现存蒸汽机车的环保改造思路——LNG、CNG

酒后胡言

      近年基于解决雾霾、PM2.5超标问题，很多地方逐步关停小型燃煤锅炉。而规模级别的大型电厂进行相关环保技改和严格监控。所以很多地方一刀切砍蒸汽机车。有些工矿企业不得不提前退役蒸汽机车采购GKD。有些具有一定旅游开发价值的线路和蒸汽机车也就前景黯淡。
      目前有蒸汽机车改造的，为了所谓碳排放，把蒸汽机车改为二氧化碳驱动，就是液态二氧化碳膨胀做功，问题是工业级液态二氧化碳生产本身是亏本买卖（高品质冷链和食品用高纯液态CO2除外，我了解到多套工业尾气CO2回收生产液态二氧化碳项目都处于停产状态，理由很简单，开就是亏，反正把前期的政府优惠政策拿到，环保验收通过了就OK了），除非搞到碳交易指标（而碳交易现在的手续非常麻烦，利润也很薄，宛如鸡肋），所以液态二氧化碳供应源头和价格都很难保证。另外，碳排放问题，做功后的二氧化碳最终还是释放到大气中。而且采用液化二氧化碳“燃料”改造难度大、输出效率低。所以液态二氧化碳做功的思路概念炒作的成分远高于实际应用，无法可持续。
其实目前最简便，最稳妥，而且符合国家环保及能源政策的蒸汽机车燃料改造就是借鉴煤改气模式，采用LNG、CNG燃料。
1. 锅炉改造：就是加套天然气燃料燃烧器及控制系统；
2. 燃料系统：煤水车改为LNG储罐和水罐双罐。或者煤水车干脆彻底改为水车，机后一位拉一台集装箱车底，背个集装箱型LNG罐，配上空温式气化器，水浴加热器或者换热器组，配套一套根据功率、耗气核算的很小的燃料气配气模块。
3. 要想进一步提高热效率，还可以上一套烟气余热回收系统余热助燃空气，能把锅炉效率从80%提高到90%。

      如此改造绝对符合环保要求和清洁燃料推广的要求。
     当然如果是LNG燃料系统，那么机车需要是长期运行的，否则，LNG燃料罐一般情况下连续三天不运行消耗，自然的漏冷会导致LNG蒸发，使得燃料罐压力逐步升高，升高到一定值顶跳安全阀导致安全泄压。当然有些耐压等级高的燃料罐可能能维持一周甚至有一个月时间不运行的情况，当然耐压等级越高，能够维持静态保存的周期约长，采购成本就约高，罐体重量也就越大。
     那么有些线路蒸汽机车可能一周甚至更长时间才少频次运行，怎么办。那很简单，把集装箱车底上的LNG集装箱罐换成CNG集装箱瓶装，配套CNG的减压供气系统即可。
     简而言之，LNG适合频繁使用的用途，长距离应用的用途。CNG适合不频繁间歇应用、短距离应用的用途。

    一般有纪念意义的实体可运行机车，还有旅游线路，煤改气整改通时，改造通时顺势就把蒸汽机车好好翻新一下，光鲜亮丽高颜值有好的卖相。而且以后的这种蒸汽机车，大车可就轻松、体面多了！只是出了考锅炉证，还得考个燃气证。
    再极端一些，蒸汽都可以如苏联搞过的蒸汽机车一样进行冷凝回收，节省水的消耗。

深深爱你

难道用在观光铁路上吗

huamao_zhh

天然气作为锅炉、火箭等的燃料，还是环保的，如果是作为内燃机的燃料，并不是环保的，甲烷的温室效应远大于二氧化碳。

VoithMaxima40cc

国内自己有了，沈阳那边一家公司在做。还是新造车。

酒后胡言

深深爱你 发表于 2020-12-17 06:12
难道用在观光铁路上吗

蒸汽机车还没到寿命，暂时不想花钱买GKD替代蒸汽机车的可以考虑。然后就是旅游观光线路了。

酒后胡言

huamao_zhh 发表于 2020-12-17 13:35
天然气作为锅炉、火箭等的燃料，还是环保的，如果是作为内燃机的燃料，并不是环保的，甲烷的温室效应远大于 ...

天然气的优势

1.  火箭燃料的LNG有它特殊的特性，有介绍不过我没太关注。
2.  用于锅炉-蒸汽系统，替代煤炭和重油，环保肯定有优势；经济则和环保管控力度密切相关，不追求环保，那么肯定不如煤炭和重油经济，但是加上环保的管控力度，排污处理和超标出发，经济性就有了。
3.  用于燃气轮机，还是很环保的。当然燃烧室必须根据天然气特性进行优化匹配。还有就是只有提准了燃料条件，燃气轮机可以方便切换柴油、煤油和天然气。
4. 天然气作为内燃机燃料，不是不环保，环保的前提是内燃机一定要根据天然气的特性进行匹配设计，这样烃类（主要是C1、C2，很少的C3+）燃烧彻底充分，也就不存在温室效应的负面影响了。如果只是用柴油机的母机技术平台进行小范围的适应性改进设计，那么很可能存在烃类燃烧不彻底，小部分烃未被燃烧做功就和尾气一起外排了。这差别很大，比如奥地利颜巴赫（被美国GE收购了）的天然气燃料燃气发电机组每标方天然气能发4~4.1kWh电而且尾气能满足欧盟的排放标准（欧盟对排放尾气的烃含量有要求，美国、日本、俄罗斯和我国都没有）。而拿康明斯柴油机母机技术平台小范围修改的天然气发电机组，最好也就达到每标方天然气发3kWh电，我见过的实例里面还有2.5~2.8的。传说主要是天然气最主要的组分——甲烷点燃需要的能量高于汽油、柴油，甲烷的燃烧速度较低，难点燃再加上燃烧速度慢，那么没有彻底优化设计的高速柴油机平台改的机型，就有可能出现燃烧不彻底的问题。现在有个最简单的办法，随甲烷配点添加剂，类似给甲烷配个“雷管”，促进甲烷在缸内的有限周期时间内彻底燃烧。我所知道最现实的一种雷管“氢气”，添加10%就能有显著效果，到20%提升效果基本达到顶点。这样有些廉价灰氢（工业副产品氢气）供应渠道的就可以考虑了。有说汽油、丙烷也行，这我不太清楚和氢气相比效果如何了。如今我国排放尾气并未对烃含量有明确要求，那目前只要经济上可行，天然气当然可用于内燃机燃料，毕竟碳灰排放比汽油机和柴油机更低，当然如果连碳灰排放都不能优于汽油机和柴油机，那么这个搞天然气发动机的厂家该倒闭了。
5. 其实对于锅炉系统一样的道理，如果以前烧煤气的，烧重油的，甚至烧LPG的，如果燃烧器不换成天然气专用燃烧器，炉膛再不够长，那么尾气烃含量也注定要超。

酒后胡言

酒后胡言 发表于 2020-12-17 19:31
天然气的优势

1.  火箭燃料的LNG有它特殊的特性，有介绍不过我没太关注。

俄罗斯我了解到有两款LNG燃烧铁路机车。
一种是LNG燃料干线机车，用的是纯天然气燃料燃气轮机
一种是LNG燃料调机，用的是纯天然气燃料内燃机，2017年去叶卡捷琳堡考察LNG项目时就看到LNG工厂正在为调机加注LNG燃料。可惜俄方说那天干线机车在线路上运行，叶卡捷琳堡专线上看不到。
资阳厂给地方铁路出过一款LNG-柴油双燃料的内燃机车，必须是LNG气化后的天然气和柴油按一定比例混配，而不能用天然气百分百替代柴油的那种双燃料系统改装柴油机。内燃机还是柴油机传统狄塞尔热机模式，柴油泵喷，压燃，天然气（LNG气化并换热升温至常温）和来自废气涡轮增压机的空气混配进气缸。这种双燃料，据说最理想化的台架实验配比是天然气：柴油≈7:3（正常情况下LNG比柴油便宜一些，天然气比例越高，经济性越好），但是过高的天然气混配比例不利于发动机的稳定运行和输出，所以一般5:5，甚至有些工况比较恶劣的需要4:6。
油气双燃料只是一种过渡，最终一定是专门针对天然气介质开发的专用内燃机。
燃气轮机只要燃烧室、燃料系统针对天然气进行匹配设计，尾气烃含量不是问题，唯一问题就是简单循环的燃气轮机热机效率相对较低，大规模应用有条件的情况下就得采用燃——蒸联合循环，复杂燃气轮机循环，提高热效率。俄罗斯的干线机车是简单循环，因为机车空间和重量限制，无法实现联合循环和复杂循环，另外俄罗斯天然气够便宜。

huamao_zhh

酒后胡言 发表于 2020-12-17 19:31
天然气的优势

1.  火箭燃料的LNG有它特殊的特性，有介绍不过我没太关注。

首先，内燃机车在怠速状态下，都是富燃料燃烧，存在大量为被燃烧的天然气直接排放在空气中，天然气的主要成分甲烷是重要的温室气体，同时其也参加光化学反应，而相应的潜在污染物；其次，为了对天然气的泄露标记，会人为添加硫化氢，而硫化氢的燃烧产物是二氧化硫，这个也是重要的污染物；还有，就是高温下生成的氮氧化合物，也是重要的污染物。并不是说内燃机按照天然气适配就不出现这个问题，而是实际情况决定这个危害是存在的。

酒后胡言

huamao_zhh 发表于 2020-12-18 10:12
首先，内燃机车在怠速状态下，都是富燃料燃烧，存在大量为被燃烧的天然气直接排放在空气中，天然气的主要 ...

1. 怠速富燃料时，的确存在问题。所以LNG、天然气燃料用在干线机车上相对更好。
2. 蒸汽机车只要改用天然气专用燃烧器，没什么问题。有民用采暖炉改造的某项目的具体数据，我了解到有调研案例尾气烃含量没有问题。何况现在国家把有些炉子的热效率指标标准从80%提高到了92%，采用换热热风，指标就更有保证。
3. 民用天然气才加臭，工业用气不加臭，LNG就绝对不能加臭，所以LNG完全不存在加臭剂燃烧尾气的问题。再说加臭，那是加微量四氢噻吩，加入量非常低。燃烧产物SO2在尾气中的含量远低于国家排放标准，SO2贡献度远低于煤炭、老国标的汽油柴油。欧、美、日也都是这么加的。
4. 针对天然气燃料全面优化的颜巴赫发动机尾气的烃含量完全满足欧洲标准，中国没有对此进行限制，所以理论上内燃机用天然气完全可以达标排放，只是中国的内燃机技术还需要努力。
5. 氮氧化物，除了核电、风电、水电，其它化石能转化同样存在，最大的大户在煤电和蒸汽轮机动力，其次交通运输汽油机、柴油机、燃气轮机，天然气反而是最小的（国内的天然气应用率远低于第一梯队和第二梯队）。氮氧化物的排放问题也是天然气燃料比传统汽油、柴油、重油更容易解决的。

huamao_zhh

天然气用在干线机车上的已经没有什么意义了，铁路机车已经开始空气电池、燃料电池的研发，不会去投入主要精力深化天然气的运用了；
关于天然气尾气中氮氧化合物的解决，天然气并没有什么更容易解决的优势，因为成因是一样的。

酒后胡言

铁路机车采用氢能燃料电池，起码20~30年内还是噱头。氢的经济规模储存，燃料电池材质，现在都无法商业应用。日本投入商业试点的燃料电池，要求助燃空气的质量要求非常高，SO2含量要求最好不高于0.2ppm，极限不高于0.5ppm，否则将导致燃料电池膜材料性能和寿命明显下降。而燃料电池质子膜的价格非常昂贵.

huamao_zhh

酒后胡言 发表于 2021-1-9 12:03
铁路机车采用氢能燃料电池，起码20~30年内还是噱头。氢的经济规模储存，燃料电池材质，现在都无法商业应用 ...

不算噱头了，张家口的公交车逐步换成氢燃料电池的公交车，北京384路公交车已经在进行国产第三代氢燃料公交车的运用考车。所以，在铁路机车使用，并不算难题，以及过长的研发和装备周期。
氢燃料的储存难度并不大，直接使用气罐存放压缩气体就行，没必要进行液化存储。同时，通过电解水方式制备的氢气是可以避免二氧化硫的干扰，如果是水煤气制备，则二氧化硫等杂质去除的难度比较大。
个人还是觉得，以甲烷为主的天然气，还是主要用在发电厂、供暖站，家庭自取暖做饭，以及火箭燃料使用，会更好，也会减低内燃机使用甲烷燃料的非充分燃烧带来的更加严重的温室气体排放污染和潜在的光化学烟雾污染。

酒后胡言

huamao_zhh 发表于 2021-1-9 12:24
不算噱头了，张家口的公交车逐步换成氢燃料电池的公交车，北京384路公交车已经在进行国产第三代氢燃料公 ...

那真是噱头！是样板工程。我们专门做过技术、经济、市场调研，做到可行性研究报告的深度，技术方面做到了初步设计深度。而且专门和国家级的某权威研究院进行过深入交流沟通。
技术能行，但是商业上亏得很！主要瓶颈是规模化储氢技术及技术经济、燃料电池的质子膜技术及技术经济。
氢来源而言：副产灰氢是经济的，绿氢既不经济也不环保（我国70%的电是煤炭发的，宏观不环保，即便进行完全的碳排放交易，也是不经济的）。
氢燃料应用方面：燃料电池的质子膜材料的价格和寿命短时期内是非常悲观的：
1. 价格主要是基于质子膜的贵金属元素的因素，就不用多废话了。大规模应用得多少铂、铑、钯？所以期待革命性的廉价材料，其次是革命性的再生生产工艺。
2. 寿命则是氢、氧中的杂质对膜材质的影响。如AIP潜艇的液氢、液氧这种高纯燃料和助燃剂通过燃料电池进行能量转化没问题。但是空气取氧方式对寿命是极大的危害，日本目前最好的膜，通过测试空气中的SO2必须低于0.2ppm，对寿命没有明显影响，放宽限度也必须＜0.5ppm，否则膜的寿命会因杂质导致的不可逆的中毒出现显著的性能衰减。
所以如果没有政府补贴（基于技术储备、配套推广，碳排放指标转移等一系列政策），纯商业化的话，私人和民企是绝对用不起的。
乐观估计20年进行商业市场推广，悲观点的要50年。正好和以核能为主，风、太阳等为辅的发电替代煤电达到51%的宏观环保电力的占比的发展周期相对应。
另外，天然气燃料的尾气氮氧化物排放水平明显低于煤炭和柴油，比汽油略低。所以其它三种传统燃料没有问题，天然气燃料同样没有问题，其它三种燃料尾气产生的氮氧化物如何处理，天然气燃料尾气的氮氧化物同样的方式处理，没有什么问题。所需要关注的只是烃排放，目前仅欧盟立法控制烃排放指标，美国、日本同样也没有强制要求，我们根据我们自己的发展水平选择合理的时机即可。

酒后胡言

我另外在强调一下，绝不是说要用LNG、CNG燃料去推广蒸汽机车。除了环保问题，蒸汽机车还有个大问题就是热机效率太低太低。
用LNG、CNG燃料替代煤炭作为蒸汽机车燃料是基于现有尚在寿命期内的存量机车，基于经济的考虑（业主可能纠结于得花一大笔钱买GKD替代蒸汽机车）和环保的压力（很多地方一刀切砍煤），可能有些还打算搞搞蒸汽机车工业历史情怀旅游神马的。
这些都是小众的搞法，但是总比那个神马用液态CO2相变驱动的蒸汽机车稍微靠谱一些。

酒后胡言

而在氢燃料、储电—电驱动足够成熟之前，发达国家采用天然气替代煤炭、柴油、汽油是成熟、成功的路子，天然气的应用占比远高于中国。不信可以去查一下欧盟的港口对船舶采用重柴油还是LNG燃料燃料价格和税收政策差异就足以说明问题。

yuxpsky

动力够吗？

火车大亨

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火车大亨

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火车大亨

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火车大亨

蒸汽机车是不能随便落火的，即使几天不行驶锅炉也得燃烧，就像燃煤时压火的状态以保持锅炉温度。否则锅炉因为温度变化太快而且难以均匀变化而损坏。