氨燃料在商船上的应用分析

张运秋，杨倩倩

（1.青岛远洋船员职业学院，山东青岛266071；2.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061）

0 引 言

面对日益严峻的环境问题，国际和国内公约对航运业污染物排放的要求日趋严格。然而，根据近几年全球航运业污染物年排放量的发展趋势，到2050 年，航运业的碳排放量还将增加1 倍［1］。因此，为实现国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）提出的2050 年世界范围内航运业的温室气体排放总量相比2008 年至少下降1／2 的减排目标，世界各国纷纷设立了净零排放或碳中和的目标。发展船用清洁能源是寻求航运业绿色低碳发展的重要途径，近些年液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）、甲醇、氢和氨等清洁能源在船上的应用实例竞相出现，从长远来看，氢、氨等“零碳”燃料或将成为最优选择。

1 船用清洁能源的应用现状

船舶的绿色低碳发展是一个漫长而复杂的过程，目前世界范围内的船舶有90%依旧使用传统的污染较严重的燃油，但随着国际社会对环境问题越来越重视，低碳和“零碳”这2 类燃料的发展越来越迅猛。

1.1 低碳燃料

低碳燃料主要有LNG、甲醇和生物燃料等。

1）LNG作为船舶燃料使用的技术相对来说较为成熟，国际上关于LNG 作为船用燃料使用的法规较为完备，LNG输运和加注等方面的基础设施日趋完善，其温室气体减排潜力能达到约23%［2］。航运业深谙LNG作为船用燃料使用的优势，2021 年7 月，9 艘由中国船舶集团有限公司建造的全球最大的LNG 双燃料动力23 000 TEU集装箱船全部交付，成为航运业向“碳中和”迈进的重要标志之一。

2）甲醇作为船用燃料近几年也得到了较快发展，目前世界范围内以甲醇为燃料的船舶已有10 余艘，其中加拿大Waterfront等公司订造的8 艘甲醇双燃料动力船正在建造。

3）目前生物燃料也有应用。2019 年，以废气食用油等物质为原料的“第二代”生物燃料在马士基的“Mette Maersk”轮上成功应用，完成了纯生物燃料超大型集装箱船全球首航。从燃料的全生命周期（包括制取、储运和燃用等过程）看，该类生物燃料相比传统船用燃油能减少约85%的污染物排放。

从能源供应广度、经济可接受性、技术成熟度、环境适应性和法规完备度等5 个方面对LNG、甲醇和生物燃料进行对比，结果见图1［3］，其中LNG因具有广泛的供应来源、较为完备的法律法规和相对成熟的双燃料发动机建造技术等综合优势，实际应用范围在逐年扩大。

图1 3类低碳燃料对比

1.2 “零碳”燃料

1）氢作为最理想的船用“零碳”燃料之一，已在船上得到应用。当前最佳的应用方式是质子交换膜的氢燃料电池，目前其技术成熟度较高，能量转化效率能达到60% ～80%，但氢的能量密度较低，无论是高压气态储氢，还是低温液态储氢，都会占据很大空间，造成氢燃料较难适用于远洋船舶，但这不会对氢在内河和近海的发展造成影响。欧洲创新项目Flagships已于2021 年9 月交付全球首艘以氢为动力的商用货物内河运输船。

2）氨燃料同氢类似，既不含碳也不含硫，作为船用燃料，能实现船舶“零碳”排放。目前，曼恩和WinGD公司是氨燃料发动机的研发主力，中国和韩国等国家也开展了一些氨燃料发动机研究。2020年，上海船舶研究设计院研发的18万吨氨燃料散货船获得了英国劳氏船级社的原则性认可（Approval In Principle，AIP）；2021年，韩国三星重工研发的氨燃料预留（Ammonia-Ready）超大型油船的基本设计获得了挪威船级社的AIP。

无论是哪种燃料，在未来的能源竞争中都不可能独占能源市场，即使是LNG、甲醇这种低碳燃料，也会综合考虑其技术成熟度、经济可行性和政策完备度等特征，将其用作船用能源。

2 船用氨燃料的应用优势及方式

2.1 氨燃料的应用优势

氨的分子式为NH3，沸点为-33.5 ℃，热值为18.6 kJ／kg，在常压和-33.5 ℃温度条件或8.6 ×105Pa压强和20 ℃温度条件下就能液化成液氨。

2.1.1 与低碳燃料相比的优势

氨仅由氮原子和氢原子组成，燃烧不可能产生CO2和SOx，涉及碳的空气污染物（如黑炭、CO 和碳氢化合物等）不会产生［4］。即使随着碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技术研究的不断深入，有人提出将LNG视为“零碳”燃料，因CO2捕获成本很高，采用该技术会使船舶的经济性大幅度下降，这在一定程度上削弱了低碳燃料在未来能源市场中竞争的优势。但是，无论未来CCS技术能否获得突破性进展，在“碳中和”背景下，作为“零碳”燃料的氨和氢仍具有其他低碳燃料无法相比的优势。

2.1.2 与氢燃料相比的优势

在同等质量下，液氨的体积约为氨气的1／800，因此相比氨气，对空间要求高的船舶更适合运输液氨。世界上现有的700 多艘液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，LPG）运输船都可用来运输氨，这相当有利于氨燃料未来的推广。氢则不同，其具有易泄漏、易扩散和易燃易爆等特点，且其沸点为-253 ℃，液氢具有超低温特性，在船上应用的风险较高。因此，液氢的储存和运输也是目前船用氢燃料发展的主要阻碍之一。表1 为船用燃料氨与氢的特征对比，其中MGO（Marine Gas Oil）为船用轻质燃油。氨是一种碳中性燃料，可由风能、太阳能、波浪能和水力发电等可再生能源生产，在由可再生能源生产的燃料中，单位质量氨的成本最低。氨不仅可直接作为内燃机的燃料，而且可作为氢的运输和储存载体，与氢相比，其在体积能量密度方面具有明显的优势，适用于续航里程较长的船舶。因此，尽管目前氨作为船用燃料的发展仍处于起步阶段，但随着现有政策中与之相匹配的发电机和主机愈加成熟，其在航运业的发展优势会日趋凸显。

表1 船用燃料氨与氢的特征对比

2.2 氨燃料发动机

船用氨燃料的一种应用方式是氨燃料发动机，早在20 世纪中叶就有学者提出将氨作为燃料应用于发电机中，此后成功应用到了车辆中［5］；进入21 世纪，氨燃料发动机研究得到了快速发展。液氨的密度与汽油相近，但其热值约为汽油的1／2，且氨具有较高的辛烷值，若采用较大压缩比，可提高氨燃料发动机的燃烧效率，加压之后的氨燃料发动机的热效率可达50%以上［6］。作为发动机行业的领军企业之一，曼恩公司曾推出一种ME-LGIP主机，该型主机是其研发的性能最接近氨燃料发动机的主机，仅需将氨的进气压力提升至6 ×107Pa，并达到1.3 ×108Pa的点火油喷油压力，该发动机即可采用氨作为燃料。

另外，由于氨的燃点较高，燃烧速度相对较慢，燃烧温度较低等，理想的氨燃料发动机是双燃料发动机，即采用不同于氨的引燃燃料。目前，对氨燃料发动机的探索主要集中在氨-LNG、氨-汽油、氨-柴油和氨-氢等双燃料发动机上［6-8］。基于氨的抗爆性强，氨-汽油双燃料发动机适用于高负荷工况，若是该类发动机辅以乙醇作为乳化剂，则可提升输出性能；氨-LNG混合燃料也能在一定程度上保持负载性能。由氨与其他燃料的性能特征对比（见表2）可知，仅有氨-氢混合双燃料发动机能真正达到“零碳”排放，且因氢具有燃烧界限宽、燃烧温度高和火焰传播速度快等特点，氨与氢混合也能有效提升氨的燃烧速度。更为重要的是，氨在高温或催化剂的作用下能裂解产生H2，因此在实际使用时，可直接在供气过程中先对氨进行裂解，然后与氨气混合，共同进入发动机气缸中燃烧，见图2。这不仅能在一定程度上提升发动机的燃烧性能，而且能避免面对H2的储存和运输问题。

图2 氨-氢混合燃用图解

表2 氨与其他燃料的性能特征对比

3 船用氨燃料面临的问题与对策

3.1 氨的来源

目前，氨可按生产形式分为棕氨、蓝氨和绿氨等3 种。在棕氨中，60%是由天然气制取的，生产1 t 氨会释放出1.6 t的CO2，剩下的40%是煤制氨，生产1 t氨会释放出2 t的CO2。蓝氨与棕氨类似，也使用化石能源制取，但不同的是，蓝氨会通过CCS 技术对生产过程中释放的CO2进行捕获和封存。绿氨采用可再生能源制备，利用可再生电力能源制备出H2和N2，最终进行氨的合成。采用该方法，相关反应只需空气、水和可再生能源即可完成，能在氨的全生命周期内实现真正的“零碳”排放。

当前氨燃料作为船用燃料还处于起步阶段，但随着氨燃料发动机技术的不断发展，氨燃料的需求必将不断攀升，合成氨的工业耗能将进一步增加。

美国船级社估计未来每年需消耗至少5 亿t氨燃料，这就要求氨燃料的生产能力需达到目前的4 ～5 倍，提高氨的生产效率和拓宽其生产规模成为亟待解决的课题。可以预见，污染较重的棕氨的生产方式会被淘汰，作为制取绿氨的能量来源，可再生能源的生产规模和成本也急需改善。针对氨可能会面临的供需问题，各国应出台相应的政策鼓励并扶持可再生电力能源的发展，促进可再生能源在技术和规模方面取得长足进步，从源头上解决合成氨所需电力资源的供应问题。

3.2 氨的储运与供应

氨的工业生产早在20 世纪初便已出现，并广泛应用于化工领域中，用以制造氨水、尿素和铵盐等。氨具有毒性，爆炸极限为16% ～25%，其储存对密封性的要求较高，具有刺激性气味，在远未达到对人体有害的范围时便能进行预警。

然而，在将氨作为燃料使用过程中，其刺激性气味可通过特殊的方式弱化甚至消除，这就要求在储运液氨时，需对其闪蒸汽进行逸散控制，如设置气体监测装置等。在船用氨燃料供气过程中，也可采用双壁管，以此保证氨在船上储运和供应过程中的安全性。

不仅如此，氨还具有腐蚀性等危险性质，会对碳锰钢和镍钢产生应力腐蚀，从而降低其强度。因此，在储运和供应氨气过程中应避免接触这些材料。

此外，由于液氨在体积能量密度方面相比低碳燃料并不占优势，因此在暂无有效途径可提高其能量密度之时，可采取船用液氨燃料加注作为缓解此劣势的一项重要措施，尤其是船对船加注方式，可在氨动力船舶航行过程中实现对燃料的便捷加注，从而减弱氨燃料自身缺点带来的不利影响，同时现有的液化石油气加气站只需稍微改动一些基础设施就可用作氨气加气站，这也为氨的发展提供了有利条件。

3.3 船用氨的燃用

氨作为船舶燃料是一种新兴的方式，目前仍存在法规标准不完善、关键配套设备不成熟等问题，尤其是在氨燃料发动机方面，虽然能实现近零排放，但氨燃烧会增加氮氧化物（NOx）的产生，这与IMO出台的TierⅢ的NOx限排规定相矛盾。不仅如此，氨燃烧还可能产生N2O，这种气体产生的温室效应是CO2的280 倍。由此，国家可基于国情正确引导，协助IMO出台相关标准，对氨燃料发动机的排放进行评估和监测。

至于NOx排放的问题，可采用废气再循环技术或选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术解决。目前SCR技术已较为成熟，能满足Tier Ⅲ的要求，且在SCR技术中氨还为还原剂将NOx转化为N2和H2O，为SCR在氨动力船上的应用提供了更有利的条件，加上当前双燃料主机发展势头良好，应用范围在逐年扩大，参照目前双燃料柴油机的应用经验，相信氨燃料发动机的技术成熟度会飞速提升。

4 结 语

在国际与国家绿色可持续发展的号召下，航运业的低碳发展势在必行，作为一种“零碳”燃料，氨不仅易于储存、加注，而且具有较强的可供性，但若要真正实现氨燃料在船上的应用，还存在诸多问题，如氨燃料即将面临的供需不平衡问题、储运过程中的安全性问题和燃用过程中的N2O排放问题。为解决这些问题，不仅需要国家在政策上予以支持，还需要各行业共同进行技术攻关，只有如此，才能尽快实现氨燃料在船上的应用，实现航运业的“绿色”发展。