第6章汽车节能与环保技术(3)

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。
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
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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：
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。
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。
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
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。
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。
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
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。
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：
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。
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。
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
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 及压力泄放阀等。