船舶清潔能源應(yīng)用及發(fā)展方向

吳禹臻　吳杰峰

摘 要：改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展水平也越來越高，但是隨之而來的環(huán)境污染也成為不可承受之痛，長江作為中華民族的母親河，不僅孕育了燦爛的中華文明，在當(dāng)今中國經(jīng)濟的發(fā)展進程中更是起到了交通大動脈的作用，長江黃金水道在帶來驚人運輸效益的同時，大量船舶因燃燒傳統(tǒng)柴油燃料造成污染也是驚人的，作為一名武漢長江邊出生長大的高中學(xué)生，通過所學(xué)物理化學(xué)知識，分析船舶污染、黑煙的來源，提出船舶清潔能源應(yīng)用選擇發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：船舶；清潔能源；天然氣

中圖分類號：U677.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）4-0057-03

自工業(yè)革命以來，煤炭、石油等傳統(tǒng)燃料的使用，極大地推動了人類工業(yè)文明發(fā)展進程，但隨之而來的污染卻也嚴(yán)重威脅著全人類的身體健康乃至人類的文明發(fā)展進程，如何選擇應(yīng)用清潔能源已成為全世界共同面對的問題。

改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展水平蒸蒸日上，但是隨之而來的環(huán)境污染也成為不可承受之痛。長江作為中華民族的母親河，不僅孕育了燦爛的中華文明，在當(dāng)今中國經(jīng)濟的發(fā)展進程中，長江作為橫貫西東的黃金水道，更是起到了交通大動脈的作用，長江在帶來驚人運輸效益的同時，大量船舶因燃燒傳統(tǒng)柴油燃料造成污染也是驚人的，筆者作為一名武漢長江邊出生長大的高中學(xué)生，看到長江上船舶排出的滾滾黑煙，痛心不已，通過筆者所學(xué)物理化學(xué)知識，分析船舶黑煙的來源，對船舶清潔能源的應(yīng)用及發(fā)展方向提出有價值的參考，也為國家建設(shè)綠色長江經(jīng)濟帶貢獻自己的力量。

1 船舶內(nèi)燃機工作原理及污染原因分析

1.1 船舶內(nèi)燃機及燃料使用

目前，長江上船舶普遍使用以柴油作為燃料的內(nèi)燃機作為航行推進動力，內(nèi)燃機本質(zhì)上是一種燃燒，燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，它是通過使燃料在機器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動力的熱力發(fā)動機。傳統(tǒng)內(nèi)燃機采用汽油或柴油作為燃料，燃燒后會產(chǎn)生固體顆粒物、氮氧化物（NOx）等多種有害物質(zhì)，盡管內(nèi)燃機具有效率高、體積小、續(xù)航里程高等優(yōu)點，但是其每年消耗燃料并排放危害環(huán)境和人體健康的物質(zhì)，而排放的固體顆粒物也是近年來霧霾頻發(fā)的誘因之一。

1.2 汽柴油成分

汽油的成分很復(fù)雜，其中含有上千種化合物，主要成分是C4～C12烴類，為混合烴類物品之一，是一種無色或淡黃色、易揮發(fā)和易燃液體，具有特殊臭味。汽油不溶于水，易溶于苯、二硫化碳和醇。

柴油也是混合物，中間有較多可燃烴類，如鏈烷烴、環(huán)烷烴、單環(huán)芳烴、烷基苯、茚、萘衍生物、多環(huán)芳香烴、三環(huán)芳烴等。

與汽油相比，柴油能量密度高，燃油消耗率低，柴油可分為輕柴油（沸點范圍約180～370℃）和重柴油（沸點范圍約350～410℃）兩大類。

使用汽柴油的內(nèi)燃機廣泛用于船舶、車輛、鐵路機車。

1.3 汽柴油內(nèi)燃機的污染排放分析

分子中僅含C、H兩種元素的有機物烴類，可用通式CxHy表示，且y≤2x+2。汽油的主要成分是含碳原子5～11個的烴，柴油以含碳原子15～18個的烴為主，烴類在燃燒時，含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）越高，就越易造成不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳甚至冒黑煙，這也是柴油機為什么比汽油機更容易產(chǎn)生黑煙的原因之一，而大中型船舶普遍是采用柴油機作為推進動力的：

（1）可燃物完全燃燒時，其中碳元素全部生成二氧化碳、氫元素全部生成水，因此碳?xì)浠衔顲xHy，在空氣中完全燃燒生成二氧化碳和水，該反應(yīng)的化學(xué)方程式可表示為：

4CxHy+（4x+y）O2=4xCO2+2yH2O

（2）可燃物不完全燃燒時，其中碳元素生成一氧化碳、氫元素生成水、烴鏈結(jié)構(gòu)中碳元素也會生成顆粒物，可燃物不完全燃燒時，其中碳元素全部生成一氧化碳、氫元素全部生成水，因此碳?xì)浠衔顲xHy，在空氣中不完全燃燒生成一氧化碳和水，該反應(yīng)的化學(xué)方程式可表示為：4CxHy+（2x+y）O2=4xCO+2yH2O；生成“黑煙”和水可表示為：4CxHy+yO2=4xC+2yH2O。

使用傳統(tǒng)汽柴油內(nèi)燃機尾氣的排放物是大氣污染物的一個主要來源，其中，排放的固體顆粒物是普遍認(rèn)為的霧霾重要誘因之一，我們?nèi)粘Ｔ陂L江邊上看到船舶排出的滾滾黑煙，就是固體顆粒物的排放重要表現(xiàn)之一。

除了上面分析的污染，傳統(tǒng)汽柴油中含有的鉛、硫化物燃燒后產(chǎn)生鉛氧化物和硫氧化物，還有氮氧化物，這些都隨著滾滾黑煙排入大氣，對我們長江母親河沿線生態(tài)造成了嚴(yán)重的污染，也不符合建設(shè)綠色長江經(jīng)濟帶的國家戰(zhàn)略。

2 清潔能源發(fā)動機

長江上航行的船舶普遍采用柴油作為燃料，通過以上分析得知，傳統(tǒng)的汽柴油難當(dāng)清潔能源大任，那么在推進動力系統(tǒng)方面，可選用新清潔能源動力方面又有哪些呢？

2.1 純電動驅(qū)動

純電動驅(qū)動采用“充電->電池->驅(qū)動電機”的工作原理，從根本上避免了內(nèi)燃機燃燒排放所造成的污染，然而，作為純電動驅(qū)動的“心臟”的動力電池，普遍存在價格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時間長等缺點。純電動驅(qū)動應(yīng)用于城市公交、短程定點車輛、小型定線船舶運行尚屬可行，而大中型船舶應(yīng)用因要求續(xù)航里程長，動力輸出功率大等原因，純電動推進系統(tǒng)無法應(yīng)用于大中型運輸船上，即便有的大中型船舶用的電動推進系統(tǒng)，也是由船舶自身內(nèi)燃機發(fā)電供給的，由國內(nèi)“廣船國際”建造的應(yīng)用最新技術(shù)的純電力驅(qū)動船舶，采用超級電容加鋰電池的方式來存儲電能，但其續(xù)航力也不到100公里，不具備長航程運營的能力，長江僅武漢到上海航段就長達1000多公里，此技術(shù)顯然在長江航運上不具備可實施性，此外船用電池制造、報廢處理所造成的污染也是不可回避的環(huán)保難題?？傊圃斐杀靖摺⒗m(xù)航里程短、充電時間長、次生污染嚴(yán)重等都是現(xiàn)階段純電動驅(qū)動技術(shù)無法應(yīng)用于船舶的主要原因。

2.2 太陽能動力

太陽能動力使用太陽能電池把光能轉(zhuǎn)化成電能，電能會儲存在電池中備用，用來推動電動機。由于太陽能動力也避免了內(nèi)燃機燃燒所造成的污染，所以不會釋放有害污染物。

太陽能動力行駛和充電需要靠充足的陽光，在長江流域陰雨天氣較多的情況下，無法確保充電運行。太陽能板大量采用碳纖維等材料外，其表面覆蓋砷化鎵薄膜，一旦損壞撞壞，更換這些太陽能電池板的砷化鎵薄膜成本就很高，太陽能電池板本身在制造過程中也會產(chǎn)生大量污染。

目前，太陽能動力成本高、效率低、占用空間大的現(xiàn)狀，使其無法滿足作為船舶推進動力的要求，太陽能船舶動力的前景目前并不樂觀。相比純電動驅(qū)動，太陽能動力系統(tǒng)可能面臨定價更高更難普及的難題，目前看來太陽能也將是高貴的環(huán)保而不經(jīng)濟。

2.3 新型天然氣內(nèi)燃機

在純電動或太陽能動力都不可行的前提下，我們不妨換一種思路，對原有內(nèi)燃機系統(tǒng)改良，能否實現(xiàn)清潔排放？

在國內(nèi)，科研機構(gòu)從本世紀(jì)初就開始探索用天然氣作為燃料為船舶發(fā)動機提供動力的研究，經(jīng)過多年努力，這項研究已在技術(shù)、實踐上取得重大突破，進入實用階段。

將傳統(tǒng)的汽柴油內(nèi)燃機改作（換新）為天然氣動力發(fā)動機，以天然氣取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的汽柴油，內(nèi)燃機燃燒基本原理不變，動力系統(tǒng)推進特性不變，能滿足船舶穩(wěn)定持續(xù)的動力推進需求僅在控制系統(tǒng)方面做少許改變，對原有動力系統(tǒng)改動極小，應(yīng)該是目前船用清潔能源的發(fā)展方向。

3 天然氣發(fā)動機排放分析

天然氣發(fā)動機本質(zhì)上仍屬于內(nèi)燃機，所不同的是將傳統(tǒng)內(nèi)燃機的汽柴油燃料更換為天然氣，同時在發(fā)動機本身及控制系統(tǒng)上做出相應(yīng)改進，從而實現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機一樣持續(xù)、穩(wěn)定的功率輸出。

天然氣的主要成分是甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有少量硫化氫、二氧化碳、氮和水氣等雜質(zhì)。

作為天然氣主要成分甲烷，在內(nèi)燃機中燃燒反應(yīng)如下：

完全燃燒：

CH4+2O2=CO2+2H2O（反應(yīng)條件為點燃）

甲烷+氧氣→二氧化碳+水蒸氣

不完全燃燒：

2CH4+3O2=2CO+4H2O（反應(yīng)條件為點燃）

甲烷+氧氣→一氧化碳+水蒸氣

通過方程式可以看到，因天然氣組分較為單一，碳基含量低，其完全燃燒后主要成分為二氧化碳和水，不完全燃燒也不會生成游離的碳顆粒，自然也就沒有滾滾黑煙，與汽柴油相比，天然氣硫含量極低，不含有鉛，其燃燒后也基本沒有硫氧化物和鉛氧化物，為什么將天然氣稱作清潔能源也就不難理解了。

天然氣動力有以下幾個優(yōu)點：

（1）有較高的經(jīng)濟效益：從國際能源定價趨勢來看，世界各國一般將1立方米天然氣的價格控制為1升汽油柴油的一半；

（2）氣體燃料在制備過程中能量損失較小，對大氣的有害排放污染物少；

（3）天然氣動力屬于內(nèi)燃機系統(tǒng)，僅將原來傳統(tǒng)的汽柴油燃料改換為天然氣，改造實現(xiàn)技術(shù)相對簡單，最終用戶改造較為簡單，原內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)鏈上的各項基礎(chǔ)投資均可利用，原有的內(nèi)燃機社會資源投資可得到有效利用。

存在的缺點及解決方案：

（1）運輸性能比液體燃料差、發(fā)動機的容積效率低、著火延遲較長及動力性有所降低。天然氣的主要成分是甲烷，通過我們所學(xué)的物理知識可以得知，將其降溫到約零下160度時，其會變?yōu)橐后w，事實上目前已有成熟的技術(shù)將天然氣降溫液化，體積可縮小600倍，液化后的天然氣和液態(tài)的汽柴油一樣便于存儲運輸，天然氣液態(tài)存儲運輸技術(shù)已相當(dāng)成熟。對于天然氣與汽柴油燃燒特性的區(qū)別，可通過改造內(nèi)燃機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對內(nèi)燃機天然氣燃燒的良好控制。

（2）國家已大力規(guī)劃投資興建陸地、水上液化天然氣加注站，以液態(tài)的方式存儲、加注天然氣燃料也與汽柴油一樣便捷。

4 船舶天然氣燃料動力國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外關(guān)于船舶天然氣燃料動力應(yīng)用的相關(guān)工作已陸續(xù)開展。丹麥、挪威等國家已在渡船、滾裝船、海岸警備船和平臺供應(yīng)船等應(yīng)用液化天然氣作為燃料。

在國內(nèi)，天然氣作為船舶發(fā)動機燃料也逐步進入快速發(fā)展階段，長江水系重慶、貴州、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海、浙江、山東等省市均有天然氣燃料動力船舶投入使用。2010年8月，京杭運河水域第一艘天然氣燃料動力船3000噸級“蘇宿貨1260”號成功試航；2010年8月，長江首艘天然氣燃料動力船 “武拖輪302”在武漢成功下水試航；LNG-柴油雙燃料動力“長迅3”號貨船在長江重慶航段試航成功；2011年4月，5000噸級天然氣燃料動力貨船“紅日166”號在蕪湖試航成功；而近兩三年來江蘇海通貨運、上海綠動集團、安徽萬峰航運公司等投資建造的新一批天然氣燃料動力船陸續(xù)下水投入運營，天然氣燃料船舶發(fā)動機技術(shù)日臻成熟。

4.2 技術(shù)規(guī)范法規(guī)逐步健全完善

中國船級社于2013年正式發(fā)布了《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》，并在2017年進行更新發(fā)布《天然氣燃料動力船舶規(guī)范（2017）》，國家海事局也于2013年發(fā)布《內(nèi)河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規(guī)定》。

中國船級社頒布的《液化天然氣燃料水上加注設(shè)施入級建造規(guī)范》，2017年中國船級社對《液化天然氣燃料水上加注躉船規(guī)范》進行更新。海事局也發(fā)布了《內(nèi)河液化天然氣水上加注設(shè)施法定檢驗暫行規(guī)定》。

由交通運輸部審定發(fā)布的《內(nèi)河液化天然氣加注碼頭設(shè)計規(guī)范》（JTS196-11-2016）和《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》（JTS165）已于2016年11月正式生效。

船舶應(yīng)用天然氣燃料動力推進的技術(shù)指導(dǎo)保障規(guī)范已逐步健全完善。

5 分析及結(jié)論

（1）將天然氣燃料用于船舶內(nèi)燃機推進系統(tǒng)，可有效地降低環(huán)境污染。

（2）相比于電力推進和太陽能推進，天然氣內(nèi)燃機具有投資小、動力穩(wěn)定、續(xù)航里程長、儲存補充便捷、無次生污染等優(yōu)點。

（3）船舶使用天然氣作為燃料，可充分保留原內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)投資和技術(shù)儲備，有效節(jié)省社會資源。

（4）其應(yīng)用技術(shù)成熟、配套政策和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善，是長江船舶應(yīng)用清潔能源的首選。

參考文獻：

[1]《長江航運發(fā)展報告2016》，交通運輸部長江航務(wù)管理局，2017.6.

[2]《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案》，交通運輸部，2015.12.

[3]《內(nèi)河液化天然氣水上加注設(shè)施法定檢驗暫行規(guī)定》，海事局，2014.

[4] 《內(nèi)河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規(guī)定》，海事局，2013.

[5]《長江航運知識讀本》，湖北科技出版社，2005.