大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 李 斌

LNG作為船舶代用燃料的應(yīng)用分析

大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 李 斌

船舶新能源和代用燃料的開發(fā)和使用是船舶動(dòng)力裝置研究的重要課題。介紹LNG的特點(diǎn)，分析LNG作為船舶燃料實(shí)際應(yīng)用的主要優(yōu)缺點(diǎn)，以及當(dāng)前燃?xì)獠裼蜋C(jī)的狀況。

船舶；LNG；燃?xì)獠裼蜋C(jī)；燃料

一、引 言

石油產(chǎn)品目前是船舶動(dòng)力裝置的主要燃料，隨著石油資源的日益枯竭，加之國際社會(huì)對(duì)排放要求日益嚴(yán)格，開發(fā)船舶新能源迫在眉睫。所謂新能源，主要指原子能、太陽能、風(fēng)力和水力資源、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芎痛萌剂夏艿?。盡管人們對(duì)于船舶新能源和代用燃料作了很多研究，但目前比較成熟、可以在船舶上實(shí)際大規(guī)模使用的只有LNG。

二、LNG的組成及理化性質(zhì)

LNG（Liquefied Natural Gas）即液化天然氣，是天然氣的液態(tài)形式。

天然氣是一種產(chǎn)生于氣田或油田的天然氣體，其成分因產(chǎn)地的不同而有所差異，主要成分為甲烷及微量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其他雜質(zhì)如硫化氫、水分、二氧化碳、氮?dú)獾龋话慵淄檎?0%以上。

為了方便儲(chǔ)存和海運(yùn)，天然氣由液化工廠在常壓下冷卻至約-163℃進(jìn)行液化。在液化之前需要進(jìn)行預(yù)處理，將原本天然氣中的二氧化碳、水分、硫化氫和其他硫化物等雜質(zhì)先凈化去除掉，這樣可避免這些雜質(zhì)在液化過程中凝固，堵塞管路設(shè)備。液化后的LNG體積縮小為原來氣態(tài)時(shí)的1/600左右，90%以上的含量為甲烷，其余則為少量的乙烷、丙烷、丁烷等成分。因?yàn)長NG是天然氣通過冷卻后得到的全冷液體，儲(chǔ)存和運(yùn)輸時(shí)不需要加壓。

LNG是無色、無味、無腐蝕性、無毒的低溫液體。它是無味的，但汽化后在被輸送到終端用戶之前必須添加臭味劑，以便使用者能夠識(shí)別和防范天然氣從熱水器等用氣設(shè)備的漏泄。天然氣是無毒性的，但如果在一個(gè)密閉、不通風(fēng)的環(huán)境中濃度過高，會(huì)導(dǎo)致里面的人因?yàn)槿毖醵舷?。LNG是無腐蝕性的，不會(huì)對(duì)貨物維護(hù)材料產(chǎn)生腐蝕。

LNG的密度在0.442～0.474g/cm3之間，具體數(shù)值取決于其成分組成。因?yàn)長NG比水輕，若其不慎泄漏至水中會(huì)浮在水面，并且會(huì)迅速蒸發(fā)汽化。

典型的商業(yè)LNG具有大致如下的性質(zhì)：

LNG沸點(diǎn)（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓） -157～-163 ℃

純甲烷沸點(diǎn) -161.5℃

LNG的密度 0.442～0.474 g/cm3

純液態(tài)甲烷的密度 0.45g/cm3

LNG的熱值 26.5～36.04kJ/cm3（25～34 Btu/ cm3）（Btu:英國熱量單位。1 Btu＝1.06 kJ）

純甲烷的熱值 30.74 kJ/cm3（29 Btu/cm3）

燃燒下限（占空氣的體積） 5%

燃燒上限（占空氣的體積） 15%

自燃溫度 595 ℃

三、LNG作為船舶燃料的可行性

作為船舶燃料油的代用燃料，要滿足下列幾個(gè)基本條件：（1）有豐富的存儲(chǔ)量；（2）在目前的高油價(jià)時(shí)代與燃料油相比在經(jīng)濟(jì)上要有競爭力；（3）有害排放量要低。實(shí)際上就是既要滿足船舶營運(yùn)的要求，又要滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求。

天然氣是一種清潔、方便、高效的優(yōu)質(zhì)能源。目前的開發(fā)和使用狀況基本上可以滿足上述要求。

首先，與石油相比天然氣資源比較豐富，目前世界上常規(guī)天然氣資源量估計(jì)為400萬億～600萬億m3，按2008年的開采量計(jì)算，現(xiàn)有天然氣儲(chǔ)量能滿足60年的開采。天然氣已經(jīng)成為21世紀(jì)消費(fèi)量增長最快的能源，在全球一次性能源消費(fèi)中所占比例越來越大，目前約占世界能源消費(fèi)的1/4。

其次，LNG的價(jià)格比較便宜，LNG、船用燃料油（HFO）和船用輕柴油（MGO）近年來的價(jià)格走勢如圖1所示。從圖1中可以看出，自2005年5月起，天然氣的價(jià)格就與HFO380的價(jià)格不相上下，自2007年5月以來，天然氣的價(jià)格甚至低于HFO380，而且差距越來越大。采用LNG代替HFO作為船舶的主要燃料可以為船東節(jié)省相當(dāng)可觀的燃料費(fèi)用。

圖1 LNG、HFO和MGO近年來的價(jià)格走勢

再次，天然氣是一種清潔燃料。天然氣的成分90%以上為甲烷，其余則為少量的乙烷、丙烷、丁烷等，甲烷的碳?xì)湓乇葹?：4，是碳?xì)浔茸畹偷奈镔|(zhì)，也就是說甲烷是每單位碳排放能量最高的物質(zhì)，或者說放出同樣熱量時(shí)CO2排放較少。使用LNG作為代用燃料，其CO2排放可比使用燃料油低25%～30%。

天然氣在液化之前需要進(jìn)行預(yù)處理，將原本天然氣中的二氧化碳、水分、硫化氫和其他硫化物等雜質(zhì)先凈化去除掉，也就是說在LNG中幾乎沒有硫，基本上不存在SOX的排放。

在LNG的燃燒過程中，通過采用“稀薄燃燒”技術(shù)，可使其NOX的排放也很低。NOX排放可降低85%～90%，沒有炭煙，顆粒物質(zhì)很少，圖2為使用不同燃料及減排措施有害排放量的對(duì)比。

由于LNG具有的上述優(yōu)點(diǎn)，目前在LNG運(yùn)輸船上基本采用LNG蒸發(fā)氣作為燃料，而在非LNG船舶上使用LNG作為燃料有許多技術(shù)上的問題，如LNG的供應(yīng)儲(chǔ)存、LNG燃料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和使用、泵的管理等。然而，在大型船舶上使用LNG作為燃料，是綜合研究了未來天然氣和石油的價(jià)格，以及船舶安全法規(guī)和排放控制法規(guī)后得出的結(jié)論。

圖2 使用不同燃料的排放對(duì)比

四、燃?xì)獠裼蜋C(jī)技術(shù)的普及和推廣

目前，世界大部分天然氣采用海上 運(yùn)輸。天然氣海上運(yùn)輸最經(jīng)濟(jì)的方式是將天然氣在-163 ℃下液化，以液態(tài)的方式運(yùn)輸，從事LNG運(yùn)輸?shù)拇氨环Q為LNG船。目前世界上有200余艘LNG專業(yè)運(yùn)輸船舶。

早先的LNG船舶一直采用蒸汽輪機(jī)裝置推進(jìn)和發(fā)電。蒸汽輪機(jī)裝置能方便地利用貨物蒸發(fā)氣（BOG—Boil off Gas），具有很高的可靠性，使其成為LNG船舶的首選。這也是在各類船舶普遍使用柴油機(jī)動(dòng)力裝置后，蒸汽動(dòng)力裝置占據(jù)的最后一個(gè)領(lǐng)域。然而，蒸汽動(dòng)力裝置的主要問題在于效率過低，推進(jìn)裝置的效率在全負(fù)荷下低于29%，發(fā)電裝置的效率低于25%，各種動(dòng)力裝置的效率如圖3所示。由于蒸汽動(dòng)力裝置的效率太低，自1973年石油危機(jī)以來，在技術(shù)上基本沒有什么發(fā)展。因此，對(duì)于LNG船舶，人們一直在尋求經(jīng)濟(jì)性更好的動(dòng)力裝置來代替蒸汽動(dòng)力裝置。從圖3中可以看出，船舶中、低速柴油機(jī)的熱效率遠(yuǎn)高于蒸汽動(dòng)力裝置，功率范圍也都能夠滿足LNG船舶的要求。其關(guān)鍵問題在于LNG船舶貨物蒸發(fā)氣的處理和使用。

柴油機(jī)通常是使用液體燃料的，如柴油和重油。如將柴油機(jī)用于LNG船舶，必須解決好BOG的處理和使用以及設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)問題。對(duì)于BOG的處理方式一種是將BOG再液化后送回液艙，而柴油機(jī)動(dòng)力裝置采用重油作為燃料；另一種方式則是采用BOG為燃料，即將BOG由液艙引出，在柴油機(jī)內(nèi)作為燃料燃燒。從而產(chǎn)生了雙燃料低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化裝置的推進(jìn)裝置、雙燃料（DF—Dual fuel）中速柴油機(jī)電力推進(jìn)裝置和氣體噴射（GI—GAS INJECTION）低速柴油機(jī)動(dòng)力裝置等多種新的推進(jìn)方式。而雙燃料（DF）式柴油機(jī)和氣體噴射（GI）式柴油機(jī)都屬于燃?xì)獠?油機(jī)。

圖3 各種動(dòng)力裝置的效率比較及LNG船所需的功率范圍

通過在現(xiàn)代新型LNG運(yùn)輸船上的使用，雙燃料柴油機(jī)和氣體噴射式柴油機(jī)的技術(shù)也日趨成熟。目前，可燃用LNG的發(fā)動(dòng)機(jī)有MAN公司的51/60DF中速雙燃料柴油機(jī)，ME-GI氣體噴射二沖程低速柴油機(jī)，Wartsila公司的50DF、32DF中速雙燃料柴油機(jī)等。

由于使用LNG作為船舶燃料從營運(yùn)費(fèi)用到排放指標(biāo)都非常令人滿意，LNG作為船舶燃料的應(yīng)用也不只是局限于LNG運(yùn)輸船舶，其他的普通船舶也開始考慮以LNG作為船舶燃料。由于目前LNG還不能在世界所有港口加裝，考慮使用LNG作為燃料的船舶主要包括海洋工程供應(yīng)船、海上浮式儲(chǔ)油船、渡輪、滾裝船和集裝箱船。這些船舶航線相對(duì)比較固定，并能夠得到LNG供應(yīng)。

圖4是以LNG為燃料的9 000 TEU集裝箱船“鯤騰（Quantum）”輪LNG儲(chǔ)存柜和機(jī)艙布置圖。該船總長314 m，型寬48 m，型深 26.4 m，設(shè)計(jì)吃水13.5 m，船上設(shè)有兩個(gè)LNG儲(chǔ)存罐，容積為6 500 m3，設(shè)計(jì)航速為22 kn，主機(jī)采用MAN 9S80ME-C9.2-GI，功率為40590 kW，轉(zhuǎn)速78.0 r/min， 可使用LNG和重油工作。

LNG燃料的加裝可以通過LNG裝卸碼頭、氣罐車或駁船或直接由陸基的儲(chǔ)存罐進(jìn)行。

[1]仉大志.LNG船舶推進(jìn)裝置的選擇與管理[D].大連:大連海事大學(xué),2007.

[2]MAN Diesel.ME-GI Dual Fuel MAN B&W Engines[EB/OL].(2009-06-10)[2011-11-15].http://www.mandieselturbo.com/files/news/filesof762/5510-0063-02ppr_low.pdf.

[3]DNV and MAN Diesel & Turbo.Quantum 9000[EB/OL].(2010-01-08)[2011-11-15].http://www.mandieselturbo.com/files/news/filesof16391/5510-0108-00ppr_low.pdf.

Analysis for using LNG as ship fuel