楊濤濤 崔之健 劉 沛 袁 琨 周加明

(西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

面對(duì)全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，化石燃料面臨枯竭的危險(xiǎn)，以及以汽車為代表的能源消耗因素，我國(guó)在大力開(kāi)發(fā)可再生能源的同時(shí)，針對(duì)汽車領(lǐng)域開(kāi)展了尋求替代燃料來(lái)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)問(wèn)題的研究。以天然氣為燃料的汽車是清潔燃料汽車的代表，一般情況下天然氣中甲烷含量大于90%，是很好的汽車燃料。但是由于天然氣著火范圍較窄，發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低，天然氣火焰?zhèn)鞑ポ^慢，在氣缸中充氣系數(shù)下降，燃燒效率不高，導(dǎo)致需要燃燒更多的天然氣，從而造成污染物的排放。在這種情況下，需要一種能快速燃燒、降低循環(huán)變動(dòng)且無(wú)污染的氣體添加到天然氣中，經(jīng)過(guò)一定量的配比形成新的混合高效燃料。研究發(fā)現(xiàn)，在天然氣中加入一定量的氫形成的混合燃?xì)?，具備了氫氣燃燒速度快、著火范圍較寬，天然氣燃燒熱值高，儲(chǔ)量較豐富且二者都是清潔能源的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)環(huán)境影響較小。同時(shí)，因價(jià)格便宜，具有一定的市場(chǎng)前景。因此，開(kāi)展天然氣加氫研究具有重要的意義。

1 HCNG的優(yōu)勢(shì)與可行性

天然氣混氫(HCNG)是在天然氣中加入體積分?jǐn)?shù)為10%～20%[1]的氫氣的混合燃料，是“淺氫燃料”的一種[2]。美國(guó)Colorado州立大學(xué)和HCI公司(Hydrogen Components Inc.)進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，并示范了應(yīng)用成果。美國(guó)HCI公司還將氫氣/天然氣混合燃料專門取名為“Hythane”并申報(bào)了相關(guān)技術(shù)專利。加拿大西港創(chuàng)新公司(Westport Innovations Inc.) 以CUMMINS B5.9天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為原型機(jī)，開(kāi)發(fā)出了HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)并安裝在公交車上，于2004年開(kāi)始在美國(guó)加州Sunline Transient公交公司示范運(yùn)行了一年半時(shí)間。該HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的摻氫比為20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)[3]。

1.1 HCNG的優(yōu)點(diǎn)

(1) 氫氣的燃燒速率約為天然氣燃燒速率的8倍，為了提高混合燃?xì)獾娜紵俾?，在天然氣中摻入一定量的氫氣，燃燒速率加快，減少壓縮負(fù)功，使得點(diǎn)火更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)，燃燒定容度也被提高，從而提高熱效率[4]。

(2) HCNG融合了氫氣燃燒速度快，著火范圍寬，氫氣可通過(guò)再生能源制取獲得的特點(diǎn)，以及天然氣儲(chǔ)量豐富、燃燒熱值較高且低排放能源等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型汽車動(dòng)力燃料。

(3) 由于天然氣混合了10%～20%的氫氣，降低了天然氣本身的濃度，通過(guò)試驗(yàn)將其壓力提高到35 MPa，與現(xiàn)在氫能常用壓力持平，可大大提高汽車的續(xù)駛里程，減少公交和重型卡車氣瓶的安裝數(shù)量，也減少小客車(出租車)的每天充氣次數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證節(jié)能減排

(1) 對(duì)使用HCNG能源進(jìn)行測(cè)試，重卡汽車運(yùn)營(yíng)中降低CO2、NOx的排放是十分有利的。以25 000 m3/d的 HCNG燃料(體積比2∶8)替代CNG燃料估算，每年可減少CO2排放量約5 000 t，NOx排放量約47 t。

(2) 在HCNG制備過(guò)程中，沒(méi)有使用其他一次能源。根據(jù)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)的CNG汽車改用HCNG燃料的實(shí)驗(yàn)表明，在同等條件下可提高能效5%左右[5]。表1說(shuō)明了HCNG燃料更具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

表1 HCNG燃料的經(jīng)濟(jì)性能

1.3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用情況

(1) 已完成HCNG重卡的技術(shù)改造及示范運(yùn)行。由清華大學(xué)以及委托德第三方一起共同完成HCNG重卡排放、動(dòng)力性、燃料消耗率性能指標(biāo)的檢測(cè)。示范運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，HCNG重卡的排放達(dá)到國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)(原天然氣重卡排放達(dá)到國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn))；HCNG相比CNG燃燒速度快，動(dòng)力足；百公里燃料消耗率比原天然氣重卡降低7%以上。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行良好，可進(jìn)一步推廣。

(2) 籌劃建設(shè)城市管網(wǎng)系統(tǒng)，低壓HCNG氣直接提供給工礦企業(yè)、單位和居民作生產(chǎn)、生活燃料使用，從而進(jìn)一步擴(kuò)大對(duì)節(jié)能、環(huán)境保護(hù)的范圍和增加能源品種的可選擇性，使能源結(jié)構(gòu)多元化，因地制宜合理利用多種能源。

2 HCNG的主要工藝流程圖

2.1 HCNG混氣系統(tǒng)工藝流程

混氣系統(tǒng)由長(zhǎng)管拖車(氫氣集裝儲(chǔ)氣瓶組)、氫氣減壓裝置、H2/CNG混氣裝置和HCNG緩沖罐等組成。H2/CNG混氣裝置由氫氣管路系統(tǒng)、CNG管路系統(tǒng)、靜態(tài)混合器、氣動(dòng)緊急切斷閥、壓力變送器、儀表閥、燃?xì)鈭?bào)警儀、氫氣報(bào)警儀、氫氣分析儀等組成。其中HCNG緩沖罐容積待用戶負(fù)荷落實(shí)后確定。HCNG混氣系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

如圖1所示，當(dāng)壓力約 2～2.5 MPa的天然氣主干線來(lái)的原料天然氣進(jìn)站后，將其與來(lái)自罐充的可運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)管拖車(p=20 MPa)的氫氣或者采用管道輸送至混氣站的氫氣各分兩路，分別進(jìn)入兩個(gè)混氣裝置(由于混輸比不同，選用兩套不同的比例式混氣裝置，分別滿足民用和工業(yè)不同用戶的要求)：一路按V(氫氣)∶V(天然氣)為1∶9混合后(混氣裝置的混合氣流量為6 500 m3/h)，經(jīng)HCNG緩沖罐，以0.4 MPa的壓力輸送至下游工業(yè)用戶，壓力誤差不超過(guò)5%，滿足工藝要求。 另一路按V(氫氣)∶V(天然氣)為2∶8 進(jìn)入混氣裝置(混合氣流量3 500 m3/h)進(jìn)行混合后加壓充裝至HCNG長(zhǎng)管拖車，送往HCNG子站供汽車加氣，或經(jīng)站內(nèi)的加氣柱直接給HCNG重卡汽車加氣，壓力誤差不超過(guò)5%[6]，滿足工藝要求。兩路的共同點(diǎn)是氫氣減壓裝置進(jìn)氣壓力都為20 MPa，排氣壓力為2 MPa；并配有高壓管路材料(p=20 MPa)；混氣裝置的壓力均為2 MPa；混合比控制全程由儀表自動(dòng)監(jiān)控，精準(zhǔn)安全；每一路都選用兩套減壓裝置，一用一備，保證工藝生產(chǎn)運(yùn)行的不間歇，最大限度保證用戶用氣的平穩(wěn)性。

2.2 HCNG加氣母站主要工藝流程

加氣系統(tǒng)主要由HCNG壓縮機(jī)(按氫氣壓縮機(jī)選擇)、HCNG儲(chǔ)氣系統(tǒng)、HCNG加氣機(jī)和長(zhǎng)管車充裝系統(tǒng)等組成。HCNG加氣母站主要工藝流程如圖2所示，自HCNG混氣系統(tǒng)來(lái)氣(p=2 MPa)，經(jīng)HCNG壓縮(隔膜式氫氣壓縮機(jī))，進(jìn)入HCNG儲(chǔ)罐，后經(jīng)HCNG加氣機(jī)給車輛加氣。其中HCNG儲(chǔ)罐接口設(shè)有三組不同壓力順序閥，開(kāi)始由低壓儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣罐向槽車充氣，當(dāng)?shù)蛪簝?chǔ)氣罐壓力不足時(shí)，中壓儲(chǔ)氣罐控制閥自動(dòng)打開(kāi)，繼續(xù)充氣，以此類推，始終保證HCNG長(zhǎng)管拖車充裝壓力為20 MPa。HCNG壓縮機(jī)設(shè)計(jì)為四用一備，設(shè)計(jì)范圍為20%～200%，前期用戶少，可開(kāi)啟一至兩臺(tái)，后期根據(jù)用戶的不斷增加，四臺(tái)可全部開(kāi)啟。如果設(shè)計(jì)為一用一備,前期壓縮機(jī)可能無(wú)法啟動(dòng)或造成電力額外的消耗損失。

3 工藝新技術(shù)和思路

(1) HCNG儲(chǔ)氣系統(tǒng)沒(méi)有選擇CNG常規(guī)的儲(chǔ)氣井儲(chǔ)存方式，而是選用帶鋼纏繞式高壓儲(chǔ)氣罐, 以此來(lái)達(dá)到其耐高壓的目的。設(shè)計(jì)壓力為25 MPa的鋼帶纏繞式高壓HCNG立式固定貯罐，在鋼帶與內(nèi)筒纏繞前，應(yīng)先對(duì)焊縫進(jìn)行射線透照檢測(cè)，選用貯罐的優(yōu)勢(shì)在于占地面積小、安全、可靠、運(yùn)行穩(wěn)定以及實(shí)用性高，已在山西第一個(gè)HCNG站得到驗(yàn)證，在高壓下，貯存和運(yùn)行穩(wěn)定。

(2) HCNG壓縮機(jī)(隔膜式氫氣壓縮機(jī))，由于HCNG充裝過(guò)程中充裝壓力變化，所以隔膜壓縮機(jī)進(jìn)氣能力將隨充裝壓力增加而增加。HCNG充裝過(guò)程的壓力變化范圍比較大，壓力從2 MPa 壓縮到 25 MPa，這種特殊結(jié)構(gòu)的容積式壓縮機(jī)壓縮比大、耐高壓，能夠滿足HCNG加氣站的工藝要求。

(3) HCNG混氣設(shè)施和加氣站可與已建好的CNG加氣站或LCNG加氣站合建，僅需增加H2與CNG的混氣裝置、儲(chǔ)罐和相應(yīng)系統(tǒng)即可，從而使HCNG的建站成本大大降低，且布點(diǎn)廣泛。在安全評(píng)價(jià)方法上注意HCNG燃料氣與CNG和H2的爆炸極限濃度的不同，需要更加準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)安全監(jiān)控精度，包括壓力檢測(cè)系統(tǒng)、溫度檢測(cè)儀表、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)硫化氫在線檢測(cè)儀器、靜電接地報(bào)警器等全方位檢測(cè)，值班室24 h視頻監(jiān)控，站外設(shè)有緊急切斷閥，站內(nèi)一旦發(fā)生事故首先切斷氣源，最大限度地減少損失和危害。

(4) HCNG和CNG兩種燃料氣可分系統(tǒng)同時(shí)加注或分別加注，也就是說(shuō)，HCNG加氣站系統(tǒng)既可以在加注HCNG燃料氣時(shí)，同時(shí)加注CNG，也可在沒(méi)有加注HCNG時(shí)，利用HCNG的系統(tǒng)加注CNG，這樣可以減少投資。但兩種燃料需設(shè)置兩套加氣機(jī)，目前還沒(méi)有達(dá)到同時(shí)交叉混充技術(shù)。交叉混充具有減少加氣機(jī)數(shù)量、減少占地面積、加氣更加便捷以及減少建設(shè)資金等優(yōu)點(diǎn)。交叉混充對(duì)加氣機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造要求較高，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這種混充加氣機(jī)，需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

HCNG綜合利用為我國(guó)新能源領(lǐng)域增添了新的能源品種，也為氫能源和天然氣找到了很好的結(jié)合點(diǎn)，拓寬了尋求新能源、清潔能源和可再生能源的思路，對(duì)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整新增了一種使用方法。并且拓展了應(yīng)用渠道，避免了氫能體積能量密度偏低的弱點(diǎn)。另一方面，有效地節(jié)約了天然氣，降低了天然氣對(duì)環(huán)境的污染。在解決能源結(jié)構(gòu)和來(lái)源的同時(shí)，改善了環(huán)境，在能源技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)拓了一種新的可行途徑。

HCNG加氣站是發(fā)展氫氣/天然氣汽車、城市客車產(chǎn)業(yè)必須的基礎(chǔ)設(shè)施,要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展HCNG汽車，首先要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展HCNG加氣站。我國(guó)首個(gè)HCNG加氣站已經(jīng)在山西實(shí)施和建設(shè)，為中國(guó)HCNG 汽車和HCNG混氣加氣站產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際情況,后續(xù)應(yīng)從以下3個(gè)方面開(kāi)展我國(guó)HCNG的發(fā)展工作：①自主研發(fā)混氣裝置、壓縮機(jī)的單體和零件以及其他設(shè)備；②自主研發(fā)適合氫氣/天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，使氫氣/天然氣利用率達(dá)到最大，提高氫氣/天然氣加氣站的自動(dòng)化控制水平；③引進(jìn)撬裝制氫裝置，直接與已建CNG或LCNG加氣站合建，從而降低HCNG建站成本。

參考文獻(xiàn)

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