船廠視角下的氨燃料船
——路看起來很近，走下去有點(diǎn)遠(yuǎn)？

胡可一/中國船舶集團(tuán)江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

氨燃料動(dòng)力船要真正實(shí)現(xiàn)工程化及商用化并非易事，圍繞氨燃料動(dòng)力裝置的研發(fā)應(yīng)用、圍護(hù)系統(tǒng)的創(chuàng)新、氨作為船用燃料法規(guī)的修訂等，還有大量的工作要做。

在航運(yùn)業(yè)零碳轉(zhuǎn)型過程中，氨由于零碳排放及在供應(yīng)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存方面的優(yōu)勢(shì)被業(yè)界寄予厚望。研發(fā)氨燃料動(dòng)力的集裝箱船、礦砂船和汽車運(yùn)輸船等，成為造船業(yè)迫在眉睫的任務(wù)。

目前，包括中國船舶集團(tuán)有限公司旗下江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在內(nèi)的船廠和船舶設(shè)計(jì)院所順應(yīng)航運(yùn)業(yè)向零碳轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)，推出了氨燃料船的概念設(shè)計(jì)并獲得了船級(jí)社的原則性認(rèn)可（AiP）。然而，這些氨燃料動(dòng)力船要真正實(shí)現(xiàn)工程化及商用化并非易事，氨燃料動(dòng)力裝置的研發(fā)應(yīng)用、圍護(hù)系統(tǒng)的創(chuàng)新、氨作為船用燃料法規(guī)的修訂等，都還有大量的工作要做，還有很遠(yuǎn)的路要走。

氨燃料船馬上來？

氨燃料是一種清潔能源，若不計(jì)及引導(dǎo)油或其他含碳助燃劑的話，氨燃燒時(shí)的二氧化碳和硫氧化物排放為零。氨體積能量密度高于同樣是零碳能源的氫，氨在燃燒時(shí)生成氮?dú)夂蜌錃?，并不?huì)像氫氣一樣易爆，安全性好，因此，氨在航運(yùn)界零碳轉(zhuǎn)型過程中備受關(guān)注。

氨供應(yīng)鏈穩(wěn)定，容易運(yùn)輸儲(chǔ)存。從供給端角度來看，目前全球大約有2.43億噸可用氨的年產(chǎn)能，而氨的年產(chǎn)量為1.8億噸，只應(yīng)用了大約75%的產(chǎn)能。中國是最大的氨生產(chǎn)國，2020年合成氨產(chǎn)量為5600萬噸。

傳統(tǒng)方法制備氨的原料是化石能源，大部分來自天然氣和煤炭，通常碳足跡較高。隨著綠色制氨技術(shù)的發(fā)展，能源界出現(xiàn)了多種新興的氨制備路線。這些采用新制備方法生產(chǎn)的“藍(lán)氨”和“綠氨”有望成為未來船用零碳燃料的主要來源之一。

去年11月，包括澳大利亞、英國和美國等在內(nèi)的22個(gè)國家簽署《克萊德班克宣言》，致力推動(dòng)綠色走廊的形成，承諾到2025年在全球建立至少6條兩個(gè)或多個(gè)港口間綠色航運(yùn)走廊。綠色航運(yùn)走廊的建立或?qū)榘?、甲醇等環(huán)保燃料的船用起到示范效應(yīng)，并為其船用“打開大門”。有研究顯示，在候選綠色航運(yùn)走廊之一的亞歐集裝箱運(yùn)輸航線上，綠色氨和綠色甲醇是最有可能部署的零排放燃料。不過，雖然業(yè)界目前就具備甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，但綠氨在這條運(yùn)輸航線上將更有成本優(yōu)勢(shì)。

為迎接這些變化并滿足需求，我國造船業(yè)在氨燃料船舶的研發(fā)方面開展了大量工作。如江南造船基于目前在建的兩大主流船型——液化氣船和大型集裝箱船的船型定位以及各型低溫圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，在氨燃料液化氣船和氨燃料大型集裝箱船的研發(fā)上取得了成果。

在液化氣船方面，該公司將可裝載液氨的中型液化氣船（MGC）升級(jí)為氨燃料推進(jìn)，其40000立方米的氨動(dòng)力中型液化氣船船型方案目前已經(jīng)獲得船級(jí)社的AiP證書；將主打船型超大型液化氣船（VLGC）部署升級(jí)為氨燃料推進(jìn)；研發(fā)采用氨動(dòng)力推進(jìn)的超大型液氨運(yùn)輸船（VLAC）。在大型集裝箱船方面，該公司為配合亞歐集裝箱運(yùn)輸綠色走廊的建設(shè)，研發(fā)了15000TEU氨燃料超大型集裝箱船，船舯部配置了可提供全航程可兼容氨燃料的B型液化天然氣（LNG）燃料艙，此外還可配置該公司自主研發(fā)的“AmmoCELL”單元組合式氨燃料艙作為氨動(dòng)力增程，可實(shí)現(xiàn)氨燃料的全航程應(yīng)用。

在氨燃料船研發(fā)過程中，船廠特別關(guān)注如何在船上配置氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、供氣系統(tǒng)以及儲(chǔ)存氨燃料的圍護(hù)系統(tǒng)如何創(chuàng)新等，這些技術(shù)的成熟度（TRL，Technical Readiness Level），決定了氨燃料船的商用化進(jìn)程。

動(dòng)力裝置需要等！

從船舶主要?jiǎng)恿ρb置柴油機(jī)的工作機(jī)理來看，無論是狄塞爾循環(huán)還是奧托循環(huán)，都是可以以氨作為燃料的，但氨的燃燒溫度范圍比較窄，需要較高比例的引導(dǎo)油或助燃劑。而且，與其他燃料相比，氨燃料除燃燒性較差外，還存在氮氧化物排放較高、腐蝕性較強(qiáng)、有毒等問題。目前，一些主要的柴油機(jī)制造商都將氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)列入了研發(fā)計(jì)劃，并制定相應(yīng)的時(shí)間表，二沖程的高壓低速機(jī)已經(jīng)有了商業(yè)化的訂單意向。一些激進(jìn)的低碳航運(yùn)推動(dòng)者甚至已經(jīng)明確地將氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)列入了綠色走廊和零碳航運(yùn)實(shí)施過程中的“確定項(xiàng)”。

與此同時(shí)，由于柴油機(jī)制造商的研發(fā)進(jìn)程和技術(shù)成熟度并不透明、氨燃料四沖程機(jī)的引導(dǎo)油比例偏高、氨對(duì)缸體應(yīng)力腐蝕和氨的氮氧化物需要額外處理等，一些理性的造船界人士難免對(duì)氨燃料在船舶上的應(yīng)用產(chǎn)生一些憂慮。截至目前，LNG、液化石油氣（LPG）和液化乙烯（LEG）雙燃料主機(jī)以及LNG雙燃料發(fā)電機(jī)已有諸多裝船業(yè)績，對(duì)于船舶設(shè)計(jì)和建造者來說，氨燃料的推進(jìn)機(jī)械和供氣系統(tǒng)的布置與前述替代燃料并無本質(zhì)性的差異，也并無特殊的困難，因此，對(duì)于船廠來說，等待氨燃料動(dòng)力裝置研制成熟可能是最花費(fèi)時(shí)間的事情。

圍護(hù)系統(tǒng)期待變！

液氨燃料比重約為0.6噸/立方米，須在零下33攝氏度低溫儲(chǔ)存或在9巴壓力下常溫儲(chǔ)存在圍護(hù)系統(tǒng)里，為在儲(chǔ)存過程中確保不發(fā)生泄漏，還需配備相應(yīng)的泄漏應(yīng)急處理裝置。液氨燃料儲(chǔ)存的圍護(hù)系統(tǒng)在現(xiàn)有的法規(guī)框架下必須按照《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國際安全規(guī)則》（IGF Code）和《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（IGC Code）進(jìn)行設(shè)計(jì)。IGC Code 中定義的A型艙、B型艙、C型艙以及薄膜艙理論上都可以裝載液氨。

在氨燃料大型集裝箱船的應(yīng)用場(chǎng)景下，鋁合金制作的B型艙作為氨燃料的圍護(hù)系統(tǒng)在輕量化、空間利用率和抗晃蕩能力等方面具有較大的比較優(yōu)勢(shì)，特別是在LNG燃料艙同時(shí)兼顧氨燃料裝載的情況下，甚至比薄膜艙更合適。

必須要指出的是，雖然MOSS型LNG儲(chǔ)罐也是鋁合金制作的B型艙，基于斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算分析也已經(jīng)非常成熟，但液氨極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，在疲勞和裂紋擴(kuò)展過程中會(huì)產(chǎn)生什么負(fù)面影響，無論在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面目前均沒有相關(guān)的實(shí)際數(shù)據(jù)。

從液氨的特性來講，耐腐蝕并有一定隔熱性能的高分子材料似乎是液氨圍護(hù)系統(tǒng)的可選材料，同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化單元的組合式容器更能為氨燃料提供安全防護(hù)保障。這種創(chuàng)新圍護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)需要通過跨行業(yè)、跨專業(yè)和跨價(jià)值鏈的機(jī)制去推進(jìn)，同時(shí)需要給創(chuàng)新倡導(dǎo)者創(chuàng)建一個(gè)更友好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，這也不是一蹴而就的。

法律法規(guī)必須改！

對(duì)于氨燃料的安全防護(hù)，還需考慮氨燃料的毒性。低濃度的氨氣會(huì)刺激人的眼睛、肺部和皮膚，若直接接觸高濃度的氨氣則會(huì)立即危及生命。鑒于這些情況，現(xiàn)有法規(guī)是不允許液氨作為燃料應(yīng)用的。

液氨當(dāng)前均使用半冷式和全冷式液化氣運(yùn)輸船運(yùn)輸，并在接收港口的專用化學(xué)品儲(chǔ)存區(qū)或氨儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施內(nèi)卸貨。在IGC Code規(guī)則框架下，液氨運(yùn)輸船不能以貨物為燃料，而IGF Code尚無針對(duì)氨燃料的安全技術(shù)規(guī)定，亦未有明確的開發(fā)計(jì)劃。值得注意的是，IGC Code和IGF Code中定義的低溫圍護(hù)系統(tǒng)對(duì)A型和B型獨(dú)立艙要求設(shè)置次屏壁，其初衷是防止低溫泄漏物對(duì)船體結(jié)構(gòu)的失效破壞，但這一措施對(duì)氨泄漏以后氨毒性的防護(hù)效果并不明顯。

目前，國際上一些船級(jí)社已經(jīng)制定了有關(guān)氨燃料的船舶應(yīng)用導(dǎo)則，預(yù)計(jì)隨著氨在航運(yùn)業(yè)零碳轉(zhuǎn)型和綠色走廊推進(jìn)中扮演的角色越來越重要，對(duì)IGC Code和IGF Code的修訂將提上議事日程。客觀而言，針對(duì)氨作為燃料應(yīng)用的法規(guī)修訂并不難，但海事界面臨的選擇是，是進(jìn)行涵蓋艙型革新、圍護(hù)系統(tǒng)材料突破、毒性防護(hù)等的全面升級(jí)，還是在LNG雙燃料規(guī)則條款基礎(chǔ)上的簡單升級(jí)。這些均需盡快得到明晰?！?/p>