晉城市發(fā)展煤層氣燃料汽車的探討

周保山

(晉城市煤氣開發(fā)利用中心，山西晉城048000)

晉城市位于山西省東南部，境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，沁水煤田盆地面積23 900 km2，煤碳資源量3 200億t，煤層氣儲量約6.5萬億m3，占全國的近1/5，是全國目前煤層氣最具開發(fā)前景的地區(qū)之一。

煤層氣(Coal Bed Methane，CBM)是煤層的伴生資源，是一種清潔能源，其氣體組分接近天然氣，甲烷體積分數(shù)超過90%;井下抽放回收的煤層氣又叫做礦井瓦斯氣(Coal Mine Methane，CMM)，其甲烷含量約為35% ～60%，由于CMM氧含量較高，CMM的儲氣壓力不能過高，因此CMM不能作為汽車燃料用氣，作為汽車燃料主要是CBM。煤層氣不僅環(huán)境性能好，而且熱效率高。眾所周知，我國的能源結(jié)構(gòu)為富煤貧油(氣)，因此，煤層氣作為常規(guī)天然氣最現(xiàn)實可靠的補充或替代能源，發(fā)展煤層氣代替汽油或天然氣，具有劃時代的經(jīng)濟意義。

1 晉城地區(qū)煤層氣燃料汽車和加氣站的發(fā)展

近年來，隨著國際油價的不斷飆升，煤層氣的經(jīng)濟性能不斷凸顯。目前，晉城市使用煤層氣的汽車已逾2 000輛，市內(nèi)已建成并投入使用的加氣站8座，其中加氣母站一座，子站7座。目前，在晉城市內(nèi)，使用煤層氣的汽車主要是出租車、公交車和部分家庭轎車。煤層氣燃料汽車的發(fā)展，不僅減少了城市的空氣污染，而且使廣大用戶得到了實實在在的優(yōu)惠，隨著供氣系統(tǒng)的進一步完善，煤層氣燃料汽車必將得到進一步的發(fā)展。

2 煤層氣燃料汽車的優(yōu)勢

煤層氣與其它汽車燃料相比有著無法替代的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)在以下6個方面。

(1)燃料價格便宜。按目前市場價格，93號汽油價格為7元/L，煤層氣價格為3.4元/m3，而每m3煤層氣動力值相當(dāng)于1.13 L汽油。如一輛出租車每天汽油消耗為200元，用煤層氣只需86元;一輛公交車每天汽油費為400元，用煤層氣只需172元。

(2)煤層氣燃料汽車排氣污染小。煤層氣是一種潔凈能源，主要成分是甲烷，燃燒后的主要生成物為CO2和水，其產(chǎn)生的溫室氣體量只有煤炭的1/2，石油的2/3，與燃油汽車相比，煤層氣燃料汽車尾氣的排放量中CO下降約90%，碳氫化合物(CH)下降約80%，NOX下降約30%，SO2下降約20%，CO2下降約23%，微粒下降約40%，鉛化合物下降約100%，非甲烷烴類可降低50%左右。綜上所述，煤層氣對環(huán)境造成的污染遠小于石油和煤炭，已成為一種優(yōu)良的汽車發(fā)動機綠色代用燃料。

(3)不積碳，車輛部件損耗小。用煤層氣作燃料，發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，對機動車潤滑油的稀釋作用小，燃燒性能好，氣缸積碳少，不需經(jīng)常更換潤滑油和火花塞，可延長發(fā)動機使用壽命，汽車大修里程可提高20%，且煤層氣燃料汽車在冬季的起動性能好。不需經(jīng)常更換機油和火花塞，可節(jié)約50%以上的維修費用。

(4)安全可靠。煤層氣燃點高達650℃以上，比汽油、柴油和LPG(液化石油氣)的燃點高，不易點燃;煤層氣辛烷值高，達到了130(汽油的辛烷值低于100)，抗爆點火性能也高于汽油、柴油和LPG，所以比汽油、柴油和LPG更難點燃。另外煤層氣的爆炸極限僅為5% ～15%，標(biāo)況下的密度小于空氣，而LPG的爆炸極限為2.4% ～9.5%，氣化后密度大于空氣;汽油爆炸極限為1% ～7.6%;柴油爆炸極限為0.5% ～4.1%，它們都比空氣重，更易在空氣中形成聚集而發(fā)生爆炸。可見，煤層氣燃料比LPG、汽油、柴油更安全。據(jù)資料介紹，在美國，天然氣燃料汽車發(fā)生的1 300多起碰撞事故中，天然系統(tǒng)均未引起爆炸或著火，車用儲氣瓶都經(jīng)過火燒、爆炸、墮落、槍擊等測試合格后方可使用。中外發(fā)展天然氣燃料汽車60年來，從未出現(xiàn)過因天然氣爆炸、燃燒而導(dǎo)致車輛事故，因此煤層氣燃料汽車安全性更高。

(5)車輛改裝簡單。在保留原車供油系統(tǒng)的情況下，只需增加一套專用壓縮煤層氣裝置。目前，在晉城地區(qū)改裝一輛公交車約需8 000元，出租車約需3 000～4 000元，約200天可收回改裝成本。

3 煤層氣燃料汽車發(fā)展中存在的問題

盡管使用煤層氣作為汽車動力有很多優(yōu)勢，但是由于煤層氣的存儲條件及燃燒特性等方面與汽油相比有所不同，供氣體系不完善，因此煤層氣汽車的發(fā)展還存在如下一些問題。

3.1 供氣體系不完善

晉城市區(qū)目前有8座加氣站，但周邊縣區(qū)、市加氣站很少，煤層氣汽車加一次氣只能行駛150 km左右，如果要到附近的長治、鄭州、臨汾等地的話，當(dāng)氣用完了，就必須用油。煤層氣燃料汽車加氣站的布局不合理，導(dǎo)致煤層氣燃料車輛的續(xù)航能力差。周邊縣市即使有加氣站，也不給外地車加氣，原因是怕不安全，發(fā)生爆炸。要解決此問題，筆者認為國家應(yīng)出臺統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，完善煤層氣(天然氣)加氣站的建設(shè)，只要煤層氣加氣站的密度達到一定水平，煤層氣燃料汽車的發(fā)展肯定會再上一個新的臺階。另外，建一座煤層氣(CNG)加氣站及配套設(shè)施約需500萬元，這在一定程度上也影響了晉城市煤層氣燃料汽車的發(fā)展。

3.2 動力性降低

在煤層氣汽車的內(nèi)燃氣運行過程中，甲烷的含量控制在5%～16%爆炸極限之間，電子點火后，甲烷在氣缸內(nèi)充分爆炸做功，推動活塞往復(fù)運動，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。因此，燃用煤層氣與燃用汽油相比，混合氣的熱值低，煤層氣/空氣混合低熱值為3.36 MJ/m3，汽油/空氣混合氣低熱值為3.82 MJ/m3，進氣(空氣)量少，分子變更系數(shù)小，動力性約下降20%。如果匹配不良，動力性會更加惡化。

3.3 汽車儲氣瓶占用空間較大

氣態(tài)煤層氣的能量密度比汽油小得多。1 m3標(biāo)準(zhǔn)狀況下的煤層氣壓縮后裝入20 MPa的儲氣瓶中，約占5 L容積，而與之等熱量的汽油(0.81 kg)只占1.1 L容積，煤層氣所占容積等于汽油的4.5倍(容積系數(shù)等于4.47)。要保證相同的行駛里程，煤層氣燃料汽車就要攜帶更大的儲氣瓶，但汽車上的空間是有限的，這在一定程度上也限制了煤層氣汽車的發(fā)展。

3.4 制造成本較高

煤層氣發(fā)動機工作溫度較高，對零部件的制造工藝的要求也就相應(yīng)較高，與汽油車相比天然氣燃料汽車的制造成本要高13%左右。

4 晉城市煤層氣燃料汽車發(fā)展的對策

當(dāng)今及今后一段時間，煤層氣燃料汽車都將是晉城燃氣燃料汽車的重點發(fā)展方向，為了降低空氣污染，減少尾氣排放，發(fā)展煤層氣燃料汽車勢在必行，但同時發(fā)展煤層氣燃料汽車也有許多工作要做。

4.1 加快煤層氣加氣站的建設(shè)步伐

壓縮煤層氣的能量密度低，續(xù)航能力差，同時加氣站數(shù)量少，加氣時間長，這是當(dāng)前煤層氣燃料汽車發(fā)展的主要障礙。因此，晉城必須加快CNG加氣站的建設(shè)步伐，政府應(yīng)從政策、規(guī)劃、技術(shù)、經(jīng)濟等方面給予支持、協(xié)調(diào)和配合，使晉城市的壓縮煤層氣加氣站盡快形成規(guī)模;同時，要在附近的幾個縣及主要干道上建設(shè)壓縮煤層氣加氣站，增加煤層氣燃料汽車的續(xù)航能力。

4.2 發(fā)展液化煤層氣燃料汽車

從氣體本質(zhì)上講，地面抽放煤層氣與天然氣無本質(zhì)區(qū)別，其甲烷含量都在90%以上，因此，天然氣能夠液化，煤層氣同樣可以液化。在這方面，晉城已走在了全國的前列。液化煤層氣是煤層氣的另一儲存方式，它是煤層氣經(jīng)凈化處理后低溫液化而成。目前，晉城已建成煤層氣液化項目2個，形成日液化能力100×104m3/d。煤層氣液化主要有以下一些優(yōu)點:液化煤層氣是壓縮煤層氣能量密度的2.5倍，以相同容積儲罐計算，液化煤層氣燃料汽車的行駛里程將是壓縮煤層氣燃料汽車的2.5倍，達到400 km，這將大大刺激煤層氣燃料汽車的發(fā)展，到那時，限制煤層氣燃料汽車發(fā)展瓶頸將不復(fù)存在。

另外，液化煤層氣加氣機的充裝速度是壓縮煤層氣加氣機的5倍，并且由于液化煤層氣低溫，低質(zhì)儲存，工作壓力小于1.6 MPa，遠低于壓縮煤層氣工作壓力，安全性能得到了極大改善。目前，制約液化煤層氣發(fā)展的是壓力控制和液化鋼瓶制造兩大問題，隨著這些問題的解決，晉城的煤層氣燃料汽車發(fā)展將會迎來新一輪的發(fā)展。

4.3 政府政策的支持

改裝的煤層氣燃料汽車，由于沒有相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，年檢時不得不卸下煤層氣裝置，審驗后再重新裝上，給車主帶來很多不便;另外，晉城市的煤層氣燃料汽車到周邊縣(市)加不上氣，原因是怕不安全，發(fā)生爆炸。因此必須盡快制定并統(tǒng)一汽車使用煤層氣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因煤層氣汽車使用范圍逐漸擴大，晉城市政府已經(jīng)安排質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門著手制定汽車使用煤層氣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并希望得到國家和省質(zhì)量監(jiān)督部門的支持。

5 結(jié)束語

目前晉城市煤層氣燃料汽車的發(fā)展已經(jīng)邁出了堅實的一步，盡管在發(fā)展中還會遇到各種各樣的困難，但從長遠來看，發(fā)展煤層氣燃料汽車對減少城市污染，提高能源綜合利用水平都具有重大的現(xiàn)實意義。因此，煤層氣燃料汽車的發(fā)展前景將是非常廣闊的。