船舶燃料現(xiàn)狀及未來清潔燃料發(fā)展趨勢分析

王海江

摘? 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來活動(dòng)頻次提高，航運(yùn)業(yè)迎來了快速發(fā)展，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)作為國際航運(yùn)船舶的主要?jiǎng)恿?，其大型化和?shù)量也快速增長，由此帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放對大氣環(huán)境造成的污染問題也越趨嚴(yán)重，如何降低船舶柴油機(jī)的尾氣排放量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的性能，減少全球溫室氣體排放，滿足國際海事組織的要求，正引起國際社會(huì)的密切關(guān)注，因此，航運(yùn)業(yè)也面臨著尋找和獲取低碳替代燃料的重大挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：船舶動(dòng)力;清潔燃料;尾氣排放;溫室氣體

中圖分類號(hào)：U677 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0010-03

Abstract： With the vigorous development of international trade and shipping， the exhaust emissions of marine diesel engine fueled by petroleum products cause more and more serious pollution to the environment. How to reduce the exhaust emissions of marine diesel engine， reduce the greenhouse gas emissions， and meet the decarbonization requirements of the International Maritime Organization has attracted extensive attention of the international community. Therefore， the shipping industry is also faced with the major challenge of finding and acquiring low-carbon alternative fuels.

Keywords： ship power; clean fuel; exhaust emissions; greenhouse gases

1 背景介紹

全球工業(yè)化以來，石油、煤炭、天然氣等石化能源飛速發(fā)展，已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要能源和強(qiáng)勁動(dòng)力，但它們在繁榮世界經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，以石油產(chǎn)品為燃料的船舶廢氣排放造成的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重。

2018年4月13日，IMO第72屆海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)在英國倫敦通過了國際海運(yùn)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，要求分三個(gè)階段目標(biāo)，逐步實(shí)施，爭取到2050年，全球溫室氣體年度總排放量與2008年相比至少減少50%，并努力按照與《巴黎協(xié)定》溫控目標(biāo)一致的減排路徑，逐步消除海運(yùn)溫室氣體排放。要實(shí)現(xiàn)海運(yùn)行業(yè)的排放目標(biāo)，首先要提升船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平和燃燒效率，同時(shí)也要開發(fā)和使用更清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，總體上提高船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平。

2 船舶動(dòng)力燃料分類

船舶最初是使用往復(fù)式蒸汽輪機(jī)和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，其主要燃料是煤炭，但由于其經(jīng)濟(jì)性差，體積龐大，已逐步被淘汰;隨著科技進(jìn)步，燃?xì)鈩?dòng)力裝置的出現(xiàn)促使航運(yùn)業(yè)迅速發(fā)展，其主要燃料是石油燃料，也是目前船舶的主要?jiǎng)恿θ剂?二戰(zhàn)后，核動(dòng)力得到了快速發(fā)展，但由于其安全性和高昂的制造成本，僅用于大型軍艦和核潛艇，其主要燃料是核燃料;近幾年在科技進(jìn)步和環(huán)保效應(yīng)雙重作用下，氣體燃料動(dòng)力技術(shù)逐步成熟，并大范圍投入商業(yè)化運(yùn)營。

2.1 蒸汽動(dòng)力燃料

船舶蒸汽機(jī)動(dòng)力裝置實(shí)際屬于外燃式動(dòng)力裝置，通過外部的鍋爐燃燒燃料加熱鍋爐中的水產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。蒸汽動(dòng)力的熱效率低，正逐步退出歷史舞臺(tái)，但由于單機(jī)功率大，目前大型軍艦仍然廣泛使用。

蒸汽動(dòng)力燃料主要包括：煤炭、地?zé)?，光能、核能等。通過這些燃料的燃燒或物化反應(yīng)產(chǎn)生熱能，熱能加入水成蒸汽，蒸汽驅(qū)動(dòng)動(dòng)力機(jī)產(chǎn)生動(dòng)能或電能，作為船舶動(dòng)力源。

2.2 燃?xì)鈩?dòng)力燃料

船舶燃?xì)鈩?dòng)力主要包括燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力和柴油機(jī)動(dòng)力，柴油機(jī)是目前熱效率最高的一種熱機(jī)，具有啟動(dòng)速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好、安全高效、功率范圍大等優(yōu)點(diǎn)，對于船舶市場，柴油機(jī)動(dòng)力占絕對優(yōu)勢，相信在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)還將維持現(xiàn)狀;其主要燃料包括輕柴油、重油，渣油等石化燃料;燃?xì)鈩?dòng)力系統(tǒng)效率低，部分負(fù)荷下效率下降快，不能直接倒車，因此主要用于陸用發(fā)電，在船舶上應(yīng)用很少。

燃?xì)鈩?dòng)力燃料主要包括：輕油、重油、天然氣等。主要工作原理是霧化的燃料跟空氣混合后在氣缸內(nèi)被壓縮、燃燒、做功，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力或電能，作為船舶動(dòng)力源。

2.3 核動(dòng)力燃料

核動(dòng)力是由核燃料在反應(yīng)堆中產(chǎn)生裂變反應(yīng)，釋放巨大能量，被不斷循環(huán)的冷卻水吸收，并通過蒸汽發(fā)生器將熱量傳給第二個(gè)回路中的水，使之變?yōu)檎羝蟮狡啓C(jī)中做功。核燃料的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，燃燒不需空氣助燃，不需配置進(jìn)排氣系統(tǒng)，但缺點(diǎn)是要對核分裂反應(yīng)釋放的大量放射性物質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格防護(hù)，而且系統(tǒng)復(fù)雜，安全管理、系統(tǒng)操縱、檢修維護(hù)都有很高的要求;目前由于建造成本高，主要用于大型軍艦和潛艇。

產(chǎn)生裂變的核燃料主要有：鈾233、鈾235鈾238，和钚239。

3 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)燃料現(xiàn)狀

3.1 船用燃料油

燃料油主要是對石油進(jìn)行裂化和直餾后剩余的殘?jiān)椭瞥傻?，其特點(diǎn)是含非烴化合物、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)多，粘度大。

船用燃料油的燃燒質(zhì)量是影響柴油機(jī)工作性能的關(guān)鍵參數(shù)，早期，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)是以選擇的燃油最大粘度為基礎(chǔ)進(jìn)行的，但從上世紀(jì)70年代初開始，隨著世界工業(yè)化迅猛發(fā)展，市場上輕質(zhì)油供不應(yīng)求的局面越來越嚴(yán)重，為了滿足日益增長的需求，各煉油廠紛紛升級(jí)完善煉油設(shè)備和工藝，對原油進(jìn)行二次精煉、分煉，以獲得更多的輕質(zhì)油來滿足市場的大量需求;這就導(dǎo)致今天的低質(zhì)燃油與以往的重質(zhì)燃油有明顯的不同;為了適應(yīng)這一變化，船舶柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和制造單位也在加大研究投入，改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對燃油的各個(gè)指標(biāo)提出更準(zhǔn)確的要求，除了考慮燃油的粘度外，還限定了燃油的密度、溫度、燃點(diǎn)、閃點(diǎn)、殘?zhí)?、著火極限、瀝青質(zhì)含量、含硫量、含水量、灰分等等。為此， ISO于1987年首次公布了船用燃料油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并及時(shí)更新。

3.2 氣體燃料

氣體燃料的來源主要由固體燃料經(jīng)干餾或氣化而得到的水煤氣、焦?fàn)t煤氣、或發(fā)生爐煤氣等;從液體燃料加工所制得到的煤氣;從油井中伴隨著石油而溢出的石油伴生氣及石油加工過程中產(chǎn)生的氣體;高爐冶煉過程中所產(chǎn)生的高爐煤氣等;主要成分一般含有低分子量的碳?xì)浠衔?、氫和一氧化碳等可燃?xì)怏w，并常含有氮和二氧化碳等不可燃?xì)怏w;氣體燃料是一種清潔、優(yōu)質(zhì)、高效的燃料，其火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，著火溫度相對比較低，燃燒速度很快，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸氣、混合、燃燒過程。

為了滿足船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放限值的要求，近些年氣體燃料也越來越多地應(yīng)用到船舶發(fā)動(dòng)機(jī)上，出現(xiàn)了LNG燃料動(dòng)力船舶，LPG燃料動(dòng)力船舶，CNG燃料動(dòng)力船舶，雙燃料動(dòng)力船舶等清潔燃料船舶。

3.3 甲醇

甲醇的化學(xué)分子式為CH3OH，是一種無色、有毒、透明、易揮發(fā)的易燃液體，其理化性質(zhì)與汽油類似，閃點(diǎn)為12℃，屬于低閃點(diǎn)燃料。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。用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的測試結(jié)果如表1所示。

因此，使用甲醇作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)很容易滿足目前NOx排放要求。

3.4 生物柴油

生物柴油是指動(dòng)物油、植物油、廢棄油脂或微生物油脂與甲醇或乙醇經(jīng)酯轉(zhuǎn)化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。生物柴油是典型的“綠色能源”，具有好的環(huán)保性能和啟動(dòng)性能，原料來源豐富，而且可再生等特性。許多研究試驗(yàn)表明，無論是小型、輕型柴油機(jī)還是大型、重型柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生物柴油后的尾氣排放碳?xì)浠衔锒紲p少55%～60%，顆粒物減少20%～50%，多環(huán)芳烴減少75%～85%，CO減少45%以上。

3.5 幾種燃料特性對比

目前主流和未來清潔燃料的特性參數(shù)如表2所示。

4 未來清潔燃料趨勢

船舶未來清潔燃料必須滿足環(huán)保、高效、續(xù)航能力強(qiáng)、易于獲得、便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸幾個(gè)先決條件。

（1）船用燃料油，主要是指重油和低硫油，由于其成熟的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)和完善的市場配套，能夠持續(xù)、可靠為船舶提供動(dòng)力，所以在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，仍然是船舶的主要?jiǎng)恿θ剂希珵榱藵M足日趨苛刻的發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求，只有一方面通過不斷完善發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高燃燒品質(zhì);另一方面通過配置發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理裝置來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放水平，比如SCR，SCRUBBER，EGR等技術(shù)來滿足IMO排放法規(guī)要求。

（2）LNG燃料，跟柴油燃料相比，LNG具有更好的抗爆性，燃燒更充分、效率更高，且燃燒產(chǎn)物清潔、環(huán)保，但LNG燃料受制于燃料加注和船舶續(xù)航力的限制，不可能全面推廣，只有在特殊航線，特殊用途的船舶上才有大的發(fā)展。

（3）甲醇燃料，具有環(huán)保、清潔干凈、可再生、獲取便利等特點(diǎn)，已逐漸成為航運(yùn)界關(guān)注的替代燃料，經(jīng)過試驗(yàn)研究與實(shí)船安裝使用表明，甲醇用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料安全可靠，環(huán)保性能好;雖然近期在燃料的制備成本、實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)、關(guān)鍵部件質(zhì)量等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)，但相信隨著實(shí)際項(xiàng)目的增多，技術(shù)不斷革新，同時(shí)在航運(yùn)減排壓力逐步擴(kuò)大的情況下，甲醇在未來船用替代燃料市場必將有大的發(fā)展前途。

（4）生物柴油燃料，是未來典型的“清潔燃料”，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，盡管發(fā)展起步較晚，目前大都處于研發(fā)和驗(yàn)證階段，各相關(guān)的配套設(shè)施、發(fā)展政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展滯后，需要國家層面加大研發(fā)力度，加大市場開拓，制定相關(guān)的扶持政策和國家標(biāo)準(zhǔn)，早日解決技術(shù)問題，盡早大范圍推廣使用。

（5）其它清潔燃料，以風(fēng)能、太陽能、核能、燃料電池、潮汐能、氫能、生物質(zhì)能為代表的清潔能源已經(jīng)在船舶上得以應(yīng)用，并且在這些能源的應(yīng)用方面也已經(jīng)有了可以參考和借鑒的實(shí)船案例，隨著相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)被攻破，未來將會(huì)有更多的實(shí)船進(jìn)行驗(yàn)證;同時(shí)僅僅利用風(fēng)能或太陽能等單一能源并非最為優(yōu)化的應(yīng)用模式，根據(jù)船型、航線和營運(yùn)特點(diǎn)的不同，多種能源的綜合應(yīng)用也成為未來清潔能源的重要發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

清潔燃料是市場所需，環(huán)保所需，是當(dāng)今時(shí)代的召喚，作為排放大戶之一的航運(yùn)船舶業(yè)來說，無疑具有良好的發(fā)展前景，全球航運(yùn)業(yè)同行應(yīng)進(jìn)行更多的探索和嘗試，盡早研發(fā)和開發(fā)出更加節(jié)能環(huán)保的船舶動(dòng)力技術(shù)和船舶清潔燃料、制定和完善相關(guān)法規(guī)、研發(fā)各種清潔燃料動(dòng)力技術(shù)和環(huán)保船型等，降低海運(yùn)溫室氣體排放，為全人類的環(huán)保事業(yè)做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

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