绿能控股集团LCH4在中国未来源中的发展趋势第二版-20140426

绿能高科集团有限公司北京绿能高科天然气应用技术研究院有限公司LCH4在中国未来能源中的发展趋势(主讲人：张孔明)2014年4月目录（一）天然气储量丰富（二）天然气来源广（三）LCH4经济性好（四）LCH4易应用（五）LCH4发展关键因素（六）LCH4在中国的发展潜力（七）结束语常规能源名称第一名第二名第三名石油1国家沙特阿拉伯委内瑞拉加拿大储量（亿吨）359.73289.27240.02天然气2国家俄罗斯伊朗卡塔尔储量（万亿立方米）47.53325.6煤3国家美国俄罗斯中国储量（百万吨）246643157010114500非常规能源页岩气4国家中国美国阿根廷储量（万亿立方英尺）1275862774可燃冰5国家中国————储量（亿吨油当量）803.44————核能6（铀）国家澳大利亚加拿大哈萨克斯坦储量（百万吨）64.626.523.21.摘自《油气杂志》,20122.摘自阿拉伯油出口国组织(OAPEC),20113.摘自全球能源网,20124.摘自美国能源情报署（EIA）《2011年全球页岩气资源初步评估》5.摘自国际能源网,20106.摘自经合组织核能机构(OECD/NEA)和国际原子能机构(IAEA)《2009年铀:资源、生产和需求》世界能源储量不均，传统化石燃料主要蕴藏于中东地区、俄罗斯，中国和美国的煤以及页岩气资源丰富。（一）天然气储量丰富（一）天然气储量丰富*BP2012数据显示：天然气探明储量。中国可利用储量为，常规天然气1500亿方(近期可在用)，页岩气2000亿方，水合物1000亿方，煤清洁化3000亿方，生物、太阳能、风能等制天然气2500亿方，总量在1万亿方（折合1.36万亿公斤标煤）以上，根据中国统计年鉴2012能源消费总量在348002万吨标准煤，天然气占比最高可达39%，对中国未来能源需求紧张缓解有很重要的作用；万亿立方米年中国世界5504321（二）天然气来源广新能源替代能源可再生能源风能太阳能水能海洋能生物燃料不可再生能源（非常规天然气）液化天然气煤层气及液化页岩气及液化煤制气可燃冰其他替代能源核能氢、热、电天然气天然气电解水制氢天然气新能源定义（联合国新能源和可再生能源会议，1980）替代能源定义（WIKIPEDIA，1980）（三）LCH4经济性好优点天然气是低碳燃料[根据IPCC2006年碳排放系数]汽油:2.90e-4kgCO2/kCal，柴油:3.10e-4kgCO2/kCal，LNG:2.35e-4kgCO2/kCal按照单位热值二氧化碳排放计算:汽油：柴油：天然气=0.935:1:0.758天然气机排放相对传统机排放降低超过20%，碳排放成本也会减少天然气是清洁燃料，后处理成本低[清华大学环境科学与工程系2012]国四排放标准的柴油公交车每行驶1公里会排放0.075克PM2.5，而同样排放标准的天然气公交车同等路程仅排放0.005克PM2.5，减排比率可达93%。[2013第十四届中国国际天然气汽车、加气站设备展览会]万元油改气车，一氧化碳排放量比燃油汽车减少90％以上，碳氢化合物排放减少70％以上，氮氧化合物排放减少35％以上，可吸入颗粒物PM2.5的排放量更是比汽油车削减98％以上，尾气中无硫化物和铅的排放。*值得关注的是天然气PM排放个数和CH4排放带来的不利影响天然气开采成本低[根据BP2012能源统计年鉴]开采成本是煤的1/5~1/3，是油的1/10~1/5再加工成本如液化成本是炼油成本的1/5,是氢液化成本的1/10[北京201307月21日]93#汽油（43.07MJ/kg）价格7.63元/升，0#柴油(42.552MJ/kg)价格7.53元/升，北京发改委预建加气站估价：天然气（47.5MJ/kg）4.99元/立方米按照单位热值成本计算:汽油：柴油：天然气=1.17:1:0.7氢的理想储存方式氢容易引起材料氢脆，气态储存能量密度低，氢气爆炸极限4~74.2%，带来安全性，液化成本高，但煤加氢或农作物加氢可制成甲烷，能量密度，储运使用安全可靠性提高改型成本低由于我国已有一定应用基础？？，车用，天然气机在传统机上小改型就可以实现正常运行，不至于对行业冲击太大；民用如燃具，采用掺空气的LPG与LNG华白数、燃烧势相差小于2%、5%，可以实现不同燃料同一燃具上互换运营成本低汽油车、柴油车司机普遍反映百公里节省运营成本40%以上；（如不计初期成本和维护成本）（四）LCH4易应用补充说明应用范围广[天然气利用政策（2012年国家发展和改革委员会第15号令）]城市燃气、工业燃料、天然气发电和天然气化工[天然气燃料动力船舶规范]（2013.9.1）该规范为天然气船舶使用推广提供了保障[液氧甲烷发动机]国内正在研制

天然气(CH4为主)汽油柴油氢气分子式CH4含C5-C12的THC含C12-C23的THCH2相对分子量161141702C质量百分比(％)7585.5870H质量百分比(％)2514.512.6100O质量百分比(％)00O.40理论空燃比质量比17.2514.814.32.36理论空燃比体积比9.528586941734.3低热值(MJ/kg)50.0543.942.5120混合气热值(MJ/m3)3.363.73~3.833.790.126沸点(℃)-16130~190160~360-252.8辛烷值(RON)13080~9020~30>130十六烷值<101445~65-着火极限体积(％)5~151.3~7.61.5~8.24~74着火温度(常压)(℃)600~650380~450260~350510~590层流火焰传播速度(mm/s)338340~370350~4702700密度（kg/m3)液体420~460kg/m^3

气体1.5kg/m^3739(25C)860(25C)液体70气体0.0899（五）LCH4发展关键因素（产业竞争）LCH4产业生产要素市场要素相关产业产业竞争政府方面汽车为当前好的终端之一LCH4发动机应用领域广泛，但未能引起足够重视，技术需要提升：船用，重卡，城市客车、公交，环卫，发电，油田钻机，出租车，混合动力车，燃料电池车，改装车，航空发动机（五）LCH4发展关键因素（政府方面）名称主要目的执行日期发布部门车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）GB17961-2005为防治环境污染、保护和改善生活环境和生态环境，保障人体健康2007.01.01国家环境保护总局（现为部）《压缩天然气汽车燃料消耗量试验方法》(征求意见稿)包括燃料消耗量碳平衡法和质量流量计实测法2010中国汽车技术研究中心《液化天然气（LNG）汽车加气站技术规范》（报批稿）制定了液化天然气（LNG）汽车加气站的设计、施工建造等方面的规定2010国家能源局GB/T26780-2011压缩天然气汽车燃料系统碰撞安全要求压缩天然气汽车燃料系统的碰撞试验和密封性试验2011全国汽车标准化技术委员会（SAC/TC114）《节能减排“十二五”规划》推进节能减排工作，加快建设资源节约型、环境友好型社会2012.08.06国务院《天然气》一类气气质指标，每立方米天然气高位发热量由原来大于31.4兆焦耳提高到大于36兆焦耳；每立方米天然气总硫含量由不大于100毫克提高到不大于60毫克；二氧化碳含量由小于或等于3%提高为小于或等于2%。2012.09.01中国石油西南油气田天然气研究院和中国石油工程设计公司西南分公司负责起草《天然气利用政策》规定了天然气利用领域与顺序，促进天然气节约利用和供需保障2012.12.01国家发展和改革委员会国家发展改革委关于调整天然气价格的通知为逐步理顺天然气价格，保障天然气市场供应、促进节能减排，提高资源利用效率，提出了天然气价格调整方案2013.06.28国家发展和改革委员会《天然气基础设施建设与运营管理办法》(征求意见稿)为保障天然气基础设施加快有序发展，推进天然气基础设施提供公共服务，保障天然气安全稳定供应2013.08国家发展改革委、国家能源局分类天然气液化装置与混合制冷技术液化天然气联产提氦技术生产高纯度液态甲烷技术异戊烷脱苯净化技术带压储存技术特点1、液化工艺技术种类齐全，阶式制冷、氮膨胀制冷、混合制冷世界三大天然气液化制冷技术，公司都已投产工业化应用2、我国自主研发的三段混合制冷液化技术能耗低，比国际同类天然气液化技术节能15%。3、开停机水平国际领先，实现2小时内可靠开机并达到正常操作工艺参数要求。停机无需泄压放空，不但避免制冷剂浪费，增加安全可靠性，而且降低了碳排放。4、造价低，投资成本比同类节约20%。1、纯度高，达到99.999%。2、动设备少，能耗低。3、是世界上仅有几家掌握工业提氦核心技术的公司之一。4、提氦过程资源综合利用程度高，附加值高、零排放。5、操作简单，自动化程度高。1、纯度高，达到99.9%。2、液态甲烷作为汽车燃料能耗降低5%，碳排放降低20%。氮氧化物减少60%以上。3、依托原有LNG工艺，增加少量设备即可，无需重新设计。1、工艺流程国际一流。2、投资成本低廉，仅占国际同类技术投资的10%。3、脱苯程度高。4、稳定性好。1、工艺简单。2、大大减少BOG损失。3、操作弹性大。氢能作为一种高效清洁的能源形式，为大家熟知，但由于氢能有能量密度低、不安全等因素，目前没有被提升到主要能源形式的地位。高纯液态甲烷LCH4不仅含氢量高，而且具有能源密度高、安全等优点。为缓解国家能源危机和环境危机，新能源和替代能源方案很多，目前能源呈现多元化趋势，天然气作为重要能源之一，各种渠道获取的天然气的利用都不可小视，比如从海底、从岩石、从煤、从油田、从农作物等等都可以获取天然气，但天然气杂质成分不统一，这样对应用造成了困难。如何借助简单可靠、经济实用的物理或化学过程对天然气进行提纯，如何低能耗、低成本的对天然气进行液化提高能量密度，同时也可以提纯，成了众多研究者研究的重点。如上表列举了几项技术，就是生产高纯液态甲烷LCH4技术。（五）LCH4发展关键因素（生产要素）年份大型物流公司（家）LNG运输车保有量（台）物流市场规模（亿元）201038006.320114110012.520126150018.4201310200025.3201414240032.4201520300040经济增长与汽车交通运输量和车用能源有很强的正相关，如何在经济增长同时，保证能源安全和气候环保？高效、清洁、储量丰富、经济、安全、适用的能源，能源多元化共存是比较合适的答案。在能源多元化中，LCH4（LNG一种，但更纯）是比较有潜力的能源形式之一：1）市场潜力，需求量逐步增加（六）LCH4在中国的发展潜力2）改善潜力，针对一款市场上的主流发动机涡轮增压器测试发现，涡轮增压器与发动机匹配并不理想，见附图。推荐关键零部件按天然气特性进行设计。rpm3）能源来源潜力，能制取天然气都可以制取LCH4，太阳能制氢后也可以再制成更安全的LCH4质量流量压比4）技术潜力，提纯后节能（也是减排）效果明显，同一发动机上新旧燃料对比试验，显示新燃料（99.5%）气耗比旧燃料(92.5%)气耗减少5%以上燃气消耗量转速5）技术潜力，专业化燃料提纯后，通过同一发动机上不同压缩比对比试验，显示高压缩比(12:1)气耗比低压缩比(11:1)气耗减少3%以上，见附图。转速燃气消耗量（六）LCH4在中国的发展潜力（六）LCH4在中国的发展潜力6）技术潜力，全新热力循环狄塞尔循环奥托循环阿特金森/米勒循环布雷顿循环郎肯循环萨巴德循环全新热力循环（六）LCH4在中国的发展潜力6）技术潜力，全新热力循环之效率分析机型实际压缩比实际最低比油耗实际效率--(g/kw.h)-汽油机8.83880.219.253850.2110.04180.2010.53800.22柴油机17.52000.4217.81950.43182150.39卡诺循环热效率是所有热机中效率最高的；理论奥托循环热效率是卡诺循环实现方式之一，实际应用过程中由于各种损失及压缩比上不去等原因，以至于实际热效率很低，一般在20%~30%左右。狄塞尔循环热效率理论上比奥托循环热效率低，实际应用中由于压缩比高，一般在30~40%，有的更高。（相关实例数据见右表）本发明热力循环相比奥托循环更易接近卡诺循环热效率。6）技术潜力，全新热力循环之各工况点数据分析工况点参数压力温度密度比容定压比热Cp定容比热Cv比热比k（MPa)(K)（kg/m3）(m3/kg)(kJ/(kg·K))(kJ/(kg·K))(-)a0.100308.01.1310.88431.0070.7201.40b0.250416.22.0920.47801.0230.7361.39c0.230324.22.4710.40471.0090.7221.40d0.575437.84.5740.21861.0270.7401.39e0.555327.55.9030.16941.0090.7221.40f(g)1.388442.210.9300.09151.0280.7411.39h1.3381045.84.4540.22451.1600.8731.33i2.6862098.94.4740.22351.3301.0441.27j0.1501095.80.4792.08971.2160.9301.31k0.100530.90.6581.51861.0810.7951.36过

程参数增压比等熵效率压力损失过程比功(-)(-)（Mpa)（kJ/kg)a-b(一级增压比功率消耗)2.500.850.15108.9b-c（一级中冷比散热损失）0.921.000.0298.8c-d（二级增压比功率消耗）2.500.850.35114.6d-e（二级中冷比散热损失）0.971.000.02119.2e-f（三级增压比功率消耗）2.500.850.83115.8g-h（换热中空气接收的能量）0.961.000.05758.9h-i（燃烧过程中的比能量输入）2.011.001.351047.2i-j（膨胀做功）0.060.992.54964.6j-k（换热中废气释放的能量）0.671.000.05758.8k-a（向大气散热）1.001.000.00263.6根据以上的计算，可以得到本发明循环的热效率为59.70%，另外最高工作压力为26.86bar。（六）LCH4在中国的发展潜力6）技术潜力，全新热力循环之专利说明（专利号201410132101.4）本发明（专利号201410132101.4）提供了基于正时定容燃烧方式的一种原动机的热力循环方法，其循环包括多级压缩级间冷却过程、逆流换热过程、正时定容燃烧过程和绝热膨胀过程，是一种由热能转化为机械能的热力循环。通过多级压缩级间冷却过程，减少压缩耗功；通过逆流换热过程，回收本要排至外部环境的工质的焓并参与热力循环，提高热能利用率；通过正时定容燃烧过程，实现长时间均匀低温定容燃烧，有效抑制HC、CO、PM和NOx等有害污染物的产生，同时提高燃烧效率；通过绝热膨胀过程，使膨胀后压力接近环境压力，实现充分膨胀做功。本发明为今后设计高效低污染物排放和高性能的原动机提供了方向。1-一级压缩机、2-一级中冷器、3-二级压缩机、4-二级中冷器、5-三级压缩机、51-一级压缩进气口、52-一级压缩排气口、53-二级压缩进气口、54-二级压缩排气口、55-三级压缩进气口、56-三级压缩排气口、57-压缩机内腔转子、58-压缩机旋转驱动轴、59-压缩机联动装置、6-储压调压装置、7-逆流换热器、8-正时定容燃烧器、9-燃料喷射器、91-喷射器喷孔、10-膨胀机、11-输出轴、12-正时装置、121-控制阀门Ⅰ、122-控制阀门Ⅱ、123-控制阀门Ⅲ、15-氧化剂辅助供给装置（六）LCH4在中国的发展潜力6）技术潜力，全新热力循环之专利说明（专利号

201410130949.3）本发明提供了一种原动机的半闭式正时定容热力循环方法及系统，其循环包括多级压缩级间冷却、逆流换热、正时定容燃烧、绝热膨胀、后冷却和二氧化碳和水脱除6个过程，是一种热功转化的热力循环。多级压缩级间冷却过程减少压缩耗功；逆流换热过程回收膨胀后工质的焓，参与热力循环