LNG船甲烷排放处理措施分析

刘志杰

（江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913）

0 引言

全球温室气体排放中，按照温室气体种类的不同，以CO2当量比照，CO2占温室气体排放总量的77%，甲烷占14%，氧化亚氮占8%，其他氯氟化物占1%[1]。可见甲烷在温室气体中的比例仅次于CO2。

目前各大用船公司为了规避SOx及NOx的最新排放限制要求，广泛采用了以燃烧LNG为动力的发动机，这使得甲烷排放逐年递增。2020年发表的第4份国际海事组织温室气体报告已经强调，航运业的甲烷排放量增加了86%，然而这还是在许多大型LNG动力船交付之前。由于甲烷的温室气体效应高于CO2近几十倍，随着LNG船队伍的不断壮大，对全球温室效应影响在逐步增加。因此甲烷排放正受到国际环保组织越来越多的关注，国际海事组织（IMO）也有出台相应法规的可能性，这让许多船东对未来是否继续投资LNG燃料技术抱有隐忧。

1 LNG船甲烷主要排放来源

1.1 闪蒸气（BOG）

LNG燃料舱内的液态甲烷受到外界环境热量的入侵和LNG罐内泵和其他机械部件运行时将机械能转化为热能等都会使LNG气化产生闪蒸汽，简称BOG气体。

闪蒸气（BOG）一般可分为临时产生和持续产生。

临时产生的闪蒸气是LNG燃料加注卸货过程中带入的热量，主要是由于在进行加气作业时员工对LNG燃料舱操作未参照所规定的作业标准，或是加气车辆太少，加气量达不到设计规模，导致LNG加气时间过长等因素而造成BOG量增加。

持续产生的闪蒸气是LNG舱冷态环境下外界进入的热量，同时泵和机械设备运行时也会与外部发生缓慢的热交换，形成BOG气体。

1.2 甲烷逃逸

甲烷逃逸是指燃气发动机燃烧室内没有参与燃烧的甲烷随尾气排放到大气中的情况，主要来自如下因素：

1）气门叠开期间，进气门-气缸-排气门相互连通，部分燃气未来得及燃烧而随气流直接经由排气门排出缸外，这是甲烷逃逸的重要来源；

2）狭隙效应，活塞、活塞环与气缸壁之间不能实现完全密封，存在间隙，燃烧室内燃气通过各种狭窄的缝隙集聚了一定数量未燃烧的甲烷，这是燃气发动机内甲烷的主要来源之一。

甲烷逃逸易发生在燃料稀少区域，某些规定区域内的空气系数超过3 h，燃料燃烧不充分无法传递热能，造成的火焰忽然熄灭，从而产生未燃甲烷的排放。

2 蒸发气（BOG）的处理方法

2.1 减少临时产生的BOG的处理办法

加气前，为防止LNG管路和加注泵及流量计等突然受冷应力作用，并产生大量的闪蒸汽，需要对加注管路进行预冷。

加注时，需要增加槽车压力，让槽车压力持续高于储罐压力，而LNG船在实际运行过程中槽车一直处于低压状态。要增加槽车压力，储存罐内的闪蒸汽排放量也要随之增加，同时对储存罐及槽车进行压力平衡作业步骤，避免卸车时有蒸发气体排放。

加气完毕后，加注泵停止工作，加注泵的管道内和泵池存在一定数量的残留液体，这些液体会迅速汽化，若加注泵停止运行工作时间较长进需要关闭气相根部的阀门，如果气相根部阀门是开放状态，泵池和管道内的压力持续增加，LNG会被压回燃料舱，从而减少BOG产生。

2.2 减少持续产生的BOG的处理办法

持续产生BOG的处理方式有闪蒸气的再液化、闪蒸气的再利用和提高LNG燃料舱设计压力。

1）闪蒸气（BOG）再液化

闪蒸气再液化是利用再液化装置对闪蒸气（BOG）进行再冷却液化处理后注入到燃料舱的过程。闪蒸汽再次液化主要是通过降低燃料舱的温度，闪蒸汽经过低温制冷后形成一个液态流，这一变化过程属于制冷过程，也是在低温状态下天然气的形成过程[2]。

2）闪蒸气的再利用

蒸发气BOG的利用有不同方式，本次主要研究2种利用方式，一种是将蒸发气作为燃料，燃料燃烧为船只提供动力，另一种是利用气体燃烧装置（Gas Combustion Unit，GCU）将闪燃气进行燃烧。

3）提高LNG燃料舱设计压力

船用甲烷燃料舱的设计压力一般为0.2～1.0 MPa。增加LNG燃料舱的设计压力，压力释放阀的设定压力增加会提高储罐的储存时间，从而减少BOG的排放[2]。

以上3种BOG处理办法优缺点分析如表1所示。

表1 BOG处理办法对比

3 甲烷逃逸处理的技术方法

甲烷逃逸处理的技术方法有发动机高压直接喷射，甲烷排放管理（ICER系统）和发动机的制造设计优化。

3.1 发动机高压直接喷射

以ME-GI柴油机为例（见图1），在压缩点附近，先后喷入引燃油和高压天然气。由于缸内直喷式发动机采用迪塞尔循环，具有与柴油机相近的动态特性，可大幅减少气门重叠角期间燃气被直接扫出，其甲烷在燃烧室内燃烧更充分，因而大大较少了甲烷损失数量，废气中所含的甲烷可以忽略不计。但是高压直接喷射由于NOX排放相对较差，且高压燃气喷射系统复杂，制造和维护成本高昂。

图1 高压直喷发动机示意图

3.2 甲烷排放管理（ICER系统）

以WINGD的XDF 2.0为例，当该设备处于低负荷状态下运行，燃料燃烧不充分，导致大量柴油机废气堆积，未燃烧的甲烷数量也持续增加。同时XDF柴油机废气中甲烷逃逸量可达2%～4%[3]，针对这个WINGD研发出了ICER甲烷排放处理系统。

废气再循环系统（intelligent control by exhaust recycling，WINGD ICER），是将废气再循环至气缸内燃烧的过程。柴油机在燃气模式工作时，背压阀BPV会部分关闭，关闭阀SOV打开，此时部分废气经过冷却后将再次循环至柴油机进气端，大约30%～50%的废气参与到废气再循环中。由于废气中的甲烷又流回至进气端在气缸内参与二次燃烧，从而减少了甲烷的排放。经过ICER处理后甲烷逃逸量最大可以减少至50%。

3.3 发动机的制造设计优化

1）改善空气与天然气的混合过程，如采用支管喷射，进气支管安装燃气喷射阀，进气道上安装燃气喷嘴，喷射阀根据电控指令定时定量喷射天然气等，从而尽量实现均匀混合，减少稀燃猝熄现象。

2）减少气缸、活塞，活塞环与气缸壁之间的不完全密封，降低活塞环顶岸高度设计，减少活塞与气缸壁之间的狭隙区域（见图2）。图2给出了不同的活塞环顶岸高度对于甲烷排放的影响示例可以看出，随着负荷的增加，降低活塞环顶岸高度所获得的甲烷减排效果逐步提高[4]。

图2 活塞环顶岸高度对CH4排放影响示例

3）采用电控共轨喷射技术。常规发动机是依靠凸轮轴驱动实现进排气阀门开度及喷油的。采用共轨机可以实现发动机燃料喷射和进排气系统的电子控制，从而根据燃料的特性，实现燃油模式下及燃气模式下，选择最佳的喷油时间和进气门开启时间，从而减少甲烷的逃逸。以某厂的双燃料发动机为例（见图3），在全负荷工况下，采用电控共轨喷射技术，燃气模式下的气门重叠角较燃油模式显著减小，有利于减少甲烷逃逸。

图3 双燃料发动机电子共轨喷射技术

3.4 甲烷排放逃逸的优缺点

甲烷逃逸处理办法优缺点如表2所示。

表2 甲烷逃逸处理办法对比

4 结语

本文对LNG船甲烷排放的来源进行介绍，研究了甲烷排放的处理办法并进行优缺点分析。LNG是当下较环保、经过验证的、有竞争力的可用船舶燃料。由于其温室效应的影响，未来航运界对于LNG的排放标准限值会跟进并且会越来越严，因此需要改善加气站建设水平，积极研究探索BOG的回收利用，逐步优化和减少甲烷温室气体的排放，为实现“零排放”不断去发现和创新。