氨燃料散貨船的方案設(shè)計

詹熳寧,婁春景

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

根據(jù)國際海事組織(IMO)設(shè)定的目標(biāo),到2050年,航運業(yè)溫室氣體年排放量將比2008年減少50%以上。此外,2020年8月中國明確提出2030年前實現(xiàn)碳達峰目標(biāo),2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。減少二氧化碳排放的目標(biāo)只有通過技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)應(yīng)用和引進替代燃料才能實現(xiàn),這意味應(yīng)盡快運用低碳排放或零碳排放燃料。氨燃料是未來脫碳航運業(yè)中最有希望的燃料之一,為了實現(xiàn)IMO關(guān)于減少船舶溫室氣體排放的最初戰(zhàn)略所設(shè)定的目標(biāo),航運業(yè)必須改用替代的零碳燃料。如何安全便捷地在常規(guī)的貨物運輸船型上存儲和使用氨燃料成為目前船舶行業(yè)關(guān)注的重點,需要有相關(guān)設(shè)計方案。為此,分析氨燃料特性,再從存儲、供給、泄露、蒸發(fā)和排放處理幾個角度討論氨燃料在常規(guī)散貨運輸船上使用的可行性方案。

1 氨燃料特性

關(guān)于氨燃料的特性,主要通過與常規(guī)化石燃料對比優(yōu)劣來分析氨作為船用燃料的可行性和可操作性。

首先,氨是氮氫化合物,在內(nèi)燃機內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)時,排放氣體不會產(chǎn)生二氧化碳,是真正意義上的零碳燃料。目前市場上供應(yīng)的大部分氨,是由天然氣產(chǎn)生的氫氣制造的“灰”氨,中間過程產(chǎn)生大量的CO2排放。但航運的目標(biāo)是從目前的“灰氨”過渡到在制造過程中應(yīng)用碳捕獲和儲存技術(shù)的“藍氨”,最終實現(xiàn)使用可再生能源生產(chǎn)“綠氨”[1]。這樣就能從燃料生產(chǎn)的源頭實現(xiàn)零碳排放。

其次,從燃料存儲角度考慮氨的能量密度低于化石燃料,生產(chǎn)相同的能量含量需要大約化石燃料的2～3倍質(zhì)量,3～4倍體積。因此,在常規(guī)運輸船上的氨燃料儲存艙占用空間將會是常規(guī)石油燃料艙的3～4倍左右。

再者,從燃料本身經(jīng)濟性角度來看,氨是一種定價透明的全球商品,整個生產(chǎn)、運輸、交易市場存在已久并且成熟。氨與傳統(tǒng)化石燃料價格基本一致。但是,考慮到產(chǎn)生同樣能量的消耗量大約是傳統(tǒng)化石燃料的2～3倍,對于常規(guī)貨物運輸船來說投入的燃料運營成本將會提高2～3倍。目前全球氨分銷系統(tǒng)已經(jīng)就位,但現(xiàn)有的氨運輸網(wǎng)絡(luò)主要連接為工業(yè)市場服務(wù)的生產(chǎn)和儲存地點,其港口設(shè)施并非為船舶燃料加注而準備,因此目前的港口布局或要進一步調(diào)整。

同時,從燃料使用的安全性角度來看,氨對人體有毒。為確保船上人員的安全,必須將氨氣暴露限制在允許范圍內(nèi)。氨是一種易燃氣體,易燃范圍很窄。與其他燃料相比,氨氣著火的風(fēng)險較低,因為氨氣的可燃性范圍較窄。然而,在適當(dāng)?shù)臈l件下,可能會發(fā)生氨火災(zāi),安全原則要求將氨與任何火源隔離。除純氨燃燒外,還應(yīng)調(diào)查氨與其他燃料和潤滑油混合時的火災(zāi)風(fēng)險。這種燃料混合物可能具有更大的爆炸范圍。氨可與鹵素、鹵素間和氧化劑發(fā)生反應(yīng),并可能導(dǎo)致劇烈反應(yīng)或爆炸。因此,氨應(yīng)儲存在陰涼、通風(fēng)良好的地方,遠離火源,并與其他化學(xué)品,特別是氧化性氣體(氯、溴和碘)和酸分開。氨與各種工業(yè)材料不相容,并且在存在水分的情況下與銅、黃銅、鋅和各種合金反應(yīng)并腐蝕,船上使用氨時,應(yīng)仔細選擇材料。使用氨的儲罐、管道和結(jié)構(gòu)部件應(yīng)使用耐氨的鐵、鋼和特殊有色金屬合金。當(dāng)液氨中的氧含量超過幾ppm時,鋼在高溫下會誘發(fā)并迅速進行應(yīng)力腐蝕開裂。氨水或蒸汽接觸的管道組件、液貨艙和設(shè)備的要求鎳濃度不大于5%、碳錳鋼的屈服強度不超過355 N/mm2。此外還應(yīng)該注意,氨會與CO2發(fā)生反應(yīng)。

2 氨燃料散貨船設(shè)計方案

2.1 散貨船設(shè)計特性

方案主要針對采用氨燃料和燃油作為燃料的大型散貨船,主要指載重噸8萬t以上的散貨船,以21萬t散貨船為例,可根據(jù)船舶營運需求在氨燃料和燃油之間靈活切換。主機使用曼恩公司(MAN Energy Solution)的雙燃料主機(ME-LGIP系列機型,該機型的燃料供應(yīng)壓力不超過8 MPa,選型為6G70ME-C10.5-Ammonia,曼恩公司的此款主機(包括尾氣處理技術(shù))將在2024年推向市場。本船設(shè)計航速為14.5 kn,雙燃料主機在設(shè)計航速下的氨燃料消耗為18 600 kJ/kg,根據(jù)計算每天消耗的氨燃料約為105.7 t。考慮到本船作為21萬t大型散貨運輸船,綜合考慮幾種主要航線的航程,最終確定續(xù)航力為20 000n mile,根據(jù)計算所需燃料艙艙容定為12 000 m3。

2.2 氨燃料存儲

2.2.1 儲存罐選型

目前主流的液貨儲存罐型式主要有以下幾種。

1)“A”型液貨艙罐,型式為自承式棱柱形,需要設(shè)置次屏蔽以保護船體免受低溫損傷。液艙最大允許設(shè)計壓力為0.07 MPa,工作溫度不低于-55 ℃,用來運載溫度低于-10 ℃的液貨,一般用于大型全冷液貨船。

2)“B”型液貨艙一般為平面結(jié)構(gòu)形式(如棱柱型),或者是壓力容器型結(jié)構(gòu)(如回轉(zhuǎn)球型),“B”型液貨艙僅需要部分的次屏蔽,艙與船體貨艙相鄰的部分都需要做雙層絕緣防護。

3)“C”型液貨艙獨立液艙是符合壓力容器標(biāo)準的壓力式液艙,一般為圓筒形臥罐或球罐。設(shè)計蒸氣壓力大于0.2 MPa。一般用于全壓式和半冷式液化氣船,如果液艙材料可承受低溫,也可以用于全冷式的運輸。

本船運輸?shù)陌比剂显诔合?33°C左右就為液態(tài),本船液貨罐的特點是需要耐低溫度和常壓。所以確定采用“A”型自承式掕形液貨罐[2],并全部設(shè)有雙層屏蔽和隔熱考慮到船上用氨設(shè)備所需的燃料供給壓力、IGF規(guī)范所明確的氨燃料艙壓力維持時間以及燃料儲存艙的制造成本;還應(yīng)考慮運載貨物溫度低于-10℃的結(jié)構(gòu)艙柜,需要設(shè)置次屏蔽以保護船體免受低溫損傷。次屏蔽外在機艙/貨艙處要求有空艙,對機艙/貨艙的面要求A60保護。次屏蔽內(nèi)需進行惰氣保護,并有通風(fēng)裝置。由于液態(tài)的氨燃料會與碳錳鋼或鎳鋼中的某些材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕反應(yīng),所以本船采用低溫碳鋼作為液罐材料。

2.2.2 儲存罐布置方案

本船計劃采用IMO A型艙作為氨燃料儲存艙,有兩種布置方案,A方案為船尾部甲板上設(shè)置兩個艙容6 000 m3的棱柱式燃料艙放于機艙上部,上建的兩邊,B方案為在船中貨艙區(qū)域設(shè)置一個艙容12 000 m3的棱柱式燃料艙放于3號和4號貨艙之間。兩種方案的容量都可以滿足氨燃料動力散貨船在全航程(至少一個往返航程)使用氨燃料的需要,中途無需加注液氨。

1)A方案(見圖1)。

圖1 A方案燃料艙布置

氨燃料儲存艙位于船艉機艙甲板兩側(cè)向下延伸至機艙二甲板上,沿船長方向?qū)ΨQ布置在船舶上層建筑左右兩側(cè)。本船采用全寬式尾部甲板,氨燃料儲存艙的布置對船舶主尺度及船體結(jié)構(gòu)的完整性影響盡可能小。

燃料準備間布置在開敞的主甲板上機艙棚后方位置,燃料準備間前壁與機艙棚后壁共用一道艙壁,該艙壁為“A-60”級防火分隔。燃料準備間位于兩個氨燃料艙中間,與液氨接管處所相鄰,主要布置與燃料處理相關(guān)的設(shè)備、管路以及相應(yīng)監(jiān)測和報警系統(tǒng)。燃料準備間內(nèi)需安裝固定式氣體探測系統(tǒng)和火災(zāi)報警傳感器,并設(shè)置有效的抽吸式機械通風(fēng)系統(tǒng),其通風(fēng)能力為每小時至少換氣45次。

針對該方案 燃料準備間在住宿區(qū)域附近,距離住宿區(qū)域邊界距離約為11 m,為保證內(nèi)部擴散氣體不影響到居住環(huán)境,燃料準備間的入口應(yīng)該布置在靠近船尾部遠離居住區(qū)域,兩個入口中左側(cè)入口應(yīng)該盡可能布置靠近舷側(cè)以滿足SOLAS的規(guī)范要求。此外燃料準備間的出風(fēng)口設(shè)置在左舷,進風(fēng)口為右舷靠近船尾。

2)B方案(見圖2)。

圖2 B方案燃料艙布置

氨燃料儲存艙位于貨艙區(qū)域。由于布置在貨艙區(qū)域甲板以下,對船舶主尺度及船體結(jié)構(gòu)的完整性影響不大。

燃料準備間布置在開敞的主甲板上氨燃料艙上部位置,主要布置與燃料處理相關(guān)的設(shè)備、管路以及相應(yīng)監(jiān)測和報警系統(tǒng)。燃料準備間內(nèi)需安裝固定式氣體探測系統(tǒng)和火災(zāi)報警傳感器,并設(shè)置有效的抽吸式機械通風(fēng)系統(tǒng),其通風(fēng)能力為每小時至少換氣45次。

3)AB方案對比。

A方案僅占用機艙上部部分空間,不占用貨艙空間,B方案不占用機艙空間,僅占用部分貨艙空間,兩種方案都能在保證貨物裝載量的前提下不影響機艙內(nèi)的主要設(shè)備和艙室的布置,同時滿足駕駛室人員在船舶航行時對操作視線范圍的要求。

A方案氨燃料儲存艙因布置在開敞甲板具有足夠的自然通風(fēng),其周圍無需另外設(shè)置火警探頭、氣體探測器以及通風(fēng)等系統(tǒng),B方案氨燃料儲存艙則布置在貨艙區(qū)域甲板以下,需要根據(jù)要求配置透氣桅,并且周圍需要設(shè)置火警探頭、氣體探測器和通風(fēng)系統(tǒng)。兩種方案都需要水霧消防系統(tǒng)覆蓋氨燃料儲存艙的全部范圍。見表1。

表1 AB方案對比表

2.3 氨燃料加注

考慮到散貨船加裝氨的靈活性,滿足船舶在不同工況下左右舷均可進行燃料加注補給,本船設(shè)置2個氨燃料加注站,左右對稱布置在開敞的貨艙區(qū)域主甲板兩舷側(cè)位置,為保證加注效率同時考慮到艙室安全,加注站盡量靠近氨燃料艙,且氨燃料加注管路盡量減少穿艙設(shè)置。每個氨燃料加注站旁設(shè)置一臺手動操作吊車用于協(xié)助氨燃料加注作業(yè)。

加注站布置主甲板上的開敞空間,具有足夠的自然通風(fēng),其周圍無需另設(shè)火警探頭、氣體探測器以及通風(fēng)等布置,需設(shè)置固定式干粉滅火系統(tǒng),覆蓋所有可能的泄漏點[3]。氨燃料加注站頂部可設(shè)有防護鋼板,氨燃料加注接頭和加注管路(包括液氨液體加注管路和蒸汽回收管路)上方同樣設(shè)有防護鋼板,減少船舶裝卸貨時發(fā)生意外情況下?lián)p傷氨燃料加注站和加注管路的風(fēng)險。加注總管上方的應(yīng)設(shè)置噴水系統(tǒng),以減少加注站中的有毒蒸汽。燃料總管下方應(yīng)設(shè)置集液盤,用于收集任何泄漏,并將水/氨排出船外。

2.4 氨燃料供應(yīng)

氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生具有合適溫度、壓力和流量的氨燃料供雙燃料發(fā)動機使用。雙燃料主機采用曼恩公司的ME-LGIM系列二沖程低速發(fā)動機,以液體燃料操作模式運行時,基于迪塞爾(Diesel)循環(huán)原理進行工作。ME-LGIP發(fā)動機可被設(shè)計成使用氨燃料和燃油的雙燃料主機,只需對燃料輸送系統(tǒng)進行一些改動,以保證系統(tǒng)提供壓力在大約8 MPa的下,并且維持該壓力下將其注入氣缸[4]。在滿足現(xiàn)有技術(shù)條件的同時,設(shè)計需要仔細考慮控制氨的泄漏。

氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)[5]主要是由氨燃料輸送泵、加熱器單元、BOG壓縮機、閥組單元、相關(guān)閥件和儀器儀表組成。在雙燃料運行期間,發(fā)動機的氨燃料通過燃料供應(yīng)系統(tǒng)從氨燃料儲存艙供應(yīng)。有部分的氨燃料需要通過再循環(huán)系統(tǒng)持續(xù)再循環(huán)輸送至燃料供應(yīng)系統(tǒng)(FSS),以此來保障氨燃料在合適的溫度和壓力下輸送至發(fā)動機。通常情況下,FSS系統(tǒng)配置為一臺高壓泵、加熱器、濾器、閥門附件和控制裝置,以在雙燃料主機在氨燃料模式下不同工況不同消耗量運行時能為發(fā)動機輸送壓力和溫度都穩(wěn)定的氨燃料。使雙燃料主機工作運行可與傳統(tǒng)的低速柴油機相媲美。當(dāng)主機未處于雙燃料模式時,需要使用燃料閥組單元(FVT)的雙阻斷和排液裝置來降低系統(tǒng)壓力,并將主機機內(nèi)的氨燃料噴嘴與回流噴嘴之間完全隔離。在每次啟動主機之前,需要使用用氮氣對整個系統(tǒng)進行預(yù)處理,以驗證系統(tǒng)的密封性。

燃料閥組單元(FVT)是雙燃料主機和輔助系統(tǒng)之間連接的接口。FVT的目的是在停機和維護期間實現(xiàn)雙燃料主機的安全隔離,并提供氮氣吹掃功能。該功能確保主機在開啟工作后有一個安全的工作環(huán)境。當(dāng)雙燃料主機的雙噴嘴停止工作時,氮氣壓力將噴嘴內(nèi)的液氨從主機內(nèi)吹掃回流至再循環(huán)閥內(nèi)。當(dāng)吹掃按照順序完成時,FVT將再次啟動確保雙燃料主機自身與燃料供應(yīng)系統(tǒng)和回流系統(tǒng)完全隔離。

氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)本身外,船上還需為供應(yīng)系統(tǒng)配置相應(yīng)的安全系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)。其中,安全系統(tǒng)包括氣體探測系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、應(yīng)急切斷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)以及透氣和泄放系統(tǒng);輔助系統(tǒng)除上述氮氣系統(tǒng)外,還包括水乙二醇系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)等。

2.5 氨燃料泄漏處理

氨燃料系統(tǒng)管路設(shè)計為雙壁管。根據(jù)IMO的要求,外管內(nèi)需要保持恒定的通風(fēng)氣流。檢測氨燃料泄漏的氣體探測系統(tǒng)需要覆蓋燃料艙到機艙內(nèi)至主機整個氨燃料系統(tǒng)管路在整個運行過程中,如果雙燃料主機的雙壁通風(fēng)系統(tǒng)檢測到任何管路上有氨燃料泄漏,應(yīng)將其泄露氨燃料引導(dǎo)至單獨的氨捕獲系統(tǒng)內(nèi),通過氨捕獲系統(tǒng)去除其中氨,避免氨氣直接被排入大氣中。

氨氣捕捉系統(tǒng)實際上是一種吸水裝置,具體工作原理主要是將含有氨氣的廢氣引入水中,其中的氨會被水吸收變成氨水。該裝置需要配置換水系統(tǒng),以保證該系統(tǒng)的捕捉吸收效率,此外還應(yīng)該考慮系統(tǒng)的吸收速率,用來確定何時補充水。具體吸收速率換水頻率等數(shù)據(jù)目前還無相關(guān)規(guī)范要求。目前設(shè)計的捕捉系統(tǒng),主要針對的是燃料供給系統(tǒng)相關(guān)氨廢氣處理,未考慮冷藏、貨物維護、蒸發(fā)氣體等系統(tǒng)產(chǎn)生的氨廢氣捕捉收集。所以,具體捕捉罐容量將在氨燃料主機臺架試驗階段進行進一步試驗檢測。

氨捕獲系統(tǒng)是根據(jù)IMO要求,防止氨氣直接被排放到大氣中,除了管路內(nèi)泄露部分的氣體需要引入氨捕獲系統(tǒng),在停機和切換燃燒模式時進行氮氣吹掃后產(chǎn)生的廢氣也需要被引入氨捕獲系統(tǒng),當(dāng)其中氨氣被系統(tǒng)捕獲達到可排放標(biāo)準后被連接至船上通向安全位置的透氣桅,將來自有壓系統(tǒng)的易燃氣體安全地泄放到大氣中去。

2.6 氨燃料蒸發(fā)氣(BOG)處理

氨燃料儲存艙在航行過程中會自然蒸發(fā)產(chǎn)生蒸發(fā)氣(BOG),BOG為氣態(tài)氨,無法被氨燃料主機消耗,目前BOG的處理方法為加裝再液化裝置,使BOG再液化成液氨重新進入氨燃料儲存艙內(nèi),需配置貨物壓縮機、氣液分離器、冷凝器等系統(tǒng)對BOG進行再液化[6]。由于除了雙燃料主機消耗氨燃料,沒有其他用戶消耗產(chǎn)生的BOG氣體,配置的再液化系統(tǒng)需要為預(yù)冷型。通常使用直接循環(huán)式再液化,將氨燃料存儲艙內(nèi)的蒸發(fā)氣體抽出后經(jīng)過貨物壓縮機直接加壓,通過冷凝器凝成液體后再返回到氨燃料儲存艙內(nèi),從而處理了艙內(nèi)的BOG又能控制艙內(nèi)的溫度和壓力。根據(jù)IGF要求,在再液化系統(tǒng)發(fā)生單一故障時,需要有另一個系統(tǒng)保持燃料艙的壓力和溫度。所以需要配置另一種形式的BOG處理裝置,一般選擇氣體燃燒裝置(gas combustion unit,GCU),將產(chǎn)生的BOG直接燃燒以減輕艙內(nèi)壓力。

2.7 氨燃料排放處理

氨燃料在雙燃料主機內(nèi)燃燒時會產(chǎn)生NOx氣體,由于NOx氣體屬于溫室氣體,為了滿足IMO Tier III排放標(biāo)準的要求,需要在雙燃料主機排氣后部安裝SCR廢氣處理系統(tǒng)處理排放時產(chǎn)生的NOx氣體。SCR技術(shù)是一種后處理工藝,燃燒過程中形成的NOx通過催化還原從廢氣中去除。通常情況下,通過注入尿素溶液來進行催化反應(yīng)。但是在氨燃料動力船上,也可以將氨作為催化劑而不是尿素噴射到廢氣中。這樣做的好處之一是,以氨為燃料的容器已經(jīng)裝載了氨,無需額外設(shè)置SCR尿素艙。與氨燃料主機消耗量相比,SCR系統(tǒng)的氨消耗量將非常小。除此之外,還可以將氨捕捉系統(tǒng)吸收到廢氣中的氨氣用作SCR系統(tǒng)的催化使用,這樣也可以對泄露的氨氣和管道內(nèi)殘留的氨氣加以回收再利用,具體的催化使用氨水的比例和廢氣中吸收到氨氣的含量應(yīng)繼續(xù)深入研究。

雙燃料主機在使用氨燃料的過程中需要使用約占比總?cè)剂舷牧?%左右的引燃油,會產(chǎn)生一定量的CO2氣體排放,此外由于目前還沒有出現(xiàn)使用氨燃料的發(fā)電機和鍋爐,在本方案設(shè)計中發(fā)電機和鍋爐依然是使用常規(guī)燃料,會產(chǎn)生CO2排放,如果需要保證零碳排放,需要在排氣后部安裝碳捕捉系統(tǒng),但是相比常規(guī)燃料船,碳捕捉系統(tǒng)捕捉量將會極大縮減。

3 結(jié)論

針對未來碳減排要求,提出了以氨作為替代能源的一種散貨船設(shè)計方案,該方案以21萬t散貨船為例,普遍適用于8～21萬t大型散貨船設(shè)計,對其他大型貨物運輸船設(shè)計也具有的一定參考性。目前,氨燃料儲罐技術(shù)還未成熟,氨燃料主機還在開發(fā)階段,未來用氨作為燃料的發(fā)電機、鍋爐也將陸續(xù)被開發(fā)出來,氨燃料供給系統(tǒng)(包括氨氣捕捉收集技術(shù))也將會有更成熟的方案;此外,相關(guān)規(guī)范規(guī)則也將會進一步更新完善;基于以上工作,該氨燃料散貨船設(shè)計方案會在今后進一步更新細化,以便在未來應(yīng)用到實船建造中。