散货船绿色化步伐提速

沈苏雯/中国船舶及海洋工程设计研究院

当前，多种节能环保技术已应用于散货船，有效减少了燃料消耗及废气排放。

ABS与 Arista Shipping, Deltamarin,GTT和瓦锡兰于去年推出联合研发的LNG动力卡姆萨型散货船

当前，随着航运业利润大幅下降，降低运营成本、提高竞争力已成为船舶行业共同的课题。与此同时，温室气体排放所导致的各种环境问题日益严峻，而全球90%的国际贸易货物依靠船舶运输，船舶作为温室气体排放大户也受到了国际社会的广泛关注。散货船作为三大主力船型之一，众多船东对其降低油耗以降低船舶营运成本的要求更加迫切。同时, 国际海事组织（IMO）提出的船舶能效设计指数(EEDI)已经强制实行，还将对未来船舶能效水平提出更高的要求。对船舶设计机构、船厂和船东来说，散货船实现节能减排已是“迫在眉睫”。

船舶主要节能环保方式

根据效果和方式不同，目前常见的船舶节能环保手段大致有以下几种常见的类型。

采用清洁可替代能源

随着氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）以及颗粒物（PM）等的排放法规日益严苛，在不远的将来，海事业或许会推出全面限制二氧化碳（CO2）排放的法规。在这种背景下，以液化天然气（LNG）、生物燃料为首的清洁能源备受重视，而风力、核能等能源的利用也正在被考虑。今后船舶燃料从传统石油逐渐转向清洁能源的速度或将更快。

消涡鳍（PBCF）装置

提到清洁能源就不得不提LNG。使用LNG作为燃料的主机不会排放SOx和PM。并且采用稀薄燃烧方式的四冲程气体发动机比传统柴油机能够减少90%的NOx排放量。

不仅如此，LNG燃料比起传统的石油燃料能减少25%的二氧化碳排放量。但是，根据气体发动机的型号不同，LNG中的甲烷无法在主机内完全燃烧，因而造成残留气体排入大气是一个无法忽视的问题。如果不完全燃烧的残留甲烷排放量较多的话，最终会“稀释”了减少CO2排放、弱化温室效应的效果。

气体发动机经常作为陆上发电设备使用且已取得良好的效果,船用气体发动机的开发也在发展中。在LNG用于船舶燃料方面，研究重点在于如何有效地配置燃料舱。要储存天然气，必须先进行极低温冷却使其液化为LNG，与常规的柴油燃料相比，LNG燃料舱的容积要大2—3倍。并且燃料舱造价较高，因此LNG燃料船的新船造价要比常规船高10—20%。而LNG的燃料加注站目前尚未普及，未来只有建造更多的加注站才能在航运业推广LNG。

提高推进效率

消涡鳍（PBCF），是商船三井开发的一种船舶推进器水动力节能装置，它在螺旋桨毂帽上增设与螺旋桨叶数相同的小叶片，以消除螺旋桨毂涡能量为目的。这种装置可以减少螺旋桨的尾部气泡，减弱空泡效应，从而改善水动力性能，提高推进效率，而且投入较小、回报较快。

近2000艘船的实船安装和近100艘船的实船检测情况表明，消涡鳍可增强3%的轴扭矩、1%的轴推力，实现5%的节能效果（等于增加了2%航速），同时还有效减少了船艉振动和水下噪音, 减小了舵的损耗。

消涡鳍因其具有结构简单、造价低、安装方便、节能效果好等优点而受到广大船东和船厂的青睐,是当前船舶市场中应用最为广泛的水动力节能产品。

空气润滑系统

船舶消耗的燃料大部分都花费在与航行阻力的抗争中,这些阻力包括空气阻力、兴波阻力和海水摩擦阻力，如果能减少这些阻力，则可有效改善能效。减少空气阻力方面常用的手段是设计具有减阻效果的上层建筑和独特船型，而减少兴波阻力和摩擦阻力多依靠节能设备来实现。

减阻型设备中较为知名的莫过于空气润滑系统。空气润滑系统是一个能够在船底与海水之间使用空气进行润滑以减少船体摩擦阻力的技术。该系统是从船底吹出空气，在海水和船底之间形成细密气泡，以减少摩擦阻力的一种技术。这种技术不光能够节省能耗，还能有效减少二氧化碳排放量。

目前全球利用空气润滑法的系统有两种模式。一种是由船底开设的许多气孔喷出空气，形成空气层来减少船底与海水的摩擦阻力。这种技术的关键在于控制空气的喷量以达到在船底形成稳定的空气泡层的效果。第二种是船底留有大块凹陷区域，从中送入压缩空气，形成空气膜来减少船底阻力。这个模式的关键在于如何维持空气膜的稳定存在,因为在不稳定的情况下无法发挥应有的降阻效果。两种方式都可以减少10—20%的船底摩擦阻力，最终达到减少10%油耗的结果。

复合材料

使用复合材料建造船体可减少船体重量，削减燃油消耗，同时还可减少有害气体及温室气体的排放。比如纤维增强塑料、铝、钛等轻型材料已作为小型船舶的建材所使用，而纤维和金属复合的材料作为未来船舶的轻型材料受人瞩目。

纤维和金属复合材料是由金属薄板和聚合物层积体相互交叠形成的材料，它同时具有耐冲击性、耐磨损性等金属材料的特质，以及高强度、耐疲劳性、耐腐蚀性等复合材料的性质。金属薄板可采用铝合金板或者钢板，聚合物的主要材料则可用碳纤维或者玻璃纤维来强化。这些材料目前广泛用于航空航天产业，可以考虑将其中的一部分用于特殊船舶的建造。

混合推进系统

传统的推进系统是二冲程主机与推进轴直接连接，通过常规螺旋桨推进，整套系统的效率设计都是为了达到期望航速而服务，而在设计范围之外的场合无法发挥全部性能。

混合推进系统的设计理念是将传统轴螺旋桨推进与吊舱推进器组合，可改善上述推进系统的缺点。例如，将吊舱推进螺旋桨安置于调距螺旋桨后方并反转，或者在船体中心线以上安装主轴螺旋桨，其两侧安装操舵式吊舱推进螺旋桨。如果采用这样的混合推进系统，可增加推进性能，获得更好的有效速率，以达到高效航行的目的。如果再拥有最佳船型设计, 可减少最多10%的燃料消耗。

混合供电系统

采用了结合多种发电方法的混合型供电系统的电力推进船，是高效环保的船舶。如果是采用单一发电方式的推进系统，在满足设计条件范围内运行时可以发挥最高的效率，但是当发电量和供电量有所变动,就会影响到发电效率。如果能够搭载混合型供电系统，可根据情况弹性供电，提高能源效率。

船用燃料电池

所谓燃料电池，就是将从化学反应中产生的能源直接转化为电力使用，其最大转化效率可达80%（氢燃料）。天然气、生物气体、甲醇、乙醇柴油、氢气等都可以作为燃料。其中LNG燃料电池与常规柴油主机相比，每千瓦可减少50%的二氧化碳排放量。

具有特色的节能环保散货船

全球首艘LNG动力散货船"Ilshin Green Iris”号

2018年2月21日， 现代尾浦造船成功交付了全球第一艘LNG动力散货船“IlshinGreenIris”号，该船是全球最大的LNG动力船，也是韩国第一艘LNG动力散货船。这艘5万载重吨散货船由韩国公司Ilshin Logistics下单订造，入级英国劳氏船级社（LR）和韩国船级社（KR），满足国际气体燃料安全规则 (IGF CODE)要求。“Ilshin Green Iris”号是Ilshin Logistics与韩国浦项制铁(POSCO)从2016年7月开始的合作项目的成果，这一项目旨在开发全球第一艘新一代环保LNG动力散货船。韩国贸易、工业和能源部表示，这艘环保LNG动力散货船将从2019年开始投入运营。

该船全长191米，宽32.26米，配套1台功率为7550千瓦的MAN B&W6G50ME-C9.5-GI双燃料发动机。其拥有1个容量为500立方米的C型LNG储罐，由奥氏体高锰钢制造，安装在船尾系泊甲板上。这也是全球首艘搭载高锰钢制成燃料箱的船舶。这种高锰钢材料由POSCO历经10年研究后推出，专门为冷冻LNG和液化气体储存而设计，能够以零下162度的超低温运载和储存LNG。已经证明高锰钢的性能及特点，以及要求的焊接技术和燃油箱设计适合低温。在经过了广泛的研制和试验后，英国劳氏船级社2017年7月份颁发了高锰钢焊接材料认证证书及焊接工艺认证和材料认证。

三菱重工研发的船舶空气润滑系统

全球首艘LNG动力散货船“ Ilshin Green Iris”号

“Ilshin Green Iris”号将负责为POSCO运输石灰石，从江原道东海市出发前往全罗南道光阳市。该船将在东海市港口经由韩国天然气公司(KOGAS) 的一艘供气船加注燃料。

LNG被视为最具成本效益、最环保的船用燃料选择之一， LNG将成为未来船舶主要的燃料选择。韩国政府也将大力支持lNG供应系统的扩张、以及高锰钢等新材料的研发。

扬子江船业LNG动力散货船

希腊船东Arista Shipping Group旗下子公司Forward Maritime近日与扬子江船业签署了意向书，将订造最多20艘8.4万载重吨LNG动力卡姆萨型散货船。Forward Maritime并未透露将在何时签署正式的建造合同，不过该公司称这些散货船计划在2020年至2023年陆续交付。交付后，新船将以ForwardShips的品牌运营，预计能减少40%的二氧化碳排放、80%的NOx排放和98%的SOx排放，符合国际海事组织EEDI 2025标准，满足NOx TierIII以及防止船舶污染国际公约附则VI SOx排放要求。

Forward Maritime此次订造的这20艘LNG动力散货船是在Arista Shipping的Project Forward计划下建造的。Project Forward的目标是建造全球首艘真正意义上的深海LNG动力船舶。

Forward Maritime表示，新船不仅是世界上最清洁环保的散货船，同时将带来显著的经济效益。该新船将采用GTT薄膜型燃料舱，这在散货船上还是首次应用， 而发动机则是采用四冲程瓦锡兰31双燃料中速机。

新型绿色智能18万吨散货船

2017年12月5日，在“2017中国船级社海事技术论坛(新型绿色智能CSR-H散货船船型发布会)”上，中船重工船舶设计研究中心有限公司(CSDC)发布了“绿色智能18万吨散货船”，该船是CSDC研发的第四代好望角型散货船。设计理念主要体现在节能降耗、安全、环境友好、运营经济和高效以及减少维护等方面。本船已经通过了中国船级社(CCS)船型评估,并获得原则性认可。

该船型在节能环保方面的主要特点如下：随着大数据技术的发展，大量船舶营运特性得以反馈，船舶营运者也对船舶的航行特性越来越明晰，将信息和需求回归到新船型的研发，即形成了新一轮螺旋上升的状态。船东对于航行特性不单局限于单一吃水，而是关注不同吃水、不同航速时的船舶能耗，以及不同海况下的船舶响应。

新一代18万吨散货船结合上一代该型船舶大量试航营运数据，针对不同船东的营运习惯，采用大数据模式，将港口、航道、营运特征作为设计输入，优化船体线型，使不同吃水、不同航速、不同海况等因素形成内在协调优化，线型优化借助CFD数字化手段，并结合水池试验验证，实现综合船舶能耗达到最优。艏部型线为直艏。

新一代18万吨散货船节能聚焦于船—机—桨整体的协调优化，在完成船体型线自身优化同时，螺旋桨随之升级，节能装置则是船体与螺旋桨之间的润滑剂和助推器，弥补船体和螺旋桨能量损失。新一代18万吨散货船桨前节能导管和桨后消涡鳍的搭档配置，能在不增加过多成本的前提下，满足降低油耗的目的，实现营运的经济效益。该船主机为MAN的6G70ME-C9.5主机， 在选择主机类型和功率负荷时，是以螺旋桨功率、转速匹配为核心，优选各负荷区油耗最低的方案， 较之上一代船型油耗减低约4%。

世界上最环保的散货船“Haaga”号

阿联酋航运(ESL)已经接收了LNG动力散货船“Haaga”号,同时表示与早期船舶相比，它的二氧化碳减排放量将减少50%以上。 该船由芬兰的Deltamarin设计，整个船舶系统中大约60%都由欧洲设备供应商提供。

这艘长160米的25600DWT散货船由南京金陵船厂建造，挂葡萄牙国旗。它的主发动机为多燃料STXMAN 5G45ME-C9.5-GI Tier 2，总功率为6000千瓦PTI增压1250千瓦,可达到7250千瓦。除了燃烧LNG之外, 日后当无碳沼气的运输供应情况得到改善后，“Haaga”号也可以完全通过无碳沼气来驱动。

“Haaga”号耗资约为6000万欧元(7000万美元), 属于Bothnia Bulk项目，其中该项目欧盟资助了一部分，意在使波罗的海北部的吕勒奥港，乌克瑟勒松德港和拉赫港口之间的海路更现代化并更加环保。同时该船还配备了世界上第一个自动贷物处理系统，该系统由ESL和芬兰卡哥特科工业(Cargotec)旗下的MacGregor共同开发。该船将往返于日本和波罗的海之间运输原材料，目前计划于2018年9月中旬到达。此外，“Haaga”号可在岸边进行充电，因此随着港口电力供应的改善，它的排放量可进一步减少。

“Haaga”号的主要环保节能技术包括以下方面。

隔热系统和热回收：该散货船改善了隔热性能并为空气处理装置配备了节能系统，与传统系统相比，冷能消耗降低了30%，热能消耗降低了45%。

舱口围板加热系统：加热舱口围板让其在寒冷气候下也可平滑操作。

DNVGL清洁设计标准：该标准需要达到一些特殊的要求，例如5ppm舱底水分离器、船舶生物污垢管控、 ODP (臭氧消耗潜能值)为0、GWP(全球变暖潜能值)最大值为1300。

ESL Shipping Ltd向金陵船厂订购的LNG动力灵便型散货船“Haaga”号设计效果图

DNVGL“NAUT-AW”桥楼设计标准：为增加航运安全并降低碰撞、搁浅和恶劣天气损坏的风险，驾驶室的设备组成和布置按照桥楼设计要求最高的DNV GL“NAUT-AW”标准进行设计。

LNG提供动力：所有发动机和锅炉燃烧器都由LNG提供动力，并配有低沸点的真空绝缘lMOC型储罐。

能效设计指数(EEDI)：船舶的能效设计指数(EEDI)比当前的要求低约50%，并已满足2025年的要求。

导流罩舵和螺旋桨：使用导流罩舵优化设计,改善螺旋桨后水流状况。

鳍片：配有四个定子鳍片, 以优化螺旋桨的流量提高其效率。电机：电机通常可达7.5千瓦或更高，属于IE3能效等级。废水回收系统:能够重复使用洗涤水，并将废弃的洗涤水排放到港口设施。

压载水处理系统：容量为2X1000立方米，UV型，美国海岸警卫队核准的压载水处理装置。

变频器(VFD) ：机舱风扇、BW、SW和LNG泵配备变频器(VFD)以降低功耗。

船体涂层:船体涂有低摩阻防冻漆，不使用有害的防污涂料。会频繁的进行船体清洁以减少船体的阻力。

船型设计：通过CFD计算和模型测试以优化船型。船首和船尾推进器入口设有扇型和流线型网格。并在建造阶段，特别注意监测船体表面粗糙度。带变频驱动(VFD)的永磁式PTI/PT0轴带发电机：通过在轴带发电机中输入和输出动力，可在海上更灵活高效地推进和发电，并在遇冰的情况下获得额外动力。

减少排放：与0.1%燃料油相比，LNG排放的直接尾气为：CO2排放量的57%；SOx排放量的92%；NOx排放量的25%；PM排放量的98%。

目前，上述节能环保技术已广泛应用于包括散货船在内的各类船舶中，己为航运界有效减少了数量可观的燃料消耗。此外，其他诸如船底超光滑涂料、燃料添加剂、节能航运管理系统等技术的开发和应用，都在从各个角度为节能环保贡献力量。只有综合利用多种技术，并对其不断研究改进，才能大幅节省船舶燃料费用，同时有效地降低船舶对环境造成的污染。★

金陵船厂为ESL Shipping Ltd建造的LNG动力散货船“Haaga”号