吳禹臻　吳杰峰

摘 要：改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展水平也越來越高，但是隨之而來的環(huán)境污染也成為不可承受之痛，長江作為中華民族的母親河，不僅孕育了燦爛的中華文明，在當今中國經(jīng)濟的發(fā)展進程中更是起到了交通大動脈的作用，長江黃金水道在帶來驚人運輸效益的同時，大量船舶因燃燒傳統(tǒng)柴油燃料造成污染也是驚人的，作為一名武漢長江邊出生長大的高中學生，通過所學物理化學知識，分析船舶污染、黑煙的來源，提出船舶清潔能源應用選擇發(fā)展方向。

關鍵詞：船舶；清潔能源；天然氣

中圖分類號：U677.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）4-0057-03

自工業(yè)革命以來，煤炭、石油等傳統(tǒng)燃料的使用，極大地推動了人類工業(yè)文明發(fā)展進程，但隨之而來的污染卻也嚴重威脅著全人類的身體健康乃至人類的文明發(fā)展進程，如何選擇應用清潔能源已成為全世界共同面對的問題。

改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展水平蒸蒸日上，但是隨之而來的環(huán)境污染也成為不可承受之痛。長江作為中華民族的母親河，不僅孕育了燦爛的中華文明，在當今中國經(jīng)濟的發(fā)展進程中，長江作為橫貫西東的黃金水道，更是起到了交通大動脈的作用，長江在帶來驚人運輸效益的同時，大量船舶因燃燒傳統(tǒng)柴油燃料造成污染也是驚人的，筆者作為一名武漢長江邊出生長大的高中學生，看到長江上船舶排出的滾滾黑煙，痛心不已，通過筆者所學物理化學知識，分析船舶黑煙的來源，對船舶清潔能源的應用及發(fā)展方向提出有價值的參考，也為國家建設綠色長江經(jīng)濟帶貢獻自己的力量。

1 船舶內燃機工作原理及污染原因分析

1.1 船舶內燃機及燃料使用

目前，長江上船舶普遍使用以柴油作為燃料的內燃機作為航行推進動力，內燃機本質上是一種燃燒，燃燒將化學能轉化為機械能，它是通過使燃料在機器內部燃燒，并將其放出的熱能直接轉換為動力的熱力發(fā)動機。傳統(tǒng)內燃機采用汽油或柴油作為燃料，燃燒后會產(chǎn)生固體顆粒物、氮氧化物（NOx）等多種有害物質，盡管內燃機具有效率高、體積小、續(xù)航里程高等優(yōu)點，但是其每年消耗燃料并排放危害環(huán)境和人體健康的物質，而排放的固體顆粒物也是近年來霧霾頻發(fā)的誘因之一。

1.2 汽柴油成分

汽油的成分很復雜，其中含有上千種化合物，主要成分是C4～C12烴類，為混合烴類物品之一，是一種無色或淡黃色、易揮發(fā)和易燃液體，具有特殊臭味。汽油不溶于水，易溶于苯、二硫化碳和醇。

柴油也是混合物，中間有較多可燃烴類，如鏈烷烴、環(huán)烷烴、單環(huán)芳烴、烷基苯、茚、萘衍生物、多環(huán)芳香烴、三環(huán)芳烴等。

與汽油相比，柴油能量密度高，燃油消耗率低，柴油可分為輕柴油（沸點范圍約180～370℃）和重柴油（沸點范圍約350～410℃）兩大類。

使用汽柴油的內燃機廣泛用于船舶、車輛、鐵路機車。

1.3 汽柴油內燃機的污染排放分析

分子中僅含C、H兩種元素的有機物烴類，可用通式CxHy表示，且y≤2x+2。汽油的主要成分是含碳原子5～11個的烴，柴油以含碳原子15～18個的烴為主，烴類在燃燒時，含碳量（質量分數(shù)）越高，就越易造成不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳甚至冒黑煙，這也是柴油機為什么比汽油機更容易產(chǎn)生黑煙的原因之一，而大中型船舶普遍是采用柴油機作為推進動力的：

（1）可燃物完全燃燒時，其中碳元素全部生成二氧化碳、氫元素全部生成水，因此碳氫化合物CxHy，在空氣中完全燃燒生成二氧化碳和水，該反應的化學方程式可表示為：

4CxHy+（4x+y）O2=4xCO2+2yH2O

（2）可燃物不完全燃燒時，其中碳元素生成一氧化碳、氫元素生成水、烴鏈結構中碳元素也會生成顆粒物，可燃物不完全燃燒時，其中碳元素全部生成一氧化碳、氫元素全部生成水，因此碳氫化合物CxHy，在空氣中不完全燃燒生成一氧化碳和水，該反應的化學方程式可表示為：4CxHy+（2x+y）O2=4xCO+2yH2O；生成“黑煙”和水可表示為：4CxHy+yO2=4xC+2yH2O。

使用傳統(tǒng)汽柴油內燃機尾氣的排放物是大氣污染物的一個主要來源，其中，排放的固體顆粒物是普遍認為的霧霾重要誘因之一，我們日常在長江邊上看到船舶排出的滾滾黑煙，就是固體顆粒物的排放重要表現(xiàn)之一。

除了上面分析的污染，傳統(tǒng)汽柴油中含有的鉛、硫化物燃燒后產(chǎn)生鉛氧化物和硫氧化物，還有氮氧化物，這些都隨著滾滾黑煙排入大氣，對我們長江母親河沿線生態(tài)造成了嚴重的污染，也不符合建設綠色長江經(jīng)濟帶的國家戰(zhàn)略。

2 清潔能源發(fā)動機

長江上航行的船舶普遍采用柴油作為燃料，通過以上分析得知，傳統(tǒng)的汽柴油難當清潔能源大任，那么在推進動力系統(tǒng)方面，可選用新清潔能源動力方面又有哪些呢？

2.1 純電動驅動

純電動驅動采用“充電->電池->驅動電機”的工作原理，從根本上避免了內燃機燃燒排放所造成的污染，然而，作為純電動驅動的“心臟”的動力電池，普遍存在價格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時間長等缺點。純電動驅動應用于城市公交、短程定點車輛、小型定線船舶運行尚屬可行，而大中型船舶應用因要求續(xù)航里程長，動力輸出功率大等原因，純電動推進系統(tǒng)無法應用于大中型運輸船上，即便有的大中型船舶用的電動推進系統(tǒng)，也是由船舶自身內燃機發(fā)電供給的，由國內“廣船國際”建造的應用最新技術的純電力驅動船舶，采用超級電容加鋰電池的方式來存儲電能，但其續(xù)航力也不到100公里，不具備長航程運營的能力，長江僅武漢到上海航段就長達1000多公里，此技術顯然在長江航運上不具備可實施性，此外船用電池制造、報廢處理所造成的污染也是不可回避的環(huán)保難題?？傊圃斐杀靖?、續(xù)航里程短、充電時間長、次生污染嚴重等都是現(xiàn)階段純電動驅動技術無法應用于船舶的主要原因。

2.2 太陽能動力

太陽能動力使用太陽能電池把光能轉化成電能，電能會儲存在電池中備用，用來推動電動機。由于太陽能動力也避免了內燃機燃燒所造成的污染，所以不會釋放有害污染物。

太陽能動力行駛和充電需要靠充足的陽光，在長江流域陰雨天氣較多的情況下，無法確保充電運行。太陽能板大量采用碳纖維等材料外，其表面覆蓋砷化鎵薄膜，一旦損壞撞壞，更換這些太陽能電池板的砷化鎵薄膜成本就很高，太陽能電池板本身在制造過程中也會產(chǎn)生大量污染。

目前，太陽能動力成本高、效率低、占用空間大的現(xiàn)狀，使其無法滿足作為船舶推進動力的要求，太陽能船舶動力的前景目前并不樂觀。相比純電動驅動，太陽能動力系統(tǒng)可能面臨定價更高更難普及的難題，目前看來太陽能也將是高貴的環(huán)保而不經(jīng)濟。

2.3 新型天然氣內燃機

在純電動或太陽能動力都不可行的前提下，我們不妨換一種思路，對原有內燃機系統(tǒng)改良，能否實現(xiàn)清潔排放？

在國內，科研機構從本世紀初就開始探索用天然氣作為燃料為船舶發(fā)動機提供動力的研究，經(jīng)過多年努力，這項研究已在技術、實踐上取得重大突破，進入實用階段。

將傳統(tǒng)的汽柴油內燃機改作（換新）為天然氣動力發(fā)動機，以天然氣取代傳統(tǒng)內燃機的汽柴油，內燃機燃燒基本原理不變，動力系統(tǒng)推進特性不變，能滿足船舶穩(wěn)定持續(xù)的動力推進需求僅在控制系統(tǒng)方面做少許改變，對原有動力系統(tǒng)改動極小，應該是目前船用清潔能源的發(fā)展方向。

3 天然氣發(fā)動機排放分析

天然氣發(fā)動機本質上仍屬于內燃機，所不同的是將傳統(tǒng)內燃機的汽柴油燃料更換為天然氣，同時在發(fā)動機本身及控制系統(tǒng)上做出相應改進，從而實現(xiàn)與傳統(tǒng)內燃機一樣持續(xù)、穩(wěn)定的功率輸出。

天然氣的主要成分是甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有少量硫化氫、二氧化碳、氮和水氣等雜質。

作為天然氣主要成分甲烷，在內燃機中燃燒反應如下：

完全燃燒：

CH4+2O2=CO2+2H2O（反應條件為點燃）

甲烷+氧氣→二氧化碳+水蒸氣

不完全燃燒：

2CH4+3O2=2CO+4H2O（反應條件為點燃）

甲烷+氧氣→一氧化碳+水蒸氣

通過方程式可以看到，因天然氣組分較為單一，碳基含量低，其完全燃燒后主要成分為二氧化碳和水，不完全燃燒也不會生成游離的碳顆粒，自然也就沒有滾滾黑煙，與汽柴油相比，天然氣硫含量極低，不含有鉛，其燃燒后也基本沒有硫氧化物和鉛氧化物，為什么將天然氣稱作清潔能源也就不難理解了。

天然氣動力有以下幾個優(yōu)點：

（1）有較高的經(jīng)濟效益：從國際能源定價趨勢來看，世界各國一般將1立方米天然氣的價格控制為1升汽油柴油的一半；

（2）氣體燃料在制備過程中能量損失較小，對大氣的有害排放污染物少；

（3）天然氣動力屬于內燃機系統(tǒng)，僅將原來傳統(tǒng)的汽柴油燃料改換為天然氣，改造實現(xiàn)技術相對簡單，最終用戶改造較為簡單，原內燃機產(chǎn)業(yè)鏈上的各項基礎投資均可利用，原有的內燃機社會資源投資可得到有效利用。

存在的缺點及解決方案：

（1）運輸性能比液體燃料差、發(fā)動機的容積效率低、著火延遲較長及動力性有所降低。天然氣的主要成分是甲烷，通過我們所學的物理知識可以得知，將其降溫到約零下160度時，其會變?yōu)橐后w，事實上目前已有成熟的技術將天然氣降溫液化，體積可縮小600倍，液化后的天然氣和液態(tài)的汽柴油一樣便于存儲運輸，天然氣液態(tài)存儲運輸技術已相當成熟。對于天然氣與汽柴油燃燒特性的區(qū)別，可通過改造內燃機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對內燃機天然氣燃燒的良好控制。

（2）國家已大力規(guī)劃投資興建陸地、水上液化天然氣加注站，以液態(tài)的方式存儲、加注天然氣燃料也與汽柴油一樣便捷。

4 船舶天然氣燃料動力國內外應用現(xiàn)狀

4.1 國內外應用現(xiàn)狀

近年來，國內外關于船舶天然氣燃料動力應用的相關工作已陸續(xù)開展。丹麥、挪威等國家已在渡船、滾裝船、海岸警備船和平臺供應船等應用液化天然氣作為燃料。

在國內，天然氣作為船舶發(fā)動機燃料也逐步進入快速發(fā)展階段，長江水系重慶、貴州、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海、浙江、山東等省市均有天然氣燃料動力船舶投入使用。2010年8月，京杭運河水域第一艘天然氣燃料動力船3000噸級“蘇宿貨1260”號成功試航；2010年8月，長江首艘天然氣燃料動力船 “武拖輪302”在武漢成功下水試航；LNG-柴油雙燃料動力“長迅3”號貨船在長江重慶航段試航成功；2011年4月，5000噸級天然氣燃料動力貨船“紅日166”號在蕪湖試航成功；而近兩三年來江蘇海通貨運、上海綠動集團、安徽萬峰航運公司等投資建造的新一批天然氣燃料動力船陸續(xù)下水投入運營，天然氣燃料船舶發(fā)動機技術日臻成熟。

4.2 技術規(guī)范法規(guī)逐步健全完善

中國船級社于2013年正式發(fā)布了《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》，并在2017年進行更新發(fā)布《天然氣燃料動力船舶規(guī)范（2017）》，國家海事局也于2013年發(fā)布《內河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規(guī)定》。

中國船級社頒布的《液化天然氣燃料水上加注設施入級建造規(guī)范》，2017年中國船級社對《液化天然氣燃料水上加注躉船規(guī)范》進行更新。海事局也發(fā)布了《內河液化天然氣水上加注設施法定檢驗暫行規(guī)定》。

由交通運輸部審定發(fā)布的《內河液化天然氣加注碼頭設計規(guī)范》（JTS196-11-2016）和《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》（JTS165）已于2016年11月正式生效。

船舶應用天然氣燃料動力推進的技術指導保障規(guī)范已逐步健全完善。

5 分析及結論

（1）將天然氣燃料用于船舶內燃機推進系統(tǒng)，可有效地降低環(huán)境污染。

（2）相比于電力推進和太陽能推進，天然氣內燃機具有投資小、動力穩(wěn)定、續(xù)航里程長、儲存補充便捷、無次生污染等優(yōu)點。

（3）船舶使用天然氣作為燃料，可充分保留原內燃機產(chǎn)業(yè)鏈的基礎投資和技術儲備，有效節(jié)省社會資源。

（4）其應用技術成熟、配套政策和基礎設施建設完善，是長江船舶應用清潔能源的首選。

參考文獻：

[1]《長江航運發(fā)展報告2016》，交通運輸部長江航務管理局，2017.6.

[2]《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案》，交通運輸部，2015.12.

[3]《內河液化天然氣水上加注設施法定檢驗暫行規(guī)定》，海事局，2014.

[4] 《內河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規(guī)定》，海事局，2013.

[5]《長江航運知識讀本》，湖北科技出版社，2005.