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剥茧教育 2026-03-26 09:43 2
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上一篇达芬奇的《为何秸秆要发酵为乙醇而非制成甲烷》一文提到要将甲烷天然气进行加压或者液化，才能高效运输。有同学提到压缩天然气是否也需要很大的耗能，这与高效运输从而节能的初衷是否冲突？是否具有经济性？压缩天然气和液化天然气的区别有多大？我们日常乘坐的出租车后备箱的气罐亦或见到大卡车驾驶舱后的大气罐，里面装的东西一样吗？今天达芬奇将会细致解答大家上述疑问，并给大家提供一套简易的模板，方便大家自行核算天然气压缩液化的消耗功或成本。
一、CNG还是LNG？
大家平时在马路上应该看到上面这种后面背着大气罐瓶的车辆，或乘坐这种使用天然气的出租车，一定有疑问他们装的什么？是不是一样的东西？ 是里面装的都为天然气，但是他们却又不一样，不单单是体积大小不一样，而是他们内部天然气形态也不一样。出租车背的多为“气态”的高压气态天然气，而大卡车则大多数装的是”液态”的液化天然气，我们之前文章提到，常压下甲烷的体积能量密度约为乙醇的1/600，而加压的CNG的体积能量密度约为乙醇的1/3，而液态的LNG则基本与乙醇的能量密度一致，可见LNG的能量密度更高。对于出租车来说，加一罐60L的CNG可跑约200~300km；而对于大卡车，就算1000L的CNG也只能跑不足300km左右，对于需要长途运输的大卡车LNG是必然选择，若选用1000L的LNG能跑约1000~1200km。
LNG虽然好，但是价格也相对偏高。这是因为两者对应的天然气压缩能耗，加工成本也不一样，下面为大家详细拆解下下两者的能耗差距。
二、压缩所需功计算
2.1 CNG压缩功
CNG顾名思义是将天然气进行加压所得，而天然气压缩消耗功的大小和其压缩过程、方式和最终压力大小状态有关。以下均以1kg的甲烷为基准计算，在初始和压缩终止状态一致的前提下，我们比较下压缩所消耗功的差异。
工业上一般把天然气压缩到CNG的20~25MPa，现从常温常压）压缩到工业上常用的20MPa高压，所需能量需求数值有多少呢？下面分别从3个压缩过程进行计算：
过程1：绝热压缩
假设压缩过程中一直不向外散热，持续压缩直到20MPa，同学们都有这样的经历，当压缩气体时，气体不仅体积变小，密度增大，其温度也会上升；而温度越高，相对体积会越大，会越来越难以压缩，此过程消耗的压缩功也最多，计算公式如下；
对于绝热压缩，天然气甲烷的多变指数n约为1.3，将相关参数代入计算，得到消耗功大小为：W绝热 = 1603kJ。但是这样压缩结束以后气体温度可高达接近770℃，还没压缩完就把设备烧坏了，即使耐受住高温，你也不敢背着接近上千度的罐子满大街跑吧，现实中肯定不能这样做。
过程2：等温压缩
那么不散热不行，假设压缩过程中，气体持续向外散热，使其始终保持常温，不断压缩直至20MPa，此时消耗的压缩功应该最少，如下图所示为等温压缩时的压缩消耗功公式，通过代入公式，计算得到所需压缩功为：W等温 = 818k，仅为上述绝热过程的一半φ(゜▽゜*)♪， 这种压缩方式看似最为节能。但是这在实际过程中却无法实现，因为这就要求压缩过程中不断降温，降了以后再压缩，但是温差越小降温越慢，虽然耗能少了，但是一天下来如果你压缩的天然气量太少，效率太低，根本满足不了用气需求。
过程3：实际工业压缩
从上述过程来看，采用等温压缩所消耗功最少，实际过程又无法实现，所以只有在压缩效率和耗能之间选择折中的办法，现实会先压缩一定压力后，冷却， 再压缩，再冷却，经过多次循环后，最终实现达到理想压力，工业上往往通过查热力学表查找等熵焓值变化与等熵效率来计算功，但是我们简单计算往往无此表格，现在可以采用和过程1类似的计算方式，但是由于实际压缩的多变性，我们的多变系数n值不同，实际能做到约1.25，经计算所得其压缩功约为：W实际 =1455kJ/kg,而甲烷热值为：50MJ/kg，所以，压缩功占比约占所压缩天然气总能量的2.9%。
2.2 LNG压缩功计算
LNG即液化天然气，顾名思义为液态，那么同学们是否认为直接增大压力就可以把气体压缩为液体呢？事实是否定的，常温下再大压力也无法将甲烷天然气压缩为液体。原因是甲烷有一个液相和气相变化的临界点，只有低于临界温度并且高于这个临界压力，才会有液体状态；高于此温度，压力再大，甲烷不会有液态存在。
所以，气态甲烷天然气要压缩为液化天然气LNG，需要经历如下4个核心过程：
a) 多级增压至高压，成为高温高压气；
b) 水冷却至常温，形成常温高压气；
c) 用制冷剂降温并液化为高压液体；
d) 节流膨胀降压降温至常压液体；
经过上述4个步骤后，才能最终形成可以稳定安全运输的LNG液化天然气。下面针对每个步骤所消耗功进行逐一分析：
步骤a) 多级增压
同上节讲述CNG的增压过程一样，需要压缩机消耗轴功增压， 选用如下公式进行计算，压缩至5MPa，按照实际多变过程n=1.25计算，约消耗轴功：Wa = 916kJ。
步骤b) 水冷降温
通过水冷却将高温高压气降温至常温，得到常温高压气，此过程仅需少量电能驱动水泵，轴功Wb相对整个压缩循环来说很少，Wb可约为0kJ。
步骤c) 低温液化
这一步也是区别于CNG的主要过程，显然要将常温物体冷却至-160℃，制冷循环做功，需要消耗大量冷源，进行换热。过程中要涉及到三个阶段的散热进行分别计算：阶段1）从常温高压进行冷却到临界温度：Qgas；
阶段2）从临界温度气体相变为液体，相变散热：Qphase；
阶段3）从临界液体降温到-160℃，冷凝散热:Qliquid；
总散热量需要这三项相加：Q总= Qgas + Qphase + Qliquid = 1001.65kJ。
但是这些只是需要散热的热量，即最小制冷量，这些低温冷源最终需要压缩机做功来带走，而现在工程上可以达到的最小制冷量与压缩功之比COPindicrative约为0.8~0.87左右，则计算总消耗功：Wc = Q总/0.83 =1206kJ；
步骤d) 节流膨胀
再上步液化完成后，并没有结束，此时还处于高压液体状态，这一步即会有一个膨胀降温降压的过程，通过J‑T 节流阀将液态甲烷降压至约高于一个大气压，降温至约-160℃~-161.5℃，过程中不用消耗任何机械功做功, Wd= 0kJ；
综上，LNG液化总功耗：Wtotal = Wa+ Wb+Wc+Wd = 2123kJ，综合甲烷热值计算，LNG压缩液化总能耗占所处理天然气总能量的比例约为4.2%。
三、总结
从上面结果，CNG压缩所消耗能量占能量约2.9%，而液化LNG却高达4.2%，比CNG多消耗约45%的能量。从上面计算可以看出，不管是压缩和液化所消耗的能量并没有过多，虽然压缩液化耗能，但是其运输效率和使用效率的提升，显然会大大减少运输能耗，从而在整个生命周期内实现经济和减碳收益。
但是老司机们都有这样的疑问，看似两者耗能并不大，但是为何CNG和LNG的市场价格差别较大？这里的主要因为两者除了能耗不同外，所需投资设备差别显著：
CNG站设备主要为高压压缩站和储气瓶组，工艺简单，前期投入少；而LNG液化之前 要NG还要进行脱水脱酸等预处理，将里面的杂质和水分去除，以防止降温过程中堵塞，需要复杂的分离设备、低温制冷设备、深冷储罐以及BOG热交换设备等，硬件投资远高于CNG，同时 要专用低温槽罐车运输，制造和维护成本高。
据Thunder Said Energy统计数据现实，实际工业生产中，受工艺、设备效率等因素影响，LNG 的液化能耗占天然气总能量的比例甚至可达 5%~10%。
尽管LNG价格高于CNG，但是LNG因为其载量更大，能量密度更高，更适合大规模长途运输，比如重卡，运输船等设备），能大幅提升运营效率，最终在整体上实现成本与收益的优化。
本文的计算过程已整理为 EXCEL 计算模板，同学们可以点赞关注后在评论区留言领取。同学们也可以按照达芬奇文章中的方法自行演算，尤其注意计算过程中单位的换算，都换算成国际单位进行计算。需说明的是，本文为基于理想气体的简易评估计算，实际工业生产中的仿真计算， 要搭建复杂的热力学模型，进行更细致的能量和成本收益计算，本文暂不做深入探讨。
四、疑问解答
达芬奇在计算过程中，也遇到了几个疑问，分享下给大家，希望能够解答同学们类似的疑问：
1、为何要冷却到-163℃，冷却到-83℃成为液态不就行了？
肯定有同学疑问，既然临界温度为-83℃，为何不仅仅冷却到-83℃或者以下一点点如-84℃呢，这时候也可以实现液态保存及运输？理论上确实可以这样做，但是此时甲烷若要保持液态，压力必须在4.5MPa及以上，相当于45个大气压，仍需要高压气罐进行储存或运输，这也就意味着需要制造这样的高压储罐，容器，其壁厚将会成倍增加，重量增加，使其运输成本急剧增加，泄露风险增加，安全系数也大大降低。
而在-163℃温度下，甲烷在常压下就可以保持液态，无需特制高压容罐，只需做好保温和选择耐低温材料容器即可，能有效降低制造成本和运输成本，同时大幅提升使用的安全系数，这也是工程上选择该温度的核心原因。
但是若想要通过继续降低温度来增加甲烷密度，从而提升运输效率，是否可行呢？
理论上这一方法确实可行，但是我们从之前的计算可知，甲烷液化本身就需要大量耗能，若继续降温，冷却液化环节的能耗将会急剧攀升，导致整体制造成本增加增，经济性变差，因此该方法并未在工程上实际应用。
2、为何CNG要加压到20MPa？而不是10MPa，或30MPa？
将 CNG 的压力设定为 20MPa，是综合使用便利性、经济性与安全性后做出的最优选择：
一个20MPa、60L的天然气容罐，其能量密度约为汽油的1/4，可以满足出租车200~300km的续航需求，完全适配出租车的日常运营，而且加注成本较低，车辆每日加注1~2次即可。
但是若将储存压力降至10MPa，出租车的续航会骤减至100~150km，使用便利性大打折扣；还会导致加气站将被挤满，无法满足日常运营的加气需求。
若继续加压至30MPa，虽然储罐能装载更多燃气，但是压缩能耗会显著增加，且储罐的厚度也会增加，不仅会让设备制造成本增加，使用成本也会进一步飙升，还会大幅提升气罐泄漏、爆炸的安全风险，因此该压力标准并未被大规模采用。
3、既然冷却后可以降低压缩所需的功，为何不先冷却 再进行压缩呢？
这个问题，先留给同学们思考下，可以在评论区留言回复。
五、引用文献
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