為了實現(xiàn)IMO制定的海運業(yè)減排中遠期目標，船用清潔能源的利用成為船舶行業(yè)減排的重要手段。
本文針對甲醇與LNG燃料在船舶上的應用，基于規(guī)范要求從燃料特性、加注、燃料艙布置、燃料供應系統(tǒng)、防火防爆、氣體探測等多方面進行了對比，可為綠色能源實船設(shè)計提供參考。
我國首艘甲醇雙燃料綠色船舶
一、引言
國際海事組織（IMO）提出了在2050年前后實現(xiàn)國際海運溫室氣體凈零排放的遠期目標，我國政府也承諾會為此目標貢獻自己的一份力量。
為了實現(xiàn)IMO減排目標，船用清潔能源的利用就是船舶行業(yè)在節(jié)能減排上集思廣益的成果。
船用替代清潔能源種類很多，形態(tài)各異。
液態(tài)的主要有液化石油氣（LPG）、甲醇及液態(tài)氨；氣態(tài)的主要有LNG等為代表。
據(jù)克拉克森2024年上半年對業(yè)內(nèi)的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，新增的新能源船舶訂單達到了總訂單的33%，其中LNG船訂單高達49.7%；甲醇燃料船占據(jù)第二，為22.4%；LPG燃料船占19.1%；氨燃料也有一席之地，為6.8%。
與其他替代燃料相比，目前LNG燃料在港口加注的基礎(chǔ)設(shè)施最為完備，全球目前有200多個港口已經(jīng)布置了LNG加注系統(tǒng)。
操作技術(shù)和規(guī)范也相對成熟，這是其成為目前應用規(guī)模最大的船用替代燃料的主要原因。
但LNG燃料也有令人不可忽視的缺陷：
CO?減排量僅能達到約24%，這對于實現(xiàn)IMO制定的2030年碳強度降低40%和2050年碳排放總量降低50%的目標存在很大差距。
各新型清潔能源的減排情況見表1。
從表1數(shù)據(jù)看，甲醇燃料進入了我們的視線：
甲醇的CO?減排優(yōu)于LNG，氮氧化物、硫氧化物、PM減排能力與LNG基本相當。
甲醇燃料的出現(xiàn)令人對實現(xiàn)中期減排目標充滿信心。
CCS提供的數(shù)據(jù)（見表2）顯示：
甲醇的含碳量明顯低于LNG、LPG、乙醇等同類型的新型替代燃料，其產(chǎn)生的CO?量明顯小于其他替代燃料。
隨著技術(shù)的發(fā)展，通過綠色甲醇制法產(chǎn)生的綠色甲醇更是使CO?的減排量達到90%。
相信綠色甲醇會成為未來CO?零排放的理想能源。
二、燃料特性對比
甲醇化學分子式為CH?OH，常溫下即可儲存，是一種無色、透明、有毒、易揮發(fā)的易燃液體[2]。
LNG是指液化天然氣，在常壓、-162℃溫度下以液態(tài)形式儲存，主要成分是甲烷(CH4)。
甲醇、LNG和柴油的物理性質(zhì)對比如表3所示。
甲醇的熱值明顯較低，只能達到LNG熱值的0.41。
這說明在船舶設(shè)計考慮燃料容積時，同主機功率下，船舶用于存儲甲醇燃料的艙容要遠大于LNG燃料的儲存空間，會犧牲較多的載貨空間。
在同等熱值下，甲醇燃料艙艙容是MGO的2.1倍，而LNG則是MGO的0.86倍。
三、兩種船用替代燃料的關(guān)鍵技術(shù)
1、燃料系統(tǒng)
典型的甲醇及LNG燃料系統(tǒng)處理模塊類似，包含了如圖1所示的五大模塊。
圖1替代燃料供應模塊圖
2、加注
甲醇與LNG的加注系統(tǒng)組成類似，都包含了加注站、加注管系、加注接頭和惰化、吹掃管路。
但考慮到甲醇的低閃點和毒性，加注站的位置、構(gòu)造、通風、探測、消防、人員防護等都需要特別考慮。
關(guān)于甲醇加注站的要求，中國船級社《船舶應用甲醇乙醇燃料指南2022》已經(jīng)做了明確的規(guī)定。
3、儲存燃料艙布置對比
對甲醇燃料艙主要應考慮其艙型、位置、燃料艙保護、透氣、環(huán)境控制等方面。
從布置的復雜程度考慮：
與LNG相比，甲醇最大的優(yōu)勢在于其不需要低溫儲存和絕熱，可以常溫載運。
因而燃料艙的設(shè)計和建造非常簡單，儲存艙制造成本大大降低。
對于船東來說，船舶的改造成本也大幅降低，日常維護成本也有所降低[3]。
但規(guī)范關(guān)于甲醇燃料艙隔艙要求相對復雜，
兩種燃料各有利弊。
甲醇和LNG燃料艙要求如下表4。
燃料艙布置燃料艙不能布置在A類機器處所（海船），可移式燃料艙應布置在特定區(qū)域。
內(nèi)河船獨立燃料艙距離船體外板應不少于760 mm[6]。
燃料艙應位于自舷側(cè)向內(nèi)沿垂直于夏季載重線處的中線量取至少B/5或11.5 m處，取小者[5]。
燃料艙隔艙整體式燃料艙的周圍應設(shè)置隔離空艙，除非其表面被最輕載水線以下船體外板或其他甲醇燃料艙或燃料準備間環(huán)圍。
與較大失火危險區(qū)域設(shè)至少900 mm隔離空艙；對于C型獨立燃料艙，燃料艙外殼或燃料艙接頭處所的限界面（如有時）距離A-60級防火分隔的最小間距不小于900 mm時，燃料艙處所可視作隔離空艙燃料艙惰化所有燃料艙在實用期間應能一直維持惰化。
設(shè)置防止燃料蒸氣倒流至惰性氣體系統(tǒng)的裝置在使用干燥空氣進行透氣前，應用惰性氣體進行惰化，以避免燃料艙和燃料管路中出現(xiàn)爆炸危險環(huán)境。
燃料艙透氣燃料艙采用控制式透氣。
每個燃料艙上都設(shè)置壓力/真空釋放閥。
LNG儲罐的安全閥應與透氣系統(tǒng)相連接，且需引到高出露天甲板、工作區(qū)域和走道≥B/3或6 m處（取大值）。
四、燃料供應系統(tǒng)
甲醇供應系統(tǒng)包括FVT、甲醇供應單元（LFSS）、水噴射單元、甲醇燃料日用艙等組成部分。
LNG供應系統(tǒng)包含了LFSS、GVT等兩個主要單元。
甲醇供應系統(tǒng)與LNG燃料供氣系統(tǒng)類似，但又各有特點。
以下我們以典型的MAN的主機為例分別展示甲醇供應系統(tǒng)和LNG燃料供氣系統(tǒng)。
1、甲醇燃料供應系統(tǒng)
甲醇供應系統(tǒng)主要是指甲醇燃料艙到發(fā)動機之間的所有的系統(tǒng)和部件。
根據(jù)各主機廠家的不同需求，甲醇供應系統(tǒng)各不相同。
圖2甲醇燃料供應系統(tǒng)圖
由于甲醇燃料的自身特性，此系統(tǒng)需要設(shè)置一個燃料日用艙用于主機的日常供料及燃料和水的分離。
水噴射單元用于將水噴入FVT單元，與甲醇充分混合后進機。
日用柜除了為主機供應燃料，還用于主機甲醇回收及水分離。
2、LNG燃料供應系統(tǒng)
LNG供應系統(tǒng)分為高低壓兩套系統(tǒng)，分別用于適應ME-GI高壓機型和ME-GA低壓機型（如圖3）。
圖3高低壓供氣系統(tǒng)圖
這兩套系統(tǒng)各有利弊，高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性要高于低壓系統(tǒng)，但初期投入和運行成本要遠高于低壓系統(tǒng)。
所以高壓系統(tǒng)作為一套成熟的LNG供應系統(tǒng)已經(jīng)在多個項目上得到了運用。
3、燃料系統(tǒng)的惰化和吹掃
甲醇和LNG燃料惰氣系統(tǒng)的目的和要求類似，但甲醇燃料艙在操作期間要求一直維持惰化；LNG燃料艙只要求進料前進行全艙惰化。
4、甲醇和LNG燃料適應機型
為了與時俱進，各大設(shè)備廠研發(fā)了多種機型來適應各種新型燃料的運用。
五、管路設(shè)計
所有的甲醇燃料管路和獨立燃料艙均應與船舶結(jié)構(gòu)采取電氣接地措施。
所有的接頭和附件均需進行電氣連接。
管道和船體之間的電阻應不高于1×106歐姆。
加注站至燃料艙、機艙內(nèi)均采用雙壁管。
通過圍蔽處所的燃料管系應設(shè)置為雙壁管，在燃料艙周圍的隔離空艙、燃料準備間或獨立式燃料艙的空間可不設(shè)置雙壁管[6]。
對甲醇敏感的金屬材料，如鋁合金、鍍鋅鋼、鉛合金等，不應用于含甲醇燃料的系統(tǒng)。
對甲醇敏感的非金屬材料，如丁腈橡膠，丁基橡膠等，也不應用于甲醇燃料系統(tǒng)。
甲醇燃料系統(tǒng)可采用聚四氟乙烯、三元乙丙橡膠（EPDM）和氯丁橡膠。
甲醇和LNG燃料的管路設(shè)計的異同見表6所示。
六、防火防爆安全設(shè)計
1、防火
根據(jù)IGF code要求，船舶上甲醇/LNG燃料的儲存、整備、輸送及使用有關(guān)的所有系統(tǒng)部件都要考慮防火、探火和滅火。
甲醇和LNG燃料主要區(qū)域的滅火方式如表7所示。
2、危險區(qū)域劃分
為了使船上的電氣設(shè)備能在特定的危險區(qū)域內(nèi)安全運行，各船級社對搭載甲醇、LNG的船均有危險區(qū)域劃分相關(guān)規(guī)定，一般分為0類危險區(qū)域、1類危險區(qū)域和2類危險區(qū)域。
這里就不用文字贅述，用一張簡圖4來說明燃料船的危險區(qū)域劃分，其中甲醇燃料船獨有的要求就是關(guān)于燃料艙壓力/真空閥出口危險區(qū)域的界定。
圖4甲醇燃料船危險區(qū)域劃分
七、氣體、火災和通風探測
1、氣體探測
甲醇和LNG區(qū)域需要設(shè)定固定的燃料氣體探測器，但需要設(shè)定的點略有區(qū)別，見表8所示。
2、火災、通風探測及報警
甲醇/LNG燃料發(fā)動機的機器處所和燃料艙處所內(nèi)的火災探測裝置，均要求應能在探測到火災時，向駕駛室、連續(xù)有人值班的集控室或安全中心以及本地發(fā)出聲光報警；此外，當通風系統(tǒng)的通風能力下降時，兩種均要求應在駕駛室、連續(xù)有人值班的集控室或安全中心和本地發(fā)出聲光報警。
八、結(jié)論
甲醇和LNG燃料作為新型的替代燃料，在減排方面，綠色甲醇的優(yōu)勢比較明顯，但其在船舶設(shè)計和運營中的劣勢也很明顯，較大的艙容需求會降低船舶載貨量，降低船舶的經(jīng)濟性。
根據(jù)實際的情況制定更適合船東的方案才能使船舶的設(shè)計更具有市場競爭力。
