船舶燃料现状及未来清洁燃料发展趋势分析

王海江

摘  要：随着经济社会发展和国际经济贸易往来活动频次提高，航运业迎来了快速发展，船舶发动机作为国际航运船舶的主要动力，其大型化和数量也快速增长，由此带来的发动机尾气排放对大气环境造成的污染问题也越趋严重，如何降低船舶柴油机的尾气排放量，提高发动机燃料的性能，减少全球温室气体排放，满足国际海事组织的要求，正引起国际社会的密切关注，因此，航运业也面临着寻找和获取低碳替代燃料的重大挑战。

关键词：船舶动力;清洁燃料;尾气排放;温室气体

中图分类号：U677 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）30-0010-03

Abstract： With the vigorous development of international trade and shipping， the exhaust emissions of marine diesel engine fueled by petroleum products cause more and more serious pollution to the environment. How to reduce the exhaust emissions of marine diesel engine， reduce the greenhouse gas emissions， and meet the decarbonization requirements of the International Maritime Organization has attracted extensive attention of the international community. Therefore， the shipping industry is also faced with the major challenge of finding and acquiring low-carbon alternative fuels.

Keywords： ship power; clean fuel; exhaust emissions; greenhouse gases

1 背景介紹

全球工业化以来，石油、煤炭、天然气等石化能源飞速发展，已成为经济社会发展的主要能源和强劲动力，但它们在繁荣世界经济的同时，以石油产品为燃料的船舶废气排放造成的环境污染问题也日趋严重。

2018年4月13日，IMO第72届海上环境保护委员会在英国伦敦通过了国际海运温室气体减排初步战略，要求分三个阶段目标，逐步实施，争取到2050年，全球温室气体年度总排放量与2008年相比至少减少50%，并努力按照与《巴黎协定》温控目标一致的减排路径，逐步消除海运温室气体排放。要实现海运行业的排放目标，首先要提升船舶发动机的技术水平和燃烧效率，同时也要开发和使用更清洁的发动机燃料，总体上提高船舶发动机的排放水平。

2 船舶动力燃料分类

船舶最初是使用往复式蒸汽轮机和蒸汽涡轮发动机作为动力，其主要燃料是煤炭，但由于其经济性差，体积庞大，已逐步被淘汰;随着科技进步，燃气动力装置的出现促使航运业迅速发展，其主要燃料是石油燃料，也是目前船舶的主要动力燃料;二战后，核动力得到了快速发展，但由于其安全性和高昂的制造成本，仅用于大型军舰和核潜艇，其主要燃料是核燃料;近几年在科技进步和环保效应双重作用下，气体燃料动力技术逐步成熟，并大范围投入商业化运营。

2.1 蒸汽动力燃料

船舶蒸汽机动力装置实际属于外燃式动力装置，通过外部的锅炉燃烧燃料加热锅炉中的水产生蒸汽推动发动机运转。蒸汽动力的热效率低，正逐步退出历史舞台，但由于单机功率大，目前大型军舰仍然广泛使用。

蒸汽动力燃料主要包括：煤炭、地热，光能、核能等。通过这些燃料的燃烧或物化反应产生热能，热能加入水成蒸汽，蒸汽驱动动力机产生动能或电能，作为船舶动力源。

2.2 燃气动力燃料

船舶燃气动力主要包括燃气轮机动力和柴油机动力，柴油机是目前热效率最高的一种热机，具有启动速度快、运转稳定性好、安全高效、功率范围大等优点，对于船舶市场，柴油机动力占绝对优势，相信在未来相当长的时期内还将维持现状;其主要燃料包括轻柴油、重油，渣油等石化燃料;燃气动力系统效率低，部分负荷下效率下降快，不能直接倒车，因此主要用于陆用发电，在船舶上应用很少。

燃气动力燃料主要包括：轻油、重油、天然气等。主要工作原理是雾化的燃料跟空气混合后在气缸内被压缩、燃烧、做功，驱动动力机产生动力或电能，作为船舶动力源。

2.3 核动力燃料

核动力是由核燃料在反应堆中产生裂变反应，释放巨大能量，被不断循环的冷却水吸收，并通过蒸汽发生器将热量传给第二个回路中的水，使之变为蒸汽后到汽轮机中做功。核燃料的优点是质量轻，燃烧不需空气助燃，不需配置进排气系统，但缺点是要对核分裂反应释放的大量放射性物质进行严格防护，而且系统复杂，安全管理、系统操纵、检修维护都有很高的要求;目前由于建造成本高，主要用于大型军舰和潜艇。

产生裂变的核燃料主要有：铀233、铀235铀238，和钚239。

3 船舶发动机燃料现状

3.1 船用燃料油

燃料油主要是对石油进行裂化和直馏后剩余的残渣油制成的，其特点是含非烃化合物、沥青质、胶质多，粘度大。

船用燃料油的燃烧质量是影响柴油机工作性能的关键参数，早期，柴油机的设计是以选择的燃油最大粘度为基础进行的，但从上世纪70年代初开始，随着世界工业化迅猛发展，市场上轻质油供不应求的局面越来越严重，为了满足日益增长的需求，各炼油厂纷纷升级完善炼油设备和工艺，对原油进行二次精炼、分炼，以获得更多的轻质油来满足市场的大量需求;这就导致今天的低质燃油与以往的重质燃油有明显的不同;为了适应这一变化，船舶柴油机的设计和制造单位也在加大研究投入，改进内部结构，对燃油的各个指标提出更准确的要求，除了考虑燃油的粘度外，还限定了燃油的密度、温度、燃点、闪点、残碳、着火极限、沥青质含量、含硫量、含水量、灰分等等。为此， ISO于1987年首次公布了船用燃料油的质量标准，并及时更新。

3.2 气体燃料

气体燃料的来源主要由固体燃料经干馏或气化而得到的水煤气、焦炉煤气、或发生炉煤气等;从液体燃料加工所制得到的煤气;从油井中伴随着石油而溢出的石油伴生气及石油加工过程中产生的气体;高炉冶炼过程中所产生的高炉煤气等;主要成分一般含有低分子量的碳氢化合物、氢和一氧化碳等可燃气体，并常含有氮和二氧化碳等不可燃气体;气体燃料是一种清洁、优质、高效的燃料，其火焰传播速度较快，着火温度相对比较低，燃烧速度很快，很容易实现自动输气、混合、燃烧过程。

为了满足船舶发动机排放限值的要求，近些年气体燃料也越来越多地应用到船舶发动机上，出现了LNG燃料动力船舶，LPG燃料动力船舶，CNG燃料动力船舶，双燃料動力船舶等清洁燃料船舶。

3.3 甲醇

甲醇的化学分子式为CH3OH，是一种无色、有毒、透明、易挥发的易燃液体，其理化性质与汽油类似，闪点为12℃，属于低闪点燃料。甲醇不含硫，因此甲醇燃料发动机的硫氧化物（SOx）排放（来自于引燃油）较柴油机（使用重油）可降低99%，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。用两台发动机的测试结果如表1所示。

因此，使用甲醇作为燃料的发动机很容易满足目前NOx排放要求。

3.4 生物柴油

生物柴油是指动物油、植物油、废弃油脂或微生物油脂与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。生物柴油是典型的“绿色能源”，具有好的环保性能和启动性能，原料来源丰富，而且可再生等特性。许多研究试验表明，无论是小型、轻型柴油机还是大型、重型柴油机，发动机燃烧生物柴油后的尾气排放碳氢化合物都减少55%～60%，颗粒物减少20%～50%，多环芳烃减少75%～85%，CO减少45%以上。

3.5 几种燃料特性对比

目前主流和未来清洁燃料的特性参数如表2所示。

4 未来清洁燃料趋势

船舶未来清洁燃料必须满足环保、高效、续航能力强、易于获得、便于存储和运输几个先决条件。

（1）船用燃料油，主要是指重油和低硫油，由于其成熟的内燃机燃烧技术和完善的市场配套，能够持续、可靠为船舶提供动力，所以在未来相当长的时期内，仍然是船舶的主要动力燃料，但为了满足日趋苛刻的发动机排放要求，只有一方面通过不断完善发动机内部的结构设计，提高燃烧品质;另一方面通过配置发动机排气后处理装置来提高发动机的尾气排放水平，比如SCR，SCRUBBER，EGR等技术来满足IMO排放法规要求。

（2）LNG燃料，跟柴油燃料相比，LNG具有更好的抗爆性，燃烧更充分、效率更高，且燃烧产物清洁、环保，但LNG燃料受制于燃料加注和船舶续航力的限制，不可能全面推广，只有在特殊航线，特殊用途的船舶上才有大的发展。

（3）甲醇燃料，具有环保、清洁干净、可再生、获取便利等特点，已逐渐成为航运界关注的替代燃料，经过试验研究与实船安装使用表明，甲醇用作发动机燃料安全可靠，环保性能好;虽然近期在燃料的制备成本、实际使用经验、关键部件质量等方面仍存在诸多挑战，但相信随着实际项目的增多，技术不断革新，同时在航运减排压力逐步扩大的情况下，甲醇在未来船用替代燃料市场必将有大的发展前途。

（4）生物柴油燃料，是未来典型的“清洁燃料”，具有诸多优点，尽管发展起步较晚，目前大都处于研发和验证阶段，各相关的配套设施、发展政策和技术标准发展滞后，需要国家层面加大研发力度，加大市场开拓，制定相关的扶持政策和国家标准，早日解决技术问题，尽早大范围推广使用。

（5）其它清洁燃料，以风能、太阳能、核能、燃料电池、潮汐能、氢能、生物质能为代表的清洁能源已经在船舶上得以应用，并且在这些能源的应用方面也已经有了可以参考和借鉴的实船案例，随着相关关键技术被攻破，未来将会有更多的实船进行验证;同时仅仅利用风能或太阳能等单一能源并非最为优化的应用模式，根据船型、航线和营运特点的不同，多种能源的综合应用也成为未来清洁能源的重要发展方向。

5 结束语

清洁燃料是市场所需，环保所需，是当今时代的召唤，作为排放大户之一的航运船舶业来说，无疑具有良好的发展前景，全球航运业同行应进行更多的探索和尝试，尽早研发和开发出更加节能环保的船舶动力技术和船舶清洁燃料、制定和完善相关法规、研发各种清洁燃料动力技术和环保船型等，降低海运温室气体排放，为全人类的环保事业做出应有贡献。

参考文献：

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[2]吕建.选择船用燃料油的几项原则[J].世界海运，1997（1）：44-47.

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[4]王璐，郝俊利.船舶燃用低硫燃油的具体要求和应对措施[J].航海技术，2010，5：48-50.