綠色低碳航運背景下的安全新課題

唐禮建

（北部灣港欽州碼頭有限公司，廣西 欽州 535000）

2022 年11 月22 日以“共促綠色、智慧、韌性的全球航運業新發展”為主題的國際航運論壇活動在上海北外灘的世界會客廳拉開帷幕。活動倡議，要提升航運業韌性、安全性，以及智慧綠色發展水平，保障全球物流供應鏈穩定暢通；努力推動航運業智慧綠色轉型，加快推動航運業高質量發展；著力打造世界一流航運中心，加快推動長三角共建輻射全球的航運樞紐；加速推進全球交通合作，提升“一帶一路”設施互聯互通和運輸便利化水平。新時代下，綠色低碳航運的實現，必須有“智慧”元素作為支持，AI 技術的融入使自主系統得到完美升級，但在機械故障問題上還無法實現自行解決，這也直接導致“Mayflower”號無人船在橫渡大西洋時無法完成既定任務。

1 船用燃油不兼容和不穩定問題

在過去很長一段時間里，航運業更多關注自主系統運行效能方面的問題，對燃油選擇并沒有過高要求，只要滿足“價格低”和“單位能量密度高”這兩個條件即可。如果在保證航行距離不受影響前提下，降低燃油使用量，就再滿意不過了。但在“限硫令”背景下，市場正在勸退傳統船用燃油，低硫油需求比重正不斷增加。一組來自Drewry 的燃料使用數據調查報告顯示，200 名接受問卷調查的船舶運營者中，超過70%的人會選擇使用低硫油燃料，而對于新造船是否使用低硫油的詢問，超過45%的受訪者給出了肯定回答[1]。但高期望和意愿卻不一定能夠獲得好的效果。事實上，船舶在安全使用低硫油方面正面臨著較大風險。

1.1 燃油不兼容表現

船用燃油屬于一種渣油產品，通過煉制將蒸汽、煤和柴油分離出去。絕大多數情況，渣油間并不存在兼容性問題，這與其芳香烴指數較高有直接關系（芳香烴指數越高，越容易溶解渣油里的瀝青烯）。但低硫油流行起來后，燃油兼容性問題就變得非常突出，原因在于，通常意義上的“燃油兼容性”，是指兩種或兩種以上燃油混合后所表現出的沉淀趨勢，若兼容性好，便不容易產生沉淀，或在很長時間后才會出現沉淀，反之，沉淀會在極短時間內產生[2]。這一現象所引發的后果表現為，瀝青質沉淀形成油泥和油渣后會堵塞分油機與過濾器，甚至會堵塞燃油管道，這樣就會增加主機停車和跳電風險，降低船舶運行安全性。不可否認，新型燃油在性能和穩定性方面有著較大優勢，但不代表能夠與其他燃油較好融合。另外，不同地區混合油成分存在較大差異，燃油不兼容問題可能會更加突出，即便是同一批次和同一類型燃油，也會存在不兼容問題。

1.2 燃油兼容性測試方法

當前，比較受認可的一種測試方法是斑點測試法，其作用表現在兩個方面：一是對化工領域油品穩定性做出評價；二是對油品摻混互溶安定性情況做出評價。具體操作方法為：（1）選取兩種不同類型燃油作為試驗樣品，在熱環境下（加熱處理）按照1：1 的比例進行混合，并充分攪拌至均勻。（2）取一滴混合油樣，滴至帶有一定溫度（事前加熱）的試紙上[3]。（3）將吸收混合油樣的試紙至于100℃環境中（通常指內環境溫度達到100℃的烤箱），然后觀察試紙油點情況。

結果分析：如果試紙上的油點呈斑點狀均勻分布，且內部顯示無環，說明該油樣穩定，即兩種燃油兼容；如果斑點分布不均勻，且內部有細微環狀，則表示混合油品加熱過度；如果斑點內部出現明顯黑色環狀，或者出現固體，說明兩種燃油不兼容。

1.3 燃油穩定性影響因素

在自然存儲狀態下，燃油會表現出一定分解現象，至于分解程度大小如何，則由燃油自身的抗分解性所決定（不同類型或品質燃油，其抗分解能力存在較大差異）。改變存儲狀態/環境后，燃油分解情況也會發生改變，也就是說，燃油抗分解能力強或弱，需要在相同環境或存儲狀態下進行衡量。由此可以得出這樣一個結論，隨著存儲狀態發生改變，燃油穩定性也會發生變化，抗分解能力越強，在同一存儲狀態下的穩定性也就越好，反之就越差[4]。

透過現象看本質，燃油是否易被分解，主要取決于其懸浮瀝青質的液態碳氫化合物性質，若為芳香烴，懸浮瀝青質將始終保持懸浮狀態，若為直鏈烴（指分子結構），則會表現出聚合成污泥的傾向。試驗發現，當燃料在化學反應作用下被分解后，整個過程將很難被逆轉，且沉淀瀝青質不能再溶解。

船舶航運時，為確保燃油量滿足船舶往返或單程行駛需求，事前往往會準備足量燃油（幾天甚至幾周的燃油量），而燃油一旦存儲時間過長，瀝青質成分便會發生沉淀，變成油泥或油渣，隨著油艙內油量逐漸減少（越往下沉淀物質越多），油泥和油渣進入油管和分油機的概率也就越大，過濾器也會更容易堵塞。新加坡某家燃油供應商經過測試得出這樣一個結論，低硫油在油艙內存放時間越久，沉淀物析出量就越大，并會直接導致燃油總酸值升高，而當總酸值達到一定高度后，船舶操作就會出現問題。

1.4 問題燃油使用風險

首先區分一組概念，即“燃油使用問題”與“問題燃油”，前者是指燃油使用操作時出現的問題，后者是指燃油自身的問題。顯然，隨著時間的推移和經驗的逐漸積累，燃油使用問題總會得到解決，但問題燃油則不同。Veritas Petroleum Services 表示（新加坡燃油檢測機構），通過氣相色譜-質譜聯用儀已檢測出在阿姆斯特丹、鹿特丹、安特衛普三個地區加注的超低硫油樣品中檢測出揮發性有機化合物，且已經有船在上述地區加油后報告船舶主輔機在使用問題燃油后，噴油嘴和燃油泵出現損壞[5]。Veritas Petroleum Services認為，這些硫油樣品中所含有的揮發性有機化合物并非來自常規煉油過程，也就是說，在正常操作下，這些化合物本不應該存在，這是燃油受到污染后的結果。如果受污染燃油被大量用于船舶航運，必將引發一系列機械故障，船舶安全性將受到嚴重威脅。

低硫油黏度、潤滑性與高硫油相比有較大不同，高硫油艙改裝低硫油時，如果沒有對油艙進行完全清理，不僅殘留高硫油混入低硫油會造成硫含量超標，也有可能引發機械故障。因此要注意檢查油艙清洗程序需滿足“三遍燃油處理劑的化學清洗、一遍少量輕油清洗、人工清洗”要求，并確保記錄與計劃相一致，完善船舶換油程序，在切換不同批次的低硫油時，盡量將沉淀柜及日用柜中的舊燃料用完，以最大限度地減少“混油”風險等。

2 來自替代能源“化學式”的挑戰

通過前面論述可知，低硫油雖然能夠滿足綠色低碳航運需求，但需要使用者承擔比較高的安全風險，由沉淀物（油泥、油渣）所引發的機械故障還是比較多的。因此，需考慮采用替代能源。氨、氫、甲醇是比較理想的能源替代物，也是需求所向，相關信息一經發布，立刻引來高度關注。但氨、氫和甲醇所具有的化學特性在某種程度上同樣給船舶航運安全性帶來挑戰。

氨的毒性和腐蝕性不言而喻，尤其當泄漏的氨遇到水后，會與空氣中的凝結物發生反應而形成有毒霧氣，很難消散。而且氨是可燃的，任何泄漏都有可能產生火災和爆炸。如果說80%～90%的海上事故因人為因素導致，那么，當船員在有關氨燃料專業知識的掌握與所受培訓不充分（必是氨是新興能源）的情況下，危險可能隨時發生。另外，燃料用氨不同于裝在儲罐中的運輸氨，它會“流通”到更多的環節，比如通過管道從油艙到燃料準備室（泵、壓縮機等），進而輸送到發動機。氨在傳輸過程中遇到設備越多，意味著其接觸的面積越大，泄露風險也就更大。無疑，這加大了氨作為船用燃料的安全系數。

相比氨動力船，成型或在設計之中的氫動力船舶數量較多，不論是從能源采集/應用還是從能源供給來講，氫都處于相對優勢。但這只是相對于其他替代能源(氨和甲醇)而言。如果將傳統燃料與氫進行對比，后者面臨的安全應用風險還有很多。

盡管氫在消除二氧化碳方面表現出的潛力最好（可能除太陽能、風力等自然動力源外），但它的能量密度特點意味著必須在船配備巨大的燃料艙——液氫的存儲溫度為-253℃。這不僅意味著很大的艙位損失，還意味著存儲罐壓力的管理，且這種管理在數字化和智能化時代已經從“人的管理”分包出去，一旦AI 無法糾正錯誤，出現壓力泄漏，后果不堪設想。這兩方面考慮是氫燃料還很難應用在超大型集裝箱船上的最重要原因。當然，業界也在著力解決這些“此前未有的挑戰”。

甲醇動力船舶也是綠色船舶發展方向，從馬士基和達飛輪船下單定造甲醇動力集裝箱船的消息即可知這種燃料的可用度。甲醇具有良好的應用前景，比如船用發動機技術對于甲醇應用的成熟度相對較高意味著其在使用過程中的安全系數高，且甲醇的單位體積能量密度明顯高于氫，預示著這種燃料更加適用于非短程航線。

3 基于替代能源的船型設計思路

3.1 不同替代能源下的船型設計

在船舶總布置方面，氨、氫和甲醇等替代能源所具有的燃、易爆、毒性特點，以及能量密度差異，同樣會給船舶航運帶來挑戰。原因在于，如果按照原有布置思路和成型布置方案對氨、氫和甲醇等替代能源進行使用，就會存在排斥問題，亦可理解為二者無法相適應。

為了弄清楚這個問題，以及提出完整解決方案，道達爾參與了“降低氨作為船用燃料風險”研究，過程中對單壁和雙壁密封情況，以及加注后不同作業期間的泄漏情況進行了充分考慮，并從通風和蒸汽處理系統效率等方面提出了獨到見解，同時也將暴露于氨環境中的人員健康問題考慮在內。在對氨泄漏所帶來的各方面風險進行客觀評估后，包括氨環境中的人員健康、船舶航行安全等，逐步確定了將氨燃料作為替代能源的使用安全標準。此研究幫助整個航運業更為深入地了解和認識氨燃料。目前，一些已有概念圖的氨動力新船已經將氨儲罐放置于甲板上，以求最大限度地降低氨泄露帶來的潛在風險，減少對船舶安全和海上環境的侵蝕。

在氫燃料作為替代能源方面，整個價值鏈涉及了存儲設備開發、船體設計、燃料供應等多個環節，針對氫燃料使用可能遇到或已經存在的種種問題，包括由歐洲國家政府機構和大型造船廠與能源公司在內的26 個合作伙伴聯合推出《氫燃料船舶手冊》，其中詳細闡述了氫燃料船舶設計要求，介紹了如何緩解安全風險，以及氫系統施工細節[6]。

在甲醇作為替代能源方面，由于傳統船舶燃料艙主要是重油進行設計的，其主要特點在于，閃點超過60℃，而由甲醇能源所支持的動力集裝箱船，其閃點僅在12℃左右，顯然，這與傳統船舶燃料艙并不匹配。針對這一問題，馬士基船隊技術部門人員給出了“雙層屏障、雙壁管”設計方案，這樣就確保船艙內沒有任何單一的故障可以導致甲醇蒸汽暴露在可能著火的地方，最大限度地保證了船舶安全。

3.2 替代能源背景下船型設計所面臨的技術難點

第一，從法規規范性和監管環境方面對氨、氫和甲醇等替代能源使用方式做進一步完善；從能源加注、儲存、供給等方面對替代能源應用要求進行優化，要求能夠提出建設性參考方案。

第二，考慮到氨、氫和甲醇替代能源在物理和化學性質上存在較大差異，因此需要對不同能源船舶進行針對性設計，并且也需要注意到船舶噸位、航線、船型差異所帶來的不同。以三維設計技術與智能化空間布置技術為基礎，從加注、儲存、供給、使用四個維度出發進行綜合考量，深入分析氨、氫和甲醇三種替代能源使用給船舶總布置帶來的積極和消極影響，借助計算機技術幫助船舶設計人員做出正確判斷和決策，以最大限度提升船舶設計質量，增強船舶使用安全性，將風險控制在最低。

第三，氨、氫和甲醇等替代能源產業鏈尚未形成，基礎設施配套不完備，這給船型設計過程中的航線選擇、續航力確定、船舶經濟性評估帶來巨大挑戰，具有市場競爭力的新能源船型往往較難得出完美設計，因此應明確氨、氫和甲醇等替代能源動力船舶的使用路徑，加速相關產業鏈形成，為相關船型設計提供更好的設計基礎和使用環境。

綜上所述，綠色低碳航運背景下，于船舶設備、燃油供應、替代能源三方面實現創新是當前航運業的主要發展方向。“限硫令”之下，低硫油需求量上升與使用頻率增加是必然結果，但其所引發的船舶安全問題卻很難得到徹底解決。為了充分保證船舶航運安全，提出了替代能源對策，但氨、氫和甲醇等替代能源所具有的燃、易爆、毒性特點，以及能量密度差異，同樣給船舶航運帶來挑戰。對此，需要從替代能源屬性與船舶設計和使用需求出發，采取針對性改善措施。