船用LNG燃料的應用與分析

李博洋，邱力強，張運秋

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船用LNG燃料的應用與分析

李博洋，邱力強，張運秋

（青島遠洋船員職業學院，山東青島 266071）

介紹了LNG作為船舶燃料的特點，概括了LNG燃料動力船舶的應用背景，對LNG燃料和其他多種主流減排技術、措施進行了細致的比較，提出了LNG燃料發展的限制因素，總結了LNG燃料動力船舶的應用現狀和發展前景。

LNG燃料 LNG動力船 應用分析

1 LNG作為船舶燃料的背景

1.1 滿足日益嚴格的排放法規

1）NOx和SOx排放限制

國際海事組織（IMO）于2011年7月通過了MARPOL附則VI，提高了船舶的氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）排放標準。

附則VI要求，到2020年船舶燃料油含硫量必須低于0.5%，其中進入波羅的海、北海和北美沿海水域、加勒比海設立的排放控制區（Emission Control Area，以下簡稱ECA）的船舶，2015年其燃油含硫量必須低于0.1%。NOx排放分3個階段，到2016年進入ECA的船舶全部實施NOxTier III標準，排放量相比Tier I標準降低約80%（如圖1）。

2）固體顆粒排放物（PM）限制

繼NOx、SOx、CO2之后，PM排放問題成為了IMO新的討論焦點。目前MARPOL附則VI沒有明確PM排放限定標準，但是西方（特別是北極附近區域國家）積極開展研究，擬在MARPOL附則VI中明確對黑炭排放的控制。擬先對北極區域以及ECA的黑炭排放標準進行強制化，從黑炭排放標準著手進而將范圍擴大到全部的顆粒物質排放（PM），區域也相應擴大到近海區域，最終實現對近海區域PM排放的強制化管理。黑炭議題對我國航運業的影響甚至將超過其他排放要求所帶來的沖擊。

圖1 NOX排放要求

1.2 尋求替代能源，降低運營成本

隨著燃油價格越來越高，燃油成本已成為航運企業最大的運營支出。從降低運營成本的角度出發，航運業也在努力尋求經濟性更好的替代燃料。LNG作為船舶燃料，熱值高、環保性好且價格便宜，已成為最炙手可熱的船用替代能源。

2 LNG燃料與其他減排措施的比較

2.1 解決SOx排放問題的主要措施

1）使用低硫燃油

優點：能夠顯著減少SOx排放；無需增加設備；原理簡單且通過驗證，效果有保障。

缺點：價格比普通燃油高，而且船用低硫燃油的供應也難以保障；無法解決CO2和NOx排放問題；低硫燃油粘度、堿值與普通燃油不同，燃料轉換時對柴油機正常運行有一定影響。

成本：和普通燃油相比，每噸燃油成本增加300美元。

2）尾氣清洗裝置（EGC）

優點：可以使用含硫量較高的普通燃油，成本較低；降低SOx排放的同時也可降低PM排放量。

缺點：投資成本較高；對安裝空間有一定的要求；船員需進行裝置操作培訓；使用過程中增加了能耗；尾氣當中的顆粒排放物在清洗過程中會產生副產物——污泥，需要增加處理裝置；導致海水酸化；無法解決NOx排放問題。

成本：設備費用300-600萬美元，加上副產物污泥的處理費用。

圖2 尾氣清洗裝置（EGC）

2.2 解決NOX排放問題的主要措施

1）選擇性催化還原裝置（SCR）

優點：陸上應用比較成熟。

缺點：適用于四沖程發動機，不適用與二沖程發動機；隨著使用時間增長，效率會下降；無法解決SOx排放問題。

成本：設備費用50-100美元/千瓦，加上尿素（催化劑）費用。

2）廢氣再循環裝置（EGR）

優點：陸上應用比較成熟。

缺點：降低發動機效率；加劇發動機磨損；實船使用案例較少；無法解決SOx排放問題。

成本：設備費用200-400萬美元，維護成本較高。

圖3 SCR及其工作原理

圖4 廢氣再循環裝置（EGR）

2.3 LNG燃料

優點：經濟性好：LNG的市場價格遠低于燃油價格，尤其是美國的HH價格以及歐洲的NBP價格，相同熱值輸出下，LNG價格僅相當于柴油的1/4到1/3；環保性好：和傳統燃油相比，船舶通過使用LNG燃料，可以降低20%的CO2排放，降低90%的NOx排放，幾乎不產生SOx和PM。

缺點：現有船舶改造LNG動力較困難；布置較為復雜；貨艙空間減少（液罐布置）；現階段天然氣加注基礎設施不足；船員需要特別培訓；LNG易燃、低溫儲存有一定危險性。

成本：LNG動力船舶建造成本大約增加15-20%，長期來看，因天然氣營運成本較低，經濟性較好。

圖5 LNG燃料動力船舶

通過上述比較可知，LNG作為船舶燃料，是目前唯一一種可以同時滿足ECA、MARPOL公約、IMO對SOx、NOx和PM的排放要求的技術方案，LNG燃料動力船舶的節能減排優勢較為明顯。

3 LNG作為船舶燃料的關鍵技術與限制因素

3.1 關鍵技術

當前使用LNG作為燃料的發動機分為兩類：一類是單燃料發動機，用作引燃材料的燃油不超過5%；另一類是LNG-柴油雙燃料發動機，雙燃料發動機根據LNG氣化氣體進入發動機氣缸方式的不同可分為缸內直噴和與空氣混合進入兩種；按運行模式可以分為燃油運行模式(100％燃油)，最小燃油運行模式(僅用5%-8%的燃油作為引燃，主要以天然氣作為船舶燃料)，定量天然氣運行模式(燃油、天然氣按照一定比例共同作為船舶燃料使用)。雙燃料發動機可根據船舶實際運營需求轉換運行模式，靈活度高，經濟性好，從目前來看具有較好的應用前景。

由于國外缸內直噴發動機造價甚高，約為國產混合進氣式發動機造價的3倍，所以目前我國普遍采用混合進氣發動機，且目前多點噴射的LNG供氣系統尚未研制成功，因此，大都只采用混合進氣單點噴射式發動機，因技術較為落后、效率較低，存在一定的爭議。

3.2 限制因素

LNG運輸船舶采用LNG作為燃料的技術已經相對成熟，但是非LNG運輸船舶采用LNG作為燃料還面臨若干問題。除了低溫、爆炸和液體氣化帶來的風險以外，LNG燃料發動機技術、船舶LNG儲存供應技術、船舶LNG補給方式、船舶LNG燃料系統安全保障等尚存在一定的風險和不足，有待進一步完善。

LNG作為船舶燃料還面臨LNG加氣站配套建設不足、相關規范法規體系尚不完善、新建/改造船舶成本偏高、相關鼓勵政策未出臺等限制因素。此外由于LNG能量密度比燃油低，對于相同的能量輸出條件下，LNG需要1.6倍的燃油艙容積，造成較大的貨艙艙容損失。

4 LNG燃料應用現狀與前景

4.1 應用現狀

北歐是LNG燃料動力船的發源地，LNG加氣站布局合理，目前已建有約40多艘LNG燃料動力船舶，船型分布如圖7所示。

圖6 歐洲LNG動力船船型分布

美國航運公司Totem Ocean Trailer Express（TOTE）于2012年12月訂造了2艘以LNG為燃料的集裝箱船（圖6）。這兩艘3100TEU集裝箱船將搭載MAN Electronic Gas-Injection發動機，成為業界首批以LNG為燃料的集裝箱船。兩艘船將分別在2015年及2016年交付，新船平均單箱的SOx及NOx排放量可比現有的集裝箱船分別降低98%、91%，綜合其他節能減排技術，可實現二氧化碳減排71%。美國GE公司的航改船用LNG燃氣輪機，雖然還未在遠洋貨船上實際應用，但是已有軍艦及豪華郵輪上使用的案例，這也為LNG作為船舶燃料的發展提供了另一種選擇。

除歐美船廠和設計公司正在開發LNG燃料技術外，日韓造船企業目前也在積極準備LNG燃料船舶的開發。日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”號環保渡船的設計構想；韓國大宇造船與海洋公司目前正在開發采用LNG燃料的大型集裝箱船；2011年6月，大島造船與挪威船級社合作完成了LNG燃料6.2萬噸大開口散貨船的概念設計；2012年底，日本郵船（NYK）再次公布“NYK2030 超級生態概念船”的研究進展，其使用LNG燃料電池的設計理念更加清晰、具體。

圖7 美國TOTE 公司LNG動力集裝箱船

國內目前的研究尚處于起步階段，以改造長江內河船為主，但已開始建造雙燃料港作拖輪（入CCS級）。大連中遠船務為應對船舶市場競爭，結合自身條件開發了“LNG雙燃料散貨船” 項目，于2013年7月通過驗收。該項目對象為新型的8萬噸級散貨船，其核心技術滿足IMO、IGC、IGF等相關規范對有害物排放的要求，并獲得了LR船級社的AIP認可證書。此外，大連中遠船務也接獲了國內首艘綠色能源小型LNG運輸船建造訂單，該船擬采用雙燃料驅動，為國內首艘綠色能源標準船舶。

4.2 應用前景

1）內河船舶及沿海船舶

內河及沿海航運由于航線固定，加注方便，內河船舶和沿海船舶相對于遠洋船舶更容易使用LNG作燃料。

從國家層面上，中國海事局已開展試點工程和專項課題研究，工信部也對柴油替代率超過75%的船舶實行減免稅收等鼓勵政策進行了研究。2011年5月中國船級社與中國石油天然氣集團公司舉行的LNG燃料船舶技術交流會，在推進“氣化長江”項目上也起到了很大的作用。總體來看，LNG燃料動力內河船舶及沿海船舶前景將十分廣闊。

2）遠洋船舶

在ECA的嚴格排放標準和MARPOL附則VI Tier III的影響下，經過和其他減排措施進行的安全性、經濟性比較，LNG燃料動力船舶已經成為航運界最關注的問題。可以預見，隨著燃油價格不斷上漲，LNG基礎設施的完善，相關技術日益成熟，LNG作為船舶燃料將具有廣闊的發展前景。近年來全球范圍內以LNG為動力的船舶數量增長情況如圖8所示。

但是業內對LNG作為船舶燃料也存在不同的聲音，波羅的海航運公會（BIMCO）表示，盡管近期LNG作為船舶燃料預期樂觀，但LNG仍不是大多數船舶的燃料首選。

圖8 全球LNG燃料動力船累計增長圖（數據來源：DNV）

5 結論

隨著新的國際公約和規范不斷生效，全球航運業將要面臨的污染和排放限制將愈加嚴厲。與傳統的節能減排措施相比，積極開發新能源動力裝置和新能源動力船舶，是應對低碳經濟發展趨勢的合理解決方案。LNG作為船舶燃料在營運成本、排放控制、技術應用等方面所具有的優勢和效益已經越來越顯著，開展以LNG燃料為船舶動力的相關研究，是目前航運業應對燃油成本和環保法規問題的主要趨勢，LNG燃料動力船舶值得關注。

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Application and analysis of Marine LNG fuel

Li Boyang, Qiu Liqiang, Zhang Yunqiu

(Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

TQ529

A

1003-4862（2014）10-0077-04

2014-04-18

中國遠洋運輸（集團）總公司應用研究計劃項目（2013-1-H-007）

李博洋（1974-），男，副教授、大管輪，從事液化氣船新技術應用、船舶節能減排的教學與研究。