氨作為船用零排放燃料的優(yōu)勢(shì)、可行性與挑戰(zhàn)分析

於曉川 萬曉躍

一、背景

2018年4月，國(guó)際海事組織（IMO）環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第72屆會(huì)議通過了《國(guó)際海事組織溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，提出到2050年國(guó)際航運(yùn)溫室氣體排放總量比2008年減少至少50%、CO2的排放強(qiáng)度（即單位運(yùn)輸工作CO2的排放量）減少至少70%的目標(biāo)，同時(shí)也提出了到2030年將二氧化碳的排放強(qiáng)度減少40%的目標(biāo)[1]。為了實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)，必須從技術(shù)和營(yíng)運(yùn)方面提高船舶的能效。但從目前來看，只采取這類措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須調(diào)整船用推進(jìn)燃料的結(jié)構(gòu)，將低碳或碳中和燃料加入組合，降低甚至放棄石化燃料在船舶上的使用。

目前，可用于航運(yùn)的替代燃料有許多，如液化天然氣（LNG）、甲醇、二甲醚、乙醇、液化石油氣（LPG）、生物柴油、液化沼氣（LBG）等。現(xiàn)階段，LNG是最常用的替代燃料。要減少國(guó)際航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放，需從船舶推進(jìn)燃料的全生命周期著眼，包括燃料的原料來源、生產(chǎn)方式、運(yùn)輸、加注和存儲(chǔ)等多個(gè)環(huán)節(jié)。從這個(gè)視角看，上述燃料難以實(shí)現(xiàn)減少70%的排放強(qiáng)度的目標(biāo)，有些替代燃料反而會(huì)在全生命周期內(nèi)增加溫室氣體的排放，比如由天然氣生產(chǎn)的甲醇會(huì)使溫室氣體排放量增加幾個(gè)百分點(diǎn)，生物燃料在生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)倪^程中也將導(dǎo)致溫室氣體排放。但是，通過可再生一次能源生產(chǎn)的二次能源，比如氫、氨等，可以實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。能夠使溫室氣體減排近100%的選擇還包括核裂變反應(yīng)堆以及船上碳捕獲與儲(chǔ)存（CCS）。前者具有爭(zhēng)議性且屬于資本密集型產(chǎn)業(yè)，而后者復(fù)雜、昂貴和龐大，依賴港口的接收設(shè)施。本文分析氨作為船舶零排放燃料的優(yōu)勢(shì)、可行性與挑戰(zhàn)，對(duì)氨作為船舶替代燃料的應(yīng)用前景進(jìn)行初步探討。

二、氨作為船用零排放燃料的優(yōu)勢(shì)

1.較高的能量密度

氨（NH3）在通常狀況下是一種無色氣體，比空氣密度小。其沸點(diǎn)為-33.3 ℃，因此通過施加中等壓力，可以在室溫下將其作為液體處理。在20 ℃、壓強(qiáng)大于8.6巴時(shí)，液體氨的密度為0.61噸/立方米，在沸點(diǎn)時(shí)其密度為0.68噸/立方米。在較低的熱值基礎(chǔ)上，氨的熱值為18.6兆焦/千克。因此，與船用輕柴油（MGO）相比，獲得相同能量所需的液態(tài)氨質(zhì)量大于船用輕柴油的兩倍，體積約為船用汽油的三倍。

氨的主要優(yōu)點(diǎn)是比氫更容易儲(chǔ)存，在低壓環(huán)境下的特性與丙烷（LPG）幾乎相同，因此每能源單位的儲(chǔ)存成本比氫、電池中的電力或LNG低很多。氨在C型罐中儲(chǔ)存時(shí)，與MGO、LPG以及氫的體積能量密度比較見表1。雖然氨的能量含量比氫氣低，但考慮到燃料的密度，氨比氫（包括壓縮氫、液態(tài)氫）儲(chǔ)存同等能量所需的體積小，但與MGO和LPG相比，空間要求明顯更大。

表1 在較低熱值基礎(chǔ)上氨、MGO、LPG以及氫的體積能量密度

2.廣泛低廉的原材料

氨的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由氮和氫元素構(gòu)成的。合成氨的原料氮?dú)鈦碜杂诳諝猓ㄍㄟ^分餾液態(tài)空氣取得），氫可以通過電解水或者天然氣裂解獲得，因此生產(chǎn)氨的原材料獲取途徑廣泛，成本比較低廉。鋼鐵制造過程中產(chǎn)生的各種氣體，包括氫、一氧化碳和氮的混合物，已經(jīng)被證明可以用作合成氨的原料。比如可以從焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣中分離出氫氣。生物質(zhì)或煤也可以轉(zhuǎn)化為氨。

圖1 氨（NH3）的化學(xué)結(jié)構(gòu)

3.成熟的制取氨的技術(shù)

目前合成氨的方法有低壓法、中壓法、高壓法?；诠?博世制氨方法，主要的氨合成工藝有[2]美國(guó) KBR 工藝、丹麥托普索工藝、瑞士卡薩利工藝等。

（1）KBR 工藝一般多用在以天然氣為原料的大型合成氨裝置中，也在煤化工中被廣泛應(yīng)用，采用臥式徑向流氨合成塔內(nèi)件，組合氨冷系統(tǒng)制冷。

（2）托普索是合成氨工藝技術(shù)專利商中的領(lǐng)導(dǎo)者，擁有 1990 年后新建設(shè)的所有合成氨裝置總產(chǎn)能50%的市場(chǎng)份額。

（3）瑞士卡薩利公司的氨合成工藝是中國(guó)應(yīng)用最多的一種先進(jìn)氨合成技術(shù)。

三、可行性

1.使用氨作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究

第二次世界大戰(zhàn)期間，燃料匱乏的比利時(shí)成功地在1941—1942年冬季的100輛汽車和從1943年起的8輛公交車上應(yīng)用了氨和壓縮的混合煤氣（主要是氫氣和一氧化碳）。雖然氨的能量含量很低，但因?yàn)椴簧啥趸?，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的空氣少。

2.經(jīng)濟(jì)方面的可行性

隨著風(fēng)能、太陽能、潮汐能等清潔的一次能源制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，清潔電能不斷增多，為通過綠色能源生產(chǎn)氨提供了可靠的支撐。

四、使用氨作為船舶燃料面臨的挑戰(zhàn)

氨作為船舶燃料存在具有毒性、內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有限、能源利用率低等缺點(diǎn)。

1.毒性

氨是一種基本化合物，具有明顯的刺鼻和令人窒息的氣味。人類的典型檢出限變化很大，從0.04/10-6到53/10-6，平均值為17/10-6。美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）規(guī)定，8小時(shí)內(nèi)接觸氨的濃度上限為25/10-6，15分鐘接觸氨的濃度上限為35/10-6。歐盟相應(yīng)的極限濃度為20/10-6和50/10-6。OSHA規(guī)定，在不產(chǎn)生不可逆健康影響的情況下，人們可接觸的氨濃度水平為300/10-6。

氨對(duì)銅、銅合金、鋅等材料有腐蝕性，在選用材料時(shí)要特別注意。眾所周知，氨會(huì)引起碳錳鋼和鎳鋼的應(yīng)力腐蝕。此外，液氨中的溶解氧增加了應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》16.9.2章規(guī)定不允許使用有毒貨物作為燃料，因此氨貨物不能作為燃料。如果船旗國(guó)與國(guó)際海事組織聯(lián)合采取行動(dòng)，這將是一個(gè)可以克服的監(jiān)管障礙。對(duì)于其他船舶，氨作為燃料的使用必須通過符合IGF規(guī)則的替代方案來實(shí)施。

2.船舶設(shè)備的改造

由于氨具有毒性，在人員經(jīng)常存在的船舶空間以及在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域使用時(shí)，必須使用雙層管道作為二級(jí)安全殼，并且安裝氨探測(cè)器，如果有任何泄漏，應(yīng)在燃料到達(dá)有人區(qū)域之前將其控制在二級(jí)安全殼內(nèi)。同時(shí)，從表1可以看出，相比燃油，滿足相同的船舶營(yíng)運(yùn)需要的能量，使用氨作為燃料，將需要2倍以上的存儲(chǔ)空間，這將減少船舶裝載貨物或乘客的空間，提高船舶的營(yíng)運(yùn)成本。

3.基礎(chǔ)設(shè)施投入較大

要使氨成為一種具有吸引力的無碳海運(yùn)燃料，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的排放必須低于目前使用的天然氣燃料。這將需要擴(kuò)大可再生氨（基于可再生電力的電解）的生產(chǎn)能力，或者將天然氣的氨生產(chǎn)與碳捕獲和存儲(chǔ)（CCS）結(jié)合起來。目前，只有1%的氫氣是通過電解生產(chǎn)的，而采用CCS技術(shù)生產(chǎn)氨的情況尚不清楚。

效率的降低和資本支出的增加將使通過煤制氨比通過天然氣制氨成本更高。由風(fēng)能等可再生能源生產(chǎn)的可再生氨也將比天然氣原料更昂貴。

根據(jù)這些估計(jì)可知，目前可再生氨的價(jià)格將在650至850美元/噸的范圍內(nèi)，但來自風(fēng)能和太陽能的可再生能源的電價(jià)在不同的地方會(huì)有差異。我們可以合理地預(yù)期，可再生電力的價(jià)格會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，電解的資本支出也會(huì)在一定程度上減少。因此，可再生氨在價(jià)格上將變得更具競(jìng)爭(zhēng)力。

4.與其他部門競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)

根據(jù)歐洲政策研究中心的數(shù)據(jù)，全球生產(chǎn)的氨80%被用于制作化肥，剩下的用于制作炸藥、塑料、合成纖維、合成樹脂、制冷劑以及硝酸等化學(xué)物質(zhì)。在2008年，世界人口消耗的近一半糧食，是通過氨及氨作為原料的肥料生產(chǎn)出來的。在全世界現(xiàn)有氨產(chǎn)能下，大量使用氨作為船舶燃料將與糧食生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)，造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)后果，因此，必須考慮到化肥供應(yīng)、化肥年產(chǎn)量和可用性。

相比之下，2012年所有船舶的燃料消耗估計(jì)為3億噸，相當(dāng)于6.5億噸氨。由于船舶燃料的需求預(yù)計(jì)還會(huì)進(jìn)一步增加，目前的氨產(chǎn)量只能滿足海運(yùn)燃料需求的一小部分。

然而，由于需要建設(shè)可再生氨或采用CCS技術(shù)的天然氣氨的新產(chǎn)能，與供應(yīng)所有可再生能源氨相關(guān)的投資成本將是巨大的。生產(chǎn)上述的6.5億噸氨，將需要大約6 500太瓦時(shí)的可再生電力——這相當(dāng)于中國(guó)今天的總發(fā)電量。只有當(dāng)足夠多的風(fēng)能、太陽能或水力發(fā)電等可再生能源用于生產(chǎn)氨時(shí)，氨的優(yōu)勢(shì)（將使溫室氣體排放接近于零）才會(huì)顯現(xiàn)出來。

生產(chǎn)氨所需的額外可再生電力將與其他部門，特別是電力部門的脫碳努力相競(jìng)爭(zhēng)。如果可再生能源可以取代煤炭發(fā)電，那么將比使用可再生能源制造氨來取代石油為基礎(chǔ)的海運(yùn)燃料（每能源單位的排放量比煤炭低）減少更多的排放。

5.氮氧化物的排放

此外，氨在船舶上作為燃料使用，還必然帶來氮氧化物的排放，這樣的排放還要受到《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》的制約。同時(shí)，在不充分燃燒時(shí)，還能產(chǎn)生一氧化二氮，而一氧化二氮是一種比二氧化碳溫室效應(yīng)更高的氣體。

五、結(jié)語

氨是一種無碳燃料，可以在國(guó)際航運(yùn)業(yè)的脫碳過程中發(fā)揮重要作用，其應(yīng)用前景是非常廣闊的。氨盡管有毒性，而且能量密度比目前使用的石油基燃料要低，但比氫更有利，未來在具有改裝內(nèi)燃機(jī)和低壓燃料箱的貨船上可能是一種合適的選擇。

現(xiàn)有的氨的生產(chǎn)能力需要大力發(fā)展，以確保其潛力得以實(shí)現(xiàn)。目前通過可再生能源生產(chǎn)的氨的成本至少是2019年極低硫燃油成本的兩倍，這是使用這種燃料的一個(gè)障礙。而成本主要取決于可再生能源電價(jià)和資本支出，預(yù)期未來可能會(huì)下降。

氨作為燃料在國(guó)際航行船舶的廣泛應(yīng)用，需要相關(guān)主管機(jī)關(guān)、行業(yè)組織的共同努力，同時(shí)需要其他行業(yè)的配合和支持。我們相信，隨著巴黎協(xié)定關(guān)于大氣溫升目標(biāo)截止時(shí)間的臨近，現(xiàn)在的障礙都會(huì)在未來的發(fā)展中逐漸解決。