氨燃料在商船上的應(yīng)用分析

張運(yùn)秋，楊倩倩

（1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東青島266071；2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061）

0 引 言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，國際和國內(nèi)公約對(duì)航運(yùn)業(yè)污染物排放的要求日趨嚴(yán)格。然而，根據(jù)近幾年全球航運(yùn)業(yè)污染物年排放量的發(fā)展趨勢，到2050 年，航運(yùn)業(yè)的碳排放量還將增加1 倍［1］。因此，為實(shí)現(xiàn)國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）提出的2050 年世界范圍內(nèi)航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放總量相比2008 年至少下降1／2 的減排目標(biāo)，世界各國紛紛設(shè)立了凈零排放或碳中和的目標(biāo)。發(fā)展船用清潔能源是尋求航運(yùn)業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要途徑，近些年液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）、甲醇、氫和氨等清潔能源在船上的應(yīng)用實(shí)例競相出現(xiàn)，從長遠(yuǎn)來看，氫、氨等“零碳”燃料或?qū)⒊蔀樽顑?yōu)選擇。

1 船用清潔能源的應(yīng)用現(xiàn)狀

船舶的綠色低碳發(fā)展是一個(gè)漫長而復(fù)雜的過程，目前世界范圍內(nèi)的船舶有90%依舊使用傳統(tǒng)的污染較嚴(yán)重的燃油，但隨著國際社會(huì)對(duì)環(huán)境問題越來越重視，低碳和“零碳”這2 類燃料的發(fā)展越來越迅猛。

1.1 低碳燃料

低碳燃料主要有LNG、甲醇和生物燃料等。

1）LNG作為船舶燃料使用的技術(shù)相對(duì)來說較為成熟，國際上關(guān)于LNG 作為船用燃料使用的法規(guī)較為完備，LNG輸運(yùn)和加注等方面的基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，其溫室氣體減排潛力能達(dá)到約23%［2］。航運(yùn)業(yè)深諳LNG作為船用燃料使用的優(yōu)勢，2021 年7 月，9 艘由中國船舶集團(tuán)有限公司建造的全球最大的LNG 雙燃料動(dòng)力23 000 TEU集裝箱船全部交付，成為航運(yùn)業(yè)向“碳中和”邁進(jìn)的重要標(biāo)志之一。

2）甲醇作為船用燃料近幾年也得到了較快發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)以甲醇為燃料的船舶已有10 余艘，其中加拿大Waterfront等公司訂造的8 艘甲醇雙燃料動(dòng)力船正在建造。

3）目前生物燃料也有應(yīng)用。2019 年，以廢氣食用油等物質(zhì)為原料的“第二代”生物燃料在馬士基的“Mette Maersk”輪上成功應(yīng)用，完成了純生物燃料超大型集裝箱船全球首航。從燃料的全生命周期（包括制取、儲(chǔ)運(yùn)和燃用等過程）看，該類生物燃料相比傳統(tǒng)船用燃油能減少約85%的污染物排放。

從能源供應(yīng)廣度、經(jīng)濟(jì)可接受性、技術(shù)成熟度、環(huán)境適應(yīng)性和法規(guī)完備度等5 個(gè)方面對(duì)LNG、甲醇和生物燃料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖1［3］，其中LNG因具有廣泛的供應(yīng)來源、較為完備的法律法規(guī)和相對(duì)成熟的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)建造技術(shù)等綜合優(yōu)勢，實(shí)際應(yīng)用范圍在逐年擴(kuò)大。

圖1 3類低碳燃料對(duì)比

1.2 “零碳”燃料

1）氫作為最理想的船用“零碳”燃料之一，已在船上得到應(yīng)用。當(dāng)前最佳的應(yīng)用方式是質(zhì)子交換膜的氫燃料電池，目前其技術(shù)成熟度較高，能量轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到60% ～80%，但氫的能量密度較低，無論是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，還是低溫液態(tài)儲(chǔ)氫，都會(huì)占據(jù)很大空間，造成氫燃料較難適用于遠(yuǎn)洋船舶，但這不會(huì)對(duì)氫在內(nèi)河和近海的發(fā)展造成影響。歐洲創(chuàng)新項(xiàng)目Flagships已于2021 年9 月交付全球首艘以氫為動(dòng)力的商用貨物內(nèi)河運(yùn)輸船。

2）氨燃料同氫類似，既不含碳也不含硫，作為船用燃料，能實(shí)現(xiàn)船舶“零碳”排放。目前，曼恩和WinGD公司是氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)主力，中國和韓國等國家也開展了一些氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究。2020年，上海船舶研究設(shè)計(jì)院研發(fā)的18萬噸氨燃料散貨船獲得了英國勞氏船級(jí)社的原則性認(rèn)可（Approval In Principle，AIP）；2021年，韓國三星重工研發(fā)的氨燃料預(yù)留（Ammonia-Ready）超大型油船的基本設(shè)計(jì)獲得了挪威船級(jí)社的AIP。

無論是哪種燃料，在未來的能源競爭中都不可能獨(dú)占能源市場，即使是LNG、甲醇這種低碳燃料，也會(huì)綜合考慮其技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)可行性和政策完備度等特征，將其用作船用能源。

2 船用氨燃料的應(yīng)用優(yōu)勢及方式

2.1 氨燃料的應(yīng)用優(yōu)勢

氨的分子式為NH3，沸點(diǎn)為-33.5 ℃，熱值為18.6 kJ／kg，在常壓和-33.5 ℃溫度條件或8.6 ×105Pa壓強(qiáng)和20 ℃溫度條件下就能液化成液氨。

2.1.1 與低碳燃料相比的優(yōu)勢

氨僅由氮原子和氫原子組成，燃燒不可能產(chǎn)生CO2和SOx，涉及碳的空氣污染物（如黑炭、CO 和碳?xì)浠衔锏龋┎粫?huì)產(chǎn)生［4］。即使隨著碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術(shù)研究的不斷深入，有人提出將LNG視為“零碳”燃料，因CO2捕獲成本很高，采用該技術(shù)會(huì)使船舶的經(jīng)濟(jì)性大幅度下降，這在一定程度上削弱了低碳燃料在未來能源市場中競爭的優(yōu)勢。但是，無論未來CCS技術(shù)能否獲得突破性進(jìn)展，在“碳中和”背景下，作為“零碳”燃料的氨和氫仍具有其他低碳燃料無法相比的優(yōu)勢。

2.1.2 與氫燃料相比的優(yōu)勢

在同等質(zhì)量下，液氨的體積約為氨氣的1／800，因此相比氨氣，對(duì)空間要求高的船舶更適合運(yùn)輸液氨。世界上現(xiàn)有的700 多艘液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）運(yùn)輸船都可用來運(yùn)輸氨，這相當(dāng)有利于氨燃料未來的推廣。氫則不同，其具有易泄漏、易擴(kuò)散和易燃易爆等特點(diǎn)，且其沸點(diǎn)為-253 ℃，液氫具有超低溫特性，在船上應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，液氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸也是目前船用氫燃料發(fā)展的主要阻礙之一。表1 為船用燃料氨與氫的特征對(duì)比，其中MGO（Marine Gas Oil）為船用輕質(zhì)燃油。氨是一種碳中性燃料，可由風(fēng)能、太陽能、波浪能和水力發(fā)電等可再生能源生產(chǎn)，在由可再生能源生產(chǎn)的燃料中，單位質(zhì)量氨的成本最低。氨不僅可直接作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，而且可作為氫的運(yùn)輸和儲(chǔ)存載體，與氫相比，其在體積能量密度方面具有明顯的優(yōu)勢，適用于續(xù)航里程較長的船舶。因此，盡管目前氨作為船用燃料的發(fā)展仍處于起步階段，但隨著現(xiàn)有政策中與之相匹配的發(fā)電機(jī)和主機(jī)愈加成熟，其在航運(yùn)業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢會(huì)日趨凸顯。

表1 船用燃料氨與氫的特征對(duì)比

2.2 氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

船用氨燃料的一種應(yīng)用方式是氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，早在20 世紀(jì)中葉就有學(xué)者提出將氨作為燃料應(yīng)用于發(fā)電機(jī)中，此后成功應(yīng)用到了車輛中［5］；進(jìn)入21 世紀(jì)，氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究得到了快速發(fā)展。液氨的密度與汽油相近，但其熱值約為汽油的1／2，且氨具有較高的辛烷值，若采用較大壓縮比，可提高氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，加壓之后的氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率可達(dá)50%以上［6］。作為發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)之一，曼恩公司曾推出一種ME-LGIP主機(jī)，該型主機(jī)是其研發(fā)的性能最接近氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的主機(jī)，僅需將氨的進(jìn)氣壓力提升至6 ×107Pa，并達(dá)到1.3 ×108Pa的點(diǎn)火油噴油壓力，該發(fā)動(dòng)機(jī)即可采用氨作為燃料。

另外，由于氨的燃點(diǎn)較高，燃燒速度相對(duì)較慢，燃燒溫度較低等，理想的氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，即采用不同于氨的引燃燃料。目前，對(duì)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的探索主要集中在氨-LNG、氨-汽油、氨-柴油和氨-氫等雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上［6-8］。基于氨的抗爆性強(qiáng)，氨-汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)適用于高負(fù)荷工況，若是該類發(fā)動(dòng)機(jī)輔以乙醇作為乳化劑，則可提升輸出性能；氨-LNG混合燃料也能在一定程度上保持負(fù)載性能。由氨與其他燃料的性能特征對(duì)比（見表2）可知，僅有氨-氫混合雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能真正達(dá)到“零碳”排放，且因氫具有燃燒界限寬、燃燒溫度高和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c(diǎn)，氨與氫混合也能有效提升氨的燃燒速度。更為重要的是，氨在高溫或催化劑的作用下能裂解產(chǎn)生H2，因此在實(shí)際使用時(shí)，可直接在供氣過程中先對(duì)氨進(jìn)行裂解，然后與氨氣混合，共同進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中燃燒，見圖2。這不僅能在一定程度上提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，而且能避免面對(duì)H2的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題。

圖2 氨-氫混合燃用圖解

表2 氨與其他燃料的性能特征對(duì)比

3 船用氨燃料面臨的問題與對(duì)策

3.1 氨的來源

目前，氨可按生產(chǎn)形式分為棕氨、藍(lán)氨和綠氨等3 種。在棕氨中，60%是由天然氣制取的，生產(chǎn)1 t 氨會(huì)釋放出1.6 t的CO2，剩下的40%是煤制氨，生產(chǎn)1 t氨會(huì)釋放出2 t的CO2。藍(lán)氨與棕氨類似，也使用化石能源制取，但不同的是，藍(lán)氨會(huì)通過CCS 技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程中釋放的CO2進(jìn)行捕獲和封存。綠氨采用可再生能源制備，利用可再生電力能源制備出H2和N2，最終進(jìn)行氨的合成。采用該方法，相關(guān)反應(yīng)只需空氣、水和可再生能源即可完成，能在氨的全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正的“零碳”排放。

當(dāng)前氨燃料作為船用燃料還處于起步階段，但隨著氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，氨燃料的需求必將不斷攀升，合成氨的工業(yè)耗能將進(jìn)一步增加。

美國船級(jí)社估計(jì)未來每年需消耗至少5 億t氨燃料，這就要求氨燃料的生產(chǎn)能力需達(dá)到目前的4 ～5 倍，提高氨的生產(chǎn)效率和拓寬其生產(chǎn)規(guī)模成為亟待解決的課題?？梢灶A(yù)見，污染較重的棕氨的生產(chǎn)方式會(huì)被淘汰，作為制取綠氨的能量來源，可再生能源的生產(chǎn)規(guī)模和成本也急需改善。針對(duì)氨可能會(huì)面臨的供需問題，各國應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的政策鼓勵(lì)并扶持可再生電力能源的發(fā)展，促進(jìn)可再生能源在技術(shù)和規(guī)模方面取得長足進(jìn)步，從源頭上解決合成氨所需電力資源的供應(yīng)問題。

3.2 氨的儲(chǔ)運(yùn)與供應(yīng)

氨的工業(yè)生產(chǎn)早在20 世紀(jì)初便已出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域中，用以制造氨水、尿素和銨鹽等。氨具有毒性，爆炸極限為16% ～25%，其儲(chǔ)存對(duì)密封性的要求較高，具有刺激性氣味，在遠(yuǎn)未達(dá)到對(duì)人體有害的范圍時(shí)便能進(jìn)行預(yù)警。

然而，在將氨作為燃料使用過程中，其刺激性氣味可通過特殊的方式弱化甚至消除，這就要求在儲(chǔ)運(yùn)液氨時(shí)，需對(duì)其閃蒸汽進(jìn)行逸散控制，如設(shè)置氣體監(jiān)測裝置等。在船用氨燃料供氣過程中，也可采用雙壁管，以此保證氨在船上儲(chǔ)運(yùn)和供應(yīng)過程中的安全性。

不僅如此，氨還具有腐蝕性等危險(xiǎn)性質(zhì)，會(huì)對(duì)碳錳鋼和鎳鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，從而降低其強(qiáng)度。因此，在儲(chǔ)運(yùn)和供應(yīng)氨氣過程中應(yīng)避免接觸這些材料。

此外，由于液氨在體積能量密度方面相比低碳燃料并不占優(yōu)勢，因此在暫無有效途徑可提高其能量密度之時(shí)，可采取船用液氨燃料加注作為緩解此劣勢的一項(xiàng)重要措施，尤其是船對(duì)船加注方式，可在氨動(dòng)力船舶航行過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料的便捷加注，從而減弱氨燃料自身缺點(diǎn)帶來的不利影響，同時(shí)現(xiàn)有的液化石油氣加氣站只需稍微改動(dòng)一些基礎(chǔ)設(shè)施就可用作氨氣加氣站，這也為氨的發(fā)展提供了有利條件。

3.3 船用氨的燃用

氨作為船舶燃料是一種新興的方式，目前仍存在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不完善、關(guān)鍵配套設(shè)備不成熟等問題，尤其是在氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方面，雖然能實(shí)現(xiàn)近零排放，但氨燃燒會(huì)增加氮氧化物（NOx）的產(chǎn)生，這與IMO出臺(tái)的TierⅢ的NOx限排規(guī)定相矛盾。不僅如此，氨燃燒還可能產(chǎn)生N2O，這種氣體產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的280 倍。由此，國家可基于國情正確引導(dǎo)，協(xié)助IMO出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)測。

至于NOx排放的問題，可采用廢氣再循環(huán)技術(shù)或選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)解決。目前SCR技術(shù)已較為成熟，能滿足Tier Ⅲ的要求，且在SCR技術(shù)中氨還為還原劑將NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O，為SCR在氨動(dòng)力船上的應(yīng)用提供了更有利的條件，加上當(dāng)前雙燃料主機(jī)發(fā)展勢頭良好，應(yīng)用范圍在逐年擴(kuò)大，參照目前雙燃料柴油機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，相信氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)成熟度會(huì)飛速提升。

4 結(jié) 語

在國際與國家綠色可持續(xù)發(fā)展的號(hào)召下，航運(yùn)業(yè)的低碳發(fā)展勢在必行，作為一種“零碳”燃料，氨不僅易于儲(chǔ)存、加注，而且具有較強(qiáng)的可供性，但若要真正實(shí)現(xiàn)氨燃料在船上的應(yīng)用，還存在諸多問題，如氨燃料即將面臨的供需不平衡問題、儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全性問題和燃用過程中的N2O排放問題。為解決這些問題，不僅需要國家在政策上予以支持，還需要各行業(yè)共同進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，只有如此，才能盡快實(shí)現(xiàn)氨燃料在船上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的“綠色”發(fā)展。