甲醇：未来船用燃料

CCS武汉规范研究所

为满足日益严格的排放标准，使用船舶替代燃料越来越受到航运界的青睐。尽管过去数年中，液化天然气（LNG）一直是替代燃料中的宠儿，而且相信这种趋势在未来仍将延续，但现阶段越来越多的研究和案例表明，甲醇以其清洁、环保、可获取性强等诸多优势，已充分显示出成为未来船用燃料的潜力。

为什么选择甲醇？

甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，化学分子式为CH3OH，其理化性质与汽油类似，是一种无色、透明、有毒、易挥发的易燃液体。甲醇的分子结构如图1所示，与其他几种常见船用燃料的对比如表1。

图1：甲醇分子式

表1：甲醇与几种常见船用燃料的理化性质对比

与LNG相比，甲醇最大的优势在于其不需要低温储存和绝热，因而燃料舱的设计和建造非常简单，成本大大降低。甲醇燃料舱可以是整体式，也可以是独立式，整体式货舱在甲醇运输船上已有大量应用经验。

甲醇不含硫，因此甲醇燃料发动机的硫氧化物（SOx）排放（来自于引燃油）较柴油机（使用重油）可降低99%，能够很好的满足IMO排放控制区和中国三大船舶SOx排放控制区的要求。在氮氧化物（NOx）排放方面，根据Wärtsilä Vasa 32发动机的测试报告，使用甲醇时，NOx排放为3～5g/kWh，而使用低硫油（MGO）时，NOx排放约11.8g/kWh。另一台改造发动机Wärtsilä Sulzer Z40SMD的测试结果显示，使用甲醇时NOx排放为4～5g/kWh，而使用低硫油时该值约为11.5g/kWh。因此，甲醇燃料发动机很容易满足目前IMO tier II和国内船舶NOx排放标准。此外，由于甲醇富含氧原子，燃烧更充分，可有效降低有害气体的排放，一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和总碳氢（THC）排放均有不同程度的降低。

但是，仅从使用侧评价一种燃料的环保性，而忽略在这种燃料开采、加工、运输等环节产生的排放，所得出的“环保性”只是局部的、片面的，而非全局的、完整的。从燃料的整个生命周期来评价其环保性，是更为合理的一种做法。为此，图2比较了几种燃料在整个生命周期内的能耗与排放情况。可见，虽然在燃料总能耗方面甲醇不占优势，但在其他有害污染物（SOx、NOx、PM）排放方面，甲醇仍具有显著的减排效果。

图2：不同替代燃料在整个生命周期内的环境影响（以HFO为基准，HFO=1）

欧洲制造甲醇主要以天然气为原料，而我国甲醇主要以煤为原料，二者市场价格差别不大。据了解，我国西部省份甲醇价格较低，约在1500～1800元/吨徘徊，东南沿海甲醇燃料价格约为2000元/吨左右，但考虑到甲醇的能量密度，与重油（HFO）等热值的甲醇价格需翻倍。对船东而言，经济性的直接体现就是投资回收期，它取决于使用甲醇燃料产生的附加投资f和潜在的燃料成本节省。由于甲醇相对HFO没有价格优势，因此，使用甲醇燃料仅在SOx排放控制区（要求使用低硫油）内才可能产生燃料成本的节省，并且在排放控制区内的航行时间越长，节约燃料成本的可能性就越大。欧盟海事局（EMSA）“甲醇和乙醇用作航运替代燃料研究”（Study on the use of ethyl and methyl alcohol as alternative fuels in shipping）项目比较了重油加后处理装置（脱硫脱硝）、LNG和甲醇三种方案，其结果表明，对于仅在排放控制区（ECA）内航行的船舶，甲醇优势高于LNG，与重油加后处理装置的方案经济性相当，如表2所示。

制造甲醇的原料来源非常广泛，可以是化石原料（如天然气、煤），也可以是生物材料（如种植林等）。中国是世界第一大甲醇生产国，具有较为完善的甲醇生产、储存、运输、供应链。欧洲情况类似，由于甲醇是重要的化工原料，欧洲也早已建立完善的甲醇存储、分销基础设施，如鹿特丹港和安特卫普港均建有大型化学品存储站，据报道，甲醇也是波罗的海所有港口处理最多的化学品，这意味着已在波罗的海地区建立了完善的储存和分销网络。因此，无论从生产，还是分销，甚至未来的加注来说，甲醇作船用燃料都具备良好的可获取性。

表2：基于燃料平均价格（2015年）的案例船投资回收期

甲醇用作船用燃料的现状

1.船舶现状

甲醇在我国早已用作汽车燃料，作为煤制甲醇产能大省，山西在十多年前即开始推广甲醇汽油，如M20、M15等；但在船舶领域，尚无实船使用甲醇燃料。国际上，欧洲是船用甲醇燃料的研究和实践先锋，其中以瑞典尤为突出。早在2006年，欧盟委员会就资助了一个名为“基于可再生甲醇的商船辅助电力系统可行性研究”项目（METHAPU），旨在评估利用甲醇燃料电池向SOLAS船舶重要设备供电的相关技术及可行性。之后，瑞典国家创新局陆续开展了一系列研究或试点项目，实现了甲醇用作船用燃料从科研向实船应用的跨越（如表3）。目前，应用甲醇燃料最大的船舶是瑞典的“Stena Germanica”号客滚渡船，其4台主机中1台已于2015年改造为甲醇-MGO双燃料，另外3台将于2016年改造完成。可见，欧洲船用甲醇燃料研究与应用均处于世界领先水平。

图3：“Stena Germanica”号客滚渡船

2.规则和标准现状

甲醇的闪点为12℃，属于低闪点燃料，因此，船舶使用甲醇燃料需要满足《气体或低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF规则）。但目前，IGF规则关于甲醇燃料的技术要求尚在制订过程中，其内容主要参考了IGF规则Part1（对天然气燃料船）、IBC规则（对甲醇运输船）的相关要求，但在燃料舱布置与保护、探火与灭火、结构防火、蒸气探测、加注接头等若干方面上存在争议。中国船级社自2015年开展船舶替代能源（醇类、氢气等）应用研究，计划2016年底完成《船舶使用醇类燃料应用指南》。

表3：欧洲甲醇燃料船舶项目概览

岸上标准对甲醇燃料船的发展同样重要。目前，甲醇陆上运输、储存均有完善的标准，而甲醇加注标准取决于加注形式。对于槽车和岸站加注，可参照相应的行业标准或规程；对于船对船加注，目前尚无规范或标准。

甲醇用作船用燃料的关键技术和设备

1.甲醇燃料系统

典型甲醇燃料系统如图4所示。根据功能，可将其分解为甲醇加注、甲醇储存、甲醇处理与供应、甲醇利用、机后处理等5个模块。

图4：典型甲醇燃料系统示意图

甲醇加注：加注系统包括加注站、加注管系（含阀件）、加注接头和惰化、吹扫管路等，这些部分与LNG加注类似，不是新鲜事物，也无复杂之处。但是，考虑到甲醇的低闪点和毒性，加注站的位置、构造、通风、探测、消防、人员防护等需要特别考虑。

甲醇储存：对甲醇燃料舱主要应考虑其舱型、位置、燃料舱保护、透气、环境控制等方面。试点的改造船舶由于燃料需求量不大，可采用独立式燃料舱；大型甲醇燃料船可采用整体式燃料舱。根据现有IGF规则草案，燃料舱不应布置在起居处所下方，且与舷侧距离不得小于760mm；当燃料舱位于甲板以下时，还应设置隔离舱将其与其他处所分开（燃料泵舱和底舱除外），隔离舱内应设置甲醇蒸气和液体泄漏探测装置。对于透气、环境控制方面的要求，与IBC规则基本一致。

甲醇处理与供应：从甲醇燃料舱至发动机之间的所有系统和部件，包括甲醇供应系统和燃料阀组。这部分的要求与LNG动力船燃料供应系统类似，重点在于供应管路保护、阀件布置、燃料泵位置与保护、温度控制等。由于燃料供应管路上阀件、接头众多，而且甲醇粘度很低，这意味着潜在泄漏风险大大增加，因此，选择合适的密封材料、设置蒸气探测、负压通风和双壁管路都是必要的风险控制措施。

甲醇利用：通过发动机实现。IGF规则草案中，甲醇发动机的要求与天然气燃料发动机类似，均为功能性要求，较为宏观和原则。不同厂家对发动机的研发路线也不相同，大多传承自身传统优势，如MAN公司研发的ME-LGI型甲醇-柴油双燃料发动机是高压喷射、低速、二冲程双燃料发动机，Caterpillar研发的是高速、四冲程、带预热塞点火的纯甲醇发动机，相关厂家的甲醇发动机如表4所示。

使用甲醇燃料带来的一个问题是，由于产生了更为清洁的润滑环境，发动机的磨损将会显著加大，这点与天然气燃料发动机类似，应在设计阶段予以考虑。

机后甲醇处理：主要是指吹扫回收系统，氮气装置在整个系统中具有核心地位。对于双燃料发动机，在燃料转换、发动机维修等情况下，必须对燃料供应管路进行扫气、惰化。根据MAN ME-LGI发动机设计，燃料管路必须布置成能够通过吹扫将管内甲醇排空并返回至日用舱，之后对所有双壁管管系进行充分的惰化。所有吹扫、惰化应通过氮气装置对每个子系统进行。

表4：甲醇燃料发动机概览

2.对船舶的特殊考虑

除甲醇燃料系统外，由甲醇带来的额外风险尚需在船舶设计与系统布置、蒸气探测、消防等方面予以控制。对使用甲醇燃料所带来的额外风险进行控制。例如，在消防方面，由于甲醇燃烧火焰难以发现的特点，尚不知现行船舶规则规范中规定的探火方法是否对甲醇有效；同样的原因，需要对现有的几种灭火方式的有效性予以充分考虑，以找到合适的组合。需考虑的因素例如：

抗溶泡沫：可能不能覆盖火灾的的边角因而继续燃烧；

CO2：在处所通风后，且过火表面没有充分冷却时，很可能重燃；

水基系统：为利用稀释效应而使材料不燃，需大量水。

此外，结构防火也是船舶设计时考虑的重点。

3.风险评估

IGF规则明确要求对使用甲醇所引起的船舶、人员和环境风险进行评估，以确保甲醇燃料船舶的安全性与常规燃油动力船舶的安全水平相当，因此，风险评估可谓甲醇燃料船舶的强制性要求。前文所述几艘甲醇燃料船项目，均进行了风险评估，其结果表明，安全因素并非使用甲醇燃料的“壁垒”，目前存在的困难在于设计、船型和使用经验都非常有限，只能借鉴化工行业经验和数据，风险分析主要采用定性手段。

甲醇用作船用燃料的主要挑战

尽管表现出种种优势，但实现甲醇燃料在船上的广泛应用，仍需经历漫漫长路，克服技术标准、燃料成本、船舶布置、关键设备等方面的诸多挑战。

1.技术标准

目前，IGF规则Part A-2部分“甲醇/乙醇作为船舶燃料”尚在制订中，何时完成尚不得知。虽然少数船级社颁布了甲醇燃料船的技术标准，但仍存在较多差异，且多为功能性要求，不易操作。

2.燃料成本

虽然单吨甲醇价格较低，但由于甲醇热值只有HFO一半左右，同等热值的甲醇价格需翻番考虑。如此一来，甲醇与HFO相比无任何优势，与LNG相比也只有在特定的场景下才具一定优势。

3.船舶布置

同样由于甲醇热值低，甲醇燃料舱的体积接近燃油舱的2倍，比LNG燃料舱大20%左右，对于同等尺度的船舶，更大的燃料舱意味着货舱损失，进而影响船舶营运收益。此外，现行IGF规则草案要求对甲醇燃料舱通过隔离舱进行保护，且燃料舱距离舷侧的要求高于IBC规则对甲醇货舱的要求，这对于船舶布置而言是一个不利的方面。

4.关键设备

甲醇发动机是甲醇燃料船的关键设备，国外已有数家生产厂开发出相关产品，但均处于初始阶段，而且由于订单少，未形成批量化，所以价格高昂。在国内，尚未见船用甲醇燃料发动机的开发。天津大学内燃机国家重点实验室开发了甲醇-柴油双燃料燃烧技术，但仅在陆上重型柴油机上得到了部分应用，尚不具备船上应用条件。总之，目前市场上可供选择的船用甲醇发动机，尤其是中高速四冲程船用甲醇发动机还很少。

甲醇燃料以其清洁、环保、可再生、可获取性强等特点，已成为航运界关注的替代燃料，科研项目与实船试点表明，甲醇用作船用燃料的安全性、环保性能够充分保证，使用甲醇燃料还有利于消化煤炭的过剩产能。虽然在燃料成本、使用经验、动力设备等方面仍存在诸多挑战，但相信随着航运减排要求的日益严格和科技的不断进步，甲醇在未来船用替代燃料市场必将拥有光明前景。