甲醇：未來船用燃料

CCS武漢規范研究所

為滿足日益嚴格的排放標準，使用船舶替代燃料越來越受到航運界的青睞。盡管過去數年中，液化天然氣（LNG）一直是替代燃料中的寵兒，而且相信這種趨勢在未來仍將延續，但現階段越來越多的研究和案例表明，甲醇以其清潔、環保、可獲取性強等諸多優勢，已充分顯示出成為未來船用燃料的潛力。

為什么選擇甲醇？

甲醇是結構最為簡單的飽和一元醇，化學分子式為CH3OH，其理化性質與汽油類似，是一種無色、透明、有毒、易揮發的易燃液體。甲醇的分子結構如圖1所示，與其他幾種常見船用燃料的對比如表1。

圖1：甲醇分子式

表1：甲醇與幾種常見船用燃料的理化性質對比

與LNG相比，甲醇最大的優勢在于其不需要低溫儲存和絕熱，因而燃料艙的設計和建造非常簡單，成本大大降低。甲醇燃料艙可以是整體式，也可以是獨立式，整體式貨艙在甲醇運輸船上已有大量應用經驗。

甲醇不含硫，因此甲醇燃料發動機的硫氧化物（SOx）排放（來自于引燃油）較柴油機（使用重油）可降低99%，能夠很好的滿足IMO排放控制區和中國三大船舶SOx排放控制區的要求。在氮氧化物（NOx）排放方面，根據W?rtsil? Vasa 32發動機的測試報告，使用甲醇時，NOx排放為3～5g/kWh，而使用低硫油（MGO）時，NOx排放約11.8g/kWh。另一臺改造發動機W?rtsil? Sulzer Z40SMD的測試結果顯示，使用甲醇時NOx排放為4～5g/kWh，而使用低硫油時該值約為11.5g/kWh。因此，甲醇燃料發動機很容易滿足目前IMO tier II和國內船舶NOx排放標準。此外，由于甲醇富含氧原子，燃燒更充分，可有效降低有害氣體的排放，一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和總碳氫（THC）排放均有不同程度的降低。

但是，僅從使用側評價一種燃料的環保性，而忽略在這種燃料開采、加工、運輸等環節產生的排放，所得出的“環保性”只是局部的、片面的，而非全局的、完整的。從燃料的整個生命周期來評價其環保性，是更為合理的一種做法。為此，圖2比較了幾種燃料在整個生命周期內的能耗與排放情況。可見，雖然在燃料總能耗方面甲醇不占優勢，但在其他有害污染物（SOx、NOx、PM）排放方面，甲醇仍具有顯著的減排效果。

圖2：不同替代燃料在整個生命周期內的環境影響（以HFO為基準，HFO=1）

歐洲制造甲醇主要以天然氣為原料，而我國甲醇主要以煤為原料，二者市場價格差別不大。據了解，我國西部省份甲醇價格較低，約在1500～1800元/噸徘徊，東南沿海甲醇燃料價格約為2000元/噸左右，但考慮到甲醇的能量密度，與重油（HFO）等熱值的甲醇價格需翻倍。對船東而言，經濟性的直接體現就是投資回收期，它取決于使用甲醇燃料產生的附加投資f和潛在的燃料成本節省。由于甲醇相對HFO沒有價格優勢，因此，使用甲醇燃料僅在SOx排放控制區（要求使用低硫油）內才可能產生燃料成本的節省，并且在排放控制區內的航行時間越長，節約燃料成本的可能性就越大。歐盟海事局（EMSA）“甲醇和乙醇用作航運替代燃料研究”（Study on the use of ethyl and methyl alcohol as alternative fuels in shipping）項目比較了重油加后處理裝置（脫硫脫硝）、LNG和甲醇三種方案，其結果表明，對于僅在排放控制區（ECA）內航行的船舶，甲醇優勢高于LNG，與重油加后處理裝置的方案經濟性相當，如表2所示。

制造甲醇的原料來源非常廣泛，可以是化石原料（如天然氣、煤），也可以是生物材料（如種植林等）。中國是世界第一大甲醇生產國，具有較為完善的甲醇生產、儲存、運輸、供應鏈。歐洲情況類似，由于甲醇是重要的化工原料，歐洲也早已建立完善的甲醇存儲、分銷基礎設施，如鹿特丹港和安特衛普港均建有大型化學品存儲站，據報道，甲醇也是波羅的海所有港口處理最多的化學品，這意味著已在波羅的海地區建立了完善的儲存和分銷網絡。因此，無論從生產，還是分銷，甚至未來的加注來說，甲醇作船用燃料都具備良好的可獲取性。

表2：基于燃料平均價格（2015年）的案例船投資回收期

甲醇用作船用燃料的現狀

1.船舶現狀

甲醇在我國早已用作汽車燃料，作為煤制甲醇產能大省，山西在十多年前即開始推廣甲醇汽油，如M20、M15等；但在船舶領域，尚無實船使用甲醇燃料。國際上，歐洲是船用甲醇燃料的研究和實踐先鋒，其中以瑞典尤為突出。早在2006年，歐盟委員會就資助了一個名為“基于可再生甲醇的商船輔助電力系統可行性研究”項目（METHAPU），旨在評估利用甲醇燃料電池向SOLAS船舶重要設備供電的相關技術及可行性。之后，瑞典國家創新局陸續開展了一系列研究或試點項目，實現了甲醇用作船用燃料從科研向實船應用的跨越（如表3）。目前，應用甲醇燃料最大的船舶是瑞典的“Stena Germanica”號客滾渡船，其4臺主機中1臺已于2015年改造為甲醇-MGO雙燃料，另外3臺將于2016年改造完成。可見，歐洲船用甲醇燃料研究與應用均處于世界領先水平。

圖3：“Stena Germanica”號客滾渡船

2.規則和標準現狀

甲醇的閃點為12℃，屬于低閃點燃料，因此，船舶使用甲醇燃料需要滿足《氣體或低閃點燃料船舶國際安全規則》（IGF規則）。但目前，IGF規則關于甲醇燃料的技術要求尚在制訂過程中，其內容主要參考了IGF規則Part1（對天然氣燃料船）、IBC規則（對甲醇運輸船）的相關要求，但在燃料艙布置與保護、探火與滅火、結構防火、蒸氣探測、加注接頭等若干方面上存在爭議。中國船級社自2015年開展船舶替代能源（醇類、氫氣等）應用研究，計劃2016年底完成《船舶使用醇類燃料應用指南》。

表3：歐洲甲醇燃料船舶項目概覽

岸上標準對甲醇燃料船的發展同樣重要。目前，甲醇陸上運輸、儲存均有完善的標準，而甲醇加注標準取決于加注形式。對于槽車和岸站加注，可參照相應的行業標準或規程；對于船對船加注，目前尚無規范或標準。

甲醇用作船用燃料的關鍵技術和設備

1.甲醇燃料系統

典型甲醇燃料系統如圖4所示。根據功能，可將其分解為甲醇加注、甲醇儲存、甲醇處理與供應、甲醇利用、機后處理等5個模塊。

圖4：典型甲醇燃料系統示意圖

甲醇加注：加注系統包括加注站、加注管系（含閥件）、加注接頭和惰化、吹掃管路等，這些部分與LNG加注類似，不是新鮮事物，也無復雜之處。但是，考慮到甲醇的低閃點和毒性，加注站的位置、構造、通風、探測、消防、人員防護等需要特別考慮。

甲醇儲存：對甲醇燃料艙主要應考慮其艙型、位置、燃料艙保護、透氣、環境控制等方面。試點的改造船舶由于燃料需求量不大，可采用獨立式燃料艙；大型甲醇燃料船可采用整體式燃料艙。根據現有IGF規則草案，燃料艙不應布置在起居處所下方，且與舷側距離不得小于760mm；當燃料艙位于甲板以下時，還應設置隔離艙將其與其他處所分開（燃料泵艙和底艙除外），隔離艙內應設置甲醇蒸氣和液體泄漏探測裝置。對于透氣、環境控制方面的要求，與IBC規則基本一致。

甲醇處理與供應：從甲醇燃料艙至發動機之間的所有系統和部件，包括甲醇供應系統和燃料閥組。這部分的要求與LNG動力船燃料供應系統類似，重點在于供應管路保護、閥件布置、燃料泵位置與保護、溫度控制等。由于燃料供應管路上閥件、接頭眾多，而且甲醇粘度很低，這意味著潛在泄漏風險大大增加，因此，選擇合適的密封材料、設置蒸氣探測、負壓通風和雙壁管路都是必要的風險控制措施。

甲醇利用：通過發動機實現。IGF規則草案中，甲醇發動機的要求與天然氣燃料發動機類似，均為功能性要求，較為宏觀和原則。不同廠家對發動機的研發路線也不相同，大多傳承自身傳統優勢，如MAN公司研發的ME-LGI型甲醇-柴油雙燃料發動機是高壓噴射、低速、二沖程雙燃料發動機，Caterpillar研發的是高速、四沖程、帶預熱塞點火的純甲醇發動機，相關廠家的甲醇發動機如表4所示。

使用甲醇燃料帶來的一個問題是，由于產生了更為清潔的潤滑環境，發動機的磨損將會顯著加大，這點與天然氣燃料發動機類似，應在設計階段予以考慮。

機后甲醇處理：主要是指吹掃回收系統，氮氣裝置在整個系統中具有核心地位。對于雙燃料發動機，在燃料轉換、發動機維修等情況下，必須對燃料供應管路進行掃氣、惰化。根據MAN ME-LGI發動機設計，燃料管路必須布置成能夠通過吹掃將管內甲醇排空并返回至日用艙，之后對所有雙壁管管系進行充分的惰化。所有吹掃、惰化應通過氮氣裝置對每個子系統進行。

表4：甲醇燃料發動機概覽

2.對船舶的特殊考慮

除甲醇燃料系統外，由甲醇帶來的額外風險尚需在船舶設計與系統布置、蒸氣探測、消防等方面予以控制。對使用甲醇燃料所帶來的額外風險進行控制。例如，在消防方面，由于甲醇燃燒火焰難以發現的特點，尚不知現行船舶規則規范中規定的探火方法是否對甲醇有效；同樣的原因，需要對現有的幾種滅火方式的有效性予以充分考慮，以找到合適的組合。需考慮的因素例如：

抗溶泡沫：可能不能覆蓋火災的的邊角因而繼續燃燒；

CO2：在處所通風后，且過火表面沒有充分冷卻時，很可能重燃；

水基系統：為利用稀釋效應而使材料不燃，需大量水。

此外，結構防火也是船舶設計時考慮的重點。

3.風險評估

IGF規則明確要求對使用甲醇所引起的船舶、人員和環境風險進行評估，以確保甲醇燃料船舶的安全性與常規燃油動力船舶的安全水平相當，因此，風險評估可謂甲醇燃料船舶的強制性要求。前文所述幾艘甲醇燃料船項目，均進行了風險評估，其結果表明，安全因素并非使用甲醇燃料的“壁壘”，目前存在的困難在于設計、船型和使用經驗都非常有限，只能借鑒化工行業經驗和數據，風險分析主要采用定性手段。

甲醇用作船用燃料的主要挑戰

盡管表現出種種優勢，但實現甲醇燃料在船上的廣泛應用，仍需經歷漫漫長路，克服技術標準、燃料成本、船舶布置、關鍵設備等方面的諸多挑戰。

1.技術標準

目前，IGF規則Part A-2部分“甲醇/乙醇作為船舶燃料”尚在制訂中，何時完成尚不得知。雖然少數船級社頒布了甲醇燃料船的技術標準，但仍存在較多差異，且多為功能性要求，不易操作。

2.燃料成本

雖然單噸甲醇價格較低，但由于甲醇熱值只有HFO一半左右，同等熱值的甲醇價格需翻番考慮。如此一來，甲醇與HFO相比無任何優勢，與LNG相比也只有在特定的場景下才具一定優勢。

3.船舶布置

同樣由于甲醇熱值低，甲醇燃料艙的體積接近燃油艙的2倍，比LNG燃料艙大20%左右，對于同等尺度的船舶，更大的燃料艙意味著貨艙損失，進而影響船舶營運收益。此外，現行IGF規則草案要求對甲醇燃料艙通過隔離艙進行保護，且燃料艙距離舷側的要求高于IBC規則對甲醇貨艙的要求，這對于船舶布置而言是一個不利的方面。

4.關鍵設備

甲醇發動機是甲醇燃料船的關鍵設備，國外已有數家生產廠開發出相關產品，但均處于初始階段，而且由于訂單少，未形成批量化，所以價格高昂。在國內，尚未見船用甲醇燃料發動機的開發。天津大學內燃機國家重點實驗室開發了甲醇-柴油雙燃料燃燒技術，但僅在陸上重型柴油機上得到了部分應用，尚不具備船上應用條件。總之，目前市場上可供選擇的船用甲醇發動機，尤其是中高速四沖程船用甲醇發動機還很少。

甲醇燃料以其清潔、環保、可再生、可獲取性強等特點，已成為航運界關注的替代燃料，科研項目與實船試點表明，甲醇用作船用燃料的安全性、環保性能夠充分保證，使用甲醇燃料還有利于消化煤炭的過剩產能。雖然在燃料成本、使用經驗、動力設備等方面仍存在諸多挑戰，但相信隨著航運減排要求的日益嚴格和科技的不斷進步，甲醇在未來船用替代燃料市場必將擁有光明前景。