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[技术] 发展燃气发动机汽车和压缩煤层气充气站的设想

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发表于 2009-10-25 19:49:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 克虏伯火炮 于 2009-10-25 22:56 编辑

前言:
这个帖子似乎应发到能源版块更合适,但其中涉及到汽车发动机的一种发展方向,或者说一种可供选择的汽车发动机新类型;同时,个人更加关心发动机方面的相关内容,因此就放在本版吧。如果管理员先生认为不合适,就请转到能源版块。
辛苦了。

正文:
首先说说什么是煤层气。
煤层气俗称“瓦斯”,是与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的气体。
我们有时候会在媒体报道中看到某个煤矿出现“瓦斯涌出”现象,轻则影响煤矿的正常生产,重则出现人员窒息死亡甚至矿井下爆炸的恶性事故。这是因为煤层气是可燃气体,当煤层气/空气混合物中煤层气的浓度达到5%-16%时,遇明火就会爆炸,这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。
其主要成分是甲烷(CH4),燃烧热值与天然气相当。地面抽采的煤层气甲烷(CH4)含量一般大于96.5%。因为主要成分是甲烷,与天然气相似,所以有时候煤层气也被归类为非常规天然气的一种。
当甲烷含量97.8%时,在0℃, 101.325kPa下:
  高位发热值:QH=38.9311MJ/Nm3(约9299 kcal/ Nm3)
低位发热值:QL=34.5964MJ/Nm3(约8263 kcal/ Nm3)
(注:所谓高位发热值就是假设单位质量的燃料完全燃烧后,燃烧产物回到标准状态下时所放出的热量,也就是此时产物中的水处于液态;低位发热值则是假设单位质量的燃料完全燃烧后,燃烧产物中的水处于0摄氏度下的蒸汽状态时所放出的能量。显然,高位发热值和低位发热值的差,就是单位燃料燃烧产物中的水的蒸发潜热)
汽车燃料燃烧后,产物中的水是以蒸汽状态排放到气缸之外的,因此衡量汽车发动机的热效率的时候,几乎均是以燃油的低位发热值进行计算的。在这里,如果想将汽油和煤层气做个比较,则以汽油的低位发热值比较更加合理。汽油的低位发热值一般在44.4MJ/千克左右,由上诉数据可见,每1000标立方煤层气的热值,相当于0.8768千克汽油。普通汽油的密度在0.75千克/升左右,因此每1000标立方煤层气就相当于1.17升汽油。
同时,煤层气与天然气一样,是十分清洁的燃料,几乎没有硫等污染环境的杂质,所以是一种很有价值的优质燃料。但甲烷的温室效应约为二氧化碳的21倍,所以如果煤层气直接排放到大气中,对生态环境的破坏性极强。
显然,煤层气的开发利用具有一举多得的功效:得到优质燃料的同时,可以让煤矿瓦斯爆炸率降低70%到85%,安全效应好;而且可以有效减排温室气体,产生良好的环保效应。

接下来说说我国煤层气的资源。
我国煤层气资源丰富,居世界第三。据煤层气资源评价,我国埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36万亿立方米,主要分布在华北和西北地区。其中,华北地区、西北地区、南方地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的56.3%、28.1%、14.3%、1.3%。我国煤层气可采资源总量约10万亿立方米,其中大于1000亿立方米的盆地(群)有15个:二连、鄂尔多斯盆地东缘、滇东黔西、沁水、准噶尔、塔里木、天山、海拉尔、吐哈、川南黔北、四川、三塘湖、豫西、宁武等。二连盆地煤层气可采资源量最多,约2万亿立方米;鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地的可采资源量在1万亿立方米以上,准噶尔盆地可采资源量约为8000亿立方米。
我国一次能源以煤炭为主,2008年全国煤炭产量达27亿吨,显然随着煤炭的开采,每年产生的煤层气也是庞大的数字。据统计,目前我国每年在采煤的同时排放的煤层气在130亿立方米以上。

再说说我国煤层气利用现状。
煤矿为了保障生产安全,采用井下瓦斯抽放系统将从煤中释放出来的煤层气抽出来。但是,在目前的技术水平和设备条件下,这些可燃气体除了用作供暖外,几乎没有找到合理的利用手段:我国大型燃气轮机技术自主程度低,基本上依靠进口,价格昂贵,所以投运设备较少,煤矿地区更是基本上以燃煤设备为主;矿井位置一般不在大型城市范围内,居民数量少,生活用气需求量相对较小,不能完全消耗这么多燃料;建设管道等相关设备将气体输送到城市,其建设费用高昂,同时因为煤层气属于比较分散的资源单井出气量少,寿命短,所以建设输气管道是不划算的。
综上所述,我国目前没有合适的能够利用这些煤层气的设备,随着煤炭开采抽放的瓦斯,绝大部分是作为排除矿井爆炸隐患,白白排入大气,未能充分利用。显然,这样不仅浪费了资源,还严重污染了环境。
为了合理利用资源,更为了我们赖以生息的环境,是到了充分利用煤层气的时候了。国家应该出台相关法律并采取强制性措施,要求各个煤矿在采煤之前必须先开采煤层气,通过在矿脉适当位置打气井,让煤层中的瓦斯释放、集中,从井口开采利用。

最后抛出我的设想,如有不足之处希望行家指证,也希望能够引起社会各相关部门的注意。
从上述煤层气得不到有效利用的分析可见,其困难来自于:作为矿区固定耗能设备燃料,没有足够的市场;作为远处民用燃料,运输成本高。避开这2点,我们可以设想:将其用于有一定需求的、可移动的耗能设备,当然,这典型的就是汽车了。
作为汽车燃料,煤层气有相当多的优点:它使用清洁,热值高。其燃烧排放污染物比汽油、柴油等石油燃料低得多;与燃油发动机相比,其排放污染物中CO2可降低24.0%,CO可降低90%一97%,NOx可降低30%一40%,HC可降低70%一80%,SO可降低70%一80%,SO2可降低99.9%,微粒排放可减少40%;无Pb及铅化物的微粒污染。
不过从工程技术上讲,环保和热值高都不是他最大的优点,它最大的优点是既可以作为汽油机燃料,又可以做柴油机燃料。
由于甲烷燃点高,用于点燃式内燃机(即汽油机)中爆燃倾向小,也即是辛烷值高,所以发动机可以采用较高的压缩比,从而提高热效率。实际上煤层气可用于压缩比达到18-20的柴油机——只需简单的改装。其热效率也接近柴油机的水平。
同时,甲烷与空气混合速度快,点燃特性好,所以如果追求发动机轻便、比重量小,那么也可以用于压缩比较低的发动机——汽油机,用于轻型车辆如轿车。
此前,北京、南京、重庆等好几个城市已经发展了以压缩天然气为燃料的燃气公交车,根据实际运行情况,证实了燃气公交车具有低成本、效益高、使用安全等特点。天然气公交车尾气排放量较低,一氧化碳和碳氢化合物的排放量是国家环保标准要求的1/20,能满足我国各城市对汽车环保的限值要求。另外,经济性是燃气公交车的一大特色。对于百公里油耗20升以上的柴油公交车,改造为燃气发动机之后百公里燃料消耗22立方米。按市场价柴油每升5元,天然气每立方米2元计算,每百公里燃料费用分别为100元和44元。
此外,采用天然气作燃料的汽车,还可以减少发动机积碳和磨损,延长发动机使用寿命,减少发动机的机油消耗,降低发动机的维修费用。
虽然对改善环境和降低燃料费用都有好处,但目前看来燃气公交车的路困难重重。

1.        实际上它们耗用的燃料是城市居民生活燃料,本来就供应紧张的民用燃气,经不得公交车这样的耗能大户“与民争气”,所以他的燃料供应问题比较突出;
2.        燃气汽车需要大容积、高压力的储气瓶,虽然不论是钢质的储气瓶还是复合材料的储气瓶,都有相关的国家标准对其安全性做了详细的要求,而且其执行的安全标准都是很高的,但是与核动力发电一样,老百姓对“高压气瓶”十分敏感,有很大的抵触性。
3.        作为代步工具和运输工具,汽车一次加载燃料的续驶距离与动力性一样重要。压缩天然气/煤层气汽车,燃料箱为高压容器,目前钢质储气瓶一般工作压力为20MPa。容积为200升的压缩气瓶,可储存天然气/煤层气40立方米,可以让上述公交车或者与之规格接近的载货汽车行驶200公里。这对于城市公交车、远途载货汽车来说显然是不够的。高新科技的碳纤维复合储气瓶,比重量远高于钢质储气瓶,也许可以作为储存压缩天然气的理想容器。但目前这种复合材料储气瓶的成本还十分高昂,产量也无法满足规模应用。
目下,燃气公交车似乎遭遇了生存瓶颈。
基于以上提及的各种具体情况,以及燃气公交车发展遭遇滑铁卢的教训,我建议在煤层气矿井处设置高压压缩装置,并建设压缩煤层气充气站,同时矿区车辆均采用压缩气发动机,由矿区车辆消耗这些优质燃料。这不仅能减少温室气体的排放,还能够减少需要向矿区输运的汽油、柴油等石油产品,降低运输费用。
燃气发动机汽车其高压气瓶储存的燃料少、续驶能力低的缺点,对于通常在特定范围内作业的矿用车辆来说绝不是什么不可接受的缺点,只要在作业一定时间之后——驾驶员需要休息的时候,到充气点加充燃料就行了。
至于发生交通事故时压缩煤层气储罐的安全问题,在有了足够的市场容量的条件下,碳纤维储气瓶研发生产企业有足够的心理保障,就能够生产出价格合理、产量能够满足市场需求的碳纤维储气瓶。这种储气罐是由高强度纤维绕制加固的复合材料结构,其特点是破裂时将产生裂口,但不会崩碎,也就是将产生裂口将高压气体释放出来,而不会发生瓶体爆破、飞出高速固体碎块的情况。
另外,由于甲烷的密度与空气的密度相差较大,一旦发生泄漏,在空气中扩散较快;同时天然气的燃点和爆炸极限比燃油高,所以发生混合气爆炸产生二次破坏的可能性并不大。所以即使在发生车祸的极端情况下,民众的人身安全性也是有保障的。
当然,气瓶破裂高压气体泄出,其噪声会很大,可能损伤附近人员的听力,甚至损坏鼓膜,但这个问题不一定不能消除,比如在储气瓶外包覆一层类似于安全气囊的容器,在发生储气瓶破裂的极端情况下可以缓和高压气体的释放和噪音。所以这也不是限制高压天然气燃料汽车的因素。
发表于 2009-10-26 18:06:24 | 显示全部楼层
不错~这还得国家支持啊~
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