甲醇燃料船试验方案分析

袁士春

甲醇燃料船试验方案分析

袁士春

甲醇在国内作汽车燃料近30年，在废气排放和使用安全方面具有明显优势。随着船舶排放法规的日益严格，LNG作为船舶燃料在国内外均得到应用，甲醇燃料在国外也开始用于船舶推进。基于甲醇供应商计划在江苏现有渔船进行试验，分析甲醇燃料的乳化法、醇化法用于实船柴油机的可行性，对实船改造中的法规应对、柴油机改造、润滑油选择、甲醇系统供应、机舱通风系统、人员培训等方面问题进行探讨，供实船试验改装方案制订时参考。

甲醇燃料；渔船；试验方案

一、前言

甲醇（Methanol，dried）系结构最为简单的饱和一元醇[1]，化学分子式为CH3OH。因在干馏木材中首次发现，故又称“木醇”或“木精”。甲醇是无色、有毒、有酒精气味、易挥发的液体。[1]甲醇可用秸秆、煤炭、天然气等制取，主要用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等，也部分用于汽车燃料。

2008年，国内甲醇产能为2 851万吨，开工率仅为40%左右。[2]2009年以来我国甲醇产能快速增长，[3]甲醇生产竞争也逐渐增强，2014年甲醇生产企业的开工率为71.4%。[3]因此寻求更广阔的市场是甲醇生产商需要拓展的问题。

我国用煤制甲醇产能大省山西，30年前已开始推广甲醇汽油作汽车燃料，陕西省也于2013年开始推广甲醇；[4]西华大学、天津大学等院校均对甲醇燃料在柴油机上的应用进行研究。[5～8]在船舶领域，我国尚无使用甲醇燃料先例。[1]国际上，欧洲是船用甲醇燃料的研究和实践先锋，其中瑞典国家创新局陆续开展了一系列研究或试点项目，[1]实现了甲醇燃料实船应用。MAN公司已于2013年开始进行甲醇燃料发动机的开发。[9]

梅赛尼斯公司是全球最大的甲醇供应商，[2]2008年产能约占全球产能的9.3%，产品主要供应北美洲、亚太地区、欧洲和拉丁美洲等主要市场，在江苏的太仓等地有仓储。为开拓甲醇的消费市场，该公司拟以江苏渔船为应用对象，聘请天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室进行甲醇燃料应用改造试验。

二、甲醇燃料

甲醇的理论空燃比偏低，但单位量的甲醇/空气混合气热值与汽油和柴油混合气的热值相当，[4]为甲醇在柴油机中的应用奠定了基础。甲醇与渔船用燃料的对比如表1所示。在柴油机中使用甲醇燃料具有一定的优势，也存在明显的不足。

1.甲醇燃料的优势

（1）可降低污染物排放

柴油因产地不同含硫量不一。液化天然气（LNG）一般在液化前需要脱硫。[10]而甲醇基本不含硫，甲醇燃料发动机的硫氧化物（SOx）排放（来自于引燃油）可明显降低，能够很好地满足IMO排放控制区和中国三大船舶SOx排放控制区的要求。[1]

表1 甲醇与几种常用燃料理化性质对比

在CO和HC以及NOx排放方面，与柴油相比，加入甲醇富氧燃料，在发动机燃烧中可提高氧燃比，甲醇的黏度低，便于甲醇的扩散，对混合气形成更有利，使燃烧更充分，CO、CO2和总碳氢（THC）排放均有不同程度的降低。[1]另外，由于汽化潜热高，可降低进气温度，低压缩负工提高充气效率，使最高燃烧温度低，发动机的NOx排放较低，[6]并有利于提高柴油机的效率。

（2）方便使用与改造

甲醇与液化天然气（LNG）和液化石油气（LPG）的污染物排放相当。[9]LNG主要成分为甲烷，虽然无腐蚀，但存贮过程中因受热会不断汽化，如不及时使用将可能释放到大气中，天津渔船LNG项目存在停港释放问题加剧渔民经济负担和环境污染。此外在运输加注、使用过程中均存在泄漏的可能。虽然采用LNG在CO2和NOx的排放上有所减少，但使用LNG释放出的甲烷的危害是CO2的4倍、是NOx的298倍。[11]另外，船舶使用LNG燃料所需的改动成本高。

甲醇常温下为液态，方便运输和储存，安全性也比LNG和LPG高很多。甲醇最大的优势在于其不需要低温储存和绝热，燃料舱可以是整体式，也可以是独立式，设计和建造非常简单，成本大大降低。[1]而对船东来说，船舶的改造成本要大幅降低，并且日常维护成本也降低。

2.甲醇燃料的不足

（1）体积大，经济上优势不明显

与LNG、柴油相比，甲醇的氧分子含量达50%，单位质量热值不到柴油的一半。相同热值所需的甲醇燃料舱的体积是柴油舱所需容积的2倍多，比LNG 燃料舱大20%左右，[1]对于同等尺度的渔船，更大的燃料舱意味着渔舱损失，影响营运效益。虽然单吨甲醇价格较低，但同等热值的甲醇质量需翻番考虑（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室试验结果为：相同功率甲醇消耗量是柴油的1.7倍），就当前的甲醇与LNG价格相比，甲醇在经济性上不一定具有优势。

（2）启动困难

甲醇的十六烷值几乎为零，着火界限体积分数的下限比LNG高，自燃点比柴油高，在柴油机中使用困难。甲醇高汽化潜热产生的冷却效应妨碍了在运行温度下的完全汽化，难以形成良好的混合气；压缩终了缸内温度降低，使着火延迟期变长，影响启动性能。这一点与LNG类似，在较低功率时需要特殊考虑。

（3）其他方面的不足

甲醇具有毒性、有腐蚀性、闪点低等特点，在人员保护、燃油管系材料选择、柴油机保护、消防等方面须特别考虑。

三、现有渔船甲醇燃料试验分析

江苏海洋渔船基本采用0号柴油作为燃料。在现有渔船进行甲醇燃料试验，既要考虑柴油机的甲醇燃烧方法与改造的便利，更要考虑人员的安全。只有较全面考虑并有效防范，试验才可能获得预期效果。因此必须对现有船改造需求进行分析。经天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室研究人员、梅塞尼斯公司人员及作者对几艘船实船调研分析，初步选择一艘江苏36米标准化渔船作为试验对象，商讨改造方案。该船公约船长32.75米、总吨位165、设计排水量273吨，主机为增压中冷柴油机、功率190千瓦。

1.现有渔船发动机燃烧方法的选择

虽然醇燃料在燃烧和资源等方面有较大的优势。但由于醇燃料燃烧困难，柴油机如不经过任何改动，醇燃料很难直接在现有柴油机上应用。[6]为了在柴油机上燃用醇燃料，国内外主要采取了如下措施[5～6]：引燃法、直压法、熏蒸法、缸内双喷射法等。直压法、熏蒸法、缸内双喷射法这三种方法不便在现有渔船上使用，不作介绍。

（1）引燃法

引燃法又分为乳化（混合燃料）法、化醇器（组合燃料）法。

乳化法，在甲醇被喷入发动机之前，使之与柴油混合均匀，经喷油泵、喷油器喷入柴油机燃烧室。对原柴油机不需进行任何改动，就可实现甲醇燃料的使用。但甲醇燃料与柴油互溶性较差，乳化燃料的稳定性也差，容易分层；醇燃料的掺混率高时滞燃期加长，发动机冷启动困难，工作粗暴。[6]

化醇器法，将化油器适当改造安装到柴油机进气管上，通过节气门来控制醇的量。试验渔船为增压中冷柴油机，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室研究人员计划对实船柴油机中冷器进行重新设计，增加化醇器，并增加中冷器冷却水流量自动调节功能，使用甲醇时减少冷却水量确保使用甲醇有合适的蒸发温度，增压后的空气通过喷入的甲醇气化吸收大量热量，降低混合气进入燃烧室温度，使压缩负工大为降低，有利于柴油机提高效率。在不使用甲醇时增加冷却水量也能正常冷却空气。试验后，如渔船不再使用甲醇，安装原中冷器，对柴油机的原有性能不造成实质性影响。

（2）解决启动困难的措施

甲醇低负荷工作不理想，参考运输船舶柴油与重油的切换法和天津渔船LNG项目经验，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室提出：[6]在启动及低负荷时以纯柴油工作，待中高负荷时再将甲醇部分引入汽缸，由柴油引燃实现混合气燃烧。以此实现高效燃烧，同时又避免过多的醛类物质生成。

2.规则燃油闪点条款的应对

现行规则规定[12]：对于具有新颖特征的渔业船舶，如验船部门认为本规则的某些规定妨碍其发展新颖特征时，在保证安全的条件下，经主管机关同意，可以免除这些要求；燃油的闪点（闭杯试验）一般应不低于60 ℃。

LNG的闪点-218 ℃，已被同意在渔船中使用。甲醇的闪点仅12 ℃，且甲醇燃料具有新颖特征，须采用合理的措施，取得主管机关（中华人民共和国渔业船舶检验局）的同意才能上渔船试验。研究人员必须在燃料舱布置与保护、蒸气探测、消防、人员保护等方面特别考虑。

3.机舱测报、通风与安全防护

（1）机舱甲醇测量报警

甲醇有一定毒性，通过经呼吸道和胃肠道吸收，皮肤也可部分吸收，可迅速分布在机体各组织内。[12]甲醇在肝内代谢，经醇脱氢酶作用氧化成甲醛，进而氧化成甲酸，可导致人员中毒、失明甚至死亡。对甲醇的车间空气卫生标准：中国 MAC 50 mg/m3，[13]作者建议以此值作为机舱中甲醇浓度的报警标准。为尽早发现甲醇的泄漏，在机舱甲醇管系的附近合理设置甲醇检测点。

（2）机舱通风

江苏海洋渔船极少采用电力拖动泵等辅机，机舱一般采用自然通风，基本不设风机。船进行甲醇燃料试验过程中，无法避免甲醇的泄漏，考虑到甲醇的有毒性，自然通风不能满足安全需要。根据LNG检验规范，[14]通风量一般应大于30次/小时。在没有依据的前提下，参考LNG规范确认机械通风系统。实船船东自己改装了一个普通风扇，其控制尚不满足规则的要求，风扇的流量也难以满足要求，需对通风系统进行改进。

（3）安全防护

在消防方面，如果有甲醇燃烧，可利用甲醇与水可以混溶的特点，采用大量水雾进行灭火，需要设置一定的水雾喷头。采用泡沫、CO2可能很难奏效。一旦报警应及时切断甲醇供应，并将甲醇排入大气中或排出口用水喷淋。机舱工作人员应配备防护面具，如有报警则应及时佩戴面具，防止吸入甲醇气体。

4.甲醇的加注、存贮及供应管系

（1）甲醇的加注与供应管系

甲醇是极性很强的物质，对金属有较强的腐蚀性，对塑料和橡胶有溶解作用，因此对金属管系、塑料橡胶件等造成不利影响。[5]所以甲醇燃料的储存和输送需要采用耐腐蚀金属或使用防腐添加剂。从甲醇加注口至燃料舱、燃料舱至发动机之间的所有系统和部件，包括甲醇供应系统和燃料阀组的保护、温度控制等，可参考LNG动力船燃料供应系统。[14]甲醇黏度很低，且对有机物具有溶解性，泄漏的风险较大，因此，为减少泄漏的可能，采用双壁管路以及选择合适的密封材料等措施。

（2）甲醇燃料舱的选择

在现有船进行甲醇燃料论证性试验，尽可能少改动，减少经费投入。

根据实船船东介绍，该船每天用油约1.5吨，以甲醇替代率30%计算，按甲醇与柴油使用比1.7：1折算，可初步推算出每天约需甲醇0.75吨。实船设置2个大油柜约16立方米、2个小油柜约7立方米。2个小油柜可装5吨左右甲醇，可连续使用6天。减少改装甲醇存储柜带来的成本。油柜的管系需根据甲醇特性进行调整。甲醇供应商也不需每天进行甲醇燃料的加注，有利于降低试验成本。

5.甲醇燃料使用技术培训

因甲醇有毒、燃点高等导致的相关问题，必须对船上人员进行安全教育，对轮机人员进行甲醇加注、甲醇使用管理、柴油机的检查等进行培训。

（1）甲醇的加注

甲醇的加注前，操作人员应戴防护面具，无关人员不应靠近加注现场，对现场的可燃物进行检查和清除，并严禁烟火。甲醇的加注中，操作人员严格按照加注程序进行，防止加注时甲醇泄漏。加注后，如有泄漏甲醇，应及时冲洗，减少甲醇对人体的危害。

（2）甲醇的使用要求

在启动及低负荷时采用纯柴油模式，当达到中高负荷时，再采用混合模式。参考LNG规范的要求，甲醇准备投入燃烧前，可预先对机舱进行通风，然后再使用甲醇，使用期间保证机舱的通风良好。在将进入低负荷前，停止使用甲醇，可将管路中的甲醇泄入回收筒、再加注到甲醇罐中，或采用适当压力的压缩空气将供应管系中甲醇吹入柴油机进气系统中，既避免浪费也保护环境，不建议采用LNG较高成本的惰性气体保护方式。待甲醇处理完毕后仍需继续通风15分钟以上。

（3）润滑油选择

甲醇黏度低，虽然有利于混合空气的形成，但润滑性能差。甲醇与油易溶，能够将润滑油膜洗掉。甲醇燃烧生成有机酸（甲酸）能直接腐蚀金属，进入滑油中的甲酸能与滑油中的抗氧化剂发生反应使其失效，从而增大各摩擦部位的腐蚀与磨损。甲醇燃烧相对清洁，加剧了汽缸和活塞环的磨损。滑油需要增加碱度和黏度应对。

四、结语

甲醇作为燃料具有清洁、环保、可再生、可获取性强等特点。与LNG相比，甲醇燃料具有对现有船系统改造简单、使用方便等特点；与柴油相比，甲醇燃料具有明显的排放优势，适应我国三大船舶SOx排放控制区要求。虽然单吨甲醇价格较低，但甲醇含氧量高，热值不到柴油的一半，提供相同的能量则需要更大的存贮空间。我国甲醇的价格受煤炭价格影响很大，经济上不一定占优，这是甲醇燃料推广难的关键问题。如果供应商能控制甲醇的价格，让船东有利可图，将有利于甲醇燃料在渔船甚至交通船舶上的推广。

在国外甲醇已成为船舶的替代燃料，科研项目与实船试点表明，甲醇用作船用燃料的安全性、环保性能够充分保证。使用甲醇燃料还有利于消化煤炭的过剩产能。天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开发的甲醇-柴油双燃料燃烧技术，已在陆上重型柴油机上得到了部分应用。为能在渔船上应用试验取得成功，将先在同型柴油机上进行甲醇燃料台架试验，进一步分析甲醇燃料使用的技术可行性。本文讨论的有关内容希望对甲醇的试验能有所帮助，也为后续的甲醇燃料规则的制定提供参考。

[1]甘少炜,雷伟,周国强.甲醇:未来船用燃料[J].中国船检,2016 (8):90-94.

[2]董松.甲醇生产、市场及竞争力分析[J].上海化工,2010(6):21-25.

[3]徐京磐.我国甲醇产业发展状况综述[J].氮肥技术,2016(1):1-3,18.

[4]罗艳托,徐英俊,汤湘华,等.国内车用替代燃料的发展前景[J].国际石油经济,2013(10):77-86.

[5]魏远文,黄海波,田维,等.甲醇用作柴油替代燃料的研究进展[J].农机化研究,2007(5):202-204,209.

[6]高飞.柴油/甲醇组合燃烧发动机排放中甲醛检测方法的初步研究[D].天津:天津大学机械学院,2007.

[7]姚春德,刘辰,耿鹏,等.甲醇柴油双燃料燃烧结合DOC/POC耦合大幅度减少发动机微粒排放的研究[J].环境科学学报, 2014(11):2918-2924.

[8]刘晓辉.甲醇/柴油混合燃料对柴油机性能影响的试验研究[J].山东交通学院学报,2008(2):18-21.

[9]冯是全,胡以怀.甲醇燃料在船用发动机上的应用进展[J].船舶工程,2015(10):33-35,68.

[10]李斌.LNG作为船舶代用燃料的应用分析[J].世界海运, 2012(1):14-16.

[11]胥苗苗.船舶使用LNG燃料的环境效益遭质疑[J].国际海事信息,2011(6):16.

[12]中华人民共和国渔业船舶检验局.渔业船舶法定检验规则2000[M].北京:人民交通出版社,2000.

[13]陶建忠.谈船舶私藏使用甲醇炉的危害及防范对策[J].中国水运,2008(1):42-44.

[14]中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[M].北京:人民交通出版社,2013.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.04.005

袁士春（1970—），男，江苏渔船检验局，高级工程师，博士。