船用LNG燃料的应用与分析

李博洋，邱力强，张运秋



船用LNG燃料的应用与分析

李博洋，邱力强，张运秋

（青岛远洋船员职业学院，山东青岛 266071）

介绍了LNG作为船舶燃料的特点，概括了LNG燃料动力船舶的应用背景，对LNG燃料和其他多种主流减排技术、措施进行了细致的比较，提出了LNG燃料发展的限制因素，总结了LNG燃料动力船舶的应用现状和发展前景。

LNG燃料 LNG动力船 应用分析

1 LNG作为船舶燃料的背景

1.1 满足日益严格的排放法规

1）NOx和SOx排放限制

国际海事组织（IMO）于2011年7月通过了MARPOL附则VI，提高了船舶的氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）排放标准。

附则VI要求，到2020年船舶燃料油含硫量必须低于0.5%，其中进入波罗的海、北海和北美沿海水域、加勒比海设立的排放控制区（Emission Control Area，以下简称ECA）的船舶，2015年其燃油含硫量必须低于0.1%。NOx排放分3个阶段，到2016年进入ECA的船舶全部实施NOxTier III标准，排放量相比Tier I标准降低约80%（如图1）。

2）固体颗粒排放物（PM）限制

继NOx、SOx、CO2之后，PM排放问题成为了IMO新的讨论焦点。目前MARPOL附则VI没有明确PM排放限定标准，但是西方（特别是北极附近区域国家）积极开展研究，拟在MARPOL附则VI中明确对黑炭排放的控制。拟先对北极区域以及ECA的黑炭排放标准进行强制化，从黑炭排放标准着手进而将范围扩大到全部的颗粒物质排放（PM），区域也相应扩大到近海区域，最终实现对近海区域PM排放的强制化管理。黑炭议题对我国航运业的影响甚至将超过其他排放要求所带来的冲击。

图1 NOX排放要求

1.2 寻求替代能源，降低运营成本

随着燃油价格越来越高，燃油成本已成为航运企业最大的运营支出。从降低运营成本的角度出发，航运业也在努力寻求经济性更好的替代燃料。LNG作为船舶燃料，热值高、环保性好且价格便宜，已成为最炙手可热的船用替代能源。

2 LNG燃料与其他减排措施的比较

2.1 解决SOx排放问题的主要措施

1）使用低硫燃油

优点：能够显著减少SOx排放；无需增加设备；原理简单且通过验证，效果有保障。

缺点：价格比普通燃油高，而且船用低硫燃油的供应也难以保障；无法解决CO2和NOx排放问题；低硫燃油粘度、碱值与普通燃油不同，燃料转换时对柴油机正常运行有一定影响。

成本：和普通燃油相比，每吨燃油成本增加300美元。

2）尾气清洗装置（EGC）

优点：可以使用含硫量较高的普通燃油，成本较低；降低SOx排放的同时也可降低PM排放量。

缺点：投资成本较高；对安装空间有一定的要求；船员需进行装置操作培训；使用过程中增加了能耗；尾气当中的颗粒排放物在清洗过程中会产生副产物——污泥，需要增加处理装置；导致海水酸化；无法解决NOx排放问题。

成本：设备费用300-600万美元，加上副产物污泥的处理费用。

图2 尾气清洗装置（EGC）

2.2 解决NOX排放问题的主要措施

1）选择性催化还原装置（SCR）

优点：陆上应用比较成熟。

缺点：适用于四冲程发动机，不适用与二冲程发动机；随着使用时间增长，效率会下降；无法解决SOx排放问题。

成本：设备费用50-100美元/千瓦，加上尿素（催化剂）费用。

2）废气再循环装置（EGR）

优点：陆上应用比较成熟。

缺点：降低发动机效率；加剧发动机磨损；实船使用案例较少；无法解决SOx排放问题。

成本：设备费用200-400万美元，维护成本较高。

图3 SCR及其工作原理

图4 废气再循环装置（EGR）

2.3 LNG燃料

优点：经济性好：LNG的市场价格远低于燃油价格，尤其是美国的HH价格以及欧洲的NBP价格，相同热值输出下，LNG价格仅相当于柴油的1/4到1/3；环保性好：和传统燃油相比，船舶通过使用LNG燃料，可以降低20%的CO2排放，降低90%的NOx排放，几乎不产生SOx和PM。

缺点：现有船舶改造LNG动力较困难；布置较为复杂；货舱空间减少（液罐布置）；现阶段天然气加注基础设施不足；船员需要特别培训；LNG易燃、低温储存有一定危险性。

成本：LNG动力船舶建造成本大约增加15-20%，长期来看，因天然气营运成本较低，经济性较好。

图5 LNG燃料动力船舶

通过上述比较可知，LNG作为船舶燃料，是目前唯一一种可以同时满足ECA、MARPOL公约、IMO对SOx、NOx和PM的排放要求的技术方案，LNG燃料动力船舶的节能减排优势较为明显。

3 LNG作为船舶燃料的关键技术与限制因素

3.1 关键技术

当前使用LNG作为燃料的发动机分为两类：一类是单燃料发动机，用作引燃材料的燃油不超过5%；另一类是LNG-柴油双燃料发动机，双燃料发动机根据LNG气化气体进入发动机气缸方式的不同可分为缸内直喷和与空气混合进入两种；按运行模式可以分为燃油运行模式(100％燃油)，最小燃油运行模式(仅用5%-8%的燃油作为引燃，主要以天然气作为船舶燃料)，定量天然气运行模式(燃油、天然气按照一定比例共同作为船舶燃料使用)。双燃料发动机可根据船舶实际运营需求转换运行模式，灵活度高，经济性好，从目前来看具有较好的应用前景。

由于国外缸内直喷发动机造价甚高，约为国产混合进气式发动机造价的3倍，所以目前我国普遍采用混合进气发动机，且目前多点喷射的LNG供气系统尚未研制成功，因此，大都只采用混合进气单点喷射式发动机，因技术较为落后、效率较低，存在一定的争议。

3.2 限制因素

LNG运输船舶采用LNG作为燃料的技术已经相对成熟，但是非LNG运输船舶采用LNG作为燃料还面临若干问题。除了低温、爆炸和液体气化带来的风险以外，LNG燃料发动机技术、船舶LNG储存供应技术、船舶LNG补给方式、船舶LNG燃料系统安全保障等尚存在一定的风险和不足，有待进一步完善。

LNG作为船舶燃料还面临LNG加气站配套建设不足、相关规范法规体系尚不完善、新建/改造船舶成本偏高、相关鼓励政策未出台等限制因素。此外由于LNG能量密度比燃油低，对于相同的能量输出条件下，LNG需要1.6倍的燃油舱容积，造成较大的货舱舱容损失。

4 LNG燃料应用现状与前景

4.1 应用现状

北欧是LNG燃料动力船的发源地，LNG加气站布局合理，目前已建有约40多艘LNG燃料动力船舶，船型分布如图7所示。

图6 欧洲LNG动力船船型分布

美国航运公司Totem Ocean Trailer Express（TOTE）于2012年12月订造了2艘以LNG为燃料的集装箱船（图6）。这两艘3100TEU集装箱船将搭载MAN Electronic Gas-Injection发动机，成为业界首批以LNG为燃料的集装箱船。两艘船将分别在2015年及2016年交付，新船平均单箱的SOx及NOx排放量可比现有的集装箱船分别降低98%、91%，综合其他节能减排技术，可实现二氧化碳减排71%。美国GE公司的航改船用LNG燃气轮机，虽然还未在远洋货船上实际应用，但是已有军舰及豪华邮轮上使用的案例，这也为LNG作为船舶燃料的发展提供了另一种选择。

除欧美船厂和设计公司正在开发LNG燃料技术外，日韩造船企业目前也在积极准备LNG燃料船舶的开发。日本商船三井于2009年公布了采用LNG燃料的“ISHIN-II”号环保渡船的设计构想；韩国大宇造船与海洋公司目前正在开发采用LNG燃料的大型集装箱船；2011年6月，大岛造船与挪威船级社合作完成了LNG燃料6.2万吨大开口散货船的概念设计；2012年底，日本邮船（NYK）再次公布“NYK2030 超级生态概念船”的研究进展，其使用LNG燃料电池的设计理念更加清晰、具体。

图7 美国TOTE 公司LNG动力集装箱船

国内目前的研究尚处于起步阶段，以改造长江内河船为主，但已开始建造双燃料港作拖轮（入CCS级）。大连中远船务为应对船舶市场竞争，结合自身条件开发了“LNG双燃料散货船” 项目，于2013年7月通过验收。该项目对象为新型的8万吨级散货船，其核心技术满足IMO、IGC、IGF等相关规范对有害物排放的要求，并获得了LR船级社的AIP认可证书。此外，大连中远船务也接获了国内首艘绿色能源小型LNG运输船建造订单，该船拟采用双燃料驱动，为国内首艘绿色能源标准船舶。

4.2 应用前景

1）内河船舶及沿海船舶

内河及沿海航运由于航线固定，加注方便，内河船舶和沿海船舶相对于远洋船舶更容易使用LNG作燃料。

从国家层面上，中国海事局已开展试点工程和专项课题研究，工信部也对柴油替代率超过75%的船舶实行减免税收等鼓励政策进行了研究。2011年5月中国船级社与中国石油天然气集团公司举行的LNG燃料船舶技术交流会，在推进“气化长江”项目上也起到了很大的作用。总体来看，LNG燃料动力内河船舶及沿海船舶前景将十分广阔。

2）远洋船舶

在ECA的严格排放标准和MARPOL附则VI Tier III的影响下，经过和其他减排措施进行的安全性、经济性比较，LNG燃料动力船舶已经成为航运界最关注的问题。可以预见，随着燃油价格不断上涨，LNG基础设施的完善，相关技术日益成熟，LNG作为船舶燃料将具有广阔的发展前景。近年来全球范围内以LNG为动力的船舶数量增长情况如图8所示。

但是业内对LNG作为船舶燃料也存在不同的声音，波罗的海航运公会（BIMCO）表示，尽管近期LNG作为船舶燃料预期乐观，但LNG仍不是大多数船舶的燃料首选。

图8 全球LNG燃料动力船累计增长图（数据来源：DNV）

5 结论

随着新的国际公约和规范不断生效，全球航运业将要面临的污染和排放限制将愈加严厉。与传统的节能减排措施相比，积极开发新能源动力装置和新能源动力船舶，是应对低碳经济发展趋势的合理解决方案。LNG作为船舶燃料在营运成本、排放控制、技术应用等方面所具有的优势和效益已经越来越显著，开展以LNG燃料为船舶动力的相关研究，是目前航运业应对燃油成本和环保法规问题的主要趋势，LNG燃料动力船舶值得关注。

[1] Kumar S, Kwon H T, Choi K H, et al. LNG: An eco-friendly cryogenic fuel for sustainable development[J]. Applied Energy, 2011, 88(12): 4264-4273.

[2] Burel F, Taccani R, Zuliani N. Improving sustainability of maritime transport through utilization of Liquefied Natural Gas (LNG) for propulsion[J]. Energy, 2013, 57: 412-420.

[3] sailing on LNG [R]. 2013中国LNG船舶论坛”瓦锡兰研究报告.

[4] 高慧君. 中国LNG燃料动力船发展前景[R]. 2013中国LNG船舶论坛. 交通运输部水运科学院研究报告.

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

中国远洋运输（集团）总公司应用研究计划项目（2013-1-H-007）

李博洋（1974-），男，副教授、大管轮，从事液化气船新技术应用、船舶节能减排的教学与研究。