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甲醇:未来船用燃料

新闻来源:中国船检    浏览量:2452 CCS武汉规范所 2016-09-09
        为满足日益严格的排放标准,使用船舶替代燃料越来越受到航运界的青睐。尽管过去数年中,液化天然气(LNG)一直是替代燃料中的宠儿,而且相信这种趋势在未来仍将延续,但现阶段越来越多的研究和案例表明,甲醇以其清洁、环保、可获取性强等诸多优势,已充分显示出成为未来船用燃料的潜力。
        为什么选择甲醇?
        甲醇是结构最为简单的饱和一元醇,化学分子式为CH3OH,其理化性质与汽油类似,是一种无色、透明、有毒、易挥发的易燃液体。甲醇的分子结构如图1所示,与其他几种常见船用燃料的对比如表1。
图1:甲醇分子式
表1:甲醇与几种常见船用燃料的理化性质对比
        与LNG相比,甲醇最大的优势在于其不需要低温储存和绝热,因而燃料舱的设计和建造非常简单,成本大大降低。甲醇燃料舱可以是整体式,也可以是独立式,整体式货舱在甲醇运输船上已有大量应用经验。
        甲醇不含硫,因此甲醇燃料发动机的硫氧化物(SOx)排放(来自于引燃油)较柴油机(使用重油)可降低99%,能够很好的满足IMO排放控制区和中国三大船舶SOx排放控制区的要求。在氮氧化物(NOx)排放方面,根据Wärtsilä Vasa 32发动机的测试报告,使用甲醇时,NOx排放为3〜5g/kWh,而使用低硫油(MGO)时,NOx排放约11.8g/kWh。另一台改造发动机Wärtsilä Sulzer Z40SMD的测试结果显示,使用甲醇时NOx排放为4〜5g/kWh,而使用低硫油时该值约为11.5g/kWh。因此,甲醇燃料发动机很容易满足目前IMO tier II和国内船舶NOx排放标准。此外,由于甲醇富含氧原子,燃烧更充分,可有效降低有害气体的排放,一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和总碳氢(THC)排放均有不同程度的降低。
        但是,仅从使用侧评价一种燃料的环保性,而忽略在这种燃料开采、加工、运输等环节产生的排放,所得出的“环保性”只是局部的、片面的,而非全局的、完整的。从燃料的整个生命周期来评价其环保性,是更为合理的一种做法。为此,图2比较了几种燃料在整个生命周期内的能耗与排放情况。可见,虽然在燃料总能耗方面甲醇不占优势,但在其他有害污染物(SOx、NOx、PM)排放方面,甲醇仍具有显著的减排效果。

图2:不同替代燃料在整个生命周期内的环境影响(以HFO为基准,HFO=1)(来源:MI: METHANOL AS A MARINE FUEL REPORT)
        欧洲制造甲醇主要以天然气为原料,而我国甲醇主要以煤为原料,二者市场价格差别不大。据了解,我国西部省份甲醇价格较低,约在1500〜1800元/吨徘徊,东南沿海甲醇燃料价格约为2000元/吨左右,但考虑到甲醇的能量密度,与重油(HFO)等热值的甲醇价格需翻倍。对船东而言,经济性的直接体现就是投资回收期,它取决于使用甲醇燃料产生的附加投资和潜在的燃料成本节省。由于甲醇相对HFO没有价格优势,因此,使用甲醇燃料仅在SOx排放控制区(要求使用低硫油)内才可能产生燃料成本的节省,并且在排放控制区内的航行时间越长,节约燃料成本的可能性就越大。欧盟海事局(EMSA)“甲醇和乙醇用作航运替代燃料研究”(Study on the use of ethyl and methyl alcohol as alternative fuels in shipping)项目比较了重油加后处理装置(脱硫脱硝)、LNG和甲醇三种方案,其结果表明,对于仅在排放控制区(ECA)内航行的船舶,甲醇优势高于LNG,与重油加后处理装置的方案经济性相当,如表2所示。
表2:基于燃料平均价格(2015年)的案例船投资回收期
        制造甲醇的原料来源非常广泛,可以是化石原料(如天然气、煤),也可以是生物材料(如种植林等)。中国是世界第一大甲醇生产国,具有较为完善的甲醇生产、储存、运输、供应链。欧洲情况   类似,由于甲醇是重要的化工原料,欧洲也早已建立完善的甲醇存储、分销基础设施,如鹿特丹港和安特卫普港均建有大型化学品存储站,据报道,甲醇也是波罗的海所有港口处理最多的化学品,这意味着已在波罗的海地区建立了完善的储存和分销网络。因此,无论从生产,还是分销,甚至未来的加注来说,甲醇作船用燃料都具备良好的可获取性。
        甲醇用作船用燃料的现状
        1. 船舶现状
        甲醇在我国早已用作汽车燃料,作为煤制甲醇产能大省,山西在十多年前即开始推广甲醇汽油,如M20、M15等;但在船舶领域,尚无实船使用甲醇燃料。国际上,欧洲是船用甲醇燃料的研究和实践先锋,其中以瑞典尤为突出。早在2006年,欧盟委员会就资助了一个名为“基于可再生甲醇的商船辅助电力系统可行性研究”项目(METHAPU),旨在评估利用甲醇燃料电池向SOLAS船舶重要设备供电的相关技术及可行性。之后,瑞典国家创新局陆续开展了一系列研究或试点项目,实现了甲醇用作船用燃料从科研向实船应用的跨越(如表3)。目前,应用甲醇燃料最大的船舶是瑞典的“Stena Germanica”号客滚渡船,其4台主机中1台已于2015年改造为甲醇-MGO双燃料,另外3台将于2016年改造完成。可见,欧洲船用甲醇燃料研究与应用均处于世界领先水平。
图3:“Stena Germanica”号客滚渡船
表3:欧洲甲醇燃料船舶项目概览
        2. 规则和标准现状
        甲醇的闪点为12℃,属于低闪点燃料,因此,船舶使用甲醇燃料需要满足《气体或低闪点燃料船舶国际安全规则》(IGF规则)。但目前,IGF规则关于甲醇燃料的技术要求尚在制订过程中,其内容主要参考了IGF规则Part1(对天然气燃料船)、IBC规则(对甲醇运输船)的相关要求,但在燃料舱布置与保护、探火与灭火、结构防火、蒸气探测、加注接头等若干方面上存在争议。中国船级社自2015年开展船舶替代能源(醇类、氢气等)应用研究,计划2016年底完成《船舶使用醇类燃料应用指南》。
        岸上标准对甲醇燃料船的发展同样重要。目前,甲醇陆上运输、储存均有完善的标准,而甲醇加注标准取决于加注形式。对于槽车和岸站加注,可参照相应的行业标准或规程;对于船对船加注,目前尚无规范或标准。
        甲醇用作船用燃料的关键技术和设备
        1. 甲醇燃料系统
        典型甲醇燃料系统如图4所示。根据功能,可将其分解为甲醇加注、甲醇储存、甲醇处理与供应、甲醇利用、机后处理等5个模块。

图4:典型甲醇燃料系统示意图
        甲醇加注:加注系统包括加注站、加注管系(含阀件)、加注接头和惰化、吹扫管路等,这些部分与LNG加注类似,不是新鲜事物,也无复杂之处。但是,考虑到甲醇的低闪点和毒性,加注站的位置、构造、通风、探测、消防、人员防护等需要特别考虑。
        甲醇储存:对甲醇燃料舱主要应考虑其舱型、位置、燃料舱保护、透气、环境控制等方面。试点的改造船舶由于燃料需求量不大,可采用独立式燃料舱;大型甲醇燃料船可采用整体式燃料舱。根据现有IGF规则草案,燃料舱不应布置在起居处所下方,且与舷侧距离不得小于760mm;当燃料舱位于甲板以下时,还应设置隔离舱将其与其他处所分开(燃料泵舱和底舱除外),隔离舱内应设置甲醇蒸气和液体泄漏探测装置。对于透气、环境控制方面的要求,与IBC规则基本一致。
        甲醇处理与供应:从甲醇燃料舱至发动机之间的所有系统和部件,包括甲醇供应系统和燃料阀组。这部分的要求与LNG动力船燃料供应系统类似,重点在于供应管路保护、阀件布置、燃料泵位置与保护、温度控制等。由于燃料供应管路上阀件、接头众多,而且甲醇粘度很低,这意味着潜在泄漏风险大大增加,因此,选择合适的密封材料、设置蒸气探测、负压通风和双壁管路都是必要的风险控制措施。
        甲醇利用:通过发动机实现。IGF规则草案中,甲醇发动机的要求与天然气燃料发动机类似,均为功能性要求,较为宏观和原则。不同厂家对发动机的研发路线也不相同,大多传承自身传统优势,如MAN公司研发的ME-LGI型甲醇-柴油双燃料发动机是高压喷射、低速、二冲程双燃料发动机,Caterpillar研发的是高速、四冲程、带预热塞点火的纯甲醇发动机,相关厂家的甲醇发动机如表4所示。
表4:甲醇燃料发动机概览
        使用甲醇燃料带来的一个问题是,由于产生了更为清洁的润滑环境,发动机的磨损将会显著加大,这点与天然气燃料发动机类似,应在设计阶段予以考虑。
        机后甲醇处理:主要是指吹扫回收系统,氮气装置在整个系统中具有核心地位。对于双燃料发动机,在燃料转换、发动机维修等情况下,必须对燃料供应管路进行扫气、惰化。根据MAN ME-LGI发动机设计,燃料管路必须布置成能够通过吹扫将管内甲醇排空并返回至日用舱,之后对所有双壁管管系进行充分的惰化。所有吹扫、惰化应通过氮气装置对每个子系统进行。
        2. 对船舶的特殊考虑
        除甲醇燃料系统外,由甲醇带来的额外风险尚需在船舶设计与系统布置、蒸气探测、消防等方面予以控制。对使用甲醇燃料所带来的额外风险进行控制。例如,在消防方面,由于甲醇燃烧火焰难以发现的特点,尚不知现行船舶规则规范中规定的探火方法是否对甲醇有效;同样的原因,需要对现有的几种灭火方式的有效性予以充分考虑,以找到合适的组合。需考虑的因素例如:
        抗溶泡沫:可能不能覆盖火灾的的边角因而继续燃烧;
        CO2在处所通风后,且过火表面没有充分冷却时,很可能重燃;
        水基系统:为利用稀释效应而使材料不燃,需大量水。
        此外,结构防火也是船舶设计时考虑的重点。
        3. 风险评估
        IGF规则明确要求对使用甲醇所引起的船舶、人员和环境风险进行评估,以确保甲醇燃料船舶的安全性与常规燃油动力船舶的安全水平相当,因此,风险评估可谓甲醇燃料船舶的强制性要求。前文所述几艘甲醇燃料船项目,均进行了风险评估,其结果表明,安全因素并非使用甲醇燃料的“壁垒”,目前存在的困难在于设计、船型和使用经验都非常有限,只能借鉴化工行业经验和数据,风险分析主要采用定性手段。
        甲醇用作船用燃料的主要挑战
        尽管表现出种种优势,但实现甲醇燃料在船上的广泛应用,仍需经历漫漫长路,克服技术标准、燃料成本、船舶布置、关键设备等方面的诸多挑战。
        1. 技术标准
        目前,IGF规则Part A-2部分“甲醇/乙醇作为船舶燃料”尚在制订中,何时完成尚不得知。虽然少数船级社颁布了甲醇燃料船的技术标准,但仍存在较多差异,且多为功能性要求,不易操作。
        2. 燃料成本
        虽然单吨甲醇价格较低,但由于甲醇热值只有HFO一半左右,同等热值的甲醇价格需翻番考虑。如此一来,甲醇与HFO相比无任何优势,与LNG相比也只有在特定的场景下才具一定优势。
        3. 船舶布置
        同样由于甲醇热值低,甲醇燃料舱的体积接近燃油舱的2倍,比LNG燃料舱大20%左右,对于同等尺度的船舶,更大的燃料舱意味着货舱损失,进而影响船舶营运收益。此外,现行IGF规则草案要求对甲醇燃料舱通过隔离舱进行保护,且燃料舱距离舷侧的要求高于IBC规则对甲醇货舱的要求,这对于船舶布置而言是一个不利的方面。
        4. 关键设备
        甲醇发动机是甲醇燃料船的关键设备,国外已有数家生产厂开发出相关产品,但均处于初始阶段,而且由于订单少,未形成批量化,所以价格高昂。在国内,尚未见船用甲醇燃料发动机的开发。天津大学内燃机国家重点实验室开发了甲醇-柴油双燃料燃烧技术,但仅在陆上重型柴油机上得到了部分应用,尚不具备船上应用条件。总之,目前市场上可供选择的船用甲醇发动机,尤其是中高速四冲程船用甲醇发动机还很少。
        甲醇燃料以其清洁、环保、可再生、可获取性强等特点,已成为航运界关注的替代燃料,科研项目与实船试点表明,甲醇用作船用燃料的安全性、环保性能够充分保证,使用甲醇燃料还有利于消化煤炭的过剩产能。虽然在燃料成本、使用经验、动力设备等方面仍存在诸多挑战,但相信随着航运减排要求的日益严格和科技的不断进步,甲醇在未来船用替代燃料市场必将拥有光明前景。
 
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