浅析船用新型燃料

浅析船用新型燃料

宗选钦

江南造船（集团）有限责任公司  上海市 201913

摘要： 基于国内外船舶排放法规，逐步实现碳减排要求，文旨从组成成分、应用历史、法律法规、主机研发角度比较和讨论LNG燃料、甲醇燃料和氨燃料的优缺点，讨论未来船用燃料的发展。

1. 概述

为限制温室气体排放对环境的污染，实现节能减排。2018年4月，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）提出了减少船舶温室气体排放的战略，制定了2050年温室气体排放的工作方向，其方向分为短期、中期和长期计划。2020年，我国提出了碳达峰和碳中和目标。欧盟从2022年开始将海运也纳入碳排放交易体系。由此可见，世界各国纷纷制定法律法规监管温室气体的排放，以期实现零排放或碳中和的目标。本文将对短期计划中的研究和开发替代低碳和零碳燃料进行分析和讨论。

2. 低碳和零碳燃料

传统燃料被燃烧后，排放的船舶废气物中有氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、颗粒物（PM）、CO2等，这些排放物逐渐被纳入严格的监管之中，因此传统燃料将逐渐被取代。因此本文将对三种替代燃料：LNG燃料、甲醇燃料、氨燃料，从组成成分，应用历史，法律法规，主机研发等多角度、多维度进行对比分析。

2.1组成成分

1)LNG是液化天然气的英文缩写，典型的船用LNG燃料主要组成成分为甲烷（体积分数94.0%），还有少量的乙烷（体积分数4.7%）、丙烷（体积分数0.8%）、丁烷（体积分数0.2%）和氮气（体积分数0.3%）。其主要成分为甲烷，因此甲烷燃烧后的主要产物为CO2，H2O，CO等。

2)甲醇燃料通常被称为碳中性燃料，是指不会产生净温室气体排放或碳足迹的燃料，不给地球增加额外温室气体排放。因为可再生甲醇可减少高达95%的CO2排放和80%的氮氧化物（NOx）排放，且完全没有硫氧化物（SOx）和颗粒物（PM）排放。同时甲醇来源广泛，技术成熟，例如我国煤制甲醇技术成熟，体系完整。

3)氨燃料仅由氮原子和氢原子组成，既不含碳也不含硫，作为船用燃料，可实现船舶 “零碳”排放，因此作为“零碳”燃料的氨燃料具有其它低碳燃料无法相比的优势。

图1 三种燃料化学特性对比

2.2应用历史

1)LNG运输船进入我国船舶建造和营运领域虽然只有20余年，但LNG海上运输历史却已有60多年。近25年来，随着船舶技术的不断发展以及全世界对环境污染问题的日趋关注。LNG运输船相应技术的革新也在日新月异，从单一的双燃料LNG主机到双燃料LNG发电机，再到双燃料LNG锅炉，以LNG为燃料的设备越来越多。同时LNG蒸发气的管理技术也在不断进步，基于IGC Code推荐的四种BOG管理方法为：

货物蒸发气的再液化

货物蒸发气的热氧化

压力积聚

液相货物的制冷

目前主流大型LNG船采用的是涡轮布雷顿型再液化装置，其装置采用氮气和氦气作为制冷介质，系统内设备数量相对较少，在安全性、紧凑性和再液化效率等方面具有一定优势。

运输和加注LNG燃料等方面的基础设施日趋完善。2022年11月15日，中国首艘全球最大的LNG运输加注船“海洋石油301”完工交付，可以为靠泊在国内沿海港口的大型LNG燃料动力船提供船对船的加注服务。LNG作为燃料从发展历史、技术成熟度和配套成熟度等方面具有其它两种燃料无法比拟的优势。

图2 LNG运输船

2)甲醇和氨燃料作为新型船舶替代燃料受到越来越多的关注，近几年也得到了较快发展，但仍处于起步阶段。以甲醇为燃料的船舶陆续在设计、建造和交付营运。配套的设备、加注设施等还不完善，还需加大研发、制造力度，完善上下游供应链，以期实现更好的解决方案。船级社、船东、船厂、设计公司都在积极努力的推进氨燃料船舶的研发和量产。不断有船级社和船厂推出了供氨系统设计（AIP）证书，证明氨燃料项目取得了重要的阶段性突破，对氨燃料的船舶的安全发展具有积极的促进作用。

2.3法律法规

1)  国际上关于使用LNG燃料的法规较为完善：

IGC规范《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》

IGF规范《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》

船级社对船舶入籍时相应的船级社规范，比如：挪威船级社（DNV）规范中第五部分，第七章节是对液化气船的要求

2)  IMO已确认甲醇为安全且合规的低闪点燃料，各船级社相继开展氨燃料的研究，为相关氨动力船型颁发原理性认可（AIP）证书。甲醇和氨燃料作为新型船舶替代燃料，与之相对应的法律法规还不完善，相对欠缺，目前已知的有如下规范：

中国船级社（CCS）发布了《船舶应用氨燃料指南》

法国船级社（BV）发布了《甲醇和乙醇燃料船舶规范》

日本船级社（NK）发布了《船用替代燃料指南2.0版》

挪威船级社（DNV）发布了《低闪点船用燃料规范》

海安会发布了《使用甲醇、乙醇作为燃料的船舶安全临时导则》

这些规范对船舶的机械、设备和系统的布置、安装、控制、监测提出了要求，以减少船舶、船员和环境的风险，使业界开展船舶的设计与建造有了公认的技术标准，为安全提供强有力的保障。

2.4主机研发

柴油机作为船舶的主要动力源，能够为船舶的安全运行提供充足的动力，具有良好的动力性和经济性。而双燃料主机是采用双燃料燃烧模式，作为一种替代传统柴油燃烧的燃烧方式，是指在原主机的基础上加入供给系统、喷射系统、和电控系统，对原主机进行结构改装和电控系统升级，根据进气方式不同，可以分为单点喷射、多点喷射、缸内直喷。

图3 船舶主机

LNG双燃料主机技术已经比较成熟，MAN、Wartsila等主要的船用发动机生产商均有超过20年的LNG发动机生产经验。集超大功率、智能控制、绿色环保于一体，以优异的性能和排放指标引领世界同类型发动机的发展。

目前全球已有多艘甲醇船投入抵用，另有多艘正在建造，这些船上甲醇发动机在低速柴油发动机的基础上增加了一套甲醇供给装置，性能有待进一步优化。Wartsila即将交付一款32DF甲醇双燃料发动机，这款发动机能够对甲醇进行处理和储存，实现可靠燃烧。更多的企业都在研发甲醇发动机，保证功率和热效率的同时，未来同时降低有害物的排放。

MAN、WinGD和Wartsila公司是氨燃料发动机的研发主力，将会在2023~2025年间陆续推出氨燃料发动机。我国也开展了一些研发，但起步较晚。由此可见氨燃料发动机的发展决定了氨燃料在实船上的应用脚步。

3. 总结

围绕航运业可用的替代燃料仍有许多不确定性，但全球范围内不可能只有一种单一的燃料，在不断探索中，寻找出稳定的燃料供应链，配合双燃料主机，依托于安全可靠的供气系统，让航运业为整个人类和环境造福。