甲醇：未來船用燃料

CCS武漢規(guī)范研究所

為滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，使用船舶替代燃料越來越受到航運(yùn)界的青睞。盡管過去數(shù)年中，液化天然氣（LNG）一直是替代燃料中的寵兒，而且相信這種趨勢(shì)在未來仍將延續(xù)，但現(xiàn)階段越來越多的研究和案例表明，甲醇以其清潔、環(huán)保、可獲取性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，已充分顯示出成為未來船用燃料的潛力。

為什么選擇甲醇？

甲醇是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的飽和一元醇，化學(xué)分子式為CH3OH，其理化性質(zhì)與汽油類似，是一種無色、透明、有毒、易揮發(fā)的易燃液體。甲醇的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，與其他幾種常見船用燃料的對(duì)比如表1。

圖1：甲醇分子式

表1：甲醇與幾種常見船用燃料的理化性質(zhì)對(duì)比

與LNG相比，甲醇最大的優(yōu)勢(shì)在于其不需要低溫儲(chǔ)存和絕熱，因而燃料艙的設(shè)計(jì)和建造非常簡(jiǎn)單，成本大大降低。甲醇燃料艙可以是整體式，也可以是獨(dú)立式，整體式貨艙在甲醇運(yùn)輸船上已有大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

甲醇不含硫，因此甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的硫氧化物（SOx）排放（來自于引燃油）較柴油機(jī)（使用重油）可降低99%，能夠很好的滿足IMO排放控制區(qū)和中國三大船舶SOx排放控制區(qū)的要求。在氮氧化物（NOx）排放方面，根據(jù)W?rtsil? Vasa 32發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試報(bào)告，使用甲醇時(shí)，NOx排放為3～5g/kWh，而使用低硫油（MGO）時(shí)，NOx排放約11.8g/kWh。另一臺(tái)改造發(fā)動(dòng)機(jī)W?rtsil? Sulzer Z40SMD的測(cè)試結(jié)果顯示，使用甲醇時(shí)NOx排放為4～5g/kWh，而使用低硫油時(shí)該值約為11.5g/kWh。因此，甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)很容易滿足目前IMO tier II和國內(nèi)船舶NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于甲醇富含氧原子，燃燒更充分，可有效降低有害氣體的排放，一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和總碳?xì)洌═HC）排放均有不同程度的降低。

但是，僅從使用側(cè)評(píng)價(jià)一種燃料的環(huán)保性，而忽略在這種燃料開采、加工、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)產(chǎn)生的排放，所得出的“環(huán)保性”只是局部的、片面的，而非全局的、完整的。從燃料的整個(gè)生命周期來評(píng)價(jià)其環(huán)保性，是更為合理的一種做法。為此，圖2比較了幾種燃料在整個(gè)生命周期內(nèi)的能耗與排放情況。可見，雖然在燃料總能耗方面甲醇不占優(yōu)勢(shì)，但在其他有害污染物（SOx、NOx、PM）排放方面，甲醇仍具有顯著的減排效果。

圖2：不同替代燃料在整個(gè)生命周期內(nèi)的環(huán)境影響（以HFO為基準(zhǔn)，HFO=1）

歐洲制造甲醇主要以天然氣為原料，而我國甲醇主要以煤為原料，二者市場(chǎng)價(jià)格差別不大。據(jù)了解，我國西部省份甲醇價(jià)格較低，約在1500～1800元/噸徘徊，東南沿海甲醇燃料價(jià)格約為2000元/噸左右，但考慮到甲醇的能量密度，與重油（HFO）等熱值的甲醇價(jià)格需翻倍。對(duì)船東而言，經(jīng)濟(jì)性的直接體現(xiàn)就是投資回收期，它取決于使用甲醇燃料產(chǎn)生的附加投資f和潛在的燃料成本節(jié)省。由于甲醇相對(duì)HFO沒有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此，使用甲醇燃料僅在SOx排放控制區(qū)（要求使用低硫油）內(nèi)才可能產(chǎn)生燃料成本的節(jié)省，并且在排放控制區(qū)內(nèi)的航行時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)約燃料成本的可能性就越大。歐盟海事局（EMSA）“甲醇和乙醇用作航運(yùn)替代燃料研究”（Study on the use of ethyl and methyl alcohol as alternative fuels in shipping）項(xiàng)目比較了重油加后處理裝置（脫硫脫硝）、LNG和甲醇三種方案，其結(jié)果表明，對(duì)于僅在排放控制區(qū)（ECA）內(nèi)航行的船舶，甲醇優(yōu)勢(shì)高于LNG，與重油加后處理裝置的方案經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)，如表2所示。

制造甲醇的原料來源非常廣泛，可以是化石原料（如天然氣、煤），也可以是生物材料（如種植林等）。中國是世界第一大甲醇生產(chǎn)國，具有較為完善的甲醇生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、供應(yīng)鏈。歐洲情況類似，由于甲醇是重要的化工原料，歐洲也早已建立完善的甲醇存儲(chǔ)、分銷基礎(chǔ)設(shè)施，如鹿特丹港和安特衛(wèi)普港均建有大型化學(xué)品存儲(chǔ)站，據(jù)報(bào)道，甲醇也是波羅的海所有港口處理最多的化學(xué)品，這意味著已在波羅的海地區(qū)建立了完善的儲(chǔ)存和分銷網(wǎng)絡(luò)。因此，無論從生產(chǎn)，還是分銷，甚至未來的加注來說，甲醇作船用燃料都具備良好的可獲取性。

表2：基于燃料平均價(jià)格（2015年）的案例船投資回收期

甲醇用作船用燃料的現(xiàn)狀

1.船舶現(xiàn)狀

甲醇在我國早已用作汽車燃料，作為煤制甲醇產(chǎn)能大省，山西在十多年前即開始推廣甲醇汽油，如M20、M15等；但在船舶領(lǐng)域，尚無實(shí)船使用甲醇燃料。國際上，歐洲是船用甲醇燃料的研究和實(shí)踐先鋒，其中以瑞典尤為突出。早在2006年，歐盟委員會(huì)就資助了一個(gè)名為“基于可再生甲醇的商船輔助電力系統(tǒng)可行性研究”項(xiàng)目（METHAPU），旨在評(píng)估利用甲醇燃料電池向SOLAS船舶重要設(shè)備供電的相關(guān)技術(shù)及可行性。之后，瑞典國家創(chuàng)新局陸續(xù)開展了一系列研究或試點(diǎn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了甲醇用作船用燃料從科研向?qū)嵈瑧?yīng)用的跨越（如表3）。目前，應(yīng)用甲醇燃料最大的船舶是瑞典的“Stena Germanica”號(hào)客滾渡船，其4臺(tái)主機(jī)中1臺(tái)已于2015年改造為甲醇-MGO雙燃料，另外3臺(tái)將于2016年改造完成?？梢?，歐洲船用甲醇燃料研究與應(yīng)用均處于世界領(lǐng)先水平。

圖3：“Stena Germanica”號(hào)客滾渡船

2.規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

甲醇的閃點(diǎn)為12℃，屬于低閃點(diǎn)燃料，因此，船舶使用甲醇燃料需要滿足《氣體或低閃點(diǎn)燃料船舶國際安全規(guī)則》（IGF規(guī)則）。但目前，IGF規(guī)則關(guān)于甲醇燃料的技術(shù)要求尚在制訂過程中，其內(nèi)容主要參考了IGF規(guī)則Part1（對(duì)天然氣燃料船）、IBC規(guī)則（對(duì)甲醇運(yùn)輸船）的相關(guān)要求，但在燃料艙布置與保護(hù)、探火與滅火、結(jié)構(gòu)防火、蒸氣探測(cè)、加注接頭等若干方面上存在爭(zhēng)議。中國船級(jí)社自2015年開展船舶替代能源（醇類、氫氣等）應(yīng)用研究，計(jì)劃2016年底完成《船舶使用醇類燃料應(yīng)用指南》。

表3：歐洲甲醇燃料船舶項(xiàng)目概覽

岸上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)甲醇燃料船的發(fā)展同樣重要。目前，甲醇陸上運(yùn)輸、儲(chǔ)存均有完善的標(biāo)準(zhǔn)，而甲醇加注標(biāo)準(zhǔn)取決于加注形式。對(duì)于槽車和岸站加注，可參照相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程；對(duì)于船對(duì)船加注，目前尚無規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

甲醇用作船用燃料的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備

1.甲醇燃料系統(tǒng)

典型甲醇燃料系統(tǒng)如圖4所示。根據(jù)功能，可將其分解為甲醇加注、甲醇儲(chǔ)存、甲醇處理與供應(yīng)、甲醇利用、機(jī)后處理等5個(gè)模塊。

圖4：典型甲醇燃料系統(tǒng)示意圖

甲醇加注：加注系統(tǒng)包括加注站、加注管系（含閥件）、加注接頭和惰化、吹掃管路等，這些部分與LNG加注類似，不是新鮮事物，也無復(fù)雜之處。但是，考慮到甲醇的低閃點(diǎn)和毒性，加注站的位置、構(gòu)造、通風(fēng)、探測(cè)、消防、人員防護(hù)等需要特別考慮。

甲醇儲(chǔ)存：對(duì)甲醇燃料艙主要應(yīng)考慮其艙型、位置、燃料艙保護(hù)、透氣、環(huán)境控制等方面。試點(diǎn)的改造船舶由于燃料需求量不大，可采用獨(dú)立式燃料艙；大型甲醇燃料船可采用整體式燃料艙。根據(jù)現(xiàn)有IGF規(guī)則草案，燃料艙不應(yīng)布置在起居處所下方，且與舷側(cè)距離不得小于760mm；當(dāng)燃料艙位于甲板以下時(shí)，還應(yīng)設(shè)置隔離艙將其與其他處所分開（燃料泵艙和底艙除外），隔離艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置甲醇蒸氣和液體泄漏探測(cè)裝置。對(duì)于透氣、環(huán)境控制方面的要求，與IBC規(guī)則基本一致。

甲醇處理與供應(yīng)：從甲醇燃料艙至發(fā)動(dòng)機(jī)之間的所有系統(tǒng)和部件，包括甲醇供應(yīng)系統(tǒng)和燃料閥組。這部分的要求與LNG動(dòng)力船燃料供應(yīng)系統(tǒng)類似，重點(diǎn)在于供應(yīng)管路保護(hù)、閥件布置、燃料泵位置與保護(hù)、溫度控制等。由于燃料供應(yīng)管路上閥件、接頭眾多，而且甲醇粘度很低，這意味著潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)大大增加，因此，選擇合適的密封材料、設(shè)置蒸氣探測(cè)、負(fù)壓通風(fēng)和雙壁管路都是必要的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

甲醇利用：通過發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。IGF規(guī)則草案中，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的要求與天然氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)類似，均為功能性要求，較為宏觀和原則。不同廠家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)路線也不相同，大多傳承自身傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，如MAN公司研發(fā)的ME-LGI型甲醇-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是高壓噴射、低速、二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，Caterpillar研發(fā)的是高速、四沖程、帶預(yù)熱塞點(diǎn)火的純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，相關(guān)廠家的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)如表4所示。

使用甲醇燃料帶來的一個(gè)問題是，由于產(chǎn)生了更為清潔的潤(rùn)滑環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損將會(huì)顯著加大，這點(diǎn)與天然氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)類似，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段予以考慮。

機(jī)后甲醇處理：主要是指吹掃回收系統(tǒng)，氮?dú)庋b置在整個(gè)系統(tǒng)中具有核心地位。對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在燃料轉(zhuǎn)換、發(fā)動(dòng)機(jī)維修等情況下，必須對(duì)燃料供應(yīng)管路進(jìn)行掃氣、惰化。根據(jù)MAN ME-LGI發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，燃料管路必須布置成能夠通過吹掃將管內(nèi)甲醇排空并返回至日用艙，之后對(duì)所有雙壁管管系進(jìn)行充分的惰化。所有吹掃、惰化應(yīng)通過氮?dú)庋b置對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行。

表4：甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)概覽

2.對(duì)船舶的特殊考慮

除甲醇燃料系統(tǒng)外，由甲醇帶來的額外風(fēng)險(xiǎn)尚需在船舶設(shè)計(jì)與系統(tǒng)布置、蒸氣探測(cè)、消防等方面予以控制。對(duì)使用甲醇燃料所帶來的額外風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制。例如，在消防方面，由于甲醇燃燒火焰難以發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，尚不知現(xiàn)行船舶規(guī)則規(guī)范中規(guī)定的探火方法是否對(duì)甲醇有效；同樣的原因，需要對(duì)現(xiàn)有的幾種滅火方式的有效性予以充分考慮，以找到合適的組合。需考慮的因素例如：

抗溶泡沫：可能不能覆蓋火災(zāi)的的邊角因而繼續(xù)燃燒；

CO2：在處所通風(fēng)后，且過火表面沒有充分冷卻時(shí)，很可能重燃；

水基系統(tǒng)：為利用稀釋效應(yīng)而使材料不燃，需大量水。

此外，結(jié)構(gòu)防火也是船舶設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)。

3.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

IGF規(guī)則明確要求對(duì)使用甲醇所引起的船舶、人員和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，以確保甲醇燃料船舶的安全性與常規(guī)燃油動(dòng)力船舶的安全水平相當(dāng)，因此，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可謂甲醇燃料船舶的強(qiáng)制性要求。前文所述幾艘甲醇燃料船項(xiàng)目，均進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其結(jié)果表明，安全因素并非使用甲醇燃料的“壁壘”，目前存在的困難在于設(shè)計(jì)、船型和使用經(jīng)驗(yàn)都非常有限，只能借鑒化工行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，風(fēng)險(xiǎn)分析主要采用定性手段。

甲醇用作船用燃料的主要挑戰(zhàn)

盡管表現(xiàn)出種種優(yōu)勢(shì)，但實(shí)現(xiàn)甲醇燃料在船上的廣泛應(yīng)用，仍需經(jīng)歷漫漫長(zhǎng)路，克服技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、燃料成本、船舶布置、關(guān)鍵設(shè)備等方面的諸多挑戰(zhàn)。

1.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前，IGF規(guī)則Part A-2部分“甲醇/乙醇作為船舶燃料”尚在制訂中，何時(shí)完成尚不得知。雖然少數(shù)船級(jí)社頒布了甲醇燃料船的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在較多差異，且多為功能性要求，不易操作。

2.燃料成本

雖然單噸甲醇價(jià)格較低，但由于甲醇熱值只有HFO一半左右，同等熱值的甲醇價(jià)格需翻番考慮。如此一來，甲醇與HFO相比無任何優(yōu)勢(shì)，與LNG相比也只有在特定的場(chǎng)景下才具一定優(yōu)勢(shì)。

3.船舶布置

同樣由于甲醇熱值低，甲醇燃料艙的體積接近燃油艙的2倍，比LNG燃料艙大20%左右，對(duì)于同等尺度的船舶，更大的燃料艙意味著貨艙損失，進(jìn)而影響船舶營運(yùn)收益。此外，現(xiàn)行IGF規(guī)則草案要求對(duì)甲醇燃料艙通過隔離艙進(jìn)行保護(hù)，且燃料艙距離舷側(cè)的要求高于IBC規(guī)則對(duì)甲醇貨艙的要求，這對(duì)于船舶布置而言是一個(gè)不利的方面。

4.關(guān)鍵設(shè)備

甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)是甲醇燃料船的關(guān)鍵設(shè)備，國外已有數(shù)家生產(chǎn)廠開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品，但均處于初始階段，而且由于訂單少，未形成批量化，所以價(jià)格高昂。在國內(nèi)，尚未見船用甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了甲醇-柴油雙燃料燃燒技術(shù)，但僅在陸上重型柴油機(jī)上得到了部分應(yīng)用，尚不具備船上應(yīng)用條件。總之，目前市場(chǎng)上可供選擇的船用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是中高速四沖程船用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)還很少。

甲醇燃料以其清潔、環(huán)保、可再生、可獲取性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為航運(yùn)界關(guān)注的替代燃料，科研項(xiàng)目與實(shí)船試點(diǎn)表明，甲醇用作船用燃料的安全性、環(huán)保性能夠充分保證，使用甲醇燃料還有利于消化煤炭的過剩產(chǎn)能。雖然在燃料成本、使用經(jīng)驗(yàn)、動(dòng)力設(shè)備等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)，但相信隨著航運(yùn)減排要求的日益嚴(yán)格和科技的不斷進(jìn)步，甲醇在未來船用替代燃料市場(chǎng)必將擁有光明前景。