船舶燃料現狀及未來清潔燃料發展趨勢分析

王海江

摘? 要：隨著經濟社會發展和國際經濟貿易往來活動頻次提高，航運業迎來了快速發展，船舶發動機作為國際航運船舶的主要動力，其大型化和數量也快速增長，由此帶來的發動機尾氣排放對大氣環境造成的污染問題也越趨嚴重，如何降低船舶柴油機的尾氣排放量，提高發動機燃料的性能，減少全球溫室氣體排放，滿足國際海事組織的要求，正引起國際社會的密切關注，因此，航運業也面臨著尋找和獲取低碳替代燃料的重大挑戰。

關鍵詞：船舶動力;清潔燃料;尾氣排放;溫室氣體

中圖分類號：U677 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）30-0010-03

Abstract： With the vigorous development of international trade and shipping， the exhaust emissions of marine diesel engine fueled by petroleum products cause more and more serious pollution to the environment. How to reduce the exhaust emissions of marine diesel engine， reduce the greenhouse gas emissions， and meet the decarbonization requirements of the International Maritime Organization has attracted extensive attention of the international community. Therefore， the shipping industry is also faced with the major challenge of finding and acquiring low-carbon alternative fuels.

Keywords： ship power; clean fuel; exhaust emissions; greenhouse gases

1 背景介紹

全球工業化以來，石油、煤炭、天然氣等石化能源飛速發展，已成為經濟社會發展的主要能源和強勁動力，但它們在繁榮世界經濟的同時，以石油產品為燃料的船舶廢氣排放造成的環境污染問題也日趨嚴重。

2018年4月13日，IMO第72屆海上環境保護委員會在英國倫敦通過了國際海運溫室氣體減排初步戰略，要求分三個階段目標，逐步實施，爭取到2050年，全球溫室氣體年度總排放量與2008年相比至少減少50%，并努力按照與《巴黎協定》溫控目標一致的減排路徑，逐步消除海運溫室氣體排放。要實現海運行業的排放目標，首先要提升船舶發動機的技術水平和燃燒效率，同時也要開發和使用更清潔的發動機燃料，總體上提高船舶發動機的排放水平。

2 船舶動力燃料分類

船舶最初是使用往復式蒸汽輪機和蒸汽渦輪發動機作為動力，其主要燃料是煤炭，但由于其經濟性差，體積龐大，已逐步被淘汰;隨著科技進步，燃氣動力裝置的出現促使航運業迅速發展，其主要燃料是石油燃料，也是目前船舶的主要動力燃料;二戰后，核動力得到了快速發展，但由于其安全性和高昂的制造成本，僅用于大型軍艦和核潛艇，其主要燃料是核燃料;近幾年在科技進步和環保效應雙重作用下，氣體燃料動力技術逐步成熟，并大范圍投入商業化運營。

2.1 蒸汽動力燃料

船舶蒸汽機動力裝置實際屬于外燃式動力裝置，通過外部的鍋爐燃燒燃料加熱鍋爐中的水產生蒸汽推動發動機運轉。蒸汽動力的熱效率低，正逐步退出歷史舞臺，但由于單機功率大，目前大型軍艦仍然廣泛使用。

蒸汽動力燃料主要包括：煤炭、地熱，光能、核能等。通過這些燃料的燃燒或物化反應產生熱能，熱能加入水成蒸汽，蒸汽驅動動力機產生動能或電能，作為船舶動力源。

2.2 燃氣動力燃料

船舶燃氣動力主要包括燃氣輪機動力和柴油機動力，柴油機是目前熱效率最高的一種熱機，具有啟動速度快、運轉穩定性好、安全高效、功率范圍大等優點，對于船舶市場，柴油機動力占絕對優勢，相信在未來相當長的時期內還將維持現狀;其主要燃料包括輕柴油、重油，渣油等石化燃料;燃氣動力系統效率低，部分負荷下效率下降快，不能直接倒車，因此主要用于陸用發電，在船舶上應用很少。

燃氣動力燃料主要包括：輕油、重油、天然氣等。主要工作原理是霧化的燃料跟空氣混合后在氣缸內被壓縮、燃燒、做功，驅動動力機產生動力或電能，作為船舶動力源。

2.3 核動力燃料

核動力是由核燃料在反應堆中產生裂變反應，釋放巨大能量，被不斷循環的冷卻水吸收，并通過蒸汽發生器將熱量傳給第二個回路中的水，使之變為蒸汽后到汽輪機中做功。核燃料的優點是質量輕，燃燒不需空氣助燃，不需配置進排氣系統，但缺點是要對核分裂反應釋放的大量放射性物質進行嚴格防護，而且系統復雜，安全管理、系統操縱、檢修維護都有很高的要求;目前由于建造成本高，主要用于大型軍艦和潛艇。

產生裂變的核燃料主要有：鈾233、鈾235鈾238，和钚239。

3 船舶發動機燃料現狀

3.1 船用燃料油

燃料油主要是對石油進行裂化和直餾后剩余的殘渣油制成的，其特點是含非烴化合物、瀝青質、膠質多，粘度大。

船用燃料油的燃燒質量是影響柴油機工作性能的關鍵參數，早期，柴油機的設計是以選擇的燃油最大粘度為基礎進行的，但從上世紀70年代初開始，隨著世界工業化迅猛發展，市場上輕質油供不應求的局面越來越嚴重，為了滿足日益增長的需求，各煉油廠紛紛升級完善煉油設備和工藝，對原油進行二次精煉、分煉，以獲得更多的輕質油來滿足市場的大量需求;這就導致今天的低質燃油與以往的重質燃油有明顯的不同;為了適應這一變化，船舶柴油機的設計和制造單位也在加大研究投入，改進內部結構，對燃油的各個指標提出更準確的要求，除了考慮燃油的粘度外，還限定了燃油的密度、溫度、燃點、閃點、殘碳、著火極限、瀝青質含量、含硫量、含水量、灰分等等。為此， ISO于1987年首次公布了船用燃料油的質量標準，并及時更新。

3.2 氣體燃料

氣體燃料的來源主要由固體燃料經干餾或氣化而得到的水煤氣、焦爐煤氣、或發生爐煤氣等;從液體燃料加工所制得到的煤氣;從油井中伴隨著石油而溢出的石油伴生氣及石油加工過程中產生的氣體;高爐冶煉過程中所產生的高爐煤氣等;主要成分一般含有低分子量的碳氫化合物、氫和一氧化碳等可燃氣體，并常含有氮和二氧化碳等不可燃氣體;氣體燃料是一種清潔、優質、高效的燃料，其火焰傳播速度較快，著火溫度相對比較低，燃燒速度很快，很容易實現自動輸氣、混合、燃燒過程。

為了滿足船舶發動機排放限值的要求，近些年氣體燃料也越來越多地應用到船舶發動機上，出現了LNG燃料動力船舶，LPG燃料動力船舶，CNG燃料動力船舶，雙燃料動力船舶等清潔燃料船舶。

3.3 甲醇

甲醇的化學分子式為CH3OH，是一種無色、有毒、透明、易揮發的易燃液體，其理化性質與汽油類似，閃點為12℃，屬于低閃點燃料。甲醇不含硫，因此甲醇燃料發動機的硫氧化物（SOx）排放（來自于引燃油）較柴油機（使用重油）可降低99%，能夠很好地滿足IMO排放控制區和中國三大船舶SOx排放控制區的要求。用兩臺發動機的測試結果如表1所示。

因此，使用甲醇作為燃料的發動機很容易滿足目前NOx排放要求。

3.4 生物柴油

生物柴油是指動物油、植物油、廢棄油脂或微生物油脂與甲醇或乙醇經酯轉化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。生物柴油是典型的“綠色能源”，具有好的環保性能和啟動性能，原料來源豐富，而且可再生等特性。許多研究試驗表明，無論是小型、輕型柴油機還是大型、重型柴油機，發動機燃燒生物柴油后的尾氣排放碳氫化合物都減少55%～60%，顆粒物減少20%～50%，多環芳烴減少75%～85%，CO減少45%以上。

3.5 幾種燃料特性對比

目前主流和未來清潔燃料的特性參數如表2所示。

4 未來清潔燃料趨勢

船舶未來清潔燃料必須滿足環保、高效、續航能力強、易于獲得、便于存儲和運輸幾個先決條件。

（1）船用燃料油，主要是指重油和低硫油，由于其成熟的內燃機燃燒技術和完善的市場配套，能夠持續、可靠為船舶提供動力，所以在未來相當長的時期內，仍然是船舶的主要動力燃料，但為了滿足日趨苛刻的發動機排放要求，只有一方面通過不斷完善發動機內部的結構設計，提高燃燒品質;另一方面通過配置發動機排氣后處理裝置來提高發動機的尾氣排放水平，比如SCR，SCRUBBER，EGR等技術來滿足IMO排放法規要求。

（2）LNG燃料，跟柴油燃料相比，LNG具有更好的抗爆性，燃燒更充分、效率更高，且燃燒產物清潔、環保，但LNG燃料受制于燃料加注和船舶續航力的限制，不可能全面推廣，只有在特殊航線，特殊用途的船舶上才有大的發展。

（3）甲醇燃料，具有環保、清潔干凈、可再生、獲取便利等特點，已逐漸成為航運界關注的替代燃料，經過試驗研究與實船安裝使用表明，甲醇用作發動機燃料安全可靠，環保性能好;雖然近期在燃料的制備成本、實際使用經驗、關鍵部件質量等方面仍存在諸多挑戰，但相信隨著實際項目的增多，技術不斷革新，同時在航運減排壓力逐步擴大的情況下，甲醇在未來船用替代燃料市場必將有大的發展前途。

（4）生物柴油燃料，是未來典型的“清潔燃料”，具有諸多優點，盡管發展起步較晚，目前大都處于研發和驗證階段，各相關的配套設施、發展政策和技術標準發展滯后，需要國家層面加大研發力度，加大市場開拓，制定相關的扶持政策和國家標準，早日解決技術問題，盡早大范圍推廣使用。

（5）其它清潔燃料，以風能、太陽能、核能、燃料電池、潮汐能、氫能、生物質能為代表的清潔能源已經在船舶上得以應用，并且在這些能源的應用方面也已經有了可以參考和借鑒的實船案例，隨著相關關鍵技術被攻破，未來將會有更多的實船進行驗證;同時僅僅利用風能或太陽能等單一能源并非最為優化的應用模式，根據船型、航線和營運特點的不同，多種能源的綜合應用也成為未來清潔能源的重要發展方向。

5 結束語

清潔燃料是市場所需，環保所需，是當今時代的召喚，作為排放大戶之一的航運船舶業來說，無疑具有良好的發展前景，全球航運業同行應進行更多的探索和嘗試，盡早研發和開發出更加節能環保的船舶動力技術和船舶清潔燃料、制定和完善相關法規、研發各種清潔燃料動力技術和環保船型等，降低海運溫室氣體排放，為全人類的環保事業做出應有貢獻。

參考文獻：

[1]CCS.船舶應用替代燃料指南[Z].2017.

[2]呂建.選擇船用燃料油的幾項原則[J].世界海運，1997（1）：44-47.

[3]ISO-8217-2017[Z].

[4]王璐，郝俊利.船舶燃用低硫燃油的具體要求和應對措施[J].航海技術，2010，5：48-50.