LNG作为船舶代用燃料的应用分析

大连海事大学轮机工程学院 李 斌

LNG作为船舶代用燃料的应用分析

大连海事大学轮机工程学院 李 斌

船舶新能源和代用燃料的开发和使用是船舶动力装置研究的重要课题。介绍LNG的特点，分析LNG作为船舶燃料实际应用的主要优缺点，以及当前燃气柴油机的状况。

船舶；LNG；燃气柴油机；燃料

一、引 言

石油产品目前是船舶动力装置的主要燃料，随着石油资源的日益枯竭，加之国际社会对排放要求日益严格，开发船舶新能源迫在眉睫。所谓新能源，主要指原子能、太阳能、风力和水力资源、地热能、海洋能和代用燃料能等。尽管人们对于船舶新能源和代用燃料作了很多研究，但目前比较成熟、可以在船舶上实际大规模使用的只有LNG。

二、LNG的组成及理化性质

LNG（Liquefied Natural Gas）即液化天然气，是天然气的液态形式。

天然气是一种产生于气田或油田的天然气体，其成分因产地的不同而有所差异，主要成分为甲烷及微量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其他杂质如硫化氢、水分、二氧化碳、氮气等，一般甲烷占90%以上。

为了方便储存和海运，天然气由液化工厂在常压下冷却至约-163℃进行液化。在液化之前需要进行预处理，将原本天然气中的二氧化碳、水分、硫化氢和其他硫化物等杂质先净化去除掉，这样可避免这些杂质在液化过程中凝固，堵塞管路设备。液化后的LNG体积缩小为原来气态时的1/600左右，90%以上的含量为甲烷，其余则为少量的乙烷、丙烷、丁烷等成分。因为LNG是天然气通过冷却后得到的全冷液体，储存和运输时不需要加压。

LNG是无色、无味、无腐蚀性、无毒的低温液体。它是无味的，但汽化后在被输送到终端用户之前必须添加臭味剂，以便使用者能够识别和防范天然气从热水器等用气设备的漏泄。天然气是无毒性的，但如果在一个密闭、不通风的环境中浓度过高，会导致里面的人因为缺氧而窒息。LNG是无腐蚀性的，不会对货物维护材料产生腐蚀。

LNG的密度在0.442～0.474g/cm3之间，具体数值取决于其成分组成。因为LNG比水轻，若其不慎泄漏至水中会浮在水面，并且会迅速蒸发汽化。

典型的商业LNG具有大致如下的性质：

LNG沸点（1标准大气压） -157～-163 ℃

纯甲烷沸点 -161.5℃

LNG的密度 0.442～0.474 g/cm3

纯液态甲烷的密度 0.45g/cm3

LNG的热值 26.5～36.04kJ/cm3（25～34 Btu/ cm3）（Btu:英国热量单位。1 Btu＝1.06 kJ）

纯甲烷的热值 30.74 kJ/cm3（29 Btu/cm3）

燃烧下限（占空气的体积） 5%

燃烧上限（占空气的体积） 15%

自燃温度 595 ℃

三、LNG作为船舶燃料的可行性

作为船舶燃料油的代用燃料，要满足下列几个基本条件：（1）有丰富的存储量；（2）在目前的高油价时代与燃料油相比在经济上要有竞争力；（3）有害排放量要低。实际上就是既要满足船舶营运的要求，又要满足日益严格的排放法规的要求。

天然气是一种清洁、方便、高效的优质能源。目前的开发和使用状况基本上可以满足上述要求。

首先，与石油相比天然气资源比较丰富，目前世界上常规天然气资源量估计为400万亿～600万亿m3，按2008年的开采量计算，现有天然气储量能满足60年的开采。天然气已经成为21世纪消费量增长最快的能源，在全球一次性能源消费中所占比例越来越大，目前约占世界能源消费的1/4。

其次，LNG的价格比较便宜，LNG、船用燃料油（HFO）和船用轻柴油（MGO）近年来的价格走势如图1所示。从图1中可以看出，自2005年5月起，天然气的价格就与HFO380的价格不相上下，自2007年5月以来，天然气的价格甚至低于HFO380，而且差距越来越大。采用LNG代替HFO作为船舶的主要燃料可以为船东节省相当可观的燃料费用。

图1 LNG、HFO和MGO近年来的价格走势

再次，天然气是一种清洁燃料。天然气的成分90%以上为甲烷，其余则为少量的乙烷、丙烷、丁烷等，甲烷的碳氢元素比为1：4，是碳氢比最低的物质，也就是说甲烷是每单位碳排放能量最高的物质，或者说放出同样热量时CO2排放较少。使用LNG作为代用燃料，其CO2排放可比使用燃料油低25%～30%。

天然气在液化之前需要进行预处理，将原本天然气中的二氧化碳、水分、硫化氢和其他硫化物等杂质先净化去除掉，也就是说在LNG中几乎没有硫，基本上不存在SOX的排放。

在LNG的燃烧过程中，通过采用“稀薄燃烧”技术，可使其NOX的排放也很低。NOX排放可降低85%～90%，没有炭烟，颗粒物质很少，图2为使用不同燃料及减排措施有害排放量的对比。

由于LNG具有的上述优点，目前在LNG运输船上基本采用LNG蒸发气作为燃料，而在非LNG船舶上使用LNG作为燃料有许多技术上的问题，如LNG的供应储存、LNG燃料供给系统的设计开发和使用、泵的管理等。然而，在大型船舶上使用LNG作为燃料，是综合研究了未来天然气和石油的价格，以及船舶安全法规和排放控制法规后得出的结论。

图2 使用不同燃料的排放对比

四、燃气柴油机技术的普及和推广

目前，世界大部分天然气采用海上 运输。天然气海上运输最经济的方式是将天然气在-163 ℃下液化，以液态的方式运输，从事LNG运输的船舶被称为LNG船。目前世界上有200余艘LNG专业运输船舶。

早先的LNG船舶一直采用蒸汽轮机装置推进和发电。蒸汽轮机装置能方便地利用货物蒸发气（BOG—Boil off Gas），具有很高的可靠性，使其成为LNG船舶的首选。这也是在各类船舶普遍使用柴油机动力装置后，蒸汽动力装置占据的最后一个领域。然而，蒸汽动力装置的主要问题在于效率过低，推进装置的效率在全负荷下低于29%，发电装置的效率低于25%，各种动力装置的效率如图3所示。由于蒸汽动力装置的效率太低，自1973年石油危机以来，在技术上基本没有什么发展。因此，对于LNG船舶，人们一直在寻求经济性更好的动力装置来代替蒸汽动力装置。从图3中可以看出，船舶中、低速柴油机的热效率远高于蒸汽动力装置，功率范围也都能够满足LNG船舶的要求。其关键问题在于LNG船舶货物蒸发气的处理和使用。

柴油机通常是使用液体燃料的，如柴油和重油。如将柴油机用于LNG船舶，必须解决好BOG的处理和使用以及设备的维护保养问题。对于BOG的处理方式一种是将BOG再液化后送回液舱，而柴油机动力装置采用重油作为燃料；另一种方式则是采用BOG为燃料，即将BOG由液舱引出，在柴油机内作为燃料燃烧。从而产生了双燃料低速柴油机联合再液化装置的推进装置、双燃料（DF—Dual fuel）中速柴油机电力推进装置和气体喷射（GI—GAS INJECTION）低速柴油机动力装置等多种新的推进方式。而双燃料（DF）式柴油机和气体喷射（GI）式柴油机都属于燃气柴 油机。

图3 各种动力装置的效率比较及LNG船所需的功率范围

通过在现代新型LNG运输船上的使用，双燃料柴油机和气体喷射式柴油机的技术也日趋成熟。目前，可燃用LNG的发动机有MAN公司的51/60DF中速双燃料柴油机，ME-GI气体喷射二冲程低速柴油机，Wartsila公司的50DF、32DF中速双燃料柴油机等。

由于使用LNG作为船舶燃料从营运费用到排放指标都非常令人满意，LNG作为船舶燃料的应用也不只是局限于LNG运输船舶，其他的普通船舶也开始考虑以LNG作为船舶燃料。由于目前LNG还不能在世界所有港口加装，考虑使用LNG作为燃料的船舶主要包括海洋工程供应船、海上浮式储油船、渡轮、滚装船和集装箱船。这些船舶航线相对比较固定，并能够得到LNG供应。

图4是以LNG为燃料的9 000 TEU集装箱船“鲲腾（Quantum）”轮LNG储存柜和机舱布置图。该船总长314 m，型宽48 m，型深 26.4 m，设计吃水13.5 m，船上设有两个LNG储存罐，容积为6 500 m3，设计航速为22 kn，主机采用MAN 9S80ME-C9.2-GI，功率为40590 kW，转速78.0 r/min， 可使用LNG和重油工作。

LNG燃料的加装可以通过LNG装卸码头、气罐车或驳船或直接由陆基的储存罐进行。

[1]仉大志.LNG船舶推进装置的选择与管理[D].大连:大连海事大学,2007.

[2]MAN Diesel.ME-GI Dual Fuel MAN B&W Engines[EB/OL].(2009-06-10)[2011-11-15].http://www.mandieselturbo.com/files/news/filesof762/5510-0063-02ppr_low.pdf.

[3]DNV and MAN Diesel & Turbo.Quantum 9000[EB/OL].(2010-01-08)[2011-11-15].http://www.mandieselturbo.com/files/news/filesof16391/5510-0108-00ppr_low.pdf.

Analysis for using LNG as ship fuel