天然氣汽車與燃油汽車的安全性分析

摘 要：文章通過對天然氣、燃油物化性質、燃燒狀況、安全性能等方面作分析與對比，闡述天然氣汽車在替代傳統燃料時在整個使用過程中安全有效性，最后簡述作者對未來天然氣汽車類行業的展望。

關鍵詞：天然氣；燃油；汽車；安全性；分析

天然氣是目前世界公認的一種清潔、高效、優質能源，在工業、商業、民用等領域得到了廣泛應用。在民用上，除了家用燃氣外，還有天然氣汽車。它是以LNG和CNG為燃料的汽車，代替傳統意義上以柴油和汽油為燃料的汽車。天然氣的甲烷含量90%以上，是很好的汽車發動機燃料。目前天然氣汽車在世界和我國各省市得到了推廣應用。

1 燃料的物化性質

1.1 組分

天然氣是一種油氣伴生的混和物，其組分隨氣田不同而異，主要成分：甲烷（>90%）、氮、碳2～碳5的飽和烷烴，此外還有微量的CO2及H2S等氣體。

健康危害：甲烷是無色無味的氣體，泄漏出來后只要不達到可能導致窒息的濃度，一般對人體無害，也不會對環境造成污染。

柴油與汽油是輕質石油產品，是復雜烴類混合物。柴油主要成分為C10-C22，汽油主要成分為C5～C12，汽柴油均含有脂肪烴類和環烴類，及少量芳香烴類物質和硫化物。

健康危害：柴油或汽油泄漏后被人體吸入可能導致：輕者伴有頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、步態不穩、共濟失調等癥狀；重者出現類似急性吸入中毒癥狀，并可引起肝、腎損害。

同時汽柴油泄漏也會給環境造成污染，小量泄漏：需用活性炭或其它惰性材料吸收。大量泄漏：需構筑圍堤或挖坑收容。

1.2 密度

天然氣的相對密度為0.55，即其密度為空氣密度的55%左右，因此在天然氣泄漏后會向上飄散，不易形成可燃爆炸氣團。即使是LNG泄漏，泄漏出的低溫天然氣會迅速吸熱，從而迅速降低密度向上飄散。

柴油（C12-C22）和汽油（C4-C12）揮發出的蒸汽密度比空氣重，較易形成可燃爆炸性氣團。

1.3 點燃溫度

天然氣的引燃溫度為538℃，柴油引燃溫度為260℃、汽油引燃溫度為427℃，可見天然氣的燃點高，且所需的點火能也比汽柴油高，汽柴油比天然氣更易點燃。

1.4 爆炸極限

天然氣的爆炸極限為5%～15%，而汽油爆炸極限為1.0%～7.6%、柴油爆炸極限為0.5%～4.1%。天然氣的爆炸下限是汽油的5倍、是柴油的10倍，因此更不容易形成爆炸性氣團。

綜上所述，從理化性質方面分析，天然氣比汽油、柴油安全性更高。

2 燃料燃燒狀況分析

2.1 天然氣汽車尾氣與燃油類汽車尾氣含量對比

從表1數據分析可知天然氣汽車尾氣排放物對人體和環境的危害要比柴油、汽油汽車尾氣小得多。

東莞今年4月份投入使用的236臺LNG公交車達到國五排放標準，公交車每公里排放尾氣中PM2.5顆粒物含量為0.005克，而汽油、柴油車每公里PM2.5顆粒物排出量為0.075克，可見天然氣汽車尾氣降低93%以上的PM2.5排放，而尾氣中的有害氣體如SO2、NOX等也比燃油車降低80%以上。

2.2 燃料的辛烷值

研究法辛烷值天然氣約107、汽油為90-97、柴油為15-25。因此燃燒時天然氣比柴油、汽油抗爆性更高，有利于發動機運行安全和汽車的行駛安全。

2.3 燃燒穩定性

天然氣因純凈度非常高，充分燃燒后沒有雜質、不產生焦油、無積炭，且成氣態，因此，潤滑油不會被稀釋，燃燒運轉平穩，噪音小，從而減少了氣阻和爆震。

3 天然氣汽車氣瓶安全性能分析

3.1 LNG氣瓶：-162℃、1.6MPa

一般LNG氣瓶設置兩級安全閥（管路系統中），在超壓時起到保護內膽的作用。在超壓情況下首先打開的是主安全閥（開啟壓力為1.75MPa），用于泄放由于絕熱層漏熱損失導致的壓力上升、或真空遭損壞后以及在火災時的加速漏熱導致的壓力上升。副安全閥是在主安全閥故障無法開啟時啟動的，其啟動壓力設定比主安全閥高，為2.9MPa。

夾層在超壓時，鋼瓶外殼通過一個環形的真空塞來起到保護作用的。在正常情況下，真空塞被壓緊在真空塞座內，使大氣與夾層隔絕，保證夾層的真空度。但是由于低溫液體或蒸汽受熱后體積變化比較大，即使有少量的低溫液體或蒸汽泄漏進入夾層，都會導致夾層內壓力快速升高。當夾層內壓力達到或超過0.17MPa（表壓），真空塞將會打開泄壓。

LNG氣瓶還設置了過流閥，當外管路破裂，管路流量大于設定值時，過流閥會自動關閉；而當過流閥前的液體使用閥關閉后，過流閥則會自動回位。通過自動關閉過流閥，使LNG氣瓶有效避免發生次生危害。

3.2 CNG氣瓶：常溫、20MPa

CNG氣瓶從設計上就考慮了嚴密的安全措施。其高壓系統所用的零部件，安全系數均達到1.5～4倍或以上，并在減壓調節器和儲氣瓶上安裝安全閥，在控制系統中安裝緊急切斷裝置等有效安全措施。

CNG氣瓶在批量生產中一般都要抽樣充分作燃燒、爆炸、墜落、槍擊等試驗，合格后方能出廠使用。

另外，因釋放過程是一個吸熱過程，當CNG從高壓容器或管中泄漏出時，泄漏周圍會迅速形成一個低溫區，使天然氣燃燒困難。

天然氣車載氣瓶為特種設備，其在設計、制造、安裝、充裝、檢驗、維修等環節都必須由有資質的專業公司和專業人員進行，因此其在整個使用過程中都能得到安全有效的控制。

4 結束語

從以上幾點分析，天然氣汽車在安全、環保和經濟性方面比燃油汽車有較高優勢，天然氣對環境造成的污染遠比柴油和汽油小，是一種綠色的汽車發動機新燃料。且根據數據顯示，天然氣汽車的燃料成本較低，比燃油汽車燃料費少約50%，特別適合于城市出租車和公共汽車使用。目前作為安全、清潔、經濟的能源在各地政府都積極推廣，發展前景很大。如：東莞市在2013年共更新投放1319臺LNG公交車，占全市公交總量的20%以上，而所占比例將進一步提升，到2015年底LNG公交車總量已達到全市公交量的70%。由此可見伴著國內天然氣輸送管網和汽車加氣站建設的不斷增加和完善，及社會對環保的日益關注和重視，天然氣汽車將得到普及與推廣，天然氣銷售業及天然氣汽車行業的市場將更為廣闊。

參考文獻

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