HCNG加气站的工艺流程及发展趋势①

杨涛涛 崔之健 刘 沛 袁 琨 周加明

(西安石油大学石油工程学院)

面对全球环境问题日益严峻，化石燃料面临枯竭的危险，以及以汽车为代表的能源消耗因素，我国在大力开发可再生能源的同时，针对汽车领域开展了寻求替代燃料来应对能源危机问题的研究。以天然气为燃料的汽车是清洁燃料汽车的代表，一般情况下天然气中甲烷含量大于90%，是很好的汽车燃料。但是由于天然气着火范围较窄，发动机效率较低，天然气火焰传播较慢，在气缸中充气系数下降，燃烧效率不高，导致需要燃烧更多的天然气，从而造成污染物的排放。在这种情况下，需要一种能快速燃烧、降低循环变动且无污染的气体添加到天然气中，经过一定量的配比形成新的混合高效燃料。研究发现，在天然气中加入一定量的氢形成的混合燃气，具备了氢气燃烧速度快、着火范围较宽，天然气燃烧热值高，储量较丰富且二者都是清洁能源的优点，对环境影响较小。同时，因价格便宜，具有一定的市场前景。因此，开展天然气加氢研究具有重要的意义。

1 HCNG的优势与可行性

天然气混氢(HCNG)是在天然气中加入体积分数为10%～20%[1]的氢气的混合燃料，是“浅氢燃料”的一种[2]。美国Colorado州立大学和HCI公司(Hydrogen Components Inc.)进行了研究开发，并示范了应用成果。美国HCI公司还将氢气/天然气混合燃料专门取名为“Hythane”并申报了相关技术专利。加拿大西港创新公司(Westport Innovations Inc.) 以CUMMINS B5.9天然气发动机为原型机，开发出了HCNG发动机并安装在公交车上，于2004年开始在美国加州Sunline Transient公交公司示范运行了一年半时间。该HCNG发动机的掺氢比为20%(体积分数，下同)[3]。

1.1 HCNG的优点

(1) 氢气的燃烧速率约为天然气燃烧速率的8倍，为了提高混合燃气的燃烧速率，在天然气中掺入一定量的氢气，燃烧速率加快，减少压缩负功，使得点火更靠近发动机上止点，燃烧定容度也被提高，从而提高热效率[4]。

(2) HCNG融合了氢气燃烧速度快，着火范围宽，氢气可通过再生能源制取获得的特点，以及天然气储量丰富、燃烧热值较高且低排放能源等优点，是一种新型汽车动力燃料。

(3) 由于天然气混合了10%～20%的氢气，降低了天然气本身的浓度，通过试验将其压力提高到35 MPa，与现在氢能常用压力持平，可大大提高汽车的续驶里程，减少公交和重型卡车气瓶的安装数量，也减少小客车(出租车)的每天充气次数。

1.2 实验验证节能减排

(1) 对使用HCNG能源进行测试，重卡汽车运营中降低CO2、NOx的排放是十分有利的。以25 000 m3/d的 HCNG燃料(体积比2∶8)替代CNG燃料估算，每年可减少CO2排放量约5 000 t，NOx排放量约47 t。

(2) 在HCNG制备过程中，没有使用其他一次能源。根据清华大学、西安交通大学的CNG汽车改用HCNG燃料的实验表明，在同等条件下可提高能效5%左右[5]。表1说明了HCNG燃料更具有经济实用性。

表1 HCNG燃料的经济性能

1.3 实验应用情况

(1) 已完成HCNG重卡的技术改造及示范运行。由清华大学以及委托德第三方一起共同完成HCNG重卡排放、动力性、燃料消耗率性能指标的检测。示范运行数据表明，HCNG重卡的排放达到国Ⅳ标准(原天然气重卡排放达到国Ⅲ标准)；HCNG相比CNG燃烧速度快，动力足；百公里燃料消耗率比原天然气重卡降低7%以上。实验运行良好，可进一步推广。

(2) 筹划建设城市管网系统，低压HCNG气直接提供给工矿企业、单位和居民作生产、生活燃料使用，从而进一步扩大对节能、环境保护的范围和增加能源品种的可选择性，使能源结构多元化，因地制宜合理利用多种能源。

2 HCNG的主要工艺流程图

2.1 HCNG混气系统工艺流程

混气系统由长管拖车(氢气集装储气瓶组)、氢气减压装置、H2/CNG混气装置和HCNG缓冲罐等组成。H2/CNG混气装置由氢气管路系统、CNG管路系统、静态混合器、气动紧急切断阀、压力变送器、仪表阀、燃气报警仪、氢气报警仪、氢气分析仪等组成。其中HCNG缓冲罐容积待用户负荷落实后确定。HCNG混气系统工艺流程简图见图1。

如图1所示，当压力约 2～2.5 MPa的天然气主干线来的原料天然气进站后，将其与来自罐充的可运输的长管拖车(p=20 MPa)的氢气或者采用管道输送至混气站的氢气各分两路，分别进入两个混气装置(由于混输比不同，选用两套不同的比例式混气装置，分别满足民用和工业不同用户的要求)：一路按V(氢气)∶V(天然气)为1∶9混合后(混气装置的混合气流量为6 500 m3/h)，经HCNG缓冲罐，以0.4 MPa的压力输送至下游工业用户，压力误差不超过5%，满足工艺要求。 另一路按V(氢气)∶V(天然气)为2∶8 进入混气装置(混合气流量3 500 m3/h)进行混合后加压充装至HCNG长管拖车，送往HCNG子站供汽车加气，或经站内的加气柱直接给HCNG重卡汽车加气，压力误差不超过5%[6]，满足工艺要求。两路的共同点是氢气减压装置进气压力都为20 MPa，排气压力为2 MPa；并配有高压管路材料(p=20 MPa)；混气装置的压力均为2 MPa；混合比控制全程由仪表自动监控，精准安全；每一路都选用两套减压装置，一用一备，保证工艺生产运行的不间歇，最大限度保证用户用气的平稳性。

2.2 HCNG加气母站主要工艺流程

加气系统主要由HCNG压缩机(按氢气压缩机选择)、HCNG储气系统、HCNG加气机和长管车充装系统等组成。HCNG加气母站主要工艺流程如图2所示，自HCNG混气系统来气(p=2 MPa)，经HCNG压缩(隔膜式氢气压缩机)，进入HCNG储罐，后经HCNG加气机给车辆加气。其中HCNG储罐接口设有三组不同压力顺序阀，开始由低压储罐储气罐向槽车充气，当低压储气罐压力不足时，中压储气罐控制阀自动打开，继续充气，以此类推，始终保证HCNG长管拖车充装压力为20 MPa。HCNG压缩机设计为四用一备，设计范围为20%～200%，前期用户少，可开启一至两台，后期根据用户的不断增加，四台可全部开启。如果设计为一用一备,前期压缩机可能无法启动或造成电力额外的消耗损失。

3 工艺新技术和思路

(1) HCNG储气系统没有选择CNG常规的储气井储存方式，而是选用带钢缠绕式高压储气罐, 以此来达到其耐高压的目的。设计压力为25 MPa的钢带缠绕式高压HCNG立式固定贮罐，在钢带与内筒缠绕前，应先对焊缝进行射线透照检测，选用贮罐的优势在于占地面积小、安全、可靠、运行稳定以及实用性高，已在山西第一个HCNG站得到验证，在高压下，贮存和运行稳定。

(2) HCNG压缩机(隔膜式氢气压缩机)，由于HCNG充装过程中充装压力变化，所以隔膜压缩机进气能力将随充装压力增加而增加。HCNG充装过程的压力变化范围比较大，压力从2 MPa 压缩到 25 MPa，这种特殊结构的容积式压缩机压缩比大、耐高压，能够满足HCNG加气站的工艺要求。

(3) HCNG混气设施和加气站可与已建好的CNG加气站或LCNG加气站合建，仅需增加H2与CNG的混气装置、储罐和相应系统即可，从而使HCNG的建站成本大大降低，且布点广泛。在安全评价方法上注意HCNG燃料气与CNG和H2的爆炸极限浓度的不同，需要更加准确地设计安全监控精度，包括压力检测系统、温度检测仪表、可燃气体报警系统硫化氢在线检测仪器、静电接地报警器等全方位检测，值班室24 h视频监控，站外设有紧急切断阀，站内一旦发生事故首先切断气源，最大限度地减少损失和危害。

(4) HCNG和CNG两种燃料气可分系统同时加注或分别加注，也就是说，HCNG加气站系统既可以在加注HCNG燃料气时，同时加注CNG，也可在没有加注HCNG时，利用HCNG的系统加注CNG，这样可以减少投资。但两种燃料需设置两套加气机，目前还没有达到同时交叉混充技术。交叉混充具有减少加气机数量、减少占地面积、加气更加便捷以及减少建设资金等优点。交叉混充对加气机的内部构造要求较高，目前国内还没有这种混充加气机，需要进一步研究。

4 结 语

HCNG综合利用为我国新能源领域增添了新的能源品种，也为氢能源和天然气找到了很好的结合点，拓宽了寻求新能源、清洁能源和可再生能源的思路，对未来能源结构的调整新增了一种使用方法。并且拓展了应用渠道，避免了氢能体积能量密度偏低的弱点。另一方面，有效地节约了天然气，降低了天然气对环境的污染。在解决能源结构和来源的同时，改善了环境，在能源技术领域开拓了一种新的可行途径。

HCNG加气站是发展氢气/天然气汽车、城市客车产业必须的基础设施,要实现规模化发展HCNG汽车，首先要实现产业化发展HCNG加气站。我国首个HCNG加气站已经在山西实施和建设，为中国HCNG 汽车和HCNG混气加气站产业的发展奠定了良好的基础。根据实际情况,后续应从以下3个方面开展我国HCNG的发展工作：①自主研发混气装置、压缩机的单体和零件以及其他设备；②自主研发适合氢气/天然气的发动机，使氢气/天然气利用率达到最大，提高氢气/天然气加气站的自动化控制水平；③引进撬装制氢装置，直接与已建CNG或LCNG加气站合建，从而降低HCNG建站成本。

参考文献

[1] 马凡华，王宇，刘海全，等.稀燃天然气掺氢发动机的热效率与排放特性[J]. 内燃机学报，2008,26(1):43-49.

[2] 毛宗强.通向氢能经济的桥梁：从“浅氢”到“全氢“[J].武汉理工大学学报，2006,28(增刊2)：6-10.

[3] AKANSUSO,DULGER Z, KAHRAMAN N, et al. Internal combustion engines fueled by natural gas-hydrogen mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy,2004,29(14):1527-1539.

[4] 刘海全.HCNG发动机燃烧排放特性研究与准维模型计算[D].北京:清华大学,2007.

[5] 张国强,张娟,王荣.HCNG 城市客车的研发及示范推广[J].客车技术与研究,2010，32(3):30-32.

[6] 赵文洁，陈刚.HCNG加气站的设计及实现[J].中外能源，2013,18(7)：25-28.