韓慧，韓新強(qiáng)，歐陽清華，蔡黎，劉川

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院（四川 成都 610213）2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣分析測(cè)試重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川 成都 610213）3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川 成都 610213）4.中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣銷售分公司（北京 100000）5.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦（重慶 400700）

0 引言

液化天然氣作為交通運(yùn)輸工具的燃料主要是因?yàn)樗哂协h(huán)保和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種理想的替代其他燃料的清潔性能源[1]，近年來，液化天然氣作為車船用燃料在我國(guó)獲得快速發(fā)展。國(guó)家發(fā)改委于2017 年6 月發(fā)布《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》，提出實(shí)施交通燃料升級(jí)工程，明確要加快天然氣車船發(fā)展，提高天然氣在公共交通、貨運(yùn)物流、船舶燃料中的比重；加快加氣站建設(shè)，在高速公路、國(guó)道省道沿線、礦區(qū)、物流集中區(qū)、旅游區(qū)、公路客運(yùn)中心等，鼓勵(lì)發(fā)展CNG 加氣站、LNG 加氣站、CNG/LNG 兩用站、油氣合建站等，支持具備場(chǎng)地等條件的加油站增加加氣功能；交通運(yùn)輸部印發(fā)《內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展綱要》，明確要求加大新能源清潔能源推廣應(yīng)用力度，推廣LNG 節(jié)能環(huán)保船舶，完善水上綠色綜合服務(wù)區(qū)、液化天然氣加注碼頭等綠色服務(wù)體系建設(shè)。

根據(jù)LNG 本身的特性和作為車船燃料的使用特點(diǎn),美國(guó)的國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International，原譯為美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)）于2011 年7 月發(fā)布了J 2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE 信息報(bào)告》（Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report）。該報(bào)告指出，LNG 的組成由于其具有“老化（Weathering）”特性，則會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化[2]，在使用過程中應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的使用特性等。該文件也指出LNG 在汽車中的使用將對(duì)汽車的排放、功能、維保和可靠性等方面產(chǎn)生影響。

中國(guó)LNG 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了包括國(guó)家能源局、交通運(yùn)輸部、質(zhì)檢總局、出入境檢驗(yàn)檢疫總局等多部門制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]，但現(xiàn)階段在我國(guó)涉及液化天然氣質(zhì)量指標(biāo)的有：給出了液化天然氣（LNG）的一般特性和LNG工業(yè)所用低溫材料方面以及健康和安全方面指導(dǎo)的GB/T 19204—2020《液化天然氣的一般特性》；規(guī)定了進(jìn)出口液化天然氣的技術(shù)要求、檢驗(yàn)規(guī)則和質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的SN/T 2491—2010《進(jìn)出口液化天然氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[4]和規(guī)定了液化天然氣質(zhì)量、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及存儲(chǔ)與裝運(yùn)要求的GB/T 38753—2020《液化天然氣》等3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。目前尚無車船用液化天然氣燃料的質(zhì)量控制指標(biāo)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為此有必要開展車船用液化天然氣技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)研究，提出適用于車船發(fā)動(dòng)機(jī)且滿足國(guó)家安全環(huán)保要求的液化天然氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地促進(jìn)液化天然氣作為車船用燃料在我國(guó)的推廣和應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論我國(guó)天然氣、液化天然氣和相關(guān)汽車使用和排放標(biāo)準(zhǔn)要求，以期討論形成適宜車船用液化天然氣的質(zhì)量指標(biāo)要求。

1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)情況

1.1 國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的氣質(zhì)指標(biāo)

SAE International于2011年7月發(fā)布的J2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報(bào)告》中并未給出車用LNG質(zhì)量要求，僅定性描述了汽車對(duì)LNG燃料的要求。并特別指出，由于LNG的組成具有“老化（Weathering）”特性，當(dāng)環(huán)境熱量傳遞至儲(chǔ)罐內(nèi)時(shí)，沸點(diǎn)最低的氣體組分，例如氮?dú)夂图淄椋钕葟囊合嗾舭l(fā)到氣相，這一特性提高了沸點(diǎn)較高組分（即乙烷、丙烷和其他重?zé)N）在儲(chǔ)罐內(nèi)液相中的含量，從而直接影響到燃料的組成隨時(shí)間發(fā)生變化。尤其是LNG中的氮?dú)庾钕日舭l(fā)，使儲(chǔ)罐內(nèi)液面之上的氣體燃料對(duì)于正常的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒而言過“貧”（富含氮?dú)猓！袄匣边€受LNG儲(chǔ)罐傳熱效率、飽和方法及車輛燃料用量的影響[2]。

表1 為目前俄羅斯聯(lián)邦ГОСТ Р 56021—2014《液化天然氣內(nèi)燃機(jī)燃料技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LNG 產(chǎn)品燃料質(zhì)量等進(jìn)行的劃分或規(guī)定。

表1 ГОСТ Р 56021—2014《液化天然氣內(nèi)燃機(jī)燃料技術(shù)條件》氣質(zhì)指標(biāo)要求

1.2 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的氣質(zhì)指標(biāo)

1.2.1 液化天然氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38753—2020《液化天然氣》[5]中根據(jù)甲烷含量和高熱發(fā)熱量對(duì)液化天然氣進(jìn)行了分類，并規(guī)定了適用于商品液化天然氣的質(zhì)量要求，具體技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 液化天然氣質(zhì)量要求

國(guó)家出入境檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SN/T 2491—2010《進(jìn)出口液化天然氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[6]規(guī)定了進(jìn)出口液化天然氣的技術(shù)要求、檢驗(yàn)規(guī)則和質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，適用于進(jìn)出口液化天然氣的質(zhì)量評(píng)價(jià)，其質(zhì)量要求見表3。

表3 SN/T 2491—2010液化天然氣技術(shù)指標(biāo)

由兩個(gè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求可以看到在液化天然氣產(chǎn)品質(zhì)量方面，主要還是分為三類指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行規(guī)范：①使用特性發(fā)熱量以及和發(fā)熱量相關(guān)的各類天然氣組成；②影響使用環(huán)保性的總硫指標(biāo)；③影響使用和輸送等安全性的硫化氫，氧氣和氮?dú)獾戎笜?biāo)。當(dāng)LNG作為車船用燃料時(shí)，理應(yīng)充分考慮相關(guān)指標(biāo)與此類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

1.2.2 車船發(fā)動(dòng)機(jī)燃料氣質(zhì)指標(biāo)

GB 18047—2017《車用壓縮天然氣》[7]作為將天然氣用于汽車燃料的產(chǎn)品質(zhì)量國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了包括使用特性，環(huán)保要求及安全類等三方面的指標(biāo)要求，規(guī)定了車用壓縮天然氣的技術(shù)指標(biāo)，具體要求見表4。

表4 車用壓縮天然氣的技術(shù)指標(biāo)要求

JB/T 11792.1—2014《中大功率燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)條件第1 部分：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)》[8]中規(guī)范了功率為500 kW 以上的非道路用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料天然氣的技術(shù)指標(biāo)，具體要求見表5。該標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)熱量使用特性方面使用低位發(fā)熱量進(jìn)行規(guī)定，并對(duì)總硫指標(biāo)的要求較為寬泛。

表5 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣質(zhì)技術(shù)指標(biāo)

1.2.3 車船發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)燃料氣質(zhì)指標(biāo)

車用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)也是LNG 作為燃料應(yīng)考慮的。國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[9]中規(guī)定了適用于天然氣燃用的重型柴油車在型式檢驗(yàn)中根據(jù)燃料氣高位發(fā)熱量范圍不同采用不同基準(zhǔn)天然氣燃料的技術(shù)參數(shù)，具體見表6至表9。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天然氣質(zhì)量的要求也應(yīng)作為確定車船加注用LNG產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的依據(jù)。

表6 基準(zhǔn)燃料GR

表7 基準(zhǔn)燃料G20

表8 基準(zhǔn)燃料G23

表9 基準(zhǔn)燃料G25

2 LNG的質(zhì)量氣質(zhì)分析及要求

2.1 進(jìn)口液化天然氣質(zhì)量分析

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)多個(gè)LNG接收站，每個(gè)接收站都不是單一氣源進(jìn)口，而且在有現(xiàn)貨的情況下，氣源組分不斷有變化，每個(gè)接收站無法明確具體LNG氣質(zhì)組分，但這些接收站LNG來自全球主要LNG供應(yīng)商，各氣源地典型LNG產(chǎn)品的組分情況見表10。

表10 各氣源地典型LNG產(chǎn)品組分

2.2 國(guó)內(nèi)液化天然氣質(zhì)量氣質(zhì)分析

國(guó)內(nèi)有以管道氣、焦?fàn)t煤氣乃至煤層氣等為原料氣的液化天然氣生產(chǎn)單位LNG 的出廠指標(biāo)，其LNG組成等性質(zhì)見表11。

表11 國(guó)內(nèi)部分LNG液化廠出廠液化天然氣檢測(cè)指標(biāo)

從表11中數(shù)據(jù)可以看出，絕大部分國(guó)內(nèi)自產(chǎn)的液化天然氣發(fā)熱量均大于37 MJ/m3。僅有少量的LNG發(fā)熱量低于此限度，主要是由于煤層氣作為液化天然氣原料導(dǎo)致。通常煤層氣中幾乎只有甲烷而不含其他重?zé)N組分，發(fā)熱量也略低于37 MJ/m3，與表11的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相當(dāng)。

2.3 LNG發(fā)動(dòng)機(jī)廠家對(duì)LNG氣質(zhì)的要求

為進(jìn)一步滿足不同發(fā)動(dòng)機(jī)廠家對(duì)LNG 氣體質(zhì)量的要求。本文調(diào)研了不同LNG 車船發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家和型號(hào)對(duì)LNG的要求。包括重汽、濟(jì)柴、錫柴、濰柴、玉柴、富瑞特、雷諾等。整理調(diào)研結(jié)果，各種型號(hào)的LNG 車船發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氣質(zhì)指標(biāo)的要求分布范圍見表12。

表12 車船用LNG發(fā)動(dòng)機(jī)廠家氣質(zhì)需求

3 液化天然氣指標(biāo)討論

綜合考慮液化天然氣生產(chǎn)工藝流程，在冷卻液化前須經(jīng)過預(yù)處理。預(yù)處理部分包括原料氣過濾、脫酸氣單元及脫水脫汞單元，其作用是脫除天然氣中含二氧化碳、硫化氫、水、苯和汞等雜質(zhì)，防止這些雜質(zhì)腐蝕設(shè)備及在低溫下凍結(jié)堵塞設(shè)備和管道，保證冷箱正常運(yùn)行。根據(jù)GB/T 38753—2020《液化天然氣》質(zhì)量要求及車船用LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際需求，結(jié)合液化天然氣的氣質(zhì)特點(diǎn)，確定了車船用液化天然氣的各項(xiàng)氣質(zhì)指標(biāo)以甲烷、C4+烷烴、二氧化碳、氮?dú)?、氧氣、總硫、硫化氫及高位體積發(fā)熱量作為8 項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，見表13。

表13 車船用液化天然氣的技術(shù)指標(biāo)

3.1 甲烷含量、高位體積發(fā)熱量

甲烷含量是車船用液化天然氣氣質(zhì)的重要控制指標(biāo)。作為液化天然氣中的最主要成分，甲烷含量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的熱值，若LNG燃料中含甲烷在內(nèi)的所有烷烴含量過低，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足，氣耗升高，功率受到影響。同時(shí)，甲烷作為高抗爆性的燃料，與LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震性直接相關(guān)。JB/T 11792.1—2014《中大功率燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)條件第1部分：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)》中規(guī)定，為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和熱耗率，燃料天然氣應(yīng)滿足甲烷值不低于85%。為與GB/T 38753—2020《液化天然氣》中對(duì)液化天然氣的常規(guī)類分類指標(biāo)一致，車船用發(fā)動(dòng)機(jī)目前對(duì)LNG燃料氣質(zhì)甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的下限宜為86%。

對(duì)應(yīng)的，車船用液化天然氣高位發(fā)熱量范圍為不低于37.0 MJ/m3。在LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)沖程中, 天然氣燃燒后生成的水, 立即汽化并隨廢氣一起排出，所以發(fā)動(dòng)機(jī)中通常采用燃料的低熱值來表現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)所能利用的能量。根據(jù)換算，當(dāng)液化天然氣高位發(fā)熱量范圍不低于37.0 MJ/m3時(shí)，其低位發(fā)熱量已滿足在JB/T 11792.1—2014《中大功率燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)條件第1部分：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)》中規(guī)定天然氣低熱值不低于33.5 MJ/m3要求。

3.2 C4+烷烴

多碳烷烴含量過多，會(huì)導(dǎo)致LNG燃料的辛烷值變低，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震燃燒，部分未燃混合氣因受正?；鹧嫜婷娴膲嚎s和熱輻射作用而生產(chǎn)大量不穩(wěn)定的過氧化物。在正?；鹧嫜婷嫔形磦鞯街?，過氧化物就發(fā)生劇烈分解而自燃，形成一個(gè)或多個(gè)火焰中心向四面八方傳播。爆震燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的危害極大。它不僅導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率急劇下降，燃料消耗量明顯上升，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起活塞和氣門燒壞，軸瓦破裂等故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞或無法正常使用。美國(guó)氣體研究院（GRI）用ASTM 的辛烷值評(píng)定方法測(cè)量了天然氣燃料的馬達(dá)法辛烷值（MON），推導(dǎo)出數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式來計(jì)算氣體燃料的辛烷值：

式中：x1為甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)；x2為乙烷的摩爾分?jǐn)?shù)；x3為丙烷的摩爾分?jǐn)?shù)；x4為丁烷的摩爾分?jǐn)?shù)；x5為二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)；x6為氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)。

由數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式可知，天然氣中的C2組分能提高燃料抗爆性，C3組分含量會(huì)降低燃料的抗爆性，C4組分含量會(huì)大幅度地降低燃料的抗爆性。C2、C3對(duì)燃料的抗爆性影響遠(yuǎn)小于C4組分對(duì)其的影響。根據(jù)調(diào)研情況統(tǒng)計(jì)，我國(guó)LNG 生產(chǎn)企業(yè)成品LNG 中C2、C3組分的含量變化幅度較大，各LNG接收站接收的來源全球主要供應(yīng)商的LNG中C2、C3組分變化也較大，GB/T 38753—2020《液化天然氣》也未對(duì)指標(biāo)作出具體規(guī)定。因此，不宜對(duì)C2、C3的范圍進(jìn)行界定。

LNG 中的C4+烷烴主要包括正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷等烴類。正丁烷等多碳烷烴的存在會(huì)大幅度地降低燃料的抗爆性，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)更易發(fā)生爆震造成損壞。同時(shí)，C4+烷烴含量過高會(huì)導(dǎo)致燃料的熱值產(chǎn)生波動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性造成影響。根據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)液化天然氣廠家生產(chǎn)的成品LNG和全球主要LNG供應(yīng)商提供的進(jìn)口LNG中甲烷C4+烷烴的摩爾數(shù)分均在2%以下，依據(jù)GB/T 38753—2020中要求，C4+摩爾分?jǐn)?shù)宜不大于2%。

3.3 二氧化碳

液化天然氣生產(chǎn)過程的預(yù)處理單元已對(duì)原料氣中的二氧化碳進(jìn)行了深度脫除，防止低溫下二氧化碳凍結(jié)堵塞設(shè)備和管道，所以成品LNG中已基本不含二氧化碳。全球主要LNG 供應(yīng)商提供的進(jìn)口LNG 中也基本不含二氧化碳。依據(jù)GB/T 38753—2020《液化天然氣》中要求，將二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)限定為不大于0.01%。

3.4 氮?dú)?/h3>

氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w，不參與燃燒反應(yīng)，其含量對(duì)LNG燃料的熱值有較大影響，含量過高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。同時(shí)，由于在LNG中氮?dú)獾姆悬c(diǎn)最低，儲(chǔ)存過程中會(huì)先于其他組分蒸發(fā)，但其相對(duì)分子質(zhì)量大于甲烷，使得下部的氮受熱氣化，無法揮發(fā)出LNG 的表面，從而加速下部密度下降，因此LNG 中氮?dú)獾暮吭蕉鄷?huì)使其翻滾的可能性越大。根據(jù)GB/T 19204—2020《液化天然氣的一般特性》[10]中規(guī)定，保持LNG氮?dú)夂康陀?%，可預(yù)防此類翻滾。氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)宜不大于1.0%。

3.5 氧氣

LNG 中氧氣的存在可能會(huì)造成燃料儲(chǔ)罐及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的腐蝕，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。一般而言LNG中含氧量非常低。根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)液化天然氣廠家生產(chǎn)的成品LNG 和全球主要LNG 供應(yīng)商提供的進(jìn)口LNG 中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)一般在0.1%以下。氧氣摩爾分?jǐn)?shù)宜不大于0.1%。

3.6 硫化氫和總硫

LNG 燃料中硫含量過高會(huì)腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器及燃燒室組件，進(jìn)一步影響熱交換和熱平衡，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞甚至報(bào)廢。同時(shí)，硫含量還直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中硫化物排放。在船用燃料方面，國(guó)際海事組織（IMO）規(guī)定自2020 年1 月1 日起，全球船舶燃油硫含量由不應(yīng)超過3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的標(biāo)準(zhǔn)降至不超過0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的標(biāo)準(zhǔn)。在車用燃料方面，GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》中規(guī)定的適用于裝用以天然氣或液化石油氣作為燃料的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車在型式檢驗(yàn)中采用的基準(zhǔn)NG燃料的含硫量均不大于10 mg/m3。對(duì)于LNG 而言，在凈化和液化工藝已對(duì)硫化氫進(jìn)行深度脫除，所以基本不含硫化氫和總硫。根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)液化天然氣廠家生產(chǎn)的成品LNG 和全球主要LNG 供應(yīng)商提供的進(jìn)口LNG 中硫化氫含量在3.5 mg/m3以下，總硫含量在5 mg/m3以下。為進(jìn)一步體現(xiàn)LNG作為清潔能源的優(yōu)勢(shì)，因此，硫化氫濃度宜不超過3.5 mg/m3，總硫濃度宜不超過5.0 mg/m3。

4 結(jié)論及建議

1）車船加注用液化天然氣標(biāo)準(zhǔn)由于其使用的特殊性，有必要進(jìn)行針對(duì)性的產(chǎn)品質(zhì)量控制，并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行規(guī)范。

2）車船加注用液化天然氣產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)宜在現(xiàn)有液化天然氣產(chǎn)品指標(biāo)的要求基礎(chǔ)上，增加排放和使用方面的要求，進(jìn)一步體現(xiàn)液化天然氣作為清潔能源在交通領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。