电磁感应加热技术在船舶CO2减排中的应用

吴旺山 韩美茹 张晨东 衡 伟 王国祥

（1.福建省厦门海洋职业技术学院，福建 厦门 361012；2.漳州市芗城中学，福建 厦门 361012；3.厦门海洋职业技术学院，福建 厦门 361012；4.厦门能聚节能科技有限公司，福建 厦门 361012）

0 背景

根据克拉克森研究公司最新统计数据显示，截至2021年1月，全球100总吨及以上商船数量首次突破10万艘。国际贸易货物运输近90%运输任务由海运完成，国际商船在全球贸易中的重要作用不言而喻。国际对船舶营运造成的二氧化碳排放关注和要求不断升级。2021年起，欧洲将远洋货轮二氧化碳排放纳入欧洲碳排交易市场。根据国际海事组织（IMO）的研究表明， 2019年全球船舶营运造成二氧化碳排放量达到8.19亿t。国际海事组织（IMO）2050年全球航运业二氧化碳排放目标是减少到5亿t[1]。我国营运船舶数量庞大，截至2020年底，中国国际航行船舶数量超过8200艘，近沿海省际干散货运输船舶近1800艘，沿海省际集装箱运输船舶近300艘，沿海省际油船近1300艘。因此，中国营运船舶减少二氧化碳排放排的任务艰巨，力争船舶减少碳排已经成为船运企业和行业共识。中国政府2020年9月，提出2030碳达峰、2060年碳中和的国家战略目标。在该背景下，该文针对船舶营运过程中的靠港装卸货环节，分析船舶靠港期间造成二氧化碳排放的主要来源，提出了采用电磁感应加热技术接驳岸电，减少船舶靠港期间碳排放的具体技术方案。

1 减少船舶靠港碳排意义

目前商船在海上航行采用柴油机作为推进动力装置，航行期间二氧化碳排放主要是由船舶主机运行及发电机柴油机运行产生的。而船舶停靠期间主要是发电柴油机、燃油锅炉运行产生的。靠泊期间发电柴油机为船舶提供电力；燃油锅炉主要的作用是为船舶主机动力系统保温提供蒸汽，不同类型的船舶蒸汽锅炉的作用略有不同，譬如原油运输船舶，靠港期间燃油锅炉也为透平货油泵、透平压载泵等蒸汽动力装置提供蒸汽。根据船舶靠港期间的燃油消耗占船舶营运总油耗计算，船舶靠港期间设备运行造成的二氧化碳排放约占船舶营运总碳排的5%。国际海事组织（IMO）统计，2019年全球船队营运造成的二氧化碳排放量达8.19亿t。不难计算出，全球船舶靠港期间造成的年碳排超过4000 万t。中和二氧化碳排放常采用的种植森林树木，每平方公里森林年固碳量约在100t～500t，若以种植森林树木来中和全球船舶靠港期间造成的二氧化碳碳排，以每平方公里森林年固碳300t计算，全球船舶每年营运靠港期间造成的二氧化碳排放4000 万t碳排放，需要种植超过13万km2森林来中和，相当于要种植近4个中国台湾省面积（36013.73km2）的森林。因此，减少船舶靠港期间的二氧化碳排放意义重大，该文所要研究的即是减少船舶靠港期间的二氧化碳排放的解决技术方案。

2 船舶减排基础设施

船舶靠港期间减少二氧化碳排放重要的途径是让船舶靠港期间使用岸电[2]。为减少船舶期间港二氧化碳及污染废气排放，中国沿海沿江等港口城市大力建设港口岸电基础设施，为船舶靠港期间提供岸电。岸电被称为“cold ironing”或“替代船舶动力”（AMP），是指在船舶停靠港口期间，关闭辅助柴油发动机，并接入当地电网，使用岸电的过程。为了2030碳达峰目标，国内港口船舶岸电基础设施规模不断完善，不断增加。据统计，截至2019年底，《港口岸电布局方案》内5类泊位的岸电基础设施覆盖的泊位近800个。使用岸电，船舶无须燃烧燃料发电，船舶靠港期间碳排将大大减少。随着我国岸电设施的发展，对所有已建港口岸电设施鼓励使用岸电，船舶靠港期间使用岸电将是船舶营运未来发展的主要趋势，该文船舶应用电磁感应加热技术减碳排研究的技术方案就是依托我国港口建设日益完善的岸电基础设施，提出采用电磁感应加热器，使靠港船舶在港期间实现零碳排。

3 船舶靠港减排痛点

船舶靠港期间应用岸电为船舶提供电力，原来为船舶靠港期间提供电力的发电柴油机可以停止运行，可以减少由发电柴油机运行造成的二氧化碳排放。然而船舶靠港期间，船舶动力系统如柴油机冷却淡水系统、船舶柴油机重质燃油系统、柴油机润滑油等动力系统需要预热或保温。当前，营运船舶靠港期间，普遍采用燃油蒸汽锅炉为船舶动力系统提供保温预热能量来源。船舶靠港期间燃油蒸汽锅炉运行过程中，难以避免产生二氧化碳排放。这是船舶靠港期间无法真正减少到零碳排的重要原因。同时，船舶燃油蒸汽锅炉产生的蒸汽通过管路加热工质后，经大气冷凝器，回流到热水井，再通过补给水泵输送进锅炉，总体管系复杂，管路系统长且布置分散。燃油锅炉运行过程存在较大传热损失。船舶在靠港期间采用这种燃油锅炉产生蒸汽利用热能的生产方式，能量损失大，不经济节能，在港口期间的温室气体排放加剧了港口城市的热岛效应。

4 电磁感应加热器原理

船舶柴油机冷却水系统、柴油机重质燃油系统、柴油机润滑油等动力系统保温预热需求是不可或缺的重要操作[3]。针对当前船舶靠港期间使用岸电期间的锅炉不能停止运行减少碳排的痛点，笔者认为采用下面介绍的技术方案可以让船舶靠港期间真正实现零碳排，即应用电磁感应加热设备替代船舶在港期间燃油锅炉的功能。以下结合电磁感应加热工质原理图（图1），简单介绍电磁感应加热器为液体工质预热保温的基本原理。

图1 电磁感应加热工质原理图

电磁感应加热器（Electromagnetic induction heater）是一种基于法拉第电磁感应原理的加热技术，能高效将电能转换为热能。日常生活中的电磁炉就是基于这种原理的。电磁感应加热器是短路加热、涡流加热、短路漏磁加热的“三位一体”加热方式，加热稳定高效。电网交流电经过整流器变成脉动的直流电，再通过滤波器对脉动直流电进行滤波变成标准方波，然后由逆变器转变成变频交流电送至电磁感应线圈内，电磁感应线圈通过较高频率变频的交流电产生感应磁场，电磁感应线圈周围的铁质管线在交变磁场的作用下，感应磁场切割铁质管线材料，使铁质管线材料产生感应交变电流，铁质材料在感应交变电流的作用下快速发热，然后与流通在管线材料中的工质液体进行换热，液体被加热后通过管道泵送至设备的外部，实现对工质的加热。电磁感应加热器即是利用包围在导磁铁质管线外部线圈通过的交变电流产生交变磁场，使铁质管线产生涡流达到加热流经铁质管线内部液体工质的目的。

5 船舶靠港减排方案

电磁感应加热技术在陆地上应用比较广泛，如塑料加工领域、北方冬季供热取暖、日常烹调电磁炉广泛应用这种技术。笔者认为电磁感应加热技术也可应用于船舶在靠港期间六大动力系统中几个需要保温预热的系统中，如船舶柴油机冷却淡水系统、柴油机重质燃油系统，柴油机滑油系统等。采用电磁感应加热技术方案利用岸上电网能源，可解决船舶动力系统靠港期间保温预需求，可以使船舶靠港期间船舶发电机柴油机、船舶燃油锅炉停止使用，可使船舶在靠港期间真正实现二氧化碳零排放量。以下结合图2船舶柴油机冷却、润滑系统图，简单解释电磁感应加热设备对柴油机冷却淡水系统预热应用技术方案思路。船舶柴油机冷却、润滑系统图中包括船舶柴油机冷却海水管系、柴油机冷却淡水管系、柴油机润滑油管系，如图2所示。船舶在海上航行时，柴油机运行时，一路海水冷却柴油机的增压空气，另一路海水冷却柴油机润滑油冷却器后冷却柴油机冷却淡水。船舶在港口泊位停靠时，船舶主柴油机停止运行，在配备有岸电基础设施的港口泊位，发电柴油机也停止运行。如图2中船舶柴油机淡水冷却系统需要保温，润滑油系统在柴油机运行前一段时间需要预热。柴油机对冷却水系统保温，可确保柴油机在冷态下能够顺利启动，减少启动时柴油机缸套热应力，避免缸套开裂[4]。船舶滑油系统中如果滑油温度过低，黏度大，流动性差，无法形成良好的润滑油膜，导致柴油机润滑不良，柴油机内部零件摩擦表面的摩擦阻力增加，零件磨损加剧，严重影响船舶柴油机使用寿命。通常，滑油进机温度应保持40℃～50℃（中高速机取上限），因此，柴油机在启动之前需要预热系统滑油，使其温度满足柴油机运行使用要求 [5]。

当前营运船舶在港期间主要是由燃油锅炉产生蒸汽来为船舶柴油机冷却淡水系统、柴油机重质燃油系统、柴油机滑油等系统保温，不可避免地产生了二氧化碳排放。笔者认为可在柴油机冷却、润滑油系统中应用电磁感应加热技术制造船用加热器，使用岸电为停用柴油机冷却淡水保温，开航前为停用柴油机滑油系统预热，替代船舶靠港期间的燃油锅炉功能，如图2所示。这样一来，靠港停用的柴油机冷却水即可保持在适当温度，保证柴油机能够顺利启动，减少启动时柴油机缸套热应力，避免缸套开裂。而电磁感应加热器对柴油机润滑油系统的预热，可确保柴油机启动时，润滑油具有良好的流动性，保证柴油机启动过程，系统各部件形成良好的润滑油膜，保证柴油机正常使用。具体操作可启动图2中的滑油泵、或冷却水泵，运行相应电磁感应加热设备，设定相应的加热温度，即可实现对相应系统的工质预热保温功能。

图2 柴油机冷却、润滑系统图

另外，船舶柴油机使用的重油黏度大，室温状态下黏稠流动性差，柴油机停止运行期间燃油系统需要保持在适当温度，降低燃料黏度，防止燃油系统温度过低导致燃油喷射设备卡死，导致系统无法正常使用。笔者认为在船舶靠港停泊期间也可采用电磁感应加热器使用岸电为船舶柴油机燃油系统保温，确保船舶柴油机燃油系统保持在合适的温度。

6 电磁感应加热方案优势

船舶在港口期间使用柴油机发电及燃油锅炉运行，造成大量二氧化碳与污染废气排放，为减少船舶靠港期间的二氧化碳排放，国家大力发展港口岸电基础设施，船舶靠港期间使用岸电是未来发展趋势。电磁感应加热技术在船舶柴油机各动力系统保温预热方面的应用，理论分析可完全替代船舶靠港期间燃油辅助锅炉的功能，真正实现船舶靠港期间二氧化碳零排放。应用电磁感应加热技术生产的加热器结构简单，运行过程无噪声，被加热工质升温速度快、电热转换效率高；被加热工质与电路分离，无触电安全隐患，故障可自检，操作管理方便，加热响应速度快，工作稳定安全，能量密度大，适应于大型船舶动力系统工质保温需要大功率加热要求的应用场景；此外，电磁感应加热器可采用分布式定点加热方法，可以有效避免类似燃油蒸汽锅炉热能在蒸汽管线中长距离传输过程的能量损耗。总而言之，船舶靠港期间使用岸电采用电磁感应加热技术方案为船舶动力系统保温有以下几个优点。1）电磁感应加热器替代船舶在港燃油锅炉功能，使用岸电船舶靠港期间可真正实现二氧化碳零排放。2）电磁感应加热器可采用分布式布置加热方式，减少大量的传热损失，节能环保，节省船舶营运成本。3）电磁感应加热设备方便管理操作，运行环境无高温，将极大的改善了靠港期间船员工作环境。4）采用电磁感应加热器为柴油机冷却水淡水保温，由于在加热过程中冷却水被磁化，柴油机冷却水腔不形成水垢，可减少船舶柴油机冷却水处理药剂的投放量。5）电磁感应加热器在船舶上使用岸电，通过错峰运行，可改善岸电电网的峰电与谷电负荷落差 ，均衡电网负荷，减少电网太阳能、风能等清洁发电弃电率，提高岸电发供电设备的利用率，优化电网资源的配置，提高岸电电网的经济性和安全性。

7 总结

在2030年碳达峰、2060年碳中和国家战略目标下，船舶运输行业界高度重视船舶减排方案的研究。该文阐述了减少船舶靠港期间二氧化碳排放的重要性，分析了船舶营运靠泊期间产生二氧化碳排放的主要源头，提出了结合当前国家大力发展的岸电基础设施，采用电磁感应加热技术应用岸电为减少船舶靠港期间二氧化碳排放设想了一种理论上可行的技术方案。 然而，不同类型船舶运行特点差异较大，船舶动力系统复杂，电磁感应加热技术作为船舶减碳排方案还有待船舶领域高水平科研机构进一步科学论证。笔者在该文中提出的关于船舶靠港减排方案的研究认识粗浅，不足之处在所难免。希望借此抛砖引玉，为船舶营运各个环节减少碳排技术攻坚，提出更加科学合理可行的技术方案。