袁士春

甲醇燃料船試驗方案分析

袁士春

甲醇在國內(nèi)作汽車燃料近30年，在廢氣排放和使用安全方面具有明顯優(yōu)勢。隨著船舶排放法規(guī)的日益嚴格，LNG作為船舶燃料在國內(nèi)外均得到應用，甲醇燃料在國外也開始用于船舶推進。基于甲醇供應商計劃在江蘇現(xiàn)有漁船進行試驗，分析甲醇燃料的乳化法、醇化法用于實船柴油機的可行性，對實船改造中的法規(guī)應對、柴油機改造、潤滑油選擇、甲醇系統(tǒng)供應、機艙通風系統(tǒng)、人員培訓等方面問題進行探討，供實船試驗改裝方案制訂時參考。

甲醇燃料；漁船；試驗方案

一、前言

甲醇（Methanol，dried）系結構最為簡單的飽和一元醇[1]，化學分子式為CH3OH。因在干餾木材中首次發(fā)現(xiàn)，故又稱“木醇”或“木精”。甲醇是無色、有毒、有酒精氣味、易揮發(fā)的液體。[1]甲醇可用秸稈、煤炭、天然氣等制取，主要用于制造甲醛和農(nóng)藥等，并用作有機物的萃取劑和酒精的變性劑等，也部分用于汽車燃料。

2008年，國內(nèi)甲醇產(chǎn)能為2 851萬噸，開工率僅為40%左右。[2]2009年以來我國甲醇產(chǎn)能快速增長，[3]甲醇生產(chǎn)競爭也逐漸增強，2014年甲醇生產(chǎn)企業(yè)的開工率為71.4%。[3]因此尋求更廣闊的市場是甲醇生產(chǎn)商需要拓展的問題。

我國用煤制甲醇產(chǎn)能大省山西，30年前已開始推廣甲醇汽油作汽車燃料，陜西省也于2013年開始推廣甲醇；[4]西華大學、天津大學等院校均對甲醇燃料在柴油機上的應用進行研究。[5～8]在船舶領域，我國尚無使用甲醇燃料先例。[1]國際上，歐洲是船用甲醇燃料的研究和實踐先鋒，其中瑞典國家創(chuàng)新局陸續(xù)開展了一系列研究或試點項目，[1]實現(xiàn)了甲醇燃料實船應用。MAN公司已于2013年開始進行甲醇燃料發(fā)動機的開發(fā)。[9]

梅賽尼斯公司是全球最大的甲醇供應商，[2]2008年產(chǎn)能約占全球產(chǎn)能的9.3%，產(chǎn)品主要供應北美洲、亞太地區(qū)、歐洲和拉丁美洲等主要市場，在江蘇的太倉等地有倉儲。為開拓甲醇的消費市場，該公司擬以江蘇漁船為應用對象，聘請?zhí)旖虼髮W內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室進行甲醇燃料應用改造試驗。

二、甲醇燃料

甲醇的理論空燃比偏低，但單位量的甲醇/空氣混合氣熱值與汽油和柴油混合氣的熱值相當，[4]為甲醇在柴油機中的應用奠定了基礎。甲醇與漁船用燃料的對比如表1所示。在柴油機中使用甲醇燃料具有一定的優(yōu)勢，也存在明顯的不足。

1.甲醇燃料的優(yōu)勢

（1）可降低污染物排放

柴油因產(chǎn)地不同含硫量不一。液化天然氣（LNG）一般在液化前需要脫硫。[10]而甲醇基本不含硫，甲醇燃料發(fā)動機的硫氧化物（SOx）排放（來自于引燃油）可明顯降低，能夠很好地滿足IMO排放控制區(qū)和中國三大船舶SOx排放控制區(qū)的要求。[1]

表1 甲醇與幾種常用燃料理化性質(zhì)對比

在CO和HC以及NOx排放方面，與柴油相比，加入甲醇富氧燃料，在發(fā)動機燃燒中可提高氧燃比，甲醇的黏度低，便于甲醇的擴散，對混合氣形成更有利，使燃燒更充分，CO、CO2和總碳氫（THC）排放均有不同程度的降低。[1]另外，由于汽化潛熱高，可降低進氣溫度，低壓縮負工提高充氣效率，使最高燃燒溫度低，發(fā)動機的NOx排放較低，[6]并有利于提高柴油機的效率。

（2）方便使用與改造

甲醇與液化天然氣（LNG）和液化石油氣（LPG）的污染物排放相當。[9]LNG主要成分為甲烷，雖然無腐蝕，但存貯過程中因受熱會不斷汽化，如不及時使用將可能釋放到大氣中，天津漁船LNG項目存在停港釋放問題加劇漁民經(jīng)濟負擔和環(huán)境污染。此外在運輸加注、使用過程中均存在泄漏的可能。雖然采用LNG在CO2和NOx的排放上有所減少，但使用LNG釋放出的甲烷的危害是CO2的4倍、是NOx的298倍。[11]另外，船舶使用LNG燃料所需的改動成本高。

甲醇常溫下為液態(tài)，方便運輸和儲存，安全性也比LNG和LPG高很多。甲醇最大的優(yōu)勢在于其不需要低溫儲存和絕熱，燃料艙可以是整體式，也可以是獨立式，設計和建造非常簡單，成本大大降低。[1]而對船東來說，船舶的改造成本要大幅降低，并且日常維護成本也降低。

2.甲醇燃料的不足

（1）體積大，經(jīng)濟上優(yōu)勢不明顯

與LNG、柴油相比，甲醇的氧分子含量達50%，單位質(zhì)量熱值不到柴油的一半。相同熱值所需的甲醇燃料艙的體積是柴油艙所需容積的2倍多，比LNG 燃料艙大20%左右，[1]對于同等尺度的漁船，更大的燃料艙意味著漁艙損失，影響營運效益。雖然單噸甲醇價格較低，但同等熱值的甲醇質(zhì)量需翻番考慮（天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室試驗結果為：相同功率甲醇消耗量是柴油的1.7倍），就當前的甲醇與LNG價格相比，甲醇在經(jīng)濟性上不一定具有優(yōu)勢。

（2）啟動困難

甲醇的十六烷值幾乎為零，著火界限體積分數(shù)的下限比LNG高，自燃點比柴油高，在柴油機中使用困難。甲醇高汽化潛熱產(chǎn)生的冷卻效應妨礙了在運行溫度下的完全汽化，難以形成良好的混合氣；壓縮終了缸內(nèi)溫度降低，使著火延遲期變長，影響啟動性能。這一點與LNG類似，在較低功率時需要特殊考慮。

（3）其他方面的不足

甲醇具有毒性、有腐蝕性、閃點低等特點，在人員保護、燃油管系材料選擇、柴油機保護、消防等方面須特別考慮。

三、現(xiàn)有漁船甲醇燃料試驗分析

江蘇海洋漁船基本采用0號柴油作為燃料。在現(xiàn)有漁船進行甲醇燃料試驗，既要考慮柴油機的甲醇燃燒方法與改造的便利，更要考慮人員的安全。只有較全面考慮并有效防范，試驗才可能獲得預期效果。因此必須對現(xiàn)有船改造需求進行分析。經(jīng)天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室研究人員、梅塞尼斯公司人員及作者對幾艘船實船調(diào)研分析，初步選擇一艘江蘇36米標準化漁船作為試驗對象，商討改造方案。該船公約船長32.75米、總噸位165、設計排水量273噸，主機為增壓中冷柴油機、功率190千瓦。

1.現(xiàn)有漁船發(fā)動機燃燒方法的選擇

雖然醇燃料在燃燒和資源等方面有較大的優(yōu)勢。但由于醇燃料燃燒困難，柴油機如不經(jīng)過任何改動，醇燃料很難直接在現(xiàn)有柴油機上應用。[6]為了在柴油機上燃用醇燃料，國內(nèi)外主要采取了如下措施[5～6]：引燃法、直壓法、熏蒸法、缸內(nèi)雙噴射法等。直壓法、熏蒸法、缸內(nèi)雙噴射法這三種方法不便在現(xiàn)有漁船上使用，不作介紹。

（1）引燃法

引燃法又分為乳化（混合燃料）法、化醇器（組合燃料）法。

乳化法，在甲醇被噴入發(fā)動機之前，使之與柴油混合均勻，經(jīng)噴油泵、噴油器噴入柴油機燃燒室。對原柴油機不需進行任何改動，就可實現(xiàn)甲醇燃料的使用。但甲醇燃料與柴油互溶性較差，乳化燃料的穩(wěn)定性也差，容易分層；醇燃料的摻混率高時滯燃期加長，發(fā)動機冷啟動困難，工作粗暴。[6]

化醇器法，將化油器適當改造安裝到柴油機進氣管上，通過節(jié)氣門來控制醇的量。試驗漁船為增壓中冷柴油機，天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室研究人員計劃對實船柴油機中冷器進行重新設計，增加化醇器，并增加中冷器冷卻水流量自動調(diào)節(jié)功能，使用甲醇時減少冷卻水量確保使用甲醇有合適的蒸發(fā)溫度，增壓后的空氣通過噴入的甲醇氣化吸收大量熱量，降低混合氣進入燃燒室溫度，使壓縮負工大為降低，有利于柴油機提高效率。在不使用甲醇時增加冷卻水量也能正常冷卻空氣。試驗后，如漁船不再使用甲醇，安裝原中冷器，對柴油機的原有性能不造成實質(zhì)性影響。

（2）解決啟動困難的措施

甲醇低負荷工作不理想，參考運輸船舶柴油與重油的切換法和天津漁船LNG項目經(jīng)驗，天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室提出：[6]在啟動及低負荷時以純柴油工作，待中高負荷時再將甲醇部分引入汽缸，由柴油引燃實現(xiàn)混合氣燃燒。以此實現(xiàn)高效燃燒，同時又避免過多的醛類物質(zhì)生成。

2.規(guī)則燃油閃點條款的應對

現(xiàn)行規(guī)則規(guī)定[12]：對于具有新穎特征的漁業(yè)船舶，如驗船部門認為本規(guī)則的某些規(guī)定妨礙其發(fā)展新穎特征時，在保證安全的條件下，經(jīng)主管機關同意，可以免除這些要求；燃油的閃點（閉杯試驗）一般應不低于60 ℃。

LNG的閃點-218 ℃，已被同意在漁船中使用。甲醇的閃點僅12 ℃，且甲醇燃料具有新穎特征，須采用合理的措施，取得主管機關（中華人民共和國漁業(yè)船舶檢驗局）的同意才能上漁船試驗。研究人員必須在燃料艙布置與保護、蒸氣探測、消防、人員保護等方面特別考慮。

3.機艙測報、通風與安全防護

（1）機艙甲醇測量報警

甲醇有一定毒性，通過經(jīng)呼吸道和胃腸道吸收，皮膚也可部分吸收，可迅速分布在機體各組織內(nèi)。[12]甲醇在肝內(nèi)代謝，經(jīng)醇脫氫酶作用氧化成甲醛，進而氧化成甲酸，可導致人員中毒、失明甚至死亡。對甲醇的車間空氣衛(wèi)生標準：中國 MAC 50 mg/m3，[13]作者建議以此值作為機艙中甲醇濃度的報警標準。為盡早發(fā)現(xiàn)甲醇的泄漏，在機艙甲醇管系的附近合理設置甲醇檢測點。

（2）機艙通風

江蘇海洋漁船極少采用電力拖動泵等輔機，機艙一般采用自然通風，基本不設風機。船進行甲醇燃料試驗過程中，無法避免甲醇的泄漏，考慮到甲醇的有毒性，自然通風不能滿足安全需要。根據(jù)LNG檢驗規(guī)范，[14]通風量一般應大于30次/小時。在沒有依據(jù)的前提下，參考LNG規(guī)范確認機械通風系統(tǒng)。實船船東自己改裝了一個普通風扇，其控制尚不滿足規(guī)則的要求，風扇的流量也難以滿足要求，需對通風系統(tǒng)進行改進。

（3）安全防護

在消防方面，如果有甲醇燃燒，可利用甲醇與水可以混溶的特點，采用大量水霧進行滅火，需要設置一定的水霧噴頭。采用泡沫、CO2可能很難奏效。一旦報警應及時切斷甲醇供應，并將甲醇排入大氣中或排出口用水噴淋。機艙工作人員應配備防護面具，如有報警則應及時佩戴面具，防止吸入甲醇氣體。

4.甲醇的加注、存貯及供應管系

（1）甲醇的加注與供應管系

甲醇是極性很強的物質(zhì)，對金屬有較強的腐蝕性，對塑料和橡膠有溶解作用，因此對金屬管系、塑料橡膠件等造成不利影響。[5]所以甲醇燃料的儲存和輸送需要采用耐腐蝕金屬或使用防腐添加劑。從甲醇加注口至燃料艙、燃料艙至發(fā)動機之間的所有系統(tǒng)和部件，包括甲醇供應系統(tǒng)和燃料閥組的保護、溫度控制等，可參考LNG動力船燃料供應系統(tǒng)。[14]甲醇黏度很低，且對有機物具有溶解性，泄漏的風險較大，因此，為減少泄漏的可能，采用雙壁管路以及選擇合適的密封材料等措施。

（2）甲醇燃料艙的選擇

在現(xiàn)有船進行甲醇燃料論證性試驗，盡可能少改動，減少經(jīng)費投入。

根據(jù)實船船東介紹，該船每天用油約1.5噸，以甲醇替代率30%計算，按甲醇與柴油使用比1.7：1折算，可初步推算出每天約需甲醇0.75噸。實船設置2個大油柜約16立方米、2個小油柜約7立方米。2個小油柜可裝5噸左右甲醇，可連續(xù)使用6天。減少改裝甲醇存儲柜帶來的成本。油柜的管系需根據(jù)甲醇特性進行調(diào)整。甲醇供應商也不需每天進行甲醇燃料的加注，有利于降低試驗成本。

5.甲醇燃料使用技術培訓

因甲醇有毒、燃點高等導致的相關問題，必須對船上人員進行安全教育，對輪機人員進行甲醇加注、甲醇使用管理、柴油機的檢查等進行培訓。

（1）甲醇的加注

甲醇的加注前，操作人員應戴防護面具，無關人員不應靠近加注現(xiàn)場，對現(xiàn)場的可燃物進行檢查和清除，并嚴禁煙火。甲醇的加注中，操作人員嚴格按照加注程序進行，防止加注時甲醇泄漏。加注后，如有泄漏甲醇，應及時沖洗，減少甲醇對人體的危害。

（2）甲醇的使用要求

在啟動及低負荷時采用純柴油模式，當達到中高負荷時，再采用混合模式。參考LNG規(guī)范的要求，甲醇準備投入燃燒前，可預先對機艙進行通風，然后再使用甲醇，使用期間保證機艙的通風良好。在將進入低負荷前，停止使用甲醇，可將管路中的甲醇泄入回收筒、再加注到甲醇罐中，或采用適當壓力的壓縮空氣將供應管系中甲醇吹入柴油機進氣系統(tǒng)中，既避免浪費也保護環(huán)境，不建議采用LNG較高成本的惰性氣體保護方式。待甲醇處理完畢后仍需繼續(xù)通風15分鐘以上。

（3）潤滑油選擇

甲醇黏度低，雖然有利于混合空氣的形成，但潤滑性能差。甲醇與油易溶，能夠?qū)櫥湍は吹?。甲醇燃燒生成有機酸（甲酸）能直接腐蝕金屬，進入滑油中的甲酸能與滑油中的抗氧化劑發(fā)生反應使其失效，從而增大各摩擦部位的腐蝕與磨損。甲醇燃燒相對清潔，加劇了汽缸和活塞環(huán)的磨損。滑油需要增加堿度和黏度應對。

四、結語

甲醇作為燃料具有清潔、環(huán)保、可再生、可獲取性強等特點。與LNG相比，甲醇燃料具有對現(xiàn)有船系統(tǒng)改造簡單、使用方便等特點；與柴油相比，甲醇燃料具有明顯的排放優(yōu)勢，適應我國三大船舶SOx排放控制區(qū)要求。雖然單噸甲醇價格較低，但甲醇含氧量高，熱值不到柴油的一半，提供相同的能量則需要更大的存貯空間。我國甲醇的價格受煤炭價格影響很大，經(jīng)濟上不一定占優(yōu)，這是甲醇燃料推廣難的關鍵問題。如果供應商能控制甲醇的價格，讓船東有利可圖，將有利于甲醇燃料在漁船甚至交通船舶上的推廣。

在國外甲醇已成為船舶的替代燃料，科研項目與實船試點表明，甲醇用作船用燃料的安全性、環(huán)保性能夠充分保證。使用甲醇燃料還有利于消化煤炭的過剩產(chǎn)能。天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室開發(fā)的甲醇-柴油雙燃料燃燒技術，已在陸上重型柴油機上得到了部分應用。為能在漁船上應用試驗取得成功，將先在同型柴油機上進行甲醇燃料臺架試驗，進一步分析甲醇燃料使用的技術可行性。本文討論的有關內(nèi)容希望對甲醇的試驗能有所幫助，也為后續(xù)的甲醇燃料規(guī)則的制定提供參考。

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10.16176/j.cnki.21-1284.2017.04.005

袁士春（1970—），男，江蘇漁船檢驗局，高級工程師，博士。