甲醇燃料船試驗(yàn)方案分析

袁士春

甲醇燃料船試驗(yàn)方案分析

袁士春

甲醇在國內(nèi)作汽車燃料近30年，在廢氣排放和使用安全方面具有明顯優(yōu)勢。隨著船舶排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，LNG作為船舶燃料在國內(nèi)外均得到應(yīng)用，甲醇燃料在國外也開始用于船舶推進(jìn)?；诩状脊?yīng)商計(jì)劃在江蘇現(xiàn)有漁船進(jìn)行試驗(yàn)，分析甲醇燃料的乳化法、醇化法用于實(shí)船柴油機(jī)的可行性，對實(shí)船改造中的法規(guī)應(yīng)對、柴油機(jī)改造、潤滑油選擇、甲醇系統(tǒng)供應(yīng)、機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)、人員培訓(xùn)等方面問題進(jìn)行探討，供實(shí)船試驗(yàn)改裝方案制訂時(shí)參考。

甲醇燃料；漁船；試驗(yàn)方案

一、前言

甲醇（Methanol，dried）系結(jié)構(gòu)最為簡單的飽和一元醇[1]，化學(xué)分子式為CH3OH。因在干餾木材中首次發(fā)現(xiàn)，故又稱“木醇”或“木精”。甲醇是無色、有毒、有酒精氣味、易揮發(fā)的液體。[1]甲醇可用秸稈、煤炭、天然氣等制取，主要用于制造甲醛和農(nóng)藥等，并用作有機(jī)物的萃取劑和酒精的變性劑等，也部分用于汽車燃料。

2008年，國內(nèi)甲醇產(chǎn)能為2 851萬噸，開工率僅為40%左右。[2]2009年以來我國甲醇產(chǎn)能快速增長，[3]甲醇生產(chǎn)競爭也逐漸增強(qiáng)，2014年甲醇生產(chǎn)企業(yè)的開工率為71.4%。[3]因此尋求更廣闊的市場是甲醇生產(chǎn)商需要拓展的問題。

我國用煤制甲醇產(chǎn)能大省山西，30年前已開始推廣甲醇汽油作汽車燃料，陜西省也于2013年開始推廣甲醇；[4]西華大學(xué)、天津大學(xué)等院校均對甲醇燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究。[5～8]在船舶領(lǐng)域，我國尚無使用甲醇燃料先例。[1]國際上，歐洲是船用甲醇燃料的研究和實(shí)踐先鋒，其中瑞典國家創(chuàng)新局陸續(xù)開展了一系列研究或試點(diǎn)項(xiàng)目，[1]實(shí)現(xiàn)了甲醇燃料實(shí)船應(yīng)用。MAN公司已于2013年開始進(jìn)行甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。[9]

梅賽尼斯公司是全球最大的甲醇供應(yīng)商，[2]2008年產(chǎn)能約占全球產(chǎn)能的9.3%，產(chǎn)品主要供應(yīng)北美洲、亞太地區(qū)、歐洲和拉丁美洲等主要市場，在江蘇的太倉等地有倉儲(chǔ)。為開拓甲醇的消費(fèi)市場，該公司擬以江蘇漁船為應(yīng)用對象，聘請?zhí)旖虼髮W(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行甲醇燃料應(yīng)用改造試驗(yàn)。

二、甲醇燃料

甲醇的理論空燃比偏低，但單位量的甲醇/空氣混合氣熱值與汽油和柴油混合氣的熱值相當(dāng)，[4]為甲醇在柴油機(jī)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。甲醇與漁船用燃料的對比如表1所示。在柴油機(jī)中使用甲醇燃料具有一定的優(yōu)勢，也存在明顯的不足。

1.甲醇燃料的優(yōu)勢

（1）可降低污染物排放

柴油因產(chǎn)地不同含硫量不一。液化天然氣（LNG）一般在液化前需要脫硫。[10]而甲醇基本不含硫，甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的硫氧化物（SOx）排放（來自于引燃油）可明顯降低，能夠很好地滿足IMO排放控制區(qū)和中國三大船舶SOx排放控制區(qū)的要求。[1]

表1 甲醇與幾種常用燃料理化性質(zhì)對比

在CO和HC以及NOx排放方面，與柴油相比，加入甲醇富氧燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中可提高氧燃比，甲醇的黏度低，便于甲醇的擴(kuò)散，對混合氣形成更有利，使燃燒更充分，CO、CO2和總碳?xì)洌═HC）排放均有不同程度的降低。[1]另外，由于汽化潛熱高，可降低進(jìn)氣溫度，低壓縮負(fù)工提高充氣效率，使最高燃燒溫度低，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放較低，[6]并有利于提高柴油機(jī)的效率。

（2）方便使用與改造

甲醇與液化天然氣（LNG）和液化石油氣（LPG）的污染物排放相當(dāng)。[9]LNG主要成分為甲烷，雖然無腐蝕，但存貯過程中因受熱會(huì)不斷汽化，如不及時(shí)使用將可能釋放到大氣中，天津漁船LNG項(xiàng)目存在停港釋放問題加劇漁民經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和環(huán)境污染。此外在運(yùn)輸加注、使用過程中均存在泄漏的可能。雖然采用LNG在CO2和NOx的排放上有所減少，但使用LNG釋放出的甲烷的危害是CO2的4倍、是NOx的298倍。[11]另外，船舶使用LNG燃料所需的改動(dòng)成本高。

甲醇常溫下為液態(tài)，方便運(yùn)輸和儲(chǔ)存，安全性也比LNG和LPG高很多。甲醇最大的優(yōu)勢在于其不需要低溫儲(chǔ)存和絕熱，燃料艙可以是整體式，也可以是獨(dú)立式，設(shè)計(jì)和建造非常簡單，成本大大降低。[1]而對船東來說，船舶的改造成本要大幅降低，并且日常維護(hù)成本也降低。

2.甲醇燃料的不足

（1）體積大，經(jīng)濟(jì)上優(yōu)勢不明顯

與LNG、柴油相比，甲醇的氧分子含量達(dá)50%，單位質(zhì)量熱值不到柴油的一半。相同熱值所需的甲醇燃料艙的體積是柴油艙所需容積的2倍多，比LNG 燃料艙大20%左右，[1]對于同等尺度的漁船，更大的燃料艙意味著漁艙損失，影響營運(yùn)效益。雖然單噸甲醇價(jià)格較低，但同等熱值的甲醇質(zhì)量需翻番考慮（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果為：相同功率甲醇消耗量是柴油的1.7倍），就當(dāng)前的甲醇與LNG價(jià)格相比，甲醇在經(jīng)濟(jì)性上不一定具有優(yōu)勢。

（2）啟動(dòng)困難

甲醇的十六烷值幾乎為零，著火界限體積分?jǐn)?shù)的下限比LNG高，自燃點(diǎn)比柴油高，在柴油機(jī)中使用困難。甲醇高汽化潛熱產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)妨礙了在運(yùn)行溫度下的完全汽化，難以形成良好的混合氣；壓縮終了缸內(nèi)溫度降低，使著火延遲期變長，影響啟動(dòng)性能。這一點(diǎn)與LNG類似，在較低功率時(shí)需要特殊考慮。

（3）其他方面的不足

甲醇具有毒性、有腐蝕性、閃點(diǎn)低等特點(diǎn)，在人員保護(hù)、燃油管系材料選擇、柴油機(jī)保護(hù)、消防等方面須特別考慮。

三、現(xiàn)有漁船甲醇燃料試驗(yàn)分析

江蘇海洋漁船基本采用0號(hào)柴油作為燃料。在現(xiàn)有漁船進(jìn)行甲醇燃料試驗(yàn)，既要考慮柴油機(jī)的甲醇燃燒方法與改造的便利，更要考慮人員的安全。只有較全面考慮并有效防范，試驗(yàn)才可能獲得預(yù)期效果。因此必須對現(xiàn)有船改造需求進(jìn)行分析。經(jīng)天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員、梅塞尼斯公司人員及作者對幾艘船實(shí)船調(diào)研分析，初步選擇一艘江蘇36米標(biāo)準(zhǔn)化漁船作為試驗(yàn)對象，商討改造方案。該船公約船長32.75米、總噸位165、設(shè)計(jì)排水量273噸，主機(jī)為增壓中冷柴油機(jī)、功率190千瓦。

1.現(xiàn)有漁船發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方法的選擇

雖然醇燃料在燃燒和資源等方面有較大的優(yōu)勢。但由于醇燃料燃燒困難，柴油機(jī)如不經(jīng)過任何改動(dòng)，醇燃料很難直接在現(xiàn)有柴油機(jī)上應(yīng)用。[6]為了在柴油機(jī)上燃用醇燃料，國內(nèi)外主要采取了如下措施[5～6]：引燃法、直壓法、熏蒸法、缸內(nèi)雙噴射法等。直壓法、熏蒸法、缸內(nèi)雙噴射法這三種方法不便在現(xiàn)有漁船上使用，不作介紹。

（1）引燃法

引燃法又分為乳化（混合燃料）法、化醇器（組合燃料）法。

乳化法，在甲醇被噴入發(fā)動(dòng)機(jī)之前，使之與柴油混合均勻，經(jīng)噴油泵、噴油器噴入柴油機(jī)燃燒室。對原柴油機(jī)不需進(jìn)行任何改動(dòng)，就可實(shí)現(xiàn)甲醇燃料的使用。但甲醇燃料與柴油互溶性較差，乳化燃料的穩(wěn)定性也差，容易分層；醇燃料的摻混率高時(shí)滯燃期加長，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難，工作粗暴。[6]

化醇器法，將化油器適當(dāng)改造安裝到柴油機(jī)進(jìn)氣管上，通過節(jié)氣門來控制醇的量。試驗(yàn)漁船為增壓中冷柴油機(jī)，天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員計(jì)劃對實(shí)船柴油機(jī)中冷器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增加化醇器，并增加中冷器冷卻水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，使用甲醇時(shí)減少冷卻水量確保使用甲醇有合適的蒸發(fā)溫度，增壓后的空氣通過噴入的甲醇?xì)饣沾罅繜崃浚档突旌蠚膺M(jìn)入燃燒室溫度，使壓縮負(fù)工大為降低，有利于柴油機(jī)提高效率。在不使用甲醇時(shí)增加冷卻水量也能正常冷卻空氣。試驗(yàn)后，如漁船不再使用甲醇，安裝原中冷器，對柴油機(jī)的原有性能不造成實(shí)質(zhì)性影響。

（2）解決啟動(dòng)困難的措施

甲醇低負(fù)荷工作不理想，參考運(yùn)輸船舶柴油與重油的切換法和天津漁船LNG項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出：[6]在啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)以純柴油工作，待中高負(fù)荷時(shí)再將甲醇部分引入汽缸，由柴油引燃實(shí)現(xiàn)混合氣燃燒。以此實(shí)現(xiàn)高效燃燒，同時(shí)又避免過多的醛類物質(zhì)生成。

2.規(guī)則燃油閃點(diǎn)條款的應(yīng)對

現(xiàn)行規(guī)則規(guī)定[12]：對于具有新穎特征的漁業(yè)船舶，如驗(yàn)船部門認(rèn)為本規(guī)則的某些規(guī)定妨礙其發(fā)展新穎特征時(shí)，在保證安全的條件下，經(jīng)主管機(jī)關(guān)同意，可以免除這些要求；燃油的閃點(diǎn)（閉杯試驗(yàn)）一般應(yīng)不低于60 ℃。

LNG的閃點(diǎn)-218 ℃，已被同意在漁船中使用。甲醇的閃點(diǎn)僅12 ℃，且甲醇燃料具有新穎特征，須采用合理的措施，取得主管機(jī)關(guān)（中華人民共和國漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局）的同意才能上漁船試驗(yàn)。研究人員必須在燃料艙布置與保護(hù)、蒸氣探測、消防、人員保護(hù)等方面特別考慮。

3.機(jī)艙測報(bào)、通風(fēng)與安全防護(hù)

（1）機(jī)艙甲醇測量報(bào)警

甲醇有一定毒性，通過經(jīng)呼吸道和胃腸道吸收，皮膚也可部分吸收，可迅速分布在機(jī)體各組織內(nèi)。[12]甲醇在肝內(nèi)代謝，經(jīng)醇脫氫酶作用氧化成甲醛，進(jìn)而氧化成甲酸，可導(dǎo)致人員中毒、失明甚至死亡。對甲醇的車間空氣衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：中國 MAC 50 mg/m3，[13]作者建議以此值作為機(jī)艙中甲醇濃度的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)。為盡早發(fā)現(xiàn)甲醇的泄漏，在機(jī)艙甲醇管系的附近合理設(shè)置甲醇檢測點(diǎn)。

（2）機(jī)艙通風(fēng)

江蘇海洋漁船極少采用電力拖動(dòng)泵等輔機(jī)，機(jī)艙一般采用自然通風(fēng)，基本不設(shè)風(fēng)機(jī)。船進(jìn)行甲醇燃料試驗(yàn)過程中，無法避免甲醇的泄漏，考慮到甲醇的有毒性，自然通風(fēng)不能滿足安全需要。根據(jù)LNG檢驗(yàn)規(guī)范，[14]通風(fēng)量一般應(yīng)大于30次/小時(shí)。在沒有依據(jù)的前提下，參考LNG規(guī)范確認(rèn)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。實(shí)船船東自己改裝了一個(gè)普通風(fēng)扇，其控制尚不滿足規(guī)則的要求，風(fēng)扇的流量也難以滿足要求，需對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

（3）安全防護(hù)

在消防方面，如果有甲醇燃燒，可利用甲醇與水可以混溶的特點(diǎn)，采用大量水霧進(jìn)行滅火，需要設(shè)置一定的水霧噴頭。采用泡沫、CO2可能很難奏效。一旦報(bào)警應(yīng)及時(shí)切斷甲醇供應(yīng)，并將甲醇排入大氣中或排出口用水噴淋。機(jī)艙工作人員應(yīng)配備防護(hù)面具，如有報(bào)警則應(yīng)及時(shí)佩戴面具，防止吸入甲醇?xì)怏w。

4.甲醇的加注、存貯及供應(yīng)管系

（1）甲醇的加注與供應(yīng)管系

甲醇是極性很強(qiáng)的物質(zhì)，對金屬有較強(qiáng)的腐蝕性，對塑料和橡膠有溶解作用，因此對金屬管系、塑料橡膠件等造成不利影響。[5]所以甲醇燃料的儲(chǔ)存和輸送需要采用耐腐蝕金屬或使用防腐添加劑。從甲醇加注口至燃料艙、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)和燃料閥組的保護(hù)、溫度控制等，可參考LNG動(dòng)力船燃料供應(yīng)系統(tǒng)。[14]甲醇黏度很低，且對有機(jī)物具有溶解性，泄漏的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，為減少泄漏的可能，采用雙壁管路以及選擇合適的密封材料等措施。

（2）甲醇燃料艙的選擇

在現(xiàn)有船進(jìn)行甲醇燃料論證性試驗(yàn)，盡可能少改動(dòng)，減少經(jīng)費(fèi)投入。

根據(jù)實(shí)船船東介紹，該船每天用油約1.5噸，以甲醇替代率30%計(jì)算，按甲醇與柴油使用比1.7：1折算，可初步推算出每天約需甲醇0.75噸。實(shí)船設(shè)置2個(gè)大油柜約16立方米、2個(gè)小油柜約7立方米。2個(gè)小油柜可裝5噸左右甲醇，可連續(xù)使用6天。減少改裝甲醇存儲(chǔ)柜帶來的成本。油柜的管系需根據(jù)甲醇特性進(jìn)行調(diào)整。甲醇供應(yīng)商也不需每天進(jìn)行甲醇燃料的加注，有利于降低試驗(yàn)成本。

5.甲醇燃料使用技術(shù)培訓(xùn)

因甲醇有毒、燃點(diǎn)高等導(dǎo)致的相關(guān)問題，必須對船上人員進(jìn)行安全教育，對輪機(jī)人員進(jìn)行甲醇加注、甲醇使用管理、柴油機(jī)的檢查等進(jìn)行培訓(xùn)。

（1）甲醇的加注

甲醇的加注前，操作人員應(yīng)戴防護(hù)面具，無關(guān)人員不應(yīng)靠近加注現(xiàn)場，對現(xiàn)場的可燃物進(jìn)行檢查和清除，并嚴(yán)禁煙火。甲醇的加注中，操作人員嚴(yán)格按照加注程序進(jìn)行，防止加注時(shí)甲醇泄漏。加注后，如有泄漏甲醇，應(yīng)及時(shí)沖洗，減少甲醇對人體的危害。

（2）甲醇的使用要求

在啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)采用純柴油模式，當(dāng)達(dá)到中高負(fù)荷時(shí)，再采用混合模式。參考LNG規(guī)范的要求，甲醇準(zhǔn)備投入燃燒前，可預(yù)先對機(jī)艙進(jìn)行通風(fēng)，然后再使用甲醇，使用期間保證機(jī)艙的通風(fēng)良好。在將進(jìn)入低負(fù)荷前，停止使用甲醇，可將管路中的甲醇泄入回收筒、再加注到甲醇罐中，或采用適當(dāng)壓力的壓縮空氣將供應(yīng)管系中甲醇吹入柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，既避免浪費(fèi)也保護(hù)環(huán)境，不建議采用LNG較高成本的惰性氣體保護(hù)方式。待甲醇處理完畢后仍需繼續(xù)通風(fēng)15分鐘以上。

（3）潤滑油選擇

甲醇黏度低，雖然有利于混合空氣的形成，但潤滑性能差。甲醇與油易溶，能夠?qū)櫥湍は吹簟＜状既紵捎袡C(jī)酸（甲酸）能直接腐蝕金屬，進(jìn)入滑油中的甲酸能與滑油中的抗氧化劑發(fā)生反應(yīng)使其失效，從而增大各摩擦部位的腐蝕與磨損。甲醇燃燒相對清潔，加劇了汽缸和活塞環(huán)的磨損?；托枰黾訅A度和黏度應(yīng)對。

四、結(jié)語

甲醇作為燃料具有清潔、環(huán)保、可再生、可獲取性強(qiáng)等特點(diǎn)。與LNG相比，甲醇燃料具有對現(xiàn)有船系統(tǒng)改造簡單、使用方便等特點(diǎn)；與柴油相比，甲醇燃料具有明顯的排放優(yōu)勢，適應(yīng)我國三大船舶SOx排放控制區(qū)要求。雖然單噸甲醇價(jià)格較低，但甲醇含氧量高，熱值不到柴油的一半，提供相同的能量則需要更大的存貯空間。我國甲醇的價(jià)格受煤炭價(jià)格影響很大，經(jīng)濟(jì)上不一定占優(yōu)，這是甲醇燃料推廣難的關(guān)鍵問題。如果供應(yīng)商能控制甲醇的價(jià)格，讓船東有利可圖，將有利于甲醇燃料在漁船甚至交通船舶上的推廣。

在國外甲醇已成為船舶的替代燃料，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。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的甲醇-柴油雙燃料燃燒技術(shù)，已在陸上重型柴油機(jī)上得到了部分應(yīng)用。為能在漁船上應(yīng)用試驗(yàn)取得成功，將先在同型柴油機(jī)上進(jìn)行甲醇燃料臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)一步分析甲醇燃料使用的技術(shù)可行性。本文討論的有關(guān)內(nèi)容希望對甲醇的試驗(yàn)?zāi)苡兴鶐椭?，也為后續(xù)的甲醇燃料規(guī)則的制定提供參考。

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10.16176/j.cnki.21-1284.2017.04.005

袁士春（1970—），男，江蘇漁船檢驗(yàn)局，高級工程師，博士。