lecture 12 compressed natural gas revised - iit kanpur 15-17... ·  · 2016-09-09alternative fuel...

54
Compressed natural Gas 1 Compressed Natural Gas 9/9/2016 1 Petroleum Displacement Energy Diversity Air Quality Improvement Greenhouse Gas Emission Reductions Domestic Economic Development 9/9/2016 2 Why Use Alternative Fuels?

Upload: ngokiet

Post on 21-Mar-2018

223 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Compressed natural Gas 1

Compressed Natural Gas  

9/9/2016 1

 Petroleum Displacement 

 Energy Diversity  Air Quality Improvement 

 Greenhouse Gas Emission Reductions 

 Domestic Economic Development 

9/9/2016 2

Why Use Alternative Fuels? 

Compressed natural Gas 2

Urban Pollution 

9/9/2016 3

Case Study of Delhi  

9/9/2016 4

Compressed natural Gas 3

Smog Became Pervasive 

9/9/2016 5

9/9/2016 6

Compressed natural Gas 4

9/9/2016 7

FLEET COMPOSITION OF INDIAN VEHICLES (1997) (Source: TERI) 

9/9/2016 8

(Two wheelers (71%) & Three wheelers (5%) occupy significant places in the Indian transportation sector)

Compressed natural Gas 5

9/9/2016 9

9/9/2016 10

Landmark March 31, 2001, India Supreme

Court ruling

Compressed natural Gas 6

conversion of the entire bus fleet to (CNG). Taxis and auto rickshaws must be replaced with engines

running on clean fuels

A natural gas pipeline from Mumbai supplies natural gas to New Delhi.

9/9/2016 11

Heavy duty 

As of April 1, 2000, non-commercial 4-wheelers must meet Euro II emission standards.

Commercial vehicles, such as taxis, must be also meet Euro II emission standards or use CNG

In order to be registered in the Capital Region of New Delhi. 

9/9/2016 12

Light-duty

Compressed natural Gas 7

 Ethanol  Natural Gas  Propane (LPG) 

9/9/2016 13

Alternative Fuel Vehicles Available Now

9/9/2016 14

1. Natural gas is one of the cleanest of all fuel sources available

2. Huge potential of unexploited natural gas

reserves exists in India 3. This presentation explores the possibilities

of utilizing unexploited gas reserves by converting them into liquids

Why Natural Gas Chosen?

Compressed natural Gas 8

9/9/2016 15

1. Gas reserves of NE region ‐ Tripura 

2. Gas hydrates in deep sea  

3. Gas reserves in deepwater  

9/9/2016 16

Gas Reserves In India  

Compressed natural Gas 9

NATURAL GAS 

9/9/2016 17

9/9/2016 18

HISTORY

Compressed natural Gas 10

9/9/2016 19

9/9/2016 20

Compressed natural Gas 11

9/9/2016 21

9/9/2016 22

Compressed natural Gas 12

9/9/2016 23

9/9/2016 24

Compressed natural Gas 13

Natural Gas Vehicles Dilemma 

9/9/2016 25

Very Low Emissions 

 

Good Performance 

 

Lower Cost Fuel 

 

Limited Range, but adequate for most Applications 

Few Refueling Stations 

Higher Cost Vehicle 

Indian buses generally use 140-160 horsepower engines.

Natural gas can be used in engines in a liquefied compressed gas (LNG).  

In order to liquefy it at atmospheric pressure, it is necessary to bring it to a temperature of ‐162 °C.  

As a result it is used mainly in the form of Compressed Natural gas (CNG) 

 

9/9/2016 26

Forms of Natural gas Storage 

Compressed natural Gas 14

CNG tanks are regulated to be steel and no composite material is allowed.

A brand new, good quality CNG kit with cylinder costs around 32,000 rupees or $6,400,

while a substandard locally-made welded version is half the amount. 

9/9/2016 27

CNG tanks

9/9/2016 28

Compressed natural Gas 15

CNG refueling stations using Tulsa Gas technologies equipment.

The India Supreme Court has mandated that at least 90 refueling stations be made available.

Taxi cab drivers and rickshaw drivers fill at 68 “daughter stations.”

Natural gas buses are filled at 3 “mother stations.”

The methane content for compressed natural gas is 88 percent. 

9/9/2016 29

Refueling:

9/9/2016 30

Compressed natural Gas 16

Uneven distribution of CNG stations 

Inadequate pressure in daughter stations 

Overrunning of compressors 

Non‐availability of continuous power supply 

Shortage of trained manpower 

 

9/9/2016 31

PROBLEMS WITH CNG DISPENSING STATIONS 

CNG Induction Techniques 

9/9/2016 32

Compressed natural Gas 17

9/9/2016 33

SI Combustion technology 

9/9/2016 34

Compressed natural Gas 18

Gasoline Car Bi‐Fuel Conversion 

9/9/2016 35

The Cylinder 

The Vapor Bag 

The High Pressure Pipe 

The Refueling Valve 

The Pressure Regulator 

The Gas‐Air Mixer 

The Petrol‐Solenoid Valve 

The Selector Switch 

9/9/2016 36

What does the Conversion kit comprise of ?  

Compressed natural Gas 19

9/9/2016 37

Typical Gas Conversion

9/9/2016 38

Compressed natural Gas 20

9/9/2016 39

Typical Gas regulator

9/9/2016 40

Typical Gas & Petrol Solenoid

Compressed natural Gas 21

9/9/2016 41

Various Design of gas mixers

9/9/2016 42

Fuel Mode Switch

Compressed natural Gas 22

Dedicated CNG Conversion of Diesel Engines 

9/9/2016 43

•Replacing injector by Spark plug

•Machining the piston to decrease CR •Gas Conversion Kit installed

Only two Indian chassis manufacturers exist--TATA and Ashok Leyland.

Natural gas buses are using stoichometric Cummins engines.

private operators are installing conversion kits. Nugas is the certified company for CNG bus conversions.

9/9/2016 44

Transit buses

Compressed natural Gas 23

9/9/2016 45

• Stoichiometric engines (=1), in other words, the air fuel ratio is exactly the theoretical required for combustion 

• Lean mixture engines (normally = 1.4 ) 

9/9/2016 46

Tuning up gas engines:

Compressed natural Gas 24

The best gas powered engines achieve a level of efficiency in the order of 36 ‐ 37%  

Which is above petrol engines 

Below modern diesel engines 

9/9/2016 47

Efficiency of CNG Engines 

Safety with CNG 

9/9/2016 48

Compressed natural Gas 25

9/9/2016 49

9/9/2016 50

Compressed natural Gas 26

Natural Gas 

Mainly methane(CH4) 

 

 

also contains heavier gaseous hydrocarbons such as ethane (C2H6), propane (C3H8) and butane (C4H10), as well as other sulphur containing gases, in varying amounts  

 

exact composition of natural gas varies between gas fields.  

 

What is natural gas?  

Compressed natural Gas 27

Composition 

component %

Methane(CH4) 80-95

Ethane(C2H6) 5-15

Propane(C3H8) and Butane(C4H10) <5

It is found in oil fields and natural gas fields, and in coal beds 

 

The largest two natural gas fields are probably South Pars Gas Field in Iran and Urengoy gas field in Russia, with reserves on the order of 1013 m³  

 

Gas produced from oil wells is called casinghead gas or associated gas  

Sources of natural gas 

Compressed natural Gas 28

 

 

It can be stored in two forms: 

 

Liquefied natural gas (LNG) and compressed natural gas (CNG) 

Storage 

Large‐scale use since 1960’s  

Some 3,500,000 CNG vehicles now in operation worldwide  

 Mostly in Italy, Argentina, Brazil, Pakistan, etc. as lower cost fuel  

Growing rapidly for transit operations in Europe as lower emission fuel  

 Some 7,500 fill stations 

CNG Fuel    

Compressed natural Gas 29

Typically stored at 3,600 psi at 70ºF 

If ambient temperature goes up or down, pressure also 

correspondingly goes up or down 

 

CNG Fuel – Temperature Effects  

During filling, gas heats up as it compresses in the tanks 

Typically, stations only fill to service pressure of 3,600 psi 

End up with 3,600 psi at some elevated temperature (say 100ºF) in the tanks 

As gas cools to ambient (say 70ºF), pressure of gas     decreases  End result is less gas ‐ instead of having a fill of 3,600 psi at 70ºF, one has say 3,400 psi at 70ºF 

 

CNG Fuel – Filling  

Compressed natural Gas 30

Tanks can be slowly filled to allow heat to dissipate 

 

 

Tanks can be pressured beyond service pressure, i.e. fill so that one gets higher pressure at a higher temperature, thus cooling to 3,600 psi at 70ºF 

  

Tanks actually designed to be filled up to 1.25 times service pressure (all qualification testing done at 1.25 times) 

 

To prevent underfills  

4 basic types of tank designs  

which design to use depends on need to reduce weight and how much can pay  

All designs have equivalent safety, as all meet requirements of same standards  

Design type can also determine how a tank may be handled, and how it may be filled  

Fuel Tank Technologies  

Compressed natural Gas 31

 

Type 1 ‐ All metal (aluminum or steel) 

Cheap but heavy 

 

Type 2 ‐ Metal liner reinforced by composite wrap (glass or carbon fiber) around middle (“hoop wrapped”) 

Liner takes 50% and composite takes 50% of the stress caused by internal pressurization 

Less heavy, but more cost 

 

Type 1 & Type 2 Tank Designs  

Metal liner reinforced by composite wrap 

  around entire tank (“full wrapped”) 

Liner takes small amount of the stress 

Light‐weight, but expensive 

 

Type 3 Tank Design  

Compressed natural Gas 32

Plastic gas‐tight liner reinforced by composite 

    wrap around entire tank (“full wrapped”)  Entire strength of tank is composite reinforcement 

Light‐weight, but expensive 

 

 

Type 4 Tank Design  

The octane rating for CNG is higher than that for gasoline; in a dedicated engine  

a CNG vehicle’s power, acceleration, and cruise speed can be 

greater than that of a gasoline‐powered vehicle.   In addition, due to the cleaner burning characteristics of 

natural  gas, CNG vehicle engines can run more efficiently than a 

gasoline powered vehicle,  CNG engines are also generally less noisy than diesel 

engines.  

CNG performance 

Compressed natural Gas 33

CNG has a narrow flammability range, making it an inherently safe fuel.  

It is non‐toxic  

CNG also disperses rapidly, minimizing ignition risk relative to gasoline  

However, leaks indoor may form flammable mixture in the vicinity of ignition source 

Safety 

Reductions in carbon monoxide emissions of 90 to 97 percent, and reductions in carbon dioxide emissions 

  of 25 percent.  

Reductions in nitrogen oxide emissions of 35 to 60 percent.  

Potential reductions in nonmethane hydrocarbon emissions of 50 to 75 percent.  

Fewer toxic and carcinogenic pollutants, and little to no particulate matter produced.  

Emissions 

Compressed natural Gas 34

 

Proper training is required for all maintenance personnel working on CNG vehicles 

 

The oil in a CNG vehicle does not need to be changed 

  as frequently because CNG burns more cleanly than gasoline, producing less deposits in the oil. 

 

Maintenance 

Liquefied natural gas or LNG is natural gas that has been processed to remove helium, or impurities such as water, and heavy hydrocarbons and then condensed into a liquid at almost atmospheric pressure by cooling it to approximately ‐163 degrees Celsius  

 

LNG is about 1/614th the volume of natural gas at standard temperature and pressure (STP)  

 

Much more cost‐efficient to transport 

LNG fuel 

Compressed natural Gas 35

Producing LNG by liquefaction 

The raw feed gas supply arriving from a producing gas field must be clean and dry before liquefaction can take place 

 

It is scrubbed of entrained hydrocarbon liquids and dirt 

 

Treated to remove hydrogen sulphide and carbon dioxide 

 

Gas is cooled to allowed water to get condensed 

Preliminary processes 

Compressed natural Gas 36

Then it is further dehydrated to remove even small amounts of water. 

 

If mercury is present then it is also removed at this stage. 

 

Then the gas is filtered to ensure only methane and traces of other hydrocarbons are present. 

 

 

Liquefaction takes place through cooling of the gas using heat exchangers. In these vessels, gas circulating through aluminum tube coils is exposed to a compressed hydrocarbon‐nitrogen refrigerant.   

Heat transfer is accomplished as the refrigerant vaporizes, cooling the gas in the tubes before it returns to the compressor.   

The liquefied natural gas is pumped to an insulated storage tank where it remains until it can be loaded onto a tanker.  

Liquefaction  

Compressed natural Gas 37

LNG offers energy density comparable to gasoline or diesel. 

 

But its high cost of production and need of cryogenic temperatures to store it has prevented its widespread use. 

 

Natural gas fed into LNG plant is treated to remove water, hydrogen sulphide, carbon dioxide and other compounds which freeze at low temperatures. 

Basic facts on LNG 

LNG above‐ground tanks are mainly of double‐wall, high‐nickel steel construction with extremely efficient insulation between the walls 

 

Large tanks are low aspect ratio (height to width) and cylindrical in design with a domed roof.  

 

Storage pressures are very low, less than 5psig. 

Storage 

Compressed natural Gas 38

 

LNG Storage tank 

 

Pipeline system 

Compressed natural Gas 39

Smaller quantities, 70,000 gallons and less, are stored in horizontal or vertical, vacuum‐jacketed, pressure vessels.  

 

These tanks may be at pressures any where from less than 5 psig to over 250 psig  

 

LNG must be maintained cold (at least below ‐117°F) to remain a liquid, independent of pressure.  

 

There are no discernible differences in LNG vehicle performance, operation, and utility when compared with 

  diesel 

 

The high ignition quality of LNG is similar to that of diesel, providing for similar durability and engine life overall. 

 

LNG performance 

Compressed natural Gas 40

A LNG vehicle parked indoors and unmoved for a week or more will vent a flammable gas mixture that could catch fire in the vicinity of an ignition source. 

 

refueling vehicles with LNG requires training because of the fuel’s ultra low temperature. 

 

It can cause frostbite if it contacts skin. 

 

 

Safety 

Production of half particulate matter of average diesel vehicles.  

Can significantly reduce carbon monoxide emissions.  

Reductions of nitrogen oxide and volatile organic hydrocarbon emissions by 50 percent or more.  

Potential reductions in carbon dioxide emissions of 25 percent depending on the source of the natural gas.  

Drastic reductions in toxic and carcinogenic pollutants.   

Emissions 

Compressed natural Gas 41

LNG’s cleaner burning characteristics can result in longer engine life and reduced maintenance costs. 

 

Use of LNG eliminates the periodic tank inspections 

 

Because of the fuel’s below freezing temperatures, 

   only trained personnel should maintain LNG vehicles. 

 

 

Maintenance 

CNG emissions are compared with diesel and B20 ( diesel blend with vegetable oil) 

 

THC, NOx, and PM emissions of CNG engine are significantly lower than diesel, with a reduction of 67%, 98% and 96% respectively. 

 

No significant reduction in CO is observed. 

 

Exhaust emissions 

Compressed natural Gas 42

Carbonyl compounds  Formaldehyde is most abundant compared to other carbonyl compounds 

in the exhaust emissions.  

CNG emits 95% lower formaldehyde with respect to diesel fuel.  

PAHs and nitro PAHs  Use of CNG results in significant decrease in emissions:   a reduction of, at least, 98% and 88% was observed   for PAHs associated to PM and vapor phase.   

 

   

Unregulated emissions  

Compressed natural Gas 43

 

Unregulated emissions 

PAHs associated with particulate matter

PAHs associated with vapour phase

Compressed natural Gas 44

 

Carbonyl compounds

There are two types of CNG refueling systems Slow-fill: In slow fill systems, several vehicles are

connected to the output of the compressor at one time. These vehicles are then refilled over several hours of compressor operation. Slow fill is considered practical only for vehicles of single fleet.

Fast-fill:In fast systems, enough CNG is stored so that several vehicles can be refueled one after the other, just like refueling from a single gasoline dispenser   

Compressed Natural Gas: Storage and Dispensing

Compressed natural Gas 45

Compressor

Storage

Piping

Dispensers

Basic Elements of a Fast‐Fill CNG Refueling System  

• Control system • Leak detection system • Fire suppression system • Lightning protection

Reciprocating compressor

Multistage (usually four stages)

Gas is compressed from 35 kPa to as high as 31 MPa.

Compressors

Compressed natural Gas 46

Cylinders are made according to either U.S. DOT or ASME pressure vessel code. 

Cylinders are made only from carbon steel. 

Cylinders are placed on a concrete slab without enclosure. 

CNG storage cylinders can also be placed in underground vaults but usually not preferred.

 

Storage

Piping must be compatible with natural gas and capable of four times the rated service pressure without failure. 

Stainless steel seamless tubing is commonly used. 

Threaded and compression‐type fittings that do not use gaskets or sealants are also allowed. 

Piping 

Compressed natural Gas 47

Dispensers are used to direct CNG from the storage system into the vehicle (only used for fast‐fill systems). 

They typically incorporate a sort of on‐off switch activated by removal of the refueling nozzle and a meter to measure the amount of CNG dispensed. 

CNG dispensers are usually made of stainless steel   CNG dispenser nozzles are made from aluminum and stainless steel 

Dispensers 

Control systems are of two types‐mechanically controlled and completely computer controlled. 

Computer controlled systems offers flexibility not possible with mechanical systems. 

Computer controlled systems provide functions such as accounting of the amount of the fuel dispensed into the vehicle and billing functions. 

Control Systems 

Compressed natural Gas 48

Leak detection system usually use methane detectors. 

Methane detectors are usually placed above the ground level at points where the released gas is likely to pass as methane rises when released. 

Most methane detectors are set to alarm when 20% lower flammability limit (LFL) of methane  in air is detected (about 1% methane in air). 

Some refueling facilities use two‐stage approach to methane detection and alarm.First alarm is sounded when 20% LFL is detected and shutdown of refueling system is initiated when 40% LFL is reached. 

Leak Detection Systems  

These systems are dry chemical using infrared detectors  

A puff test should be normally carried out after installation of fire suppression systems. 

Puff tests not only shows the coverage that can be obtained but also tests the components of the fire protection systems. 

 

Fire Suppression Systems 

Compressed natural Gas 49

CNG refueling systems located outdoor should take lightning protection into account. 

Lightning strikes can damage the refueling system and cause fuel release and/or fires  

Lightning Protection 

Fuel Quality and Effect on Exhaust Emission 

9/9/2016 98

Compressed natural Gas 50

Diesel  

* Cetane number increased from 42 to 45 in 1995 and further increased to 48. Need for further increase in 2005 to be assessed. 

* Distillation limits became stringent from year 2000 in view of no clear trends further control of T90/T95 to be examined. 

* Sulphur content reduced from 1% to 0.5% in the year 1996 and further reduced to 0.25% in the year 2000. Likely to be 0.05 in 2005 but needs to be linked with engine technology. 

*  Benefits of multifunctional additives being examined. Likely benefits in terms of fuel economy and emission reduction.     

9/9/2016 99

Fuel Quality Trends in India    

9/9/2016 100

Gasoline Quality And Emissions

Note: (+) Desirable; (-) Undesirable; Blank – NO significant effect

Compressed natural Gas 51

Additives are rapid, economic and easy means for 

         ‐ Improving fuel performance properties. 

         ‐ Control fuel quality during production,       distribution and storage. 

          ‐ Control emissions.    

9/9/2016 101

ROLE of Fuel Additives   

Gasoline stability problem 

         ‐ inclusion of cracked stocks in gasoline 

         ‐ gasoline deterioration during storage 

Results in 

         ‐ formation of gum and sediments in storage. 

         ‐ Gummy deposits in engine intake system. 

       ‐ Engine performance deterioration 

         ‐ Loss of fuel economy. 

         ‐ Increase in emission. 

         ‐ Poor startability. 

•   Solution of problem 

          ‐ Refinery processing 

          ‐ chemical treatment of gasoline with additives    

  9/9/2016 102

MFA In Gasoline  

Compressed natural Gas 52

INTERNATIONAL SCENARIO 

   U.S.A 

  * As per clean air act gasoline must contain certified additives. 

   EUROPE 

  * Growing use of deposit control additives (DCA) 

   ASIA AND AUSTRALIA 

   * Japan, Singapore, S. Korea, New Zealand, Australia‐USE guidelines from US EPA 

   * In Thailand DCA regulation system is in place     

9/9/2016 103

MFA In Gasoline 

Unleaded gasoline introduced in four metros from APR.1995 and all over the country from 2000. 

Total lead phase out in Delhi from 1.9.98 

Volatility limits implemented from 1995 further review for evaporative emission control. 

Use of multifunctional additives in gasoline recommended in 1997 

Use of oxygenates like MTBE started in some refineries for producing unleaded gasoline 

Sulphur limit to be made stringent from year 2000 demand for further control from 2005 

Benzene also to be restricted to 5% max. from 2000 demand for reduction upto 1%    

9/9/2016 104

Fuel Quality Trends in India Related to Emissions  

Compressed natural Gas 53

9/9/2016 105

Impact of Diesel Properties on Emissions

Note: (+) Desirable; (-) Undesirable; Blank – NO significant effect

9/9/2016 106

Fuel Sulphur-PM Emission

Sulphur 0.25%

Sulphur 0.05%

Reduction

Contribution of sulphate & H20 -Absolute Emission g/kwh

0.056 0.011 0.045

% of Euro 1 limit (0.36 g/kwh)

16 3 13

% of Euro 2 limit (0.15 g/kwh)

37 7 30

Compressed natural Gas 54

Main conclusion that flows logically from the overview presented is that India along with most of the world will have to switch to alternative fuels for automobiles, sooner or later, the sooner the better for our own environment. 

There is a need for all the players in the industry to look ahead and formulate a strategy to make this switch smooth and timely. 

9/9/2016 107

Conclusion