液化天然氣作為船用燃料的可行性研究

蔣 瑋，朱新禮

（中集船舶海洋工程設計院有限公司，上海 201206）

0 引 言

地球上，天然氣蘊藏量巨大。天然氣在陸上作燃料使用，已有很長的歷史，近年來開始在船上作燃料使用。與其他燃料相比，天然氣在環保方面的優勢，令人刮目相看；經濟性方面，目前在進入限止排放區或某些港口時，由于對燃燒后的廢氣中的有毒有害氣體含量有更嚴格的要求，規定必須燃燒低硫油，甚至船用柴油，增加了營運費用，因而在目前，天然氣在環保和經濟性方面顯示了無與倫比的優越性，可以預言，天然氣將成為一顆冉冉升起的新星，出現在船用燃料市場。

1 天然氣作船用燃料的優勢

1.1 利于環保

天然氣不含硫，碳含量較重油低，因而天然氣在環保方面的優勢，十分明顯。與船用重質燃油相比，天然氣燃燒后的廢氣幾乎無硫氧化物（SOx），能減少85%～90%的氮氧化物（NOx）和15%～20%的二氧化碳（CO2）的排放，因而大大減輕了對大氣的污染。

1.2 更經濟

氣體狀態的天然氣密度低、體積大、運輸成本高，將其液化后，稱為液化天然氣（LNG）（Liquefied Natural Gas），體積壓縮比約為1:600，性價比提高（本文暫對LNG進行相關論述，其他形式的天然氣如壓縮天然氣（CNG）等不在此論述）。以目前的價格趨勢，從中期看LNG與重油持平，但當船舶進入限制排放區內，規定必須燃燒價格較貴的低硫重油或船用柴油。按照目前的油價和LNG價格水平，使用LNG清潔能源比使用柴油節約40%~60%的燃料費用。 按熱值計算，LNG價格只有柴油的60%左右，而且天然氣燃燒徹底，不易積碳，維護費用減少逾50%。廣東大鵬公司的LNG運載船使用貨艙內蒸發的天然氣BOG（Boil-off Gas）作為蒸汽渦輪裝置的燃料，每年可節約燃料成本近6000萬元。大型LNG船經濟性更加明顯。

1.3 有技術基礎

LNG作為船用燃料在技術層面上已不存在問題。使用雙燃料的柴油機（包括低速機與中速機）和透平機均已問世；氣體儲存罐，尤其是IMO C型罐業已廣泛使用；傳輸液化氣/天然氣的設備與管系均已應用于船上；船級社已制訂了相應的規范及指導性文件，以確保使用安全性。

目前，在北歐高消費國家已應用于實船：25000dwt成品油輪“Bit Viking”號（見圖1[1]）已成功地改裝使用雙燃料的W?rtsil?主機，入德國船級，航行于北歐地區，置于前甲板上的2500m3的液罐可保持其續航力為12天；挪威已有一批短程海用渡船使用LNG燃料（見圖2[1]）；挪威在供應船和短途汽車運輸船上使用LNG燃料（見圖3、4[1]）。

圖1 “Bit Viking”號成品油輪

圖2 挪威短程海用渡船

圖3 挪威供應船

圖4 挪威短途汽車運輸船

國內，交通運輸部已發布《“十二五”水運節能減排總體推進實施方案》，明確提出“十二五”期間將逐步增加新節能減排技術的應用試點，并根據試點應用經驗確定推廣應用項目。內河柴油和LNG混合動力船舶技術正是五項試點新技術之一，內河船舶“油改氣”再度成為業內關注的焦點。據統計，目前，我國已經實現了拖輪、散貨船、游船、漁政船等船型的LNG改裝試驗。例如，由湖北西藍天然氣公司與武漢輪渡公司合作將一艘渡船“輪渡302號”改成燃用LNG的拖船，并在2010年8月完成為期25天的試航，現已投入正常使用[2]（見圖5）。

據中國水運報報道，中國船級社與中石油已共同啟動了“氣化長江”工程，目前，《氣體燃料動力船檢驗指南》已順利通過專家評審，相關技術規范業已成熟，將在內河開展更為廣泛的實船試驗。

圖5 “輪渡302號”拖船

2 LNG作船用燃料面臨的難題

2.1 技術層面

上文已提及在技術層面上基本解決了問題，并已在短程的小型船上使用，但是更深層次方面尚存在著難題，如與之相應的建造或改造代價不菲；從安全性來看也只解決了眼前，沒有從更長遠、更多角度考慮，甚至個別問題至今未獲解決。例如：

1) 無論是液態或氣態天然氣的傳輸，必須嚴格防止其泄漏，因而船級社規定必須用雙套管，或傳輸管系必須布置在專用管弄內，且管弄內必須充有惰性氣體或安裝抽風設施，船舶造價將大大增加；

2) LNG泄漏問題：LNG在常壓下溫度保持在-163°C，在此溫度下，鋼板呈冷脆性，失去強度。盡管船級社規定必須在連接法蘭下設置不銹鋼托盤，理論上講可以避免發生事故。但如果發生破損而大量泄漏，將如何處置？因為事故造成的后果將不堪設想；

3) 甲烷泄出問題：天然氣主要成分為甲烷。甲烷在天然氣燃燒過程中不可能完全燃盡，將隨廢氣排出，然而，甲烷的溫室效應強度比CO2大21倍[3]！航運界雖聲稱尋求解決辦法，但至今未果；

4) LNG燃料罐布置位置：對于小型船舶，尤其是油船和化學品船，可放置于甲板上，不占用載貨空間，安全性有保障。但對于大型船舶，諸如客船和超大型集裝箱船，是否可布置在住艙下面，至今各方意見不一。目前，在“國際散裝液化氣建造和設備規則”（IGC）中是明令禁止的。另一方面，DNV船級社和韓國大宇船廠分別推出了 9000TEU“QUANTUM”型集裝箱船[4]（見圖 6）和 14000TEU集裝箱船[1]（見圖7）概念性船型，其儲氣罐均布置于上層建筑下方，理由是：此處LNG是作為船用“燃料”，而不是“貨物”，后者需受IGC規則的限制。還有種說法，LNG燃料罐不論布置在船上何處，其風險評估結果都差不多，因此放在船員居住的上層建筑下方或別的地方效果是差不多的。因而各方仍有分歧，尚在爭論之中；

圖6 9000TEU“QUANTUM”集裝箱船

圖7 14000TEU集裝箱概念性船

5) LNG較之其他液體燃料（重油或船用柴油）能量密度低，在同樣續航力條件下，所占儲存空間比傳統的柴油燃料4倍左右，即會損失部分載貨空間，影響營運經濟性；

6) 燃料質量問題：LNG作為燃料時，其成分組成非常重要。燃氣中的甲烷值（MN）應≥80，否則內燃機會發生“敲缸”現象，影響氣缸壽命。除非該機經改造或降低功率使用，才可以避免。因而在加氣時需特別注意甲烷值，注意加氣艙內是否存在其他殘留物；注意隨溫度變化而影響到成分的改變；隨時對甲烷值進行監控，以保證燃氣的質量。

2.2 加氣

2.2.1 加氣操作

1) 置換氣體：在加氣操作時，為保證罐內壓力為常數，必須抽出同體積的罐內氣體，而這部分氣體如何處理是個問題。在岸站加氣時，可通過設置專用回收系統，問題不大。但如使用加氣船進行加氣作業時，只能將置換氣體和蒸發氣體再液化，予以回收利用，暫且不論其成本，加氣速度將受制于再液化速率，變得很緩慢。如應用氣體回流法，則裝載速率將受制于回流管直徑和布置；

2) 從安全角度出發，能否在船舶裝卸貨時同時裝卸LNG燃料？或者客船旅客是否能滯留在船上？至少目前明文規定是禁止的。這是必須解決的現實問題，否則將直接影響船舶營運周期，從而影響船舶利用率，使營運經濟性變差。

2.2.2 加氣設施

使用LNG作為船舶的燃料是一個系統工程。在世界各大港口，已建成不少LNG輸送終端，但這是作為貨運終端為運輸大量氣體時服務的。如要作為船舶的加氣設施，則必須考慮到燃料添加時相應的數量和質量檢測設備，以及安全問題，即必須有專用加氣的岸站。建立岸站屬于基礎建設，投入大，還涉及超低溫傳送引發的對碼頭的選址等問題，因而是否合算需認真考量。另外，目前尚無專門的加氣船，如大量添置加氣船必須考慮其安全性和特殊性，以及作業時對周圍環境的影響等，而且也是一筆不小的投資。

3 經濟性

3.1 氣價

從目前情況來看，LNG價格較船用柴油便宜，這是不爭的事實。但是今后，特別是一旦大量使用后，價格將如何變動，是個未知數，但可以肯定的是，中長期的總體趨勢只會漲，不會跌。

3.2 全球性加氣站的建設

為配合 LNG作為船用燃料，必須在全球各港口設置加氣站，這是一筆龐大的基建投資！暫且不談金融危機，即便在正常年份亦需仔細分析比較得失后才能下決心撥款建造。從目前情況來看，除北歐地區和新加坡（2014年完工）外，其他港口很少有此打算。

3.3 船舶初投資增加

上文已提及，由于LNG性質決定，其運行是在超低溫/壓力狀態下，因而必須有一套相應的運行和安全的系統加以保證，加上儲氣設備和特殊材料等，致使應用雙燃料的船舶的初投資增加較多，以阿芙拉油輪為例，由此增加的費用預計是新船價的20%左右，如此巨大的費用，船東是否愿意承擔。

4 結 語

眾所周知，燃燒LNG產生的廢氣較燃燒重油要“清潔”得多，完全能滿足當前環保要求。與此相似，陸地上核能發電以前被公認為清潔能源，符合環保要求，核電站將作為環保型電站成為發展方向。但去年日本海大地震導致福島核電站核泄漏重大事故后，核電成為洪水猛獸，致使德國政府宣布停止核能發電決定，這是以前很難想象的。由此聯想到，如果使用 LNG作燃料的船舶，萬一發生海損事故，特別像QUANTUM 9000TEU和大宇船廠的14000TEU集裝箱船，LNG罐置于船員居住艙室之下，一旦發生事故，導致LNG大量泄漏，雖然LNG在氣化過程中大量吸熱，氣體又較空氣輕，很快會散逸，不會發生燃燒、爆炸，但這僅在開敞的場合，如在封閉的艙內，則可能導致室內溫度急劇下降，直至-40℃以下，鋼板出現冷脆現象，裂紋、斷裂……，其后果不堪設想！到那時，人們又該得出何種結論呢？LNG作為燃料能較燃油燃燒排放廢氣中的溫室氣體減少15%～25%，但是如果對指標再作進一步削減時，則天然氣將無法滿足。有資料表明，為明顯降低全球航運業的溫室氣體排放，有必要在1990年排放標準基礎上再削減70%[3]！安裝排煙過濾器和催化反應器對廢氣進行處理，技術上肯定可行，且其費用只是投資一套 LNG系統的一半[5]。更重要的是它不占用船體內的載貨空間，不影響船舶營運經濟性，更受船東的青睞。但燃油價格走向將是船東不得不面對的現實。目前，為適應某些國家和地區對廢氣排放的要求，在規定的200海里“限制排放區”內燃用LNG，而在公海上仍燃用重質燃油。由此可見，LNG作為船用燃料有其局限性，目前較適用于小型、短程、具有一定條件的地區性航行船舶；至于大型、國際航行的運輸船舶，在解決上述提及的一系列“瓶頸”問題前，將最終取決于技術發展的情況和國際社會的認知和導向。

[1] 德國勞氏船級社. LNG as ship fuel - where are we-heading[Z].

[2] Yangtze Prepares for LNG Bunkering[J]. LNG World Shipping, 2011, (5/6).

[3] “像海龜翻身——-態度大轉變”[J]，造船師, 2012, (2): 7.

[4] 挪威船級社. QUANTUM 9000, 2-STROKE LNG ENGINE[Z]， Container Ship Update, 2011, (1).

[5] Andy Alderson. LNG作為船用燃料的特性[J], 造船師, 2012, (2): 18-22.