1 引言
壓縮天然氣(Compress Natural Gas),簡稱CNG。CNG是我國近年來以至在新世紀開發(fā)綠色汽車的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。CNG汽車由于具有節(jié)能、環(huán)保、低成本等許多優(yōu)點,已成為當今世界汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。目前我國的CNG汽車總數(shù)約10萬輛,且據(jù)專家預測CNG汽車在5-10年內(nèi)更有猛增10-15倍的趨勢,預計在15年內(nèi)將達到國內(nèi)汽車的50%。
CNG技術(shù)的工藝流程為:低常壓(0.3-0.5MPa)下的原料氣自低壓儲氣罐或低壓天然氣管網(wǎng)送至加濕器,增大其濕度,之后氣體進入脫硫塔。使得其中的硫化氫氣體與塔內(nèi)氧比鐵反應,去掉對金屬密器腐蝕較大的硫化氫氣體,天然氣脫硫后被送人壓縮機進行加壓,使其壓力達到25MPa,自壓縮機出來的氣體進入脫水機進行脫水,然后氣體通過順序控制盤到達終點站售氣機或貯氣井,作為汽車燃料。其主要優(yōu)點如下:
1.1環(huán)保性與效益性
CH4作為氣體燃料比固體燃料燃燒得更完全更徹底,單位熱值所產(chǎn)生的CO2,比石油低30%,比煤碳低43%。廢氣排放總量是汽油燃料的1/5,因此能有效地減少對大氣的污染和溫室效應的形成,有利于對人類生存環(huán)境的保護。據(jù)測試,CNG汽車與汽油車相比較,尾氣污染物有大幅度的明顯下降,檢測結(jié)果如表l所示:
CNG的效益性具體表現(xiàn)為:1M3天然氣可代替1.1L汽油,與燃油汽車相比較,行駛相同里程可節(jié)約燃料費近1/3;與此同時,CNG汽車較普通汽車的維護成本費也可下降40%以上。
1.2 先進性與實用性
CNG技術(shù)的另-大優(yōu)點,是且接用CH4作燃料,不僅可大大降低汽車機械摩擦的耗損,延長使用壽命,而且運行操作簡單方便,噪音也比燃油汽車降低了40%。
我國天然氣儲藏十分豐富,總量為10萬億M3以上。至少可供開采70年以上。此技術(shù)的推廣應用,將促進我國21世紀經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,并有效地改變貧油富氣地區(qū)能源緊缺的被動局面。
CNG技術(shù)在世界許多發(fā)達國家己越來越引起政府及有關(guān)方面的重視,并且趨顯示出強大的發(fā)展?jié)摿?。?0年代以來,在美國的許多州和地方政府,正大力提倡或積極鼓勵公用及私人車輛以天然氣作燃料。汽車廣家也開始大規(guī)模生產(chǎn)以天然氣作動力的轎車和輕型卡車。估計到2005年,英國使用CH4作照料的汽車將達到400萬輛。據(jù)統(tǒng)計,目前全世界已擁有CNG汽車800萬輛,有40多個國家在大力實施以氣代油的戰(zhàn)略計劃,預計10年內(nèi),全球CNG汽車將超過1500萬輛,其中美國300萬輛,意大利50萬輛,日本20萬初,中國15萬輛,與此同時,美國、日本、俄羅斯.新西蘭等國家主產(chǎn)的天然氣壓縮機、售氣機以及貯氣鋼瓶等配件,在安全性、實用性、先進性等方面都具有成熟領(lǐng)先的技術(shù),并已開始進入中國市場。
我國CNG技術(shù),尚處于起步階段,總體上看,主要是改車品種單一,未形成CNG汽車整車設計的生產(chǎn)規(guī)模,以及建站、氣質(zhì)和貯氣鋼瓶生產(chǎn)的安全技術(shù)規(guī)范化、系統(tǒng)化等。但目前政府對此項技術(shù)的開發(fā)應用極為重視,并大力倡導,包括制定遠、近期發(fā)展計劃和出臺一系列優(yōu)惠扶持政策。由于CNG汽車有明顯的環(huán)保效益,目前政府已將這一技術(shù)的發(fā)展作為改善環(huán)境污染的重要舉措之一。**曾經(jīng)指出:用天然氣代替汽油、柴油做汽車的燃料,技術(shù)上已經(jīng)比較成熟,只要在產(chǎn)氣地區(qū)建立起分布在城市和公路兩旁的換氣站系統(tǒng),以氣代油逐步可以推廣。
2. CNG加氣站的火災爆炸危險性
2.1燃爆因素
CNG場所及其鋼瓶易于發(fā)生燃燒爆炸的主要因素:一是CH4介質(zhì)本身屬于一級可燃氣體,甲類火災危險,爆炸濃度極限為5-15%,最低點火能量僅為0.28mj,對空氣的比重0.55,擴散系數(shù)為0.196。說明易燃燒,易爆炸并且擴散能力強,火勢蔓延快;二是CH4氣體處于高壓狀態(tài),CNG技術(shù)要求充裝站的壓縮機加壓必須達到20MPa以上,儲存壓力通常在20-25MPa之間,才能有效地保證鋼瓶的充裝和儲存,這是目前國內(nèi)可燃氣體的最高壓力貯存容器。如果CNG的氣質(zhì)或鋼瓶質(zhì)量、制造工藝及加壓設備等不能滿足規(guī)定的技術(shù)要求,稍有疏忽,便可發(fā)生爆炸或火災事故;三是CNG技術(shù)在我國尚屬新興技術(shù),汽車加氣站的相關(guān)規(guī)范也剛出臺不久,在這個發(fā)展階段,CNG充裝站的建設過程中,有關(guān)單位為降低建設成本,不嚴格按照現(xiàn)行技術(shù)標準和規(guī)范的規(guī)定進行設計、施工,甚至偷工減料或使用劣質(zhì)材料建設劣質(zhì)工程,致使埋下先天隱患;四是企業(yè)內(nèi)部的操作人員因不熟悉CNG新技術(shù)和未參與上崗前的系統(tǒng)培訓,導致違章作業(yè)或違反安全操作規(guī)程留下隱患;五是一些企、事業(yè)單位和主管部門沒有認真落實安全組織、規(guī)章制度以及各項安全管理措施造成的事故隱患。
2.2天然氣加氣站的系統(tǒng)組成及火災危險性分析
加氣站通常由五部分組成,即氣體處理系統(tǒng).氣體壓縮系統(tǒng),氣體儲存系統(tǒng),設備控制系統(tǒng)和售氣系統(tǒng)。
⑴氣體處理系統(tǒng)此系統(tǒng)主要包括調(diào)壓、除塵、脫硫、脫水、干燥等工序。氣體在處理過程中應防止閥門、法蘭盤及焊縫處出現(xiàn)泄漏。
⑵氣體壓縮系統(tǒng)該系統(tǒng)主要是通過壓縮機進行多綴壓縮,將天然氣的壓力提高至25MPa,然后通過管線送至儲氣瓶。氣體在壓縮時,處于受壓、受熱狀態(tài),工藝管網(wǎng)易造成泄露,遇火源就會發(fā)生火災和爆炸。
⑶氣體儲存系統(tǒng)無論是那種形式的儲氣系統(tǒng)都屬于高壓容器,因此,氣瓶的質(zhì)量問題就非常重要,目前我國現(xiàn)有的天然氣加氣站的儲氣瓶基本部是鋼質(zhì)耐壓瓶,由于受腐蝕或存在先天性缺陷,如不按時檢查維護,極易造成氣瓶或零部件損壞,引起爆炸和火災事故。
⑷設備控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要是對站內(nèi)各種設備實施手動或自動控制。因此,加氣站內(nèi)存在著潛在的點火源,各生產(chǎn)環(huán)節(jié)防靜電接地不良或者各種電器設備、電氣線路不防爆、接頭封堵不良,在天然氣稍有泄露時就易發(fā)生火災爆炸事故。
⑸售氣系統(tǒng)售氣系統(tǒng)工作時,易產(chǎn)生靜電,此外違章操作也容易造成安全事故,例如工作人員違章穿釘子鞋、化纖服,或裝卸工人野蠻作業(yè),也易造成事故。在加氣時汽車不按照規(guī)定戴熄火罩、熄火加氣,還有尤為常見的搭載乘客在車輛加氣時吸煙的現(xiàn)象,都為CNG生產(chǎn)安全埋下了重大隱患。
2.3 CNG燃爆事故的分析
目前已建成CNG充裝站的運行過程中,因安全管理、安全檢測手段和安全技術(shù)措施尚不到位,自1994年以來,已先后發(fā)生了多起火災爆炸事故,發(fā)生燃爆事故的充裝站占充裝站總數(shù)的13.3%:如1994年9月12日,綿陽CNG充裝站的2只鋼瓶發(fā)生爆炸,幸無人員傷亡;1995年3月31日,綿陽地方天然氣公司的CNG充裝站,在給鋼瓶充氣時,因脫水處理不凈,導致爆炸并起火成災;1995年9月26日,自貢富順華油公司CNG充氣站因鋼瓶泄漏燃氣發(fā)生爆炸,造成重大經(jīng)濟損失;1995年10月7日,遂寧CNG充裝站因鋼瓶質(zhì)量問題發(fā)生爆炸,將一鋼瓶炸飛70多米之遠,并引起實瓶庫的15只鋼瓶發(fā)生噴射燃燒,焰柱高達20余米,造成直接經(jīng)濟損失18萬余元。1997年7月24日,瀘州納溪加氣站在給川E00296號大客車加氣時,由于駕駛員未關(guān)閉防漏閥,使天然氣在車內(nèi)泄露,遇乘客點火吸煙閃燃起火,燒傷18人,其中3人重度燒傷。在檢查一些其它的CNG充裝站時,有的也存在較為嚴重的事故隱患苗頭。
總結(jié)事故教訓和檢測試驗表明,CNG鋼瓶發(fā)生燃燒爆炸的直接或間接原因,主要產(chǎn)生于以下幾個方面:
⑴鋼瓶的材質(zhì)問題。首先,通過對CNG鋼瓶的抽樣檢驗和對爆炸鋼瓶的宏觀檢查,斷口掃描、電子探針和X射線質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn),鋼瓶材料的抗拉強度值偏高,屈強比偏大,塑性指標偏低,說明強度高而塑性差。其次,通過對鋼瓶材質(zhì)的純凈度分析得知,部分CNG鋼瓶材質(zhì)中的有害雜質(zhì)元素(如S、P、0)的含量超過了安全技術(shù)要求的控制指標,即S、P含量>0.0l%。第三,鋼瓶在制造工藝上的精度問題,由于目前尚無此類鋼瓶生產(chǎn)的專門廠家和CNG專用鋼瓶的技術(shù)標準,一些鋼瓶的表面氣泡、裂紋、結(jié)疤、折疊、分層、夾雜、光潔度、麻點和凹坑等較為組糙。表明這些鋼瓶生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)工藝和制造精度難以滿足技術(shù)要求,更不可能與美國、日本等發(fā)達國家的同類鋼瓶相提并論。
⑵CH4的氣質(zhì)問題。實際上是介質(zhì)中的H2S和游離水問題,天然氣有深層和淺層兩種,無論使用未經(jīng)脫硫的淺層天然氣還是使用經(jīng)過脫硫的深井天然氣,H2S的含量一般都控制在20mg/Nm3以下,而總硫化物的含量則控制在270mg/Nm3左右。研究指出,這個控制指標僅適合于工業(yè)與民用燃氣的輸配氣系統(tǒng),而不適合于CNG技術(shù)的運行設備。這是因為,若CH4中的游離水尚未脫凈(實際也不可能脫凈)的情況下,硫化物中的H2S則是導致鋼瓶積水腐蝕的禍根,從已被炸裂鋼瓶的檢查情況看,瓶內(nèi)積存伴有刺鼻氣體的黑水,有的達到了2.5-5kg/只(其中積水里的H2S含量超過了8.083mg/L)。從理論上講,這種H2S的水溶液(即氫硫酸)在高壓狀態(tài)下對鋼瓶或容器的腐蝕,比在4MPa以下的管網(wǎng)中進行得更快,更容易。