劉志杰

（江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

全球溫室氣體排放中，按照溫室氣體種類的不同，以CO2當(dāng)量比照，CO2占溫室氣體排放總量的77%，甲烷占14%，氧化亞氮占8%，其他氯氟化物占1%[1]。可見甲烷在溫室氣體中的比例僅次于CO2。

目前各大用船公司為了規(guī)避SOx及NOx的最新排放限制要求，廣泛采用了以燃燒LNG為動力的發(fā)動機(jī)，這使得甲烷排放逐年遞增。2020年發(fā)表的第4份國際海事組織溫室氣體報(bào)告已經(jīng)強(qiáng)調(diào)，航運(yùn)業(yè)的甲烷排放量增加了86%，然而這還是在許多大型LNG動力船交付之前。由于甲烷的溫室氣體效應(yīng)高于CO2近幾十倍，隨著LNG船隊(duì)伍的不斷壯大，對全球溫室效應(yīng)影響在逐步增加。因此甲烷排放正受到國際環(huán)保組織越來越多的關(guān)注，國際海事組織（IMO）也有出臺相應(yīng)法規(guī)的可能性，這讓許多船東對未來是否繼續(xù)投資LNG燃料技術(shù)抱有隱憂。

1 LNG船甲烷主要排放來源

1.1 閃蒸氣（BOG）

LNG燃料艙內(nèi)的液態(tài)甲烷受到外界環(huán)境熱量的入侵和LNG罐內(nèi)泵和其他機(jī)械部件運(yùn)行時將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能等都會使LNG氣化產(chǎn)生閃蒸汽，簡稱BOG氣體。

閃蒸氣（BOG）一般可分為臨時產(chǎn)生和持續(xù)產(chǎn)生。

臨時產(chǎn)生的閃蒸氣是LNG燃料加注卸貨過程中帶入的熱量，主要是由于在進(jìn)行加氣作業(yè)時員工對LNG燃料艙操作未參照所規(guī)定的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或是加氣車輛太少，加氣量達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)模，導(dǎo)致LNG加氣時間過長等因素而造成BOG量增加。

持續(xù)產(chǎn)生的閃蒸氣是LNG艙冷態(tài)環(huán)境下外界進(jìn)入的熱量，同時泵和機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時也會與外部發(fā)生緩慢的熱交換，形成BOG氣體。

1.2 甲烷逃逸

甲烷逃逸是指燃?xì)獍l(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)沒有參與燃燒的甲烷隨尾氣排放到大氣中的情況，主要來自如下因素：

1）氣門疊開期間，進(jìn)氣門-氣缸-排氣門相互連通，部分燃?xì)馕磥淼眉叭紵S氣流直接經(jīng)由排氣門排出缸外，這是甲烷逃逸的重要來源；

2）狹隙效應(yīng)，活塞、活塞環(huán)與氣缸壁之間不能實(shí)現(xiàn)完全密封，存在間隙，燃燒室內(nèi)燃?xì)馔ㄟ^各種狹窄的縫隙集聚了一定數(shù)量未燃燒的甲烷，這是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)內(nèi)甲烷的主要來源之一。

甲烷逃逸易發(fā)生在燃料稀少區(qū)域，某些規(guī)定區(qū)域內(nèi)的空氣系數(shù)超過3 h，燃料燃燒不充分無法傳遞熱能，造成的火焰忽然熄滅，從而產(chǎn)生未燃甲烷的排放。

2 蒸發(fā)氣（BOG）的處理方法

2.1 減少臨時產(chǎn)生的BOG的處理辦法

加氣前，為防止LNG管路和加注泵及流量計(jì)等突然受冷應(yīng)力作用，并產(chǎn)生大量的閃蒸汽，需要對加注管路進(jìn)行預(yù)冷。

加注時，需要增加槽車壓力，讓槽車壓力持續(xù)高于儲罐壓力，而LNG船在實(shí)際運(yùn)行過程中槽車一直處于低壓狀態(tài)。要增加槽車壓力，儲存罐內(nèi)的閃蒸汽排放量也要隨之增加，同時對儲存罐及槽車進(jìn)行壓力平衡作業(yè)步驟，避免卸車時有蒸發(fā)氣體排放。

加氣完畢后，加注泵停止工作，加注泵的管道內(nèi)和泵池存在一定數(shù)量的殘留液體，這些液體會迅速汽化，若加注泵停止運(yùn)行工作時間較長進(jìn)需要關(guān)閉氣相根部的閥門，如果氣相根部閥門是開放狀態(tài)，泵池和管道內(nèi)的壓力持續(xù)增加，LNG會被壓回燃料艙，從而減少BOG產(chǎn)生。

2.2 減少持續(xù)產(chǎn)生的BOG的處理辦法

持續(xù)產(chǎn)生BOG的處理方式有閃蒸氣的再液化、閃蒸氣的再利用和提高LNG燃料艙設(shè)計(jì)壓力。

1）閃蒸氣（BOG）再液化

閃蒸氣再液化是利用再液化裝置對閃蒸氣（BOG）進(jìn)行再冷卻液化處理后注入到燃料艙的過程。閃蒸汽再次液化主要是通過降低燃料艙的溫度，閃蒸汽經(jīng)過低溫制冷后形成一個液態(tài)流，這一變化過程屬于制冷過程，也是在低溫狀態(tài)下天然氣的形成過程[2]。

2）閃蒸氣的再利用

蒸發(fā)氣BOG的利用有不同方式，本次主要研究2種利用方式，一種是將蒸發(fā)氣作為燃料，燃料燃燒為船只提供動力，另一種是利用氣體燃燒裝置（Gas Combustion Unit，GCU）將閃燃?xì)膺M(jìn)行燃燒。

3）提高LNG燃料艙設(shè)計(jì)壓力

船用甲烷燃料艙的設(shè)計(jì)壓力一般為0.2～1.0 MPa。增加LNG燃料艙的設(shè)計(jì)壓力，壓力釋放閥的設(shè)定壓力增加會提高儲罐的儲存時間，從而減少BOG的排放[2]。

以上3種BOG處理辦法優(yōu)缺點(diǎn)分析如表1所示。

表1 BOG處理辦法對比

3 甲烷逃逸處理的技術(shù)方法

甲烷逃逸處理的技術(shù)方法有發(fā)動機(jī)高壓直接噴射，甲烷排放管理（ICER系統(tǒng)）和發(fā)動機(jī)的制造設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1 發(fā)動機(jī)高壓直接噴射

以ME-GI柴油機(jī)為例（見圖1），在壓縮點(diǎn)附近，先后噴入引燃油和高壓天然氣。由于缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)采用迪塞爾循環(huán)，具有與柴油機(jī)相近的動態(tài)特性，可大幅減少氣門重疊角期間燃?xì)獗恢苯訏叱?，其甲烷在燃燒室?nèi)燃燒更充分，因而大大較少了甲烷損失數(shù)量，廢氣中所含的甲烷可以忽略不計(jì)。但是高壓直接噴射由于NOX排放相對較差，且高壓燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)復(fù)雜，制造和維護(hù)成本高昂。

圖1 高壓直噴發(fā)動機(jī)示意圖

3.2 甲烷排放管理（ICER系統(tǒng)）

以WINGD的XDF 2.0為例，當(dāng)該設(shè)備處于低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，燃料燃燒不充分，導(dǎo)致大量柴油機(jī)廢氣堆積，未燃燒的甲烷數(shù)量也持續(xù)增加。同時XDF柴油機(jī)廢氣中甲烷逃逸量可達(dá)2%～4%[3]，針對這個WINGD研發(fā)出了ICER甲烷排放處理系統(tǒng)。

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（intelligent control by exhaust recycling，WINGD ICER），是將廢氣再循環(huán)至氣缸內(nèi)燃燒的過程。柴油機(jī)在燃?xì)饽Ｊ焦ぷ鲿r，背壓閥BPV會部分關(guān)閉，關(guān)閉閥SOV打開，此時部分廢氣經(jīng)過冷卻后將再次循環(huán)至柴油機(jī)進(jìn)氣端，大約30%～50%的廢氣參與到廢氣再循環(huán)中。由于廢氣中的甲烷又流回至進(jìn)氣端在氣缸內(nèi)參與二次燃燒，從而減少了甲烷的排放。經(jīng)過ICER處理后甲烷逃逸量最大可以減少至50%。

3.3 發(fā)動機(jī)的制造設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）改善空氣與天然氣的混合過程，如采用支管噴射，進(jìn)氣支管安裝燃?xì)鈬娚溟y，進(jìn)氣道上安裝燃?xì)鈬娮?，噴射閥根據(jù)電控指令定時定量噴射天然氣等，從而盡量實(shí)現(xiàn)均勻混合，減少稀燃猝熄現(xiàn)象。

2）減少氣缸、活塞，活塞環(huán)與氣缸壁之間的不完全密封，降低活塞環(huán)頂岸高度設(shè)計(jì)，減少活塞與氣缸壁之間的狹隙區(qū)域（見圖2）。圖2給出了不同的活塞環(huán)頂岸高度對于甲烷排放的影響示例可以看出，隨著負(fù)荷的增加，降低活塞環(huán)頂岸高度所獲得的甲烷減排效果逐步提高[4]。

圖2 活塞環(huán)頂岸高度對CH4排放影響示例

3）采用電控共軌噴射技術(shù)。常規(guī)發(fā)動機(jī)是依靠凸輪軸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣閥門開度及噴油的。采用共軌機(jī)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)燃料噴射和進(jìn)排氣系統(tǒng)的電子控制，從而根據(jù)燃料的特性，實(shí)現(xiàn)燃油模式下及燃?xì)饽Ｊ较?，選擇最佳的噴油時間和進(jìn)氣門開啟時間，從而減少甲烷的逃逸。以某廠的雙燃料發(fā)動機(jī)為例（見圖3），在全負(fù)荷工況下，采用電控共軌噴射技術(shù)，燃?xì)饽Ｊ较碌臍忾T重疊角較燃油模式顯著減小，有利于減少甲烷逃逸。

圖3 雙燃料發(fā)動機(jī)電子共軌噴射技術(shù)

3.4 甲烷排放逃逸的優(yōu)缺點(diǎn)

甲烷逃逸處理辦法優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 甲烷逃逸處理辦法對比

4 結(jié)語

本文對LNG船甲烷排放的來源進(jìn)行介紹，研究了甲烷排放的處理辦法并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。LNG是當(dāng)下較環(huán)保、經(jīng)過驗(yàn)證的、有競爭力的可用船舶燃料。由于其溫室效應(yīng)的影響，未來航運(yùn)界對于LNG的排放標(biāo)準(zhǔn)限值會跟進(jìn)并且會越來越嚴(yán)，因此需要改善加氣站建設(shè)水平，積極研究探索BOG的回收利用，逐步優(yōu)化和減少甲烷溫室氣體的排放，為實(shí)現(xiàn)“零排放”不斷去發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。