氨燃料散貨船的方案設計

詹熳寧,婁春景

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

根據國際海事組織(IMO)設定的目標,到2050年,航運業溫室氣體年排放量將比2008年減少50%以上。此外,2020年8月中國明確提出2030年前實現碳達峰目標,2060年前實現碳中和目標。減少二氧化碳排放的目標只有通過技術創新的研發應用和引進替代燃料才能實現,這意味應盡快運用低碳排放或零碳排放燃料。氨燃料是未來脫碳航運業中最有希望的燃料之一,為了實現IMO關于減少船舶溫室氣體排放的最初戰略所設定的目標,航運業必須改用替代的零碳燃料。如何安全便捷地在常規的貨物運輸船型上存儲和使用氨燃料成為目前船舶行業關注的重點,需要有相關設計方案。為此,分析氨燃料特性,再從存儲、供給、泄露、蒸發和排放處理幾個角度討論氨燃料在常規散貨運輸船上使用的可行性方案。

1 氨燃料特性

關于氨燃料的特性,主要通過與常規化石燃料對比優劣來分析氨作為船用燃料的可行性和可操作性。

首先,氨是氮氫化合物,在內燃機內發生燃燒反應時,排放氣體不會產生二氧化碳,是真正意義上的零碳燃料。目前市場上供應的大部分氨,是由天然氣產生的氫氣制造的“灰”氨,中間過程產生大量的CO2排放。但航運的目標是從目前的“灰氨”過渡到在制造過程中應用碳捕獲和儲存技術的“藍氨”,最終實現使用可再生能源生產“綠氨”[1]。這樣就能從燃料生產的源頭實現零碳排放。

其次,從燃料存儲角度考慮氨的能量密度低于化石燃料,生產相同的能量含量需要大約化石燃料的2～3倍質量,3～4倍體積。因此,在常規運輸船上的氨燃料儲存艙占用空間將會是常規石油燃料艙的3～4倍左右。

再者,從燃料本身經濟性角度來看,氨是一種定價透明的全球商品,整個生產、運輸、交易市場存在已久并且成熟。氨與傳統化石燃料價格基本一致。但是,考慮到產生同樣能量的消耗量大約是傳統化石燃料的2～3倍,對于常規貨物運輸船來說投入的燃料運營成本將會提高2～3倍。目前全球氨分銷系統已經就位,但現有的氨運輸網絡主要連接為工業市場服務的生產和儲存地點,其港口設施并非為船舶燃料加注而準備,因此目前的港口布局或要進一步調整。

同時,從燃料使用的安全性角度來看,氨對人體有毒。為確保船上人員的安全,必須將氨氣暴露限制在允許范圍內。氨是一種易燃氣體,易燃范圍很窄。與其他燃料相比,氨氣著火的風險較低,因為氨氣的可燃性范圍較窄。然而,在適當的條件下,可能會發生氨火災,安全原則要求將氨與任何火源隔離。除純氨燃燒外,還應調查氨與其他燃料和潤滑油混合時的火災風險。這種燃料混合物可能具有更大的爆炸范圍。氨可與鹵素、鹵素間和氧化劑發生反應,并可能導致劇烈反應或爆炸。因此,氨應儲存在陰涼、通風良好的地方,遠離火源,并與其他化學品,特別是氧化性氣體(氯、溴和碘)和酸分開。氨與各種工業材料不相容,并且在存在水分的情況下與銅、黃銅、鋅和各種合金反應并腐蝕,船上使用氨時,應仔細選擇材料。使用氨的儲罐、管道和結構部件應使用耐氨的鐵、鋼和特殊有色金屬合金。當液氨中的氧含量超過幾ppm時,鋼在高溫下會誘發并迅速進行應力腐蝕開裂。氨水或蒸汽接觸的管道組件、液貨艙和設備的要求鎳濃度不大于5%、碳錳鋼的屈服強度不超過355 N/mm2。此外還應該注意,氨會與CO2發生反應。

2 氨燃料散貨船設計方案

2.1 散貨船設計特性

方案主要針對采用氨燃料和燃油作為燃料的大型散貨船,主要指載重噸8萬t以上的散貨船,以21萬t散貨船為例,可根據船舶營運需求在氨燃料和燃油之間靈活切換。主機使用曼恩公司(MAN Energy Solution)的雙燃料主機(ME-LGIP系列機型,該機型的燃料供應壓力不超過8 MPa,選型為6G70ME-C10.5-Ammonia,曼恩公司的此款主機(包括尾氣處理技術)將在2024年推向市場。本船設計航速為14.5 kn,雙燃料主機在設計航速下的氨燃料消耗為18 600 kJ/kg,根據計算每天消耗的氨燃料約為105.7 t。考慮到本船作為21萬t大型散貨運輸船,綜合考慮幾種主要航線的航程,最終確定續航力為20 000n mile,根據計算所需燃料艙艙容定為12 000 m3。

2.2 氨燃料存儲

2.2.1 儲存罐選型

目前主流的液貨儲存罐型式主要有以下幾種。

1)“A”型液貨艙罐,型式為自承式棱柱形,需要設置次屏蔽以保護船體免受低溫損傷。液艙最大允許設計壓力為0.07 MPa,工作溫度不低于-55 ℃,用來運載溫度低于-10 ℃的液貨,一般用于大型全冷液貨船。

2)“B”型液貨艙一般為平面結構形式(如棱柱型),或者是壓力容器型結構(如回轉球型),“B”型液貨艙僅需要部分的次屏蔽,艙與船體貨艙相鄰的部分都需要做雙層絕緣防護。

3)“C”型液貨艙獨立液艙是符合壓力容器標準的壓力式液艙,一般為圓筒形臥罐或球罐。設計蒸氣壓力大于0.2 MPa。一般用于全壓式和半冷式液化氣船,如果液艙材料可承受低溫,也可以用于全冷式的運輸。

本船運輸的氨燃料在常壓下-33°C左右就為液態,本船液貨罐的特點是需要耐低溫度和常壓。所以確定采用“A”型自承式掕形液貨罐[2],并全部設有雙層屏蔽和隔熱考慮到船上用氨設備所需的燃料供給壓力、IGF規范所明確的氨燃料艙壓力維持時間以及燃料儲存艙的制造成本;還應考慮運載貨物溫度低于-10℃的結構艙柜,需要設置次屏蔽以保護船體免受低溫損傷。次屏蔽外在機艙/貨艙處要求有空艙,對機艙/貨艙的面要求A60保護。次屏蔽內需進行惰氣保護,并有通風裝置。由于液態的氨燃料會與碳錳鋼或鎳鋼中的某些材料發生應力腐蝕反應,所以本船采用低溫碳鋼作為液罐材料。

2.2.2 儲存罐布置方案

本船計劃采用IMO A型艙作為氨燃料儲存艙,有兩種布置方案,A方案為船尾部甲板上設置兩個艙容6 000 m3的棱柱式燃料艙放于機艙上部,上建的兩邊,B方案為在船中貨艙區域設置一個艙容12 000 m3的棱柱式燃料艙放于3號和4號貨艙之間。兩種方案的容量都可以滿足氨燃料動力散貨船在全航程(至少一個往返航程)使用氨燃料的需要,中途無需加注液氨。

1)A方案(見圖1)。

圖1 A方案燃料艙布置

氨燃料儲存艙位于船艉機艙甲板兩側向下延伸至機艙二甲板上,沿船長方向對稱布置在船舶上層建筑左右兩側。本船采用全寬式尾部甲板,氨燃料儲存艙的布置對船舶主尺度及船體結構的完整性影響盡可能小。

燃料準備間布置在開敞的主甲板上機艙棚后方位置,燃料準備間前壁與機艙棚后壁共用一道艙壁,該艙壁為“A-60”級防火分隔。燃料準備間位于兩個氨燃料艙中間,與液氨接管處所相鄰,主要布置與燃料處理相關的設備、管路以及相應監測和報警系統。燃料準備間內需安裝固定式氣體探測系統和火災報警傳感器,并設置有效的抽吸式機械通風系統,其通風能力為每小時至少換氣45次。

針對該方案 燃料準備間在住宿區域附近,距離住宿區域邊界距離約為11 m,為保證內部擴散氣體不影響到居住環境,燃料準備間的入口應該布置在靠近船尾部遠離居住區域,兩個入口中左側入口應該盡可能布置靠近舷側以滿足SOLAS的規范要求。此外燃料準備間的出風口設置在左舷,進風口為右舷靠近船尾。

2)B方案(見圖2)。

圖2 B方案燃料艙布置

氨燃料儲存艙位于貨艙區域。由于布置在貨艙區域甲板以下,對船舶主尺度及船體結構的完整性影響不大。

燃料準備間布置在開敞的主甲板上氨燃料艙上部位置,主要布置與燃料處理相關的設備、管路以及相應監測和報警系統。燃料準備間內需安裝固定式氣體探測系統和火災報警傳感器,并設置有效的抽吸式機械通風系統,其通風能力為每小時至少換氣45次。

3)AB方案對比。

A方案僅占用機艙上部部分空間,不占用貨艙空間,B方案不占用機艙空間,僅占用部分貨艙空間,兩種方案都能在保證貨物裝載量的前提下不影響機艙內的主要設備和艙室的布置,同時滿足駕駛室人員在船舶航行時對操作視線范圍的要求。

A方案氨燃料儲存艙因布置在開敞甲板具有足夠的自然通風,其周圍無需另外設置火警探頭、氣體探測器以及通風等系統,B方案氨燃料儲存艙則布置在貨艙區域甲板以下,需要根據要求配置透氣桅,并且周圍需要設置火警探頭、氣體探測器和通風系統。兩種方案都需要水霧消防系統覆蓋氨燃料儲存艙的全部范圍。見表1。

表1 AB方案對比表

2.3 氨燃料加注

考慮到散貨船加裝氨的靈活性,滿足船舶在不同工況下左右舷均可進行燃料加注補給,本船設置2個氨燃料加注站,左右對稱布置在開敞的貨艙區域主甲板兩舷側位置,為保證加注效率同時考慮到艙室安全,加注站盡量靠近氨燃料艙,且氨燃料加注管路盡量減少穿艙設置。每個氨燃料加注站旁設置一臺手動操作吊車用于協助氨燃料加注作業。

加注站布置主甲板上的開敞空間,具有足夠的自然通風,其周圍無需另設火警探頭、氣體探測器以及通風等布置,需設置固定式干粉滅火系統,覆蓋所有可能的泄漏點[3]。氨燃料加注站頂部可設有防護鋼板,氨燃料加注接頭和加注管路(包括液氨液體加注管路和蒸汽回收管路)上方同樣設有防護鋼板,減少船舶裝卸貨時發生意外情況下損傷氨燃料加注站和加注管路的風險。加注總管上方的應設置噴水系統,以減少加注站中的有毒蒸汽。燃料總管下方應設置集液盤,用于收集任何泄漏,并將水/氨排出船外。

2.4 氨燃料供應

氨燃料供應系統能夠產生具有合適溫度、壓力和流量的氨燃料供雙燃料發動機使用。雙燃料主機采用曼恩公司的ME-LGIM系列二沖程低速發動機,以液體燃料操作模式運行時,基于迪塞爾(Diesel)循環原理進行工作。ME-LGIP發動機可被設計成使用氨燃料和燃油的雙燃料主機,只需對燃料輸送系統進行一些改動,以保證系統提供壓力在大約8 MPa的下,并且維持該壓力下將其注入氣缸[4]。在滿足現有技術條件的同時,設計需要仔細考慮控制氨的泄漏。

氨燃料供應系統[5]主要是由氨燃料輸送泵、加熱器單元、BOG壓縮機、閥組單元、相關閥件和儀器儀表組成。在雙燃料運行期間,發動機的氨燃料通過燃料供應系統從氨燃料儲存艙供應。有部分的氨燃料需要通過再循環系統持續再循環輸送至燃料供應系統(FSS),以此來保障氨燃料在合適的溫度和壓力下輸送至發動機。通常情況下,FSS系統配置為一臺高壓泵、加熱器、濾器、閥門附件和控制裝置,以在雙燃料主機在氨燃料模式下不同工況不同消耗量運行時能為發動機輸送壓力和溫度都穩定的氨燃料。使雙燃料主機工作運行可與傳統的低速柴油機相媲美。當主機未處于雙燃料模式時,需要使用燃料閥組單元(FVT)的雙阻斷和排液裝置來降低系統壓力,并將主機機內的氨燃料噴嘴與回流噴嘴之間完全隔離。在每次啟動主機之前,需要使用用氮氣對整個系統進行預處理,以驗證系統的密封性。

燃料閥組單元(FVT)是雙燃料主機和輔助系統之間連接的接口。FVT的目的是在停機和維護期間實現雙燃料主機的安全隔離,并提供氮氣吹掃功能。該功能確保主機在開啟工作后有一個安全的工作環境。當雙燃料主機的雙噴嘴停止工作時,氮氣壓力將噴嘴內的液氨從主機內吹掃回流至再循環閥內。當吹掃按照順序完成時,FVT將再次啟動確保雙燃料主機自身與燃料供應系統和回流系統完全隔離。

氨燃料供應系統本身外,船上還需為供應系統配置相應的安全系統以及輔助系統。其中,安全系統包括氣體探測系統、火災報警系統、應急切斷系統、消防系統、通風系統以及透氣和泄放系統;輔助系統除上述氮氣系統外,還包括水乙二醇系統、儀表空氣系統等。

2.5 氨燃料泄漏處理

氨燃料系統管路設計為雙壁管。根據IMO的要求,外管內需要保持恒定的通風氣流。檢測氨燃料泄漏的氣體探測系統需要覆蓋燃料艙到機艙內至主機整個氨燃料系統管路在整個運行過程中,如果雙燃料主機的雙壁通風系統檢測到任何管路上有氨燃料泄漏,應將其泄露氨燃料引導至單獨的氨捕獲系統內,通過氨捕獲系統去除其中氨,避免氨氣直接被排入大氣中。

氨氣捕捉系統實際上是一種吸水裝置,具體工作原理主要是將含有氨氣的廢氣引入水中,其中的氨會被水吸收變成氨水。該裝置需要配置換水系統,以保證該系統的捕捉吸收效率,此外還應該考慮系統的吸收速率,用來確定何時補充水。具體吸收速率換水頻率等數據目前還無相關規范要求。目前設計的捕捉系統,主要針對的是燃料供給系統相關氨廢氣處理,未考慮冷藏、貨物維護、蒸發氣體等系統產生的氨廢氣捕捉收集。所以,具體捕捉罐容量將在氨燃料主機臺架試驗階段進行進一步試驗檢測。

氨捕獲系統是根據IMO要求,防止氨氣直接被排放到大氣中,除了管路內泄露部分的氣體需要引入氨捕獲系統,在停機和切換燃燒模式時進行氮氣吹掃后產生的廢氣也需要被引入氨捕獲系統,當其中氨氣被系統捕獲達到可排放標準后被連接至船上通向安全位置的透氣桅,將來自有壓系統的易燃氣體安全地泄放到大氣中去。

2.6 氨燃料蒸發氣(BOG)處理

氨燃料儲存艙在航行過程中會自然蒸發產生蒸發氣(BOG),BOG為氣態氨,無法被氨燃料主機消耗,目前BOG的處理方法為加裝再液化裝置,使BOG再液化成液氨重新進入氨燃料儲存艙內,需配置貨物壓縮機、氣液分離器、冷凝器等系統對BOG進行再液化[6]。由于除了雙燃料主機消耗氨燃料,沒有其他用戶消耗產生的BOG氣體,配置的再液化系統需要為預冷型。通常使用直接循環式再液化,將氨燃料存儲艙內的蒸發氣體抽出后經過貨物壓縮機直接加壓,通過冷凝器凝成液體后再返回到氨燃料儲存艙內,從而處理了艙內的BOG又能控制艙內的溫度和壓力。根據IGF要求,在再液化系統發生單一故障時,需要有另一個系統保持燃料艙的壓力和溫度。所以需要配置另一種形式的BOG處理裝置,一般選擇氣體燃燒裝置(gas combustion unit,GCU),將產生的BOG直接燃燒以減輕艙內壓力。

2.7 氨燃料排放處理

氨燃料在雙燃料主機內燃燒時會產生NOx氣體,由于NOx氣體屬于溫室氣體,為了滿足IMO Tier III排放標準的要求,需要在雙燃料主機排氣后部安裝SCR廢氣處理系統處理排放時產生的NOx氣體。SCR技術是一種后處理工藝,燃燒過程中形成的NOx通過催化還原從廢氣中去除。通常情況下,通過注入尿素溶液來進行催化反應。但是在氨燃料動力船上,也可以將氨作為催化劑而不是尿素噴射到廢氣中。這樣做的好處之一是,以氨為燃料的容器已經裝載了氨,無需額外設置SCR尿素艙。與氨燃料主機消耗量相比,SCR系統的氨消耗量將非常小。除此之外,還可以將氨捕捉系統吸收到廢氣中的氨氣用作SCR系統的催化使用,這樣也可以對泄露的氨氣和管道內殘留的氨氣加以回收再利用,具體的催化使用氨水的比例和廢氣中吸收到氨氣的含量應繼續深入研究。

雙燃料主機在使用氨燃料的過程中需要使用約占比總燃料消耗量3%左右的引燃油,會產生一定量的CO2氣體排放,此外由于目前還沒有出現使用氨燃料的發電機和鍋爐,在本方案設計中發電機和鍋爐依然是使用常規燃料,會產生CO2排放,如果需要保證零碳排放,需要在排氣后部安裝碳捕捉系統,但是相比常規燃料船,碳捕捉系統捕捉量將會極大縮減。

3 結論

針對未來碳減排要求,提出了以氨作為替代能源的一種散貨船設計方案,該方案以21萬t散貨船為例,普遍適用于8～21萬t大型散貨船設計,對其他大型貨物運輸船設計也具有的一定參考性。目前,氨燃料儲罐技術還未成熟,氨燃料主機還在開發階段,未來用氨作為燃料的發電機、鍋爐也將陸續被開發出來,氨燃料供給系統(包括氨氣捕捉收集技術)也將會有更成熟的方案;此外,相關規范規則也將會進一步更新完善;基于以上工作,該氨燃料散貨船設計方案會在今后進一步更新細化,以便在未來應用到實船建造中。