、常温下的甲烷吸附体积比为 120(V/V)。 国内在中国石油天然气总公司科技局的领导下, 由石油大学(北京)和大庆能源公司合作,从1990年 起即开始着手吸附法储存汽车燃料技术的研究。右 油大学(北京)天然气吸附剂课题组经过几年的努力, 开发出了性能优异的天然气吸附剂,并于1994年获 得了中国第一份天然气吸附剂的发明专利。石油大 学的研究表明:
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