船舶清潔能源應(yīng)用及發(fā)展方向

郝建國(guó) 劉文新

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)經(jīng)濟(jì)也處在高速發(fā)展階段。過(guò)去我國(guó)通過(guò)犧牲環(huán)境換取經(jīng)濟(jì)的方法對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境造成了的巨大破壞。自進(jìn)入現(xiàn)代化社會(huì)以來(lái)，我國(guó)逐漸意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性，發(fā)展綠色清潔能源，減少二氧化碳等廢氣污染物的排放是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要舉措。幾千年以來(lái)中華兒女在黃河和長(zhǎng)江兩個(gè)母親河的孕育下創(chuàng)造了燦爛的中華文明，時(shí)至今日二者依然作為國(guó)內(nèi)運(yùn)輸?shù)暮降腊l(fā)揮著自己的余熱。不過(guò)由于船舶使用柴油燃料對(duì)母親河造成了嚴(yán)重污染。本文從船舶清潔能源應(yīng)用及發(fā)展方向的角度出發(fā)，旨在分析船舶污染、黑煙的來(lái)源，并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(hào)：U677 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

工業(yè)革命對(duì)于社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步具有劃時(shí)代的意義，但是同時(shí)也對(duì)社會(huì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。工業(yè)的發(fā)展需要有穩(wěn)定的能源支持和供應(yīng)，因此人們需要燃燒大量的煤炭和石油等傳統(tǒng)燃料來(lái)推動(dòng)工業(yè)化的進(jìn)程。與此同時(shí)，煤炭和石油等傳統(tǒng)燃料在燃燒過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生了許多有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)污染著生態(tài)環(huán)境，也威脅著現(xiàn)代人的生命健康安全。發(fā)展清潔新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料已成為世界各國(guó)所面臨的共同發(fā)展問(wèn)題。我國(guó)經(jīng)過(guò)改革開放之后，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)越來(lái)越好，但是發(fā)展過(guò)程當(dāng)中伴生的污染問(wèn)題也十分嚴(yán)重。素有中華民族母親河之稱的長(zhǎng)江作為內(nèi)陸漕運(yùn)主航道為人們帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)，也要承擔(dān)大量船舶燃燒傳統(tǒng)燃料所造成的污染。人們需要開發(fā)出船舶清潔能源以取代傳統(tǒng)燃料，這樣才能構(gòu)建綠色、協(xié)調(diào)的新經(jīng)濟(jì)。

1 船舶內(nèi)燃機(jī)工作原理及污染原因分析

1.1 船舶內(nèi)燃機(jī)及燃料使用

現(xiàn)階段我國(guó)船舶所使用的燃料仍然以柴油為主，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是將燃燒的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，內(nèi)燃機(jī)正是通過(guò)柴油燃燒時(shí)源源不斷產(chǎn)生的熱量作為主要的推動(dòng)力。柴油作為傳統(tǒng)燃料在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的固體狀的顆粒物，同時(shí)還伴隨著氮氧化物等有害物質(zhì)的形成。就能源轉(zhuǎn)化效率而言，內(nèi)燃機(jī)的效率非常高，再加上內(nèi)燃機(jī)本身體積小、續(xù)航里程大的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于船舶、航天等行業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平不斷提升，人們對(duì)于船舶運(yùn)輸業(yè)的依賴程度也越來(lái)越高。船舶行業(yè)的快速發(fā)展?jié)M足了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活的需要，但是船舶行業(yè)每年燃料燃燒所產(chǎn)生的有害物質(zhì)也正在危及人們的生命健康，生態(tài)環(huán)境也受到船舶燃料燃燒的影響其原本的生態(tài)結(jié)構(gòu)也正在遭受破壞。

1.2 汽柴油成分

汽油是當(dāng)前世界應(yīng)用最廣泛的一種傳統(tǒng)能源，汽油作為燃料其本身的成分結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，據(jù)研究表明汽油當(dāng)中含有上千種的化合物。其中主要是由C4-C12烴類物，其屬于混合烴類一種，顏色呈現(xiàn)無(wú)色或者淡黃色。汽油繼承了烴類混合物的特點(diǎn)，在空氣當(dāng)中易揮發(fā)，也容易燃燒。本身不溶于水，但是能夠與苯、二氧化硫等物質(zhì)融合在一起。

和汽油有所不同，柴油本身的能量密度非常高，并且燃燒消耗率非常低。按照沸點(diǎn)可以將柴油劃分為輕柴油和重柴油兩大類，正因柴油具備的獨(dú)特特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于船舶、航空以及汽車產(chǎn)業(yè)。

1.3 汽柴油內(nèi)燃機(jī)的污染排放分析

汽柴油都是混合烴類物質(zhì)，二者主要都是碳、氫兩種有機(jī)分子組成，通常情況下人們按照物質(zhì)當(dāng)中碳、氫兩種物的比值和大小關(guān)系對(duì)其進(jìn)行分類，并且也能夠確認(rèn)物質(zhì)的性質(zhì)。而判斷物質(zhì)碳?xì)潢P(guān)系的不等式為y≤2x+2，汽油當(dāng)中碳原子的數(shù)量在5～11之間。由碳?xì)浣M成的物質(zhì)可以按照碳?xì)涞臄?shù)量關(guān)系以及其本身的含量去判斷物質(zhì)的特性。由于柴油當(dāng)中碳原子的含量在15～18個(gè)，烴化物在燃燒時(shí)，物質(zhì)當(dāng)中的含碳量越高，就越容易產(chǎn)生一氧化碳和黑煙。而物質(zhì)本身的燃燒就越不充分。這也是的柴油比汽油更容易產(chǎn)生黑煙的重要原因。大型的貨輪和船舶選擇柴油作為推動(dòng)力會(huì)造成許多污染，柴油在完全燃燒時(shí)的化學(xué)方程式主要為4CxHy+（4x+y）O2=4xCO2+2yH2O，即柴油在完全燃燒時(shí)，柴油當(dāng)中的碳元素會(huì)全部轉(zhuǎn)化成為二氧化碳，而柴油當(dāng)中的氫元素會(huì)全部轉(zhuǎn)化為水。即生成物質(zhì)的化學(xué)式主要為碳?xì)浠衔顲xHy。而當(dāng)柴油不完全燃燒時(shí)的化學(xué)方程式為4CxHy+ （2x+y） O2= 4xCO+2yH2O，4CxHy+yO2=4xC+2yH2O。柴油的不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生一氧化碳、水、顆粒狀物。

柴油作為當(dāng)今世界的主要能源，其在為世界作出貢獻(xiàn)的同時(shí)，也成為了世界主要污染物的來(lái)源之一。當(dāng)前世界各國(guó)都出現(xiàn)了程度不同的霧霾，而在人們看來(lái)柴油作為能源物質(zhì)，在燃燒過(guò)程當(dāng)中柴油生成的顆粒狀物體是造成霧霾的只要原因之一?，F(xiàn)在每天大大小小的船舶在航行的過(guò)程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生滾滾的黑色濃煙，黑色濃煙的真面目是由鉛、硫化物燃燒后生成的鉛氧化物和硫氧化物。這些有害的黑色濃煙未經(jīng)處理直接排放到大氣環(huán)境當(dāng)中對(duì)于生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。

2 船舶清潔能源發(fā)動(dòng)機(jī)

（1）純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)階段人們通過(guò)選擇、研究和創(chuàng)新的方式尋找可替代柴油作為傳統(tǒng)能源的綠色清潔新能源。其中人們最看重的便是由電力能源，電力能源是現(xiàn)代社會(huì)公認(rèn)的清潔型新能源，將該能源應(yīng)用在船舶發(fā)動(dòng)上，船舶在行駛過(guò)程當(dāng)中就會(huì)避免黑煙等有害物質(zhì)的產(chǎn)生。不過(guò)作為動(dòng)力能源的電力，目前還存在許多技術(shù)上的難題。像是人們最關(guān)心的續(xù)航里程和充電時(shí)長(zhǎng)。再加上作為電力心臟的動(dòng)力電池造價(jià)高、使用壽命短、外形和尺寸也較大。對(duì)于在城市內(nèi)和城市周圍運(yùn)行的船舶而言，這些船舶使用動(dòng)力電池能夠基本滿足日常形式的需求，但是到遠(yuǎn)離城市的地區(qū)，人們必須要考慮船舶行駛里程的問(wèn)題。而對(duì)于中大型的船舶而言，除了要滿足日常續(xù)航里程的需要之外，還需要著重考慮到動(dòng)力電池的輸出功率。就目前動(dòng)力電池所能輸出的最大功率來(lái)看，動(dòng)力電池還無(wú)法應(yīng)用到中大型的船舶上面。即便當(dāng)前人們?cè)趧?dòng)力電池方面已經(jīng)有所突破，借助著我國(guó)自主研發(fā)的電力推進(jìn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)自身的發(fā)電供給。我國(guó)在動(dòng)力電池長(zhǎng)距離運(yùn)輸方面做了許多探究，通過(guò)使用電容擴(kuò)容加鋰電池技術(shù)存儲(chǔ)的電能依然不能達(dá)到續(xù)航里程的要求。我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，地區(qū)和地區(qū)之間的距離較遠(yuǎn)，若是無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離航運(yùn)的能力，就無(wú)法保證將純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的電力能源應(yīng)用到船舶當(dāng)中。而對(duì)于船舶所使用的電池制造、報(bào)廢處理都需要嚴(yán)格按照國(guó)家的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，否則會(huì)出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。

（2）太陽(yáng)能動(dòng)力。太陽(yáng)能動(dòng)力是將光能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能存儲(chǔ)在電池當(dāng)中，利用此方法來(lái)推動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)能作為一種綠色清潔能源能夠避免內(nèi)燃機(jī)燃燒產(chǎn)生的有害物質(zhì)。

不過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電存在一個(gè)明顯的弊端，太陽(yáng)能動(dòng)力的實(shí)現(xiàn)需要充足的陽(yáng)光，若是遇到大霧、陰雨天等惡劣天氣，太陽(yáng)能動(dòng)力就會(huì)失去效力，充電也就無(wú)法保障。太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能能源產(chǎn)生的核心材料，由于太陽(yáng)能電池板本身的造價(jià)非常高，一旦損壞不單單會(huì)影響正常的生活，同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染。就太陽(yáng)能目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，太陽(yáng)能能源無(wú)法作為替代柴油的新能源使用。

（3）新型天然氣內(nèi)燃機(jī)。在純電機(jī)、太陽(yáng)能電池板等能源不能滿足船舶運(yùn)輸需要時(shí)，人們可以重新對(duì)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，通過(guò)改造可以使用天然氣作為代替柴油的新能源。利用天然氣能源代替柴油，在內(nèi)燃機(jī)燃燒原理不變化的情況下，原來(lái)的動(dòng)力依然不變。經(jīng)過(guò)多年對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和探索，新型天然氣內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)能夠基本滿足人們需要，并且逐步向清潔能源的方向靠攏。

3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析

相比柴油，天然氣本身成分較為單一，天然氣燃燒后會(huì)轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，即使在未完全燃燒的情況下也只會(huì)生成游離的碳顆粒，并不會(huì)像柴油一樣冒出大量的黑煙。天然氣的組成成分不包含鉛，即在燃燒后天然氣就不會(huì)生成鉛氧化物等有害物質(zhì)。

4 新能源船舶的分類

（1）柴電動(dòng)力推進(jìn)船。柴電動(dòng)力推進(jìn)船屬于現(xiàn)代新能源船舶的一類。與傳統(tǒng)以柴油為動(dòng)力的船舶不同，柴油動(dòng)力推進(jìn)船是通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電力作為的船只的能源。柴油動(dòng)力船舶的出現(xiàn)有效解決了柴油燃燒不充分以及功耗高的問(wèn)題。此外，該船只還能持續(xù)高效工作，在動(dòng)力方面有較強(qiáng)的靈活性。其被廣泛應(yīng)用于高輔助和高變荷的船舶當(dāng)中。對(duì)于有靜音需求的船只也可以選擇柴電動(dòng)力，這樣既可以節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)能夠提高能源的利用率，減少電力的浪費(fèi)，使柴油能源得到充分且高效的利用，這對(duì)于現(xiàn)代環(huán)保來(lái)講具有重要意義。

（2）電池動(dòng)力船舶。采用燃料電池、超級(jí)電容器以及動(dòng)力電池的船只依靠電池提供的動(dòng)力進(jìn)行航行。從本質(zhì)上來(lái)講，電池動(dòng)力船屬于電力推進(jìn)船的一類。作為船只新能源推進(jìn)系統(tǒng)，電池的能量轉(zhuǎn)化約為百分之六十五，這個(gè)比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)柴油機(jī)的能源轉(zhuǎn)化。將電池作為能源系統(tǒng)的船只本身在航行過(guò)程當(dāng)中不會(huì)排放如硫化物等有害氣體，其完全符合現(xiàn)代環(huán)保的發(fā)展理念。

（3）風(fēng)動(dòng)力推進(jìn)船舶。在進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)以來(lái)，依靠風(fēng)動(dòng)力的船舶被視為落后的技術(shù)。但對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)而言，現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重，風(fēng)動(dòng)力能源作為清潔能源自然受到了現(xiàn)代人的關(guān)注，英國(guó)設(shè)計(jì)出的新型帆船高效的利用了自然風(fēng)力，靠風(fēng)力行駛的船只已經(jīng)不弱于一些現(xiàn)代船只，其將來(lái)會(huì)成為船只發(fā)展的重要方向。

5 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，將天然氣作為替代柴油的新能源，其可以保持內(nèi)燃機(jī)工作原理不變，不會(huì)犧牲船舶發(fā)動(dòng)機(jī)原有的動(dòng)力。相比太陽(yáng)能和電能，天然氣的投入成本小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、燃燒產(chǎn)生的動(dòng)力強(qiáng)、方便人們儲(chǔ)存、不會(huì)產(chǎn)生二次危害的物質(zhì)。天然氣有效節(jié)約了社會(huì)能源，也降低了對(duì)環(huán)境造成的污染。

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