李博洋，邱力強，張運秋

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船用LNG燃料的應(yīng)用與分析

李博洋，邱力強，張運秋

（青島遠洋船員職業(yè)學院，山東青島 266071）

介紹了LNG作為船舶燃料的特點，概括了LNG燃料動力船舶的應(yīng)用背景，對LNG燃料和其他多種主流減排技術(shù)、措施進行了細致的比較，提出了LNG燃料發(fā)展的限制因素，總結(jié)了LNG燃料動力船舶的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

LNG燃料 LNG動力船 應(yīng)用分析

1 LNG作為船舶燃料的背景

1.1 滿足日益嚴格的排放法規(guī)

1）NOx和SOx排放限制

國際海事組織（IMO）于2011年7月通過了MARPOL附則VI，提高了船舶的氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）排放標準。

附則VI要求，到2020年船舶燃料油含硫量必須低于0.5%，其中進入波羅的海、北海和北美沿海水域、加勒比海設(shè)立的排放控制區(qū)（Emission Control Area，以下簡稱ECA）的船舶，2015年其燃油含硫量必須低于0.1%。NOx排放分3個階段，到2016年進入ECA的船舶全部實施NOxTier III標準，排放量相比Tier I標準降低約80%（如圖1）。

2）固體顆粒排放物（PM）限制

繼NOx、SOx、CO2之后，PM排放問題成為了IMO新的討論焦點。目前MARPOL附則VI沒有明確PM排放限定標準，但是西方（特別是北極附近區(qū)域國家）積極開展研究，擬在MARPOL附則VI中明確對黑炭排放的控制。擬先對北極區(qū)域以及ECA的黑炭排放標準進行強制化，從黑炭排放標準著手進而將范圍擴大到全部的顆粒物質(zhì)排放（PM），區(qū)域也相應(yīng)擴大到近海區(qū)域，最終實現(xiàn)對近海區(qū)域PM排放的強制化管理。黑炭議題對我國航運業(yè)的影響甚至將超過其他排放要求所帶來的沖擊。

圖1 NOX排放要求

1.2 尋求替代能源，降低運營成本

隨著燃油價格越來越高，燃油成本已成為航運企業(yè)最大的運營支出。從降低運營成本的角度出發(fā)，航運業(yè)也在努力尋求經(jīng)濟性更好的替代燃料。LNG作為船舶燃料，熱值高、環(huán)保性好且價格便宜，已成為最炙手可熱的船用替代能源。

2 LNG燃料與其他減排措施的比較

2.1 解決SOx排放問題的主要措施

1）使用低硫燃油

優(yōu)點：能夠顯著減少SOx排放；無需增加設(shè)備；原理簡單且通過驗證，效果有保障。

缺點：價格比普通燃油高，而且船用低硫燃油的供應(yīng)也難以保障；無法解決CO2和NOx排放問題；低硫燃油粘度、堿值與普通燃油不同，燃料轉(zhuǎn)換時對柴油機正常運行有一定影響。

成本：和普通燃油相比，每噸燃油成本增加300美元。

2）尾氣清洗裝置（EGC）

優(yōu)點：可以使用含硫量較高的普通燃油，成本較低；降低SOx排放的同時也可降低PM排放量。

缺點：投資成本較高；對安裝空間有一定的要求；船員需進行裝置操作培訓；使用過程中增加了能耗；尾氣當中的顆粒排放物在清洗過程中會產(chǎn)生副產(chǎn)物——污泥，需要增加處理裝置；導(dǎo)致海水酸化；無法解決NOx排放問題。

成本：設(shè)備費用300-600萬美元，加上副產(chǎn)物污泥的處理費用。

圖2 尾氣清洗裝置（EGC）

2.2 解決NOX排放問題的主要措施

1）選擇性催化還原裝置（SCR）

優(yōu)點：陸上應(yīng)用比較成熟。

缺點：適用于四沖程發(fā)動機，不適用與二沖程發(fā)動機；隨著使用時間增長，效率會下降；無法解決SOx排放問題。

成本：設(shè)備費用50-100美元/千瓦，加上尿素（催化劑）費用。

2）廢氣再循環(huán)裝置（EGR）

優(yōu)點：陸上應(yīng)用比較成熟。

缺點：降低發(fā)動機效率；加劇發(fā)動機磨損；實船使用案例較少；無法解決SOx排放問題。

成本：設(shè)備費用200-400萬美元，維護成本較高。

圖3 SCR及其工作原理

圖4 廢氣再循環(huán)裝置（EGR）

2.3 LNG燃料

優(yōu)點：經(jīng)濟性好：LNG的市場價格遠低于燃油價格，尤其是美國的HH價格以及歐洲的NBP價格，相同熱值輸出下，LNG價格僅相當于柴油的1/4到1/3；環(huán)保性好：和傳統(tǒng)燃油相比，船舶通過使用LNG燃料，可以降低20%的CO2排放，降低90%的NOx排放，幾乎不產(chǎn)生SOx和PM。

缺點：現(xiàn)有船舶改造LNG動力較困難；布置較為復(fù)雜；貨艙空間減少（液罐布置）；現(xiàn)階段天然氣加注基礎(chǔ)設(shè)施不足；船員需要特別培訓；LNG易燃、低溫儲存有一定危險性。

成本：LNG動力船舶建造成本大約增加15-20%，長期來看，因天然氣營運成本較低，經(jīng)濟性較好。

圖5 LNG燃料動力船舶

通過上述比較可知，LNG作為船舶燃料，是目前唯一一種可以同時滿足ECA、MARPOL公約、IMO對SOx、NOx和PM的排放要求的技術(shù)方案，LNG燃料動力船舶的節(jié)能減排優(yōu)勢較為明顯。

3 LNG作為船舶燃料的關(guān)鍵技術(shù)與限制因素

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

當前使用LNG作為燃料的發(fā)動機分為兩類：一類是單燃料發(fā)動機，用作引燃材料的燃油不超過5%；另一類是LNG-柴油雙燃料發(fā)動機，雙燃料發(fā)動機根據(jù)LNG氣化氣體進入發(fā)動機氣缸方式的不同可分為缸內(nèi)直噴和與空氣混合進入兩種；按運行模式可以分為燃油運行模式(100％燃油)，最小燃油運行模式(僅用5%-8%的燃油作為引燃，主要以天然氣作為船舶燃料)，定量天然氣運行模式(燃油、天然氣按照一定比例共同作為船舶燃料使用)。雙燃料發(fā)動機可根據(jù)船舶實際運營需求轉(zhuǎn)換運行模式，靈活度高，經(jīng)濟性好，從目前來看具有較好的應(yīng)用前景。

由于國外缸內(nèi)直噴發(fā)動機造價甚高，約為國產(chǎn)混合進氣式發(fā)動機造價的3倍，所以目前我國普遍采用混合進氣發(fā)動機，且目前多點噴射的LNG供氣系統(tǒng)尚未研制成功，因此，大都只采用混合進氣單點噴射式發(fā)動機，因技術(shù)較為落后、效率較低，存在一定的爭議。

3.2 限制因素

LNG運輸船舶采用LNG作為燃料的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是非LNG運輸船舶采用LNG作為燃料還面臨若干問題。除了低溫、爆炸和液體氣化帶來的風險以外，LNG燃料發(fā)動機技術(shù)、船舶LNG儲存供應(yīng)技術(shù)、船舶LNG補給方式、船舶LNG燃料系統(tǒng)安全保障等尚存在一定的風險和不足，有待進一步完善。

LNG作為船舶燃料還面臨LNG加氣站配套建設(shè)不足、相關(guān)規(guī)范法規(guī)體系尚不完善、新建/改造船舶成本偏高、相關(guān)鼓勵政策未出臺等限制因素。此外由于LNG能量密度比燃油低，對于相同的能量輸出條件下，LNG需要1.6倍的燃油艙容積，造成較大的貨艙艙容損失。

4 LNG燃料應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

4.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

北歐是LNG燃料動力船的發(fā)源地，LNG加氣站布局合理，目前已建有約40多艘LNG燃料動力船舶，船型分布如圖7所示。

圖6 歐洲LNG動力船船型分布

美國航運公司Totem Ocean Trailer Express（TOTE）于2012年12月訂造了2艘以LNG為燃料的集裝箱船（圖6）。這兩艘3100TEU集裝箱船將搭載MAN Electronic Gas-Injection發(fā)動機，成為業(yè)界首批以LNG為燃料的集裝箱船。兩艘船將分別在2015年及2016年交付，新船平均單箱的SOx及NOx排放量可比現(xiàn)有的集裝箱船分別降低98%、91%，綜合其他節(jié)能減排技術(shù)，可實現(xiàn)二氧化碳減排71%。美國GE公司的航改船用LNG燃氣輪機，雖然還未在遠洋貨船上實際應(yīng)用，但是已有軍艦及豪華郵輪上使用的案例，這也為LNG作為船舶燃料的發(fā)展提供了另一種選擇。

除歐美船廠和設(shè)計公司正在開發(fā)LNG燃料技術(shù)外，日韓造船企業(yè)目前也在積極準備LNG燃料船舶的開發(fā)。日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”號環(huán)保渡船的設(shè)計構(gòu)想；韓國大宇造船與海洋公司目前正在開發(fā)采用LNG燃料的大型集裝箱船；2011年6月，大島造船與挪威船級社合作完成了LNG燃料6.2萬噸大開口散貨船的概念設(shè)計；2012年底，日本郵船（NYK）再次公布“NYK2030 超級生態(tài)概念船”的研究進展，其使用LNG燃料電池的設(shè)計理念更加清晰、具體。

圖7 美國TOTE 公司LNG動力集裝箱船

國內(nèi)目前的研究尚處于起步階段，以改造長江內(nèi)河船為主，但已開始建造雙燃料港作拖輪（入CCS級）。大連中遠船務(wù)為應(yīng)對船舶市場競爭，結(jié)合自身條件開發(fā)了“LNG雙燃料散貨船” 項目，于2013年7月通過驗收。該項目對象為新型的8萬噸級散貨船，其核心技術(shù)滿足IMO、IGC、IGF等相關(guān)規(guī)范對有害物排放的要求，并獲得了LR船級社的AIP認可證書。此外，大連中遠船務(wù)也接獲了國內(nèi)首艘綠色能源小型LNG運輸船建造訂單，該船擬采用雙燃料驅(qū)動，為國內(nèi)首艘綠色能源標準船舶。

4.2 應(yīng)用前景

1）內(nèi)河船舶及沿海船舶

內(nèi)河及沿海航運由于航線固定，加注方便，內(nèi)河船舶和沿海船舶相對于遠洋船舶更容易使用LNG作燃料。

從國家層面上，中國海事局已開展試點工程和專項課題研究，工信部也對柴油替代率超過75%的船舶實行減免稅收等鼓勵政策進行了研究。2011年5月中國船級社與中國石油天然氣集團公司舉行的LNG燃料船舶技術(shù)交流會，在推進“氣化長江”項目上也起到了很大的作用?？傮w來看，LNG燃料動力內(nèi)河船舶及沿海船舶前景將十分廣闊。

2）遠洋船舶

在ECA的嚴格排放標準和MARPOL附則VI Tier III的影響下，經(jīng)過和其他減排措施進行的安全性、經(jīng)濟性比較，LNG燃料動力船舶已經(jīng)成為航運界最關(guān)注的問題。可以預(yù)見，隨著燃油價格不斷上漲，LNG基礎(chǔ)設(shè)施的完善，相關(guān)技術(shù)日益成熟，LNG作為船舶燃料將具有廣闊的發(fā)展前景。近年來全球范圍內(nèi)以LNG為動力的船舶數(shù)量增長情況如圖8所示。

但是業(yè)內(nèi)對LNG作為船舶燃料也存在不同的聲音，波羅的海航運公會（BIMCO）表示，盡管近期LNG作為船舶燃料預(yù)期樂觀，但LNG仍不是大多數(shù)船舶的燃料首選。

圖8 全球LNG燃料動力船累計增長圖（數(shù)據(jù)來源：DNV）

5 結(jié)論

隨著新的國際公約和規(guī)范不斷生效，全球航運業(yè)將要面臨的污染和排放限制將愈加嚴厲。與傳統(tǒng)的節(jié)能減排措施相比，積極開發(fā)新能源動力裝置和新能源動力船舶，是應(yīng)對低碳經(jīng)濟發(fā)展趨勢的合理解決方案。LNG作為船舶燃料在營運成本、排放控制、技術(shù)應(yīng)用等方面所具有的優(yōu)勢和效益已經(jīng)越來越顯著，開展以LNG燃料為船舶動力的相關(guān)研究，是目前航運業(yè)應(yīng)對燃油成本和環(huán)保法規(guī)問題的主要趨勢，LNG燃料動力船舶值得關(guān)注。

[1] Kumar S, Kwon H T, Choi K H, et al. LNG: An eco-friendly cryogenic fuel for sustainable development[J]. Applied Energy, 2011, 88(12): 4264-4273.

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Application and analysis of Marine LNG fuel

Li Boyang, Qiu Liqiang, Zhang Yunqiu

(Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

TQ529

A

1003-4862（2014）10-0077-04

2014-04-18

中國遠洋運輸（集團）總公司應(yīng)用研究計劃項目（2013-1-H-007）

李博洋（1974-），男，副教授、大管輪，從事液化氣船新技術(shù)應(yīng)用、船舶節(jié)能減排的教學與研究。