【天然气】天然气汽车的发展与相关产业的结构调整

华气能源猎头 2022-04-22

张庆兵①；李国红①；秦鹤年② （①中国石油润滑油公司，北京 100028； ②中国石油北京润滑油销售分公司，北京 100101）

摘要：天然气具有燃烧完全、污染排放少等特点，而且储量丰富，是理想的车用清洁燃料。液化天然气 LNG 较压缩天然气 CNG 更便于储运与携带，使用更加安全，应成为车用天然气的主流。燃气发动机润滑油也随天然气汽车的推出而得到开发，为润滑油行业的发展注入了新的活力。石油行业应积极调整产品结构，加大车用 LNG 的生产与销售力度，注重加气站等服务网点的建设，不断改进燃气发动机油以满足使用要求，为天然气汽车的发展及环境保护做出贡献。

关键词： 天然气汽车；车用清洁燃料；LNG 加气站；燃气发动机油

0 引言
据公安部交管局统计，截至 2017 年 6 月底，我国机动车保有量为3.04 亿辆，与去年底相比，增加 938 万辆，增长 3.18%。中国已超越美国成为世界第一汽车大国，汽车尾气的排放造成了空气的严重污染，另外石油的开采成本和加工提炼成本居高不下，而成品油的价格却持续低迷，导致国内油企面临严重亏损的局面。面对这一严峻形势，新能源汽车的开发及清洁燃料的使用已迫在眉睫。我国天然气的储量较石油丰富，生产成本低，而且天然气燃烧完全，有害物质排放少，属于清洁型燃料，对改善空气质量非常有利，因此天然气已作为车用燃料得到了迅速推广使用，成为继汽油和柴油之后的第三大车用燃料，尤其是液化天然气 LNG 较压缩天然气 CNG 有更多的优势，已广泛用于商用燃气车辆，LNG 乘用燃气车辆也在研发推广使用中，因此石油行业今后的发展重点应转向天然气的推广与应用。

1 天然气作为燃料的优势及安全性分析

天然气作为车用燃料能够满足来源丰富、廉价易得和清洁环保等要求，与传统车用燃油相比其优势特点分述如下：

1.1 资源优势

天然气资源的储量丰富，来源广泛。专家预测，我国蕴藏着十分丰富的天然气资源，其资源总量可达 40~60 多万亿 m3，与我国相邻的俄罗斯、蒙古国、哈萨克斯坦等国家都有储量十分丰富的天然气资源，而且已陆续修通了中俄、中乌、中哈及中缅陆地管道，资源进口也有一定的保障。

天然气主要成分是甲烷，除了纯天然气气田产出的天然气，油田伴生气、沼气、煤层气与可燃冰等均富含甲烷，而且储量丰富。

油田伴生气油简称田气，是指在开采石油的同时所采出的天然气。石油伴生气的产量很大，每采出一吨石油，就伴生数十立方米到数百立方米的油田气，对于新开采的油田气体产量会更多。我国油田伴生气资源丰富，据不完全统计，仅部分因地域限制、分散的小油田每年烧掉的伴生气就高达 10×108m3 左右，相当于 10×106t 石油。燃烧的火炬系统不仅给环境带来污染，而且每年排放大量的温室气体（二氧化碳），如能有效利用油田伴生气资源，既可以增加工程项目收益，又可以有效降低温室气体的排放。

沼气是有机物在微生物作用下产生的，通过农林废弃物及垃圾粪便的发酵可大量产生，具有可再生性，因此沼气的利用也是处理垃圾、粪便及污水的一种很好方式。

煤层气资源在我国也很丰富，储量居世界第三。煤层气存在于煤炭矿藏中，主要成分也为甲烷，与天然气相似。煤层气的存在对煤炭开采危害极大，是煤矿井下瓦斯爆炸的罪魁祸首，因此煤层气的开采利用还能有效地消除煤炭开采的安全隐患，可谓是一举两得。

可燃冰主要分布在海洋底部，其学名称为天然气水化合物，化学式为 CH4·8H2O，每 1m3 的可燃冰能产生 164 m3 的富含甲烷天然气（甲烷含量高达 99.8%）和 0.8 m3 的水。目前全球已探明的可燃冰储量远多于陆地上煤炭、石油和天然气的储量总和，我国海域也已探明丰富的可燃冰储量，可燃冰的开采也取得了成功。

1.2 成本优势

车用燃油来自石油，石油的开采难度较大，采出后还要经过复杂的加工提炼过程才能得到，而且应环保要求还要严格控制硫和其它有害物质的含量，因此车用燃油的生产成本居高不下。而天然气开采容易，有害物质少且容易分离，原气采出后经适当处理就可以作为燃料使用，因此与燃油相比天然气作为车用燃料可大幅度降低成本。

1.3 环保优势

天然气容易燃烧完全，燃烧后只产生水分和二氧化碳，几乎无残留物，与燃油相比，有害物质接近“零排放”，具体数据统计如表 1 所示。因此天然气作为车用燃料，对改善空气质量非常有利。

而燃油车辆为了减少尾气污染物的排放，不仅要严格控制汽油和柴油中的硫含量和其它有害物质含量，需要加装尾气净化装置，如三元催化转化器和 EGR 系统，尤其是柴油车为满足国五排放要求又增加了尿素溶液净化装置，由此提高了车辆的制造成本和运行成本。

1.4 安全特性

天然气有较好的安全特性。天然气与其它车用燃料的理化性能及安全特性对比如表 2 所示。由表可见，天然气在空气中的爆炸极限浓度较高，且密度比空气小，一旦发生泄露会迅速上浮而不会在地面上的聚集。

2 天然气与天然气汽车的使用现状及其性能分析

虽然天然气的储量较石油丰富，而且作为燃料具有诸多优势，但目前国内天然气的消费仅占一次性能源的 5%。天然气汽车对天然气的携带方式有压缩天然气CNG形式和液化天然气 LNG 形式，由此分为 CNG 汽车和 LNG 汽车。据中国汽车工程学会的统计，截至2016年底，全国 CNG 汽车保有量达到 531.6 万辆，超过 10 万辆的城市达到 13 座，LNG 汽车保有量达到 26 万辆，天然气汽车总保有量达到 557.6 万辆，建成投运的天然气加气站超过 5000 座，位居世界第一。根据对全国汽车保有情况的粗略估计， 2020 年如果政策措施得力，全国 80%左右的出租车与公交车、5%左右的公路营运货车及客车将改用天然气燃料，届时可消耗天然气 500 亿 m3，因此作为车用燃料天然气有着巨大的发展空间，天然气无疑将成为汽车行业使用最广泛的清洁替代燃料。

2.1 天然气汽车与其它新能源汽车的性能及发展优势比较

新能源汽车应该包括电动汽车和清洁燃料汽车，但目前政府将电动汽车作为新能源汽车的发展主流给予积极扶持。天然气汽车属于清洁燃料汽车，与电动汽车相比，其动力性能和行驶里程占据绝对优势，而且对商用车和乘用车都适用。电动汽车因动力问题仅适用于乘用车及其它轻负荷汽车，其推广使用仍依赖于电池技术瓶颈的不断突破。从全寿命周期来看，生产车用电池带来的污染相对较大，换下的电池回收问题也需要解决，否则会带来更大的环境污染。有业内人士认为，如果电动汽车所需电能来自煤电，其推广使用仍无法减少污染物及温室气体的排放，因此天然气汽车更环保，更符合国家政策方向。

2.2 车用 LNG 与 CNG 的性能对比与 CNG 相比，LNG 具有更多的优势如下：

①在常压条件下，液态天然气的质量约为同体积气态天然气质量的 620 倍之多，LNG 的携带量是同体积 CNG 的三倍之多，可极大地提高携带量与车辆行驶里程；
②受气体来源限制， CNG 加气站只能局限在天然气管网覆盖区域，而 LNG 能够通过车辆运送，不受管网制约；
③LNG 加注设施较 CNG 少，因此建站成本低，而且加注速度快，泄露较少；
④因天然气主要成分甲烷的液化温度非常低，因此天然气在液化过程中，能有效地除去其它气体，得到了进一步净化与提纯，使得甲烷纯度更高，更容易燃烧完全；
⑤由于 LNG 在制备过程中能提高甲烷纯度，因此制备 LNG 的气源广泛，除了天然气，油田气、煤层气、沼气和部分化工行业含有甲烷的废气均可以用来制备 LNG，有效地提高了资源利用率；
⑥极低的沸点与闪点、较低的储存压力使得 LNG 在任何气候条件下都能够正常使用；
⑦LNG 在汽化时需要吸收热量，由此产生冷能，可用于车辆的空调制冷以进一步降低能耗；
⑧天然气都是以 LNG 形式进行海洋运输以及长距离陆路车辆运输，进港或到站后可直接用于 LNG 车辆，而对于 CNG 车辆，还需要将液态天然气气化后再压缩制得，增加了工序；
⑨CNG 需要高压容器储存，满瓶时工作压力在 20MPa 以上，最高可达 26MPa，而 LNG 容器最大工作压力仅为 1.6MPa，具有更好的安全性；
⑩LNG 车辆都是专门使用天然气的，不仅克服了车辆经“油改气”后出现的发动机低温起动困难、功率降低以及寿命缩短等一系列问题，而且避免了因改装不当造成的诸多安全隐患问题。

LNG 汽车以其连续行驶里程长，更适合作为成绩客车和载重货车已成为天然气汽车发展的新亮点，并开始在轿车等乘用车上进行使用实验，因此 LNG 有望替代 CNG 在燃气车辆上得到推广使用。

3 发展方式与讨论

天然气的推广使用与天然气汽车的发展是相辅相成的关系，离不开石油行业与汽车行业的密切合作，一方面需要汽车制造商大批量投产 LNG 汽车，另一方面更需要石油行业调整产品结构，加大车用 LNG 的投产力度，充分保障燃料供给，为天然气汽车的发展起到保驾护航的作用。

3.1 车用天然气的质量标准的制订

作为商品车用 LNG，应该制订相应的质量标准，以确保其质量和使用稳定。目前车用压缩天然气 CNG 已出台了质量标准，标准代号为 GB 18047-2000。而对于车用 LNG，国内目前只有进出口液化天然气的质量评价标准，为中华人民共和国出入境检验检疫行业标准，可作为参考，代号为 SN/T 2491-2010，内容见表 3。

LNG 的硫含量及硫化氢含量控制指标远小于 CNG，其中一级品的硫含量相当于国Ⅴ汽油，二级品的硫含量相当于国Ⅳ汽油，较 CNG 更加清洁与环保。

3.2 车用 LNG 生产与加气站的建设
生产 LNG 的关键技术就是天然气的液化，液化前通过预处理脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、水和重烃等，然后再以液态丙烷为制冷剂逐级进行压缩冷凝，最终得到液化天然气 LNG。截至 2016 年底，国内已投产运行的 LNG 生产厂超过 120 座，年产能突破 2000 多万吨，气源基本来自管道气。除了管道气，油气田、煤层气田或其它富含甲烷气体产出地均可引进 LNG 生产线生产车用 LNG，依靠公路和铁路外运，由此使中小型天然气田也能得到开发，油田伴生气、煤层气、沼气及含有甲烷的化工气体等都能得到有效利用，为企业创造收益。

车用 LNG 给车辆的加注需要加气站网点的建设，目前加油站已遍布各地，通过对加油站进行改造，引进 LNG 低温储罐、LNG 罐车及加注设备，并对员工进行培训，是普及 LNG 加气站最为可行的方法，较单独建立 LNG 加气站要节省很多投资费用与占地面积，而且增加了加油站的功能，可满足各类燃料汽车的加注需求。

3.3 坚持不懈地推进天然气汽车的技术进步

目前的车用燃气发动机都是在四冲程燃油发动机的基础上改进的，改用气体燃料还有很多技术问题需要解决，否则难以充分发挥天然气的性能优势。因此要积极研发先进的天然气发动机，在发动机结构上不断改进突破。

作为汽车新的发展领域，在发展 LNG 汽车的同时应积极结合电动汽车的优点，采用混合动力的先进技术，开发“气电混动”汽车，同时将 LNG 气化时产生的冷能用于车辆空调制冷，充分利用 LNG 的优点起到进一步的节能作用，并且将其它各项先进的汽车技术用于 LNG 汽车，使 LNG 汽车成为新能源汽车及新型汽车的代表。

3.4 开发燃气发动机润滑油产品系列，形成车用润滑油新的研发领域

目前中国石油润滑油公司已针对市面推出的天然气车辆开发了几款燃气发动机油，其种类及用途如表 4所示。

天然气汽车发动机油的发展将形成新的车用润滑油发展领域。对于汽油机油和柴油机油的质量级别，我国一直采用美国石油学会 API 的标准，新产品的推出总因质量标准问题而步发达国家的后尘。但对于天然气发动机和燃气发动机润滑油，目前全球都处于同一起跑线，我国完全可以制订自己的评定方法和产品质量标准，摆脱对国外技术的依赖。

4 展望未来与建议

作为国内最大的天然气生产商和供应商，中国石油对燃气车辆的发展、LNG 的生产和加气站的建设起着不可替代的重要作用。2010 年，中国石油与多家重汽集团成立了中国新能源重卡战略联盟，由此实现了天然气生产商与汽车制造商的强强联合，将致力于国内领先型新能源车辆的开发与普及，对 LNG 汽车的发展起到了很好的促进作用。目前 LNG 重卡、LNG 客车及公交车已大量投放市场，成为新能源汽车发展的一大亮点。尤其是在各大城市， LNG 公交车正越来越多地取代柴油公交车，有效地减少了污染排放。

但目前在国内 LNG 轿车还没有大量推出使用，以出租车为主的燃气轿车仍使用 CNG，而且多为“油改气”车辆，私自改装现象严重，缺乏安全保证。为确保乘客安全，改善城市空气质量，应着重发展 LNG 汽车，同时结合电动汽车的技术积极发展 LNG 气电混合动力汽车，淘汰改装 CNG 车辆及替代更多的燃油车辆。而这一切都需要汽车制造商、天然气生产商和政府相关部门的密切配合以及政策的扶持。另外在发展 LNG 汽车的同时，应积极采用先进技术将 LNG 气化时的冷能用于车辆空调制冷，消除车辆采用传统空调制冷造成的能耗增加。

随着 LNG 车辆的快速发展，中国石油应积极调整产品结构，建立更多的 LNG 生产线和加气设备，并尽快制订出车用 LNG 的质量标准，以及加气站标准化管理模式等，争取在该领域起到引领作用。在润滑油发展领域，应积极开发燃气发动机润滑油产品系列，满足天然气汽车的使用要求，并制订出中国自己的产品质量标准及分类标准，摆脱对国外产品标准的依赖。

参考文献：

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来源：《内燃机与配件》 , 2018 (1) :202-204 作者：张庆兵①；李国红①；秦鹤年② （①中国石油润滑油公司，北京 100028； ②中国石油北京润滑油销售分公司，北京 100101）

编辑：华气能源猎头（微号：energyhunt）

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