液化天然氣作為船用燃料的可行性研究

蔣 瑋，朱新禮

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 201206）

0 引 言

地球上，天然氣蘊(yùn)藏量巨大。天然氣在陸上作燃料使用，已有很長的歷史，近年來開始在船上作燃料使用。與其他燃料相比，天然氣在環(huán)保方面的優(yōu)勢，令人刮目相看；經(jīng)濟(jì)性方面，目前在進(jìn)入限止排放區(qū)或某些港口時(shí)，由于對(duì)燃燒后的廢氣中的有毒有害氣體含量有更嚴(yán)格的要求，規(guī)定必須燃燒低硫油，甚至船用柴油，增加了營運(yùn)費(fèi)用，因而在目前，天然氣在環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性方面顯示了無與倫比的優(yōu)越性，可以預(yù)言，天然氣將成為一顆冉冉升起的新星，出現(xiàn)在船用燃料市場。

1 天然氣作船用燃料的優(yōu)勢

1.1 利于環(huán)保

天然氣不含硫，碳含量較重油低，因而天然氣在環(huán)保方面的優(yōu)勢，十分明顯。與船用重質(zhì)燃油相比，天然氣燃燒后的廢氣幾乎無硫氧化物（SOx），能減少85%～90%的氮氧化物（NOx）和15%～20%的二氧化碳（CO2）的排放，因而大大減輕了對(duì)大氣的污染。

1.2 更經(jīng)濟(jì)

氣體狀態(tài)的天然氣密度低、體積大、運(yùn)輸成本高，將其液化后，稱為液化天然氣（LNG）（Liquefied Natural Gas），體積壓縮比約為1:600，性價(jià)比提高（本文暫對(duì)LNG進(jìn)行相關(guān)論述，其他形式的天然氣如壓縮天然氣（CNG）等不在此論述）。以目前的價(jià)格趨勢，從中期看LNG與重油持平，但當(dāng)船舶進(jìn)入限制排放區(qū)內(nèi)，規(guī)定必須燃燒價(jià)格較貴的低硫重油或船用柴油。按照目前的油價(jià)和LNG價(jià)格水平，使用LNG清潔能源比使用柴油節(jié)約40%~60%的燃料費(fèi)用。 按熱值計(jì)算，LNG價(jià)格只有柴油的60%左右，而且天然氣燃燒徹底，不易積碳，維護(hù)費(fèi)用減少逾50%。廣東大鵬公司的LNG運(yùn)載船使用貨艙內(nèi)蒸發(fā)的天然氣BOG（Boil-off Gas）作為蒸汽渦輪裝置的燃料，每年可節(jié)約燃料成本近6000萬元。大型LNG船經(jīng)濟(jì)性更加明顯。

1.3 有技術(shù)基礎(chǔ)

LNG作為船用燃料在技術(shù)層面上已不存在問題。使用雙燃料的柴油機(jī)（包括低速機(jī)與中速機(jī)）和透平機(jī)均已問世；氣體儲(chǔ)存罐，尤其是IMO C型罐業(yè)已廣泛使用；傳輸液化氣/天然氣的設(shè)備與管系均已應(yīng)用于船上；船級(jí)社已制訂了相應(yīng)的規(guī)范及指導(dǎo)性文件，以確保使用安全性。

目前，在北歐高消費(fèi)國家已應(yīng)用于實(shí)船：25000dwt成品油輪“Bit Viking”號(hào)（見圖1[1]）已成功地改裝使用雙燃料的W?rtsil?主機(jī)，入德國船級(jí)，航行于北歐地區(qū)，置于前甲板上的2500m3的液罐可保持其續(xù)航力為12天；挪威已有一批短程海用渡船使用LNG燃料（見圖2[1]）；挪威在供應(yīng)船和短途汽車運(yùn)輸船上使用LNG燃料（見圖3、4[1]）。

圖1 “Bit Viking”號(hào)成品油輪

圖2 挪威短程海用渡船

圖3 挪威供應(yīng)船

圖4 挪威短途汽車運(yùn)輸船

國內(nèi)，交通運(yùn)輸部已發(fā)布《“十二五”水運(yùn)節(jié)能減排總體推進(jìn)實(shí)施方案》，明確提出“十二五”期間將逐步增加新節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用試點(diǎn)，并根據(jù)試點(diǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)確定推廣應(yīng)用項(xiàng)目。內(nèi)河柴油和LNG混合動(dòng)力船舶技術(shù)正是五項(xiàng)試點(diǎn)新技術(shù)之一，內(nèi)河船舶“油改氣”再度成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了拖輪、散貨船、游船、漁政船等船型的LNG改裝試驗(yàn)。例如，由湖北西藍(lán)天然氣公司與武漢輪渡公司合作將一艘渡船“輪渡302號(hào)”改成燃用LNG的拖船，并在2010年8月完成為期25天的試航，現(xiàn)已投入正常使用[2]（見圖5）。

據(jù)中國水運(yùn)報(bào)報(bào)道，中國船級(jí)社與中石油已共同啟動(dòng)了“氣化長江”工程，目前，《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》已順利通過專家評(píng)審，相關(guān)技術(shù)規(guī)范業(yè)已成熟，將在內(nèi)河開展更為廣泛的實(shí)船試驗(yàn)。

圖5 “輪渡302號(hào)”拖船

2 LNG作船用燃料面臨的難題

2.1 技術(shù)層面

上文已提及在技術(shù)層面上基本解決了問題，并已在短程的小型船上使用，但是更深層次方面尚存在著難題，如與之相應(yīng)的建造或改造代價(jià)不菲；從安全性來看也只解決了眼前，沒有從更長遠(yuǎn)、更多角度考慮，甚至個(gè)別問題至今未獲解決。例如：

1) 無論是液態(tài)或氣態(tài)天然氣的傳輸，必須嚴(yán)格防止其泄漏，因而船級(jí)社規(guī)定必須用雙套管，或傳輸管系必須布置在專用管弄內(nèi)，且管弄內(nèi)必須充有惰性氣體或安裝抽風(fēng)設(shè)施，船舶造價(jià)將大大增加；

2) LNG泄漏問題：LNG在常壓下溫度保持在-163°C，在此溫度下，鋼板呈冷脆性，失去強(qiáng)度。盡管船級(jí)社規(guī)定必須在連接法蘭下設(shè)置不銹鋼托盤，理論上講可以避免發(fā)生事故。但如果發(fā)生破損而大量泄漏，將如何處置？因?yàn)槭鹿试斐傻暮蠊麑⒉豢霸O(shè)想；

3) 甲烷泄出問題：天然氣主要成分為甲烷。甲烷在天然氣燃燒過程中不可能完全燃盡，將隨廢氣排出，然而，甲烷的溫室效應(yīng)強(qiáng)度比CO2大21倍[3]！航運(yùn)界雖聲稱尋求解決辦法，但至今未果；

4) LNG燃料罐布置位置：對(duì)于小型船舶，尤其是油船和化學(xué)品船，可放置于甲板上，不占用載貨空間，安全性有保障。但對(duì)于大型船舶，諸如客船和超大型集裝箱船，是否可布置在住艙下面，至今各方意見不一。目前，在“國際散裝液化氣建造和設(shè)備規(guī)則”（IGC）中是明令禁止的。另一方面，DNV船級(jí)社和韓國大宇船廠分別推出了 9000TEU“QUANTUM”型集裝箱船[4]（見圖 6）和 14000TEU集裝箱船[1]（見圖7）概念性船型，其儲(chǔ)氣罐均布置于上層建筑下方，理由是：此處LNG是作為船用“燃料”，而不是“貨物”，后者需受IGC規(guī)則的限制。還有種說法，LNG燃料罐不論布置在船上何處，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果都差不多，因此放在船員居住的上層建筑下方或別的地方效果是差不多的。因而各方仍有分歧，尚在爭論之中；

圖6 9000TEU“QUANTUM”集裝箱船

圖7 14000TEU集裝箱概念性船

5) LNG較之其他液體燃料（重油或船用柴油）能量密度低，在同樣續(xù)航力條件下，所占儲(chǔ)存空間比傳統(tǒng)的柴油燃料4倍左右，即會(huì)損失部分載貨空間，影響營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性；

6) 燃料質(zhì)量問題：LNG作為燃料時(shí)，其成分組成非常重要。燃?xì)庵械募淄橹担∕N）應(yīng)≥80，否則內(nèi)燃機(jī)會(huì)發(fā)生“敲缸”現(xiàn)象，影響氣缸壽命。除非該機(jī)經(jīng)改造或降低功率使用，才可以避免。因而在加氣時(shí)需特別注意甲烷值，注意加氣艙內(nèi)是否存在其他殘留物；注意隨溫度變化而影響到成分的改變；隨時(shí)對(duì)甲烷值進(jìn)行監(jiān)控，以保證燃?xì)獾馁|(zhì)量。

2.2 加氣

2.2.1 加氣操作

1) 置換氣體：在加氣操作時(shí)，為保證罐內(nèi)壓力為常數(shù)，必須抽出同體積的罐內(nèi)氣體，而這部分氣體如何處理是個(gè)問題。在岸站加氣時(shí)，可通過設(shè)置專用回收系統(tǒng)，問題不大。但如使用加氣船進(jìn)行加氣作業(yè)時(shí)，只能將置換氣體和蒸發(fā)氣體再液化，予以回收利用，暫且不論其成本，加氣速度將受制于再液化速率，變得很緩慢。如應(yīng)用氣體回流法，則裝載速率將受制于回流管直徑和布置；

2) 從安全角度出發(fā)，能否在船舶裝卸貨時(shí)同時(shí)裝卸LNG燃料？或者客船旅客是否能滯留在船上？至少目前明文規(guī)定是禁止的。這是必須解決的現(xiàn)實(shí)問題，否則將直接影響船舶營運(yùn)周期，從而影響船舶利用率，使?fàn)I運(yùn)經(jīng)濟(jì)性變差。

2.2.2 加氣設(shè)施

使用LNG作為船舶的燃料是一個(gè)系統(tǒng)工程。在世界各大港口，已建成不少LNG輸送終端，但這是作為貨運(yùn)終端為運(yùn)輸大量氣體時(shí)服務(wù)的。如要作為船舶的加氣設(shè)施，則必須考慮到燃料添加時(shí)相應(yīng)的數(shù)量和質(zhì)量檢測設(shè)備，以及安全問題，即必須有專用加氣的岸站。建立岸站屬于基礎(chǔ)建設(shè)，投入大，還涉及超低溫傳送引發(fā)的對(duì)碼頭的選址等問題，因而是否合算需認(rèn)真考量。另外，目前尚無專門的加氣船，如大量添置加氣船必須考慮其安全性和特殊性，以及作業(yè)時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響等，而且也是一筆不小的投資。

3 經(jīng)濟(jì)性

3.1 氣價(jià)

從目前情況來看，LNG價(jià)格較船用柴油便宜，這是不爭的事實(shí)。但是今后，特別是一旦大量使用后，價(jià)格將如何變動(dòng)，是個(gè)未知數(shù)，但可以肯定的是，中長期的總體趨勢只會(huì)漲，不會(huì)跌。

3.2 全球性加氣站的建設(shè)

為配合 LNG作為船用燃料，必須在全球各港口設(shè)置加氣站，這是一筆龐大的基建投資！暫且不談金融危機(jī)，即便在正常年份亦需仔細(xì)分析比較得失后才能下決心撥款建造。從目前情況來看，除北歐地區(qū)和新加坡（2014年完工）外，其他港口很少有此打算。

3.3 船舶初投資增加

上文已提及，由于LNG性質(zhì)決定，其運(yùn)行是在超低溫/壓力狀態(tài)下，因而必須有一套相應(yīng)的運(yùn)行和安全的系統(tǒng)加以保證，加上儲(chǔ)氣設(shè)備和特殊材料等，致使應(yīng)用雙燃料的船舶的初投資增加較多，以阿芙拉油輪為例，由此增加的費(fèi)用預(yù)計(jì)是新船價(jià)的20%左右，如此巨大的費(fèi)用，船東是否愿意承擔(dān)。

4 結(jié) 語

眾所周知，燃燒LNG產(chǎn)生的廢氣較燃燒重油要“清潔”得多，完全能滿足當(dāng)前環(huán)保要求。與此相似，陸地上核能發(fā)電以前被公認(rèn)為清潔能源，符合環(huán)保要求，核電站將作為環(huán)保型電站成為發(fā)展方向。但去年日本海大地震導(dǎo)致福島核電站核泄漏重大事故后，核電成為洪水猛獸，致使德國政府宣布停止核能發(fā)電決定，這是以前很難想象的。由此聯(lián)想到，如果使用 LNG作燃料的船舶，萬一發(fā)生海損事故，特別像QUANTUM 9000TEU和大宇船廠的14000TEU集裝箱船，LNG罐置于船員居住艙室之下，一旦發(fā)生事故，導(dǎo)致LNG大量泄漏，雖然LNG在氣化過程中大量吸熱，氣體又較空氣輕，很快會(huì)散逸，不會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸，但這僅在開敞的場合，如在封閉的艙內(nèi)，則可能導(dǎo)致室內(nèi)溫度急劇下降，直至-40℃以下，鋼板出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象，裂紋、斷裂……，其后果不堪設(shè)想！到那時(shí)，人們又該得出何種結(jié)論呢？LNG作為燃料能較燃油燃燒排放廢氣中的溫室氣體減少15%～25%，但是如果對(duì)指標(biāo)再作進(jìn)一步削減時(shí)，則天然氣將無法滿足。有資料表明，為明顯降低全球航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放，有必要在1990年排放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上再削減70%[3]！安裝排煙過濾器和催化反應(yīng)器對(duì)廢氣進(jìn)行處理，技術(shù)上肯定可行，且其費(fèi)用只是投資一套 LNG系統(tǒng)的一半[5]。更重要的是它不占用船體內(nèi)的載貨空間，不影響船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，更受船東的青睞。但燃油價(jià)格走向?qū)⑹谴瑬|不得不面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。目前，為適應(yīng)某些國家和地區(qū)對(duì)廢氣排放的要求，在規(guī)定的200海里“限制排放區(qū)”內(nèi)燃用LNG，而在公海上仍燃用重質(zhì)燃油。由此可見，LNG作為船用燃料有其局限性，目前較適用于小型、短程、具有一定條件的地區(qū)性航行船舶；至于大型、國際航行的運(yùn)輸船舶，在解決上述提及的一系列“瓶頸”問題前，將最終取決于技術(shù)發(fā)展的情況和國際社會(huì)的認(rèn)知和導(dǎo)向。

[1] 德國勞氏船級(jí)社. LNG as ship fuel - where are we-heading[Z].

[2] Yangtze Prepares for LNG Bunkering[J]. LNG World Shipping, 2011, (5/6).

[3] “像海龜翻身——-態(tài)度大轉(zhuǎn)變”[J]，造船師, 2012, (2): 7.

[4] 挪威船級(jí)社. QUANTUM 9000, 2-STROKE LNG ENGINE[Z]， Container Ship Update, 2011, (1).

[5] Andy Alderson. LNG作為船用燃料的特性[J], 造船師, 2012, (2): 18-22.