為了實(shí)現(xiàn)IMO制定的海運(yùn)業(yè)減排中遠(yuǎn)期目標(biāo)，船用清潔能源的利用成為船舶行業(yè)減排的重要手段。
本文針對甲醇與LNG燃料在船舶上的應(yīng)用，基于規(guī)范要求從燃料特性、加注、燃料艙布置、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、防火防爆、氣體探測等多方面進(jìn)行了對比，可為綠色能源實(shí)船設(shè)計提供參考。
我國首艘甲醇雙燃料綠色船舶
一、引言
國際海事組織（IMO）提出了在2050年前后實(shí)現(xiàn)國際海運(yùn)溫室氣體凈零排放的遠(yuǎn)期目標(biāo)，我國政府也承諾會為此目標(biāo)貢獻(xiàn)自己的一份力量。
為了實(shí)現(xiàn)IMO減排目標(biāo)，船用清潔能源的利用就是船舶行業(yè)在節(jié)能減排上集思廣益的成果。
船用替代清潔能源種類很多，形態(tài)各異。
液態(tài)的主要有液化石油氣（LPG）、甲醇及液態(tài)氨；氣態(tài)的主要有LNG等為代表。
據(jù)克拉克森2024年上半年對業(yè)內(nèi)的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，新增的新能源船舶訂單達(dá)到了總訂單的33%，其中LNG船訂單高達(dá)49.7%；甲醇燃料船占據(jù)第二，為22.4%；LPG燃料船占19.1%；氨燃料也有一席之地，為6.8%。
與其他替代燃料相比，目前LNG燃料在港口加注的基礎(chǔ)設(shè)施最為完備，全球目前有200多個港口已經(jīng)布置了LNG加注系統(tǒng)。
操作技術(shù)和規(guī)范也相對成熟，這是其成為目前應(yīng)用規(guī)模最大的船用替代燃料的主要原因。
但LNG燃料也有令人不可忽視的缺陷：
CO?減排量僅能達(dá)到約24%，這對于實(shí)現(xiàn)IMO制定的2030年碳強(qiáng)度降低40%和2050年碳排放總量降低50%的目標(biāo)存在很大差距。
各新型清潔能源的減排情況見表1。
從表1數(shù)據(jù)看，甲醇燃料進(jìn)入了我們的視線：
甲醇的CO?減排優(yōu)于LNG，氮氧化物、硫氧化物、PM減排能力與LNG基本相當(dāng)。
甲醇燃料的出現(xiàn)令人對實(shí)現(xiàn)中期減排目標(biāo)充滿信心。
CCS提供的數(shù)據(jù)（見表2）顯示：
甲醇的含碳量明顯低于LNG、LPG、乙醇等同類型的新型替代燃料，其產(chǎn)生的CO?量明顯小于其他替代燃料。
隨著技術(shù)的發(fā)展，通過綠色甲醇制法產(chǎn)生的綠色甲醇更是使CO?的減排量達(dá)到90%。
相信綠色甲醇會成為未來CO?零排放的理想能源。
二、燃料特性對比
甲醇化學(xué)分子式為CH?OH，常溫下即可儲存，是一種無色、透明、有毒、易揮發(fā)的易燃液體[2]。
LNG是指液化天然氣，在常壓、-162℃溫度下以液態(tài)形式儲存，主要成分是甲烷(CH4)。
甲醇、LNG和柴油的物理性質(zhì)對比如表3所示。
甲醇的熱值明顯較低，只能達(dá)到LNG熱值的0.41。
這說明在船舶設(shè)計考慮燃料容積時，同主機(jī)功率下，船舶用于存儲甲醇燃料的艙容要遠(yuǎn)大于LNG燃料的儲存空間，會犧牲較多的載貨空間。
在同等熱值下，甲醇燃料艙艙容是MGO的2.1倍，而LNG則是MGO的0.86倍。
三、兩種船用替代燃料的關(guān)鍵技術(shù)
1、燃料系統(tǒng)
典型的甲醇及LNG燃料系統(tǒng)處理模塊類似，包含了如圖1所示的五大模塊。
圖1替代燃料供應(yīng)模塊圖
2、加注
甲醇與LNG的加注系統(tǒng)組成類似，都包含了加注站、加注管系、加注接頭和惰化、吹掃管路。
但考慮到甲醇的低閃點(diǎn)和毒性，加注站的位置、構(gòu)造、通風(fēng)、探測、消防、人員防護(hù)等都需要特別考慮。
關(guān)于甲醇加注站的要求，中國船級社《船舶應(yīng)用甲醇乙醇燃料指南2022》已經(jīng)做了明確的規(guī)定。
3、儲存燃料艙布置對比
對甲醇燃料艙主要應(yīng)考慮其艙型、位置、燃料艙保護(hù)、透氣、環(huán)境控制等方面。
從布置的復(fù)雜程度考慮：
與LNG相比，甲醇最大的優(yōu)勢在于其不需要低溫儲存和絕熱，可以常溫載運(yùn)。
因而燃料艙的設(shè)計和建造非常簡單，儲存艙制造成本大大降低。
對于船東來說，船舶的改造成本也大幅降低，日常維護(hù)成本也有所降低[3]。
但規(guī)范關(guān)于甲醇燃料艙隔艙要求相對復(fù)雜，
兩種燃料各有利弊。
甲醇和LNG燃料艙要求如下表4。
燃料艙布置燃料艙不能布置在A類機(jī)器處所（海船），可移式燃料艙應(yīng)布置在特定區(qū)域。
內(nèi)河船獨(dú)立燃料艙距離船體外板應(yīng)不少于760 mm[6]。
燃料艙應(yīng)位于自舷側(cè)向內(nèi)沿垂直于夏季載重線處的中線量取至少B/5或11.5 m處，取小者[5]。
燃料艙隔艙整體式燃料艙的周圍應(yīng)設(shè)置隔離空艙，除非其表面被最輕載水線以下船體外板或其他甲醇燃料艙或燃料準(zhǔn)備間環(huán)圍。
與較大失火危險區(qū)域設(shè)至少900 mm隔離空艙；對于C型獨(dú)立燃料艙，燃料艙外殼或燃料艙接頭處所的限界面（如有時）距離A-60級防火分隔的最小間距不小于900 mm時，燃料艙處所可視作隔離空艙燃料艙惰化所有燃料艙在實(shí)用期間應(yīng)能一直維持惰化。
設(shè)置防止燃料蒸氣倒流至惰性氣體系統(tǒng)的裝置在使用干燥空氣進(jìn)行透氣前，應(yīng)用惰性氣體進(jìn)行惰化，以避免燃料艙和燃料管路中出現(xiàn)爆炸危險環(huán)境。
燃料艙透氣燃料艙采用控制式透氣。
每個燃料艙上都設(shè)置壓力/真空釋放閥。
LNG儲罐的安全閥應(yīng)與透氣系統(tǒng)相連接，且需引到高出露天甲板、工作區(qū)域和走道≥B/3或6 m處（取大值）。
四、燃料供應(yīng)系統(tǒng)
甲醇供應(yīng)系統(tǒng)包括FVT、甲醇供應(yīng)單元（LFSS）、水噴射單元、甲醇燃料日用艙等組成部分。
LNG供應(yīng)系統(tǒng)包含了LFSS、GVT等兩個主要單元。
甲醇供應(yīng)系統(tǒng)與LNG燃料供氣系統(tǒng)類似，但又各有特點(diǎn)。
以下我們以典型的MAN的主機(jī)為例分別展示甲醇供應(yīng)系統(tǒng)和LNG燃料供氣系統(tǒng)。
1、甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)
甲醇供應(yīng)系統(tǒng)主要是指甲醇燃料艙到發(fā)動機(jī)之間的所有的系統(tǒng)和部件。
根據(jù)各主機(jī)廠家的不同需求，甲醇供應(yīng)系統(tǒng)各不相同。
圖2甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)圖
由于甲醇燃料的自身特性，此系統(tǒng)需要設(shè)置一個燃料日用艙用于主機(jī)的日常供料及燃料和水的分離。
水噴射單元用于將水噴入FVT單元，與甲醇充分混合后進(jìn)機(jī)。
日用柜除了為主機(jī)供應(yīng)燃料，還用于主機(jī)甲醇回收及水分離。
2、LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)
LNG供應(yīng)系統(tǒng)分為高低壓兩套系統(tǒng)，分別用于適應(yīng)ME-GI高壓機(jī)型和ME-GA低壓機(jī)型（如圖3）。
圖3高低壓供氣系統(tǒng)圖
這兩套系統(tǒng)各有利弊，高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性要高于低壓系統(tǒng)，但初期投入和運(yùn)行成本要遠(yuǎn)高于低壓系統(tǒng)。
所以高壓系統(tǒng)作為一套成熟的LNG供應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)在多個項(xiàng)目上得到了運(yùn)用。
3、燃料系統(tǒng)的惰化和吹掃
甲醇和LNG燃料惰氣系統(tǒng)的目的和要求類似，但甲醇燃料艙在操作期間要求一直維持惰化；LNG燃料艙只要求進(jìn)料前進(jìn)行全艙惰化。
4、甲醇和LNG燃料適應(yīng)機(jī)型
為了與時俱進(jìn)，各大設(shè)備廠研發(fā)了多種機(jī)型來適應(yīng)各種新型燃料的運(yùn)用。
五、管路設(shè)計
所有的甲醇燃料管路和獨(dú)立燃料艙均應(yīng)與船舶結(jié)構(gòu)采取電氣接地措施。
所有的接頭和附件均需進(jìn)行電氣連接。
管道和船體之間的電阻應(yīng)不高于1×106歐姆。
加注站至燃料艙、機(jī)艙內(nèi)均采用雙壁管。
通過圍蔽處所的燃料管系應(yīng)設(shè)置為雙壁管，在燃料艙周圍的隔離空艙、燃料準(zhǔn)備間或獨(dú)立式燃料艙的空間可不設(shè)置雙壁管[6]。
對甲醇敏感的金屬材料，如鋁合金、鍍鋅鋼、鉛合金等，不應(yīng)用于含甲醇燃料的系統(tǒng)。
對甲醇敏感的非金屬材料，如丁腈橡膠，丁基橡膠等，也不應(yīng)用于甲醇燃料系統(tǒng)。
甲醇燃料系統(tǒng)可采用聚四氟乙烯、三元乙丙橡膠（EPDM）和氯丁橡膠。
甲醇和LNG燃料的管路設(shè)計的異同見表6所示。
六、防火防爆安全設(shè)計
1、防火
根據(jù)IGF code要求，船舶上甲醇/LNG燃料的儲存、整備、輸送及使用有關(guān)的所有系統(tǒng)部件都要考慮防火、探火和滅火。
甲醇和LNG燃料主要區(qū)域的滅火方式如表7所示。
2、危險區(qū)域劃分
為了使船上的電氣設(shè)備能在特定的危險區(qū)域內(nèi)安全運(yùn)行，各船級社對搭載甲醇、LNG的船均有危險區(qū)域劃分相關(guān)規(guī)定，一般分為0類危險區(qū)域、1類危險區(qū)域和2類危險區(qū)域。
這里就不用文字贅述，用一張簡圖4來說明燃料船的危險區(qū)域劃分，其中甲醇燃料船獨(dú)有的要求就是關(guān)于燃料艙壓力/真空閥出口危險區(qū)域的界定。
圖4甲醇燃料船危險區(qū)域劃分
七、氣體、火災(zāi)和通風(fēng)探測
1、氣體探測
甲醇和LNG區(qū)域需要設(shè)定固定的燃料氣體探測器，但需要設(shè)定的點(diǎn)略有區(qū)別，見表8所示。
2、火災(zāi)、通風(fēng)探測及報警
甲醇/LNG燃料發(fā)動機(jī)的機(jī)器處所和燃料艙處所內(nèi)的火災(zāi)探測裝置，均要求應(yīng)能在探測到火災(zāi)時，向駕駛室、連續(xù)有人值班的集控室或安全中心以及本地發(fā)出聲光報警；此外，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能力下降時，兩種均要求應(yīng)在駕駛室、連續(xù)有人值班的集控室或安全中心和本地發(fā)出聲光報警。
八、結(jié)論
甲醇和LNG燃料作為新型的替代燃料，在減排方面，綠色甲醇的優(yōu)勢比較明顯，但其在船舶設(shè)計和運(yùn)營中的劣勢也很明顯，較大的艙容需求會降低船舶載貨量，降低船舶的經(jīng)濟(jì)性。
根據(jù)實(shí)際的情況制定更適合船東的方案才能使船舶的設(shè)計更具有市場競爭力。