【摘要】以城市公交客車為應用對象，采用生命周期評價的方法，分析了兩種進口天然氣（CNG 和 GTL）利用路徑與傳 統柴油相比的石油節約和排放降低效果。分析結果表明，在生命周期范圍內，GTL 路徑的石油能耗降低 99.4%，PM、CO、NOx、 SOx、THC 排放分別降低 33.9%、4.8%、7.3%、79.2%、20.9%，但 CO2 排放升高 23.4%；CNG 路徑石油能耗降低 99%，CO2、PM、NOx 和 SOx 排放分別降低 8.5%、84.7%、26%、64.5%，但 CO 和 THC 排放分別升高 52.9%和 197.9%。因此，天然氣的利用可以 大幅度降低石油燃料的消耗和污染物的排放量，其中壓縮天然氣路徑的綜合節能減排效果優于目前的 GTL 技術路徑。

主題詞 生命周期評價 城市客車 節能減排 GTL CNG

Abstract: The petroleum-saving and emission-reduction effects of two imported natural gas pathways (CNG and GTL) were analyzed and compared with traditional diesel pathway in city bus using life cycle assessment method. The results showed that within the full life cycle， the GTL pathway decreased petroleum consumption by 99.4%， and the amount of PM， CO， NOx， SOx and THC emission decreased by 33.9%， 4.8%， 7.3%， 79.2% and 20.9% respectively， while the CO2 emission increased by 23.4%. The CNG pathway decreased petroleum consumption by 99%， and the amount of CO2， PM， NOx and SOx emission decreased by 8.5%， 84.7%， 26% and 64.5% respectively， while the amount of CO and THC emission increased by 52.9% and 197.9%. Therefore， natural gasbased alternative vehicle fuels could substantially reduce the petroleum demands and pollution emission， while the CNG pathway had the better general performance than the current GTL pathway.

Key words: Life Cycle Assessment; City Bus; Energy Conservation and Emission Reduction; GTL; CNG

1. 引言 資源我國石油能源相對緊缺，隨著汽車保有量的持續增加，車用能源安全供應壓力劇增，環境空氣質 量惡化日趨嚴重，節能減排成為本世紀汽車工業的主要議題之一[1] 。大力發展替代燃料，實現車用燃料的 多元化是應對這些挑戰的有效途徑[2] 。我國天然氣儲量相對石油比較豐富，同時天然氣的全球資源儲量遠 高于石油，天然氣在全球能源供應中正逐步占據越來越重要的位置[3] 。 天然氣在交通領域的應用已有相當長的歷史，目前的主要利用方式是壓縮天然氣汽車（CNGV）[4] ， 隨著天然氣合成液體燃料（GTL）技術的成熟和產業化發展，GTL 燃料開始批量供應，一種新的利用方式 正在興起[5] ，這為我國能源多元化的實現提供了更多的選擇。本文從節能減排的角度，利用全生命周期分 析評價的方法[6] ，在公交客車試驗結果的基礎上，對包括這一路徑在內的天然氣基車用燃料進行了分析并 與傳統石油基燃料路徑進行了比較。 2. 燃料特性與生產供應路徑 2.1. 燃料特性比較 由表 1 可以看出，GTL 燃料與傳統柴油燃料特性的主要區別以及 CNG 燃料特性可以總結為以下幾點： (1) GTL 燃料的十六烷值高，與傳統柴油相比，十六烷值高出 20 個單位，有利于改善燃料的燃燒性質； (2) GTL 燃料的芳香烴含量幾乎為零，有利于降低 THC 和顆粒排放； (3) GTL 燃料和 CNG 燃料硫含量幾乎為零，有利于降低顆粒物排放； (4) CNG 燃料的辛烷值高，與廣泛使用的 97 號汽油相比，辛烷值高出 23 個單位，有利于提高壓縮比，提 高燃燒效率。 2.2. 供應路徑設定 石油方面，目前我國石油進口依存度接近 50%，其中約有 60％的進口原油來自中東地區[7] ，因此設 定原油從中東地區海運至中國，然后在國內煉油廠生產加工，最后供國內柴油客車使用。 天然氣方面，2007 年我國進口 291 萬噸 LNG，其中有 248 萬噸來自澳大利亞，占總進口量的 85%[8] 。 因此設定 LNG 從澳大利亞海運至中國，在國內加氣站氣化生產 CNG 供客車使用。 由于澳大利亞正在建設 GTL 工廠[9] ，為盡量統一燃料來源，設定 GTL 燃料利用澳大利亞的天然氣生 產，然后從澳大利亞海運至中國。 圖 1 為三條燃料原料開采-產品生產-運輸-利用的路徑設定。 圖 1 供應路徑設定

3. 車輛描述與運行路線 3.1. 車輛描述 為了獲得客車在運行時的能耗和排放數據，本文選擇在北京市公交系統中廣泛使用的 CNG 公交開展研究，具體參數見表 2： 表 2 客車參數對比 3.2. 運行路線 為了全面反映北京市公共交通的運行狀況，經過調研，選取了包含城市交通擁堵路段、市內快速交通 路段、城鄉結合路段在內的試驗線路，具體線路如圖 2。試驗線路總長 44km，其中擁堵路段 18km，快速 交通路段 15km，城鄉結合路段 11km。 圖 2 運行路線 分析模型 模型設定 在全生命周期評價模型分析中，在對結果的影響可以忽略的前提下，做如下設定： 忽略除海運以外的運輸和分配環節。 忽略 LNG 氣化制取 CNG 環節的能耗和排放。 在計算上游階段某環節排放時，除電力生產外，只考慮該環節過程燃料燃燒所產生的排放，不考慮生 產過程燃料時產生的排放。 每種過程燃料只設定一種最具代表性的燃燒裝置。

上游階段數據 (1) 能耗數據 能耗數據包括原料開采、燃料生產以及運輸分配等環節的能量效率以及消耗的過程燃料的比例。 其中，原油的開采在中東地區進行，考慮到該地區石油儲量豐富，將其開采效率設為 96%[10] 。原油 從中東 地區 通過遠 洋油 輪運輸 到中 國，設 定其 海運距 離 為 10556 公里， 油輪 的能量 消耗 率 為 0.7J/(MJ?km)[11] ，使用的燃料為重油，相應的運輸過程能量效率約為 99.3%。柴油、汽油、渣油的生產在 國內煉油廠進行，其效率根據國內情況分別設定為 95%、88%、95.5%[12] 。所有環節的過程燃料比例參考 GREET 模型[11] 并根據國內情況做適當修改[12] 。 天然氣的開采和處理以及 LNG 和 GTL 的生產均在澳大利亞進行，認為其生產效率與美國接近，所以 主要采用 GREET 模型中的數據[11] ，同時參考國外相關報告數據[13] 。LNG 和 GTL 從澳大利亞通過遠洋 油輪運輸到中國，設定其海運距離為 5334 公里，油輪的能量消耗率分別為 1.35J/(MJ?km) 和 1.02 J/(MJ?km)[11] ，相應的運輸過程能量效率分別為 99.3%和 99.5%。LNG 和 GTL 的生產效率分別為 90%和 65%，并認為使用單一天然氣作為過程燃料[10] 。電力生產方面使用天然氣進行火力發電，效率設定為 40%[11] 。各種燃料路徑上游階段的能耗如表 3 所示。 (2) 排放數據 排放數據包括各種燃燒裝置的排放因子，每種過程燃料只設定一種最具代表性的燃燒裝置，排放因子 參考 GREET 模型根據國內實際情況做一定調整[12] ，具體的設定如表 4 所示。

(2) CO 排放 在全生命周期 CO 排放的比較中，GTL 路徑 CO 排放量與柴油路徑大體相當，只減少了 4.8%，其原因 是 GTL 燃料生產效率較低，燃燒了 35%的過程燃料，產生了較多的 CO 排放，但是在車輛使用階段，由 于 GTL 燃料的碳含量為 85%，低于柴油燃料的 86.6%，在相同的發動機技術條件下，GTL 燃料的燃燒更 加充分，CO 排放減少 23.1%，所以綜合排放還是低于柴油路徑的排放。CNG 路徑 CO 排放量比柴油路徑 提高 52.9%，其主要原因是 CNG 發動機采用火花點火的方式，在氣缸壁附近容易燃燒不充分，在車輛使 用階段造成較多的 CO 排放，比柴油路徑提高 87.4%，雖然在生產階段 CNG 路徑的 CO 排放量相對較低， 但是綜合排放仍高于柴油路徑。 (3) THC 排放 在全生命周期 THC 排放的比較中，三種燃料路徑在燃料生產階段的排放較少，主要的區別體現在車 輛使用階段。GTL 路徑的 THC 排放量比柴油路徑降低 20.9%，其原因是 GTL 燃料芳香烴含量較少，有利 于降低車輛使用階段的 THC 排放，比柴油路徑減少 23.5%，所以全生命周期排放較低。CNG 路徑的 THC 排放量比柴油路徑升高 197.9%，其原因是 CNG 發動機采用火花點火的方式，容易產生氣缸壁壁面淬熄效 應，在車輛使用階段造成較多的 THC 排放，比柴油路徑高出 230%，導致全生命周期排放較高。 (4) NOx 排放 在全生命周期 NOx 排放的比較中，車輛使用階段的排放占主要部分。GTL 路徑的 NOx 排放量比柴油 路徑降低 7.3%，其原因是 GTL 燃料的體積熱值相對較小，發動機燃燒溫度相對較低，所以在車輛使用階 段產生的 NOx 排放量比柴油路徑低 9.6%。CNG 路徑的 NOx 排放量比柴油路徑降低 26%，其原因是 CNG 發動機燃燒溫度較低，降低了車輛使用階段的 NOx 排放，比柴油路徑降低了 27%。同時可以看出天然氣 基的兩種燃料路徑相比，CNG 路徑的 NOx 排放量要小于 GTL 路徑，其原因是 CNG 發動機的燃燒溫度更 低一些。 (5) SOx 排放 在全生命周期 SOx 排放的比較中，燃料生產階段的排放占主要部分，其中運輸環節遠洋油輪燃燒渣油 的排放因子為 1.42g/kJ，原油鍋爐的排放因子是 0.37 g/kJ，其他燃燒裝置的 SOx 排放因子均不超過 0.01g/kJ， 因此 SOx 排放主要取決于原油燃燒量以及海洋運輸環節。GTL 路徑的 SOx 排放量相比柴油路徑降低 79.2%， 其原因是柴油在燃料生產過程中消耗了大量的原油作為過程燃料，其中原油開采環節有 60%的過程燃料是 原油，柴油生產環節 75%的過程燃料是原油；同時，由于柴油海運的距離為 10556 公里，而 GTL 的海運 距離為 5334 公里，所以消耗的渣油量也高于 GTL 路徑，綜合以上原因，柴油路徑的生命周期 SOx 排放高 于 GTL 路徑。CNG 路徑的 SOx 排放量相比柴油路徑降低 64.5%，其原因 GTL 路徑。同時可以看出天然氣 基的兩種燃料路徑相比，CNG 路徑的 SOx 排放量要高于 GTL 路徑，由于兩者在燃料生產過程中不使用原 油，同時車輛使用階段基本不產生 SOx，差別主要體現在海運使用的渣油量上。LNG 油輪和 GTL 油輪的 能量消耗率分別為 1.35J/(MJ?km)和 1.02 J/(MJ?km)，而且兩者海運距離相同，所以 LNG 海運使用的渣油更 多，造成了其 SOx 排放更高。 5.4. CO2 排放比較 由圖 6 三種燃料的 CO2 排放的比較可以看出，與傳統柴油路徑相比，CNG 路徑能夠降低 CO2 排放， 而 GTL 路徑增加了 CO2 的排放。 CNG 路徑降低 CO2 排放的原因主要來自于 CNG 燃料較低的碳含量。由表 6 的數據可知，CNG 路徑 的總化石能源消耗量比傳統柴油高 23.9%，但由于 CNG 的碳含量只有 75%，而傳統柴油碳含量高達 86.6%， 其綜合效果是 CNG 路徑的 CO2 排放量比傳統柴油降低了 8.5%。 GTL 路徑導致 CO2 排放上升的原因在于燃料的生產階段消耗了額外 35%的天然氣作為過程燃料，這 些天然氣燃燒產生大量的 CO2 排放。盡管生產 GTL 的原料天然氣的碳含量低，會降低 CO2 排放量，但仍 然不能彌補過多的過程燃料燃燒導致的 CO2 排放升高。如果過程燃料采用其他可再生能源，如風能、水能 等，GTL 路徑的 CO2 排放可以降低到與 CNG 相同的水平。 全生命周期CO2排放比較 5.5. 綜合節能減排效果評價 根據上述分析，將減少石油消耗、降低污染物排放和溫室氣體排放等效果進行綜合考慮，獲得了表 7 的評價結果。GTL 路徑和 CNG 路徑都能夠有效降低石油能耗和常規污染物排放。但在溫室氣體排放方面，目前的 GTL 技術路徑與當前抑制全球氣候變化的要求不相符，CNG 路徑是一種節能減排效果十分顯著的 方案。 6. 結論 (1) 在全生命周期內，兩種天然氣基燃料路徑的總能源消耗均高于傳統柴油路徑。但無論是 GTL 路徑還 是 CNG 路徑，均能大幅度降低石油能源的消耗，降低幅度均超過 99%。因此，使用天然氣基車用燃 料是大幅度降低車用石油需求的有效途徑之一。 (2) 與傳統柴油路徑相比，除 CNG 路徑的 CO 和 THC 排放外，兩種天然氣基燃料路徑的排放物都得有所 降低，具有減排的能力。 (3) 與傳統柴油路徑相比，CNG 路徑的 CO2 排放量比傳統柴油降低了 8.5%，而 GTL 路徑提高了 23.4%， 因此在溫室氣體排放方面，CNG 技術路線更加具有優勢。 (4) 將減少石油消耗、降低污染物排放和溫室氣體排放等效果進行綜合考慮，CNG 路徑的節能減排效果更 加突出。如果能夠改進 GTL 路徑的燃料生產階段，發揮 GTL 燃料與傳統燃料供應體系和車輛技術完 全兼容的特性，GTL 燃料路徑仍然具有獨特的競爭優勢。