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国际船舶航运业对于“低碳零碳”的技术发展已经成为当前行业内的最重要事项之一，目前，对于可获得性较强的液化天然气（LNG）作为船用动力的燃料被市场所接受，在过去的两三年，由于LNG燃料的船用动力技术的逐渐成熟，越来越多的新造船选择原燃料油和天然气可以灵活切换使用的双燃料发动机，但由于“内燃机”的工作原理，未充分燃烧的甲烷必然会随着废气排出机外。问题在于，甲烷本身是一种强温室效应气体，如果在使用过程中大量排放未燃烧甲烷的话，“减碳”的效果就大大降低，这也是业内觉得有必要重视该现象。
甲烷逃逸
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甲烷是什么
甲烷是自然界固有的一种可燃烧气体，它的分子式CH4。生活中俗称的“天然气”和“沼气”的主要成分即是“甲烷”。目前已知的温室气体（Green House Gas简称GHG）大概有30种，甲烷是仅次于二氧化碳(CO2 )的第二大人为制造温室气体，约占全球温室气体排放量的20%。甲烷被认为是一 种“短期气候影响因素”，也就是说它在大气中的存续时间相对较短，约为12年。尽管甲烷在大气中的存续时间较短，排放量也比CO2 较少，但其全球变暖潜能（GWP）却是CO2的28倍。甲烷排放在目前人为温室气体全球变暖中的贡献率约为三分之一。
甲烷的全球排放状况
根据全球碳计划组织（Global Carbon Project， GCP）数据，2020年全球甲烷年排放量达到5.91亿 吨左右，其中约40%（约2.36亿吨）来自湿地生态系统和冻土层等自然排放源，剩余60%（约3.55亿吨）来自农牧业、能源和废弃物处理等人为排放源。图1显示的是全球甲烷整体排放结构，其中自然排放源较为集中，以湿地生态系统为主，占据自然源排放总量的82.5%。相比而言，人为排放源较分散，其中农牧业所占比重最大，占人为源排放总量的41%（约1.45亿吨），能源占比36%（约1.27亿吨）和废弃物处理及生物质焚烧23%（约8165万吨）。
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图1 全球甲烷整体排放结构
农牧业中由于畜牧业特别是反刍类牛等牲畜肠道发酵产生甲烷占人为源约27%（约9585万吨），水稻种植产生甲烷占人为源约7%（约2485万吨）。能源行业总计1.27亿吨总量中煤炭领域产生甲烷占人为源约12%（约4200万吨）；天然气领域产生甲烷占人为源约11%（约4100万吨）；石油领域产生甲烷约占人为源约10%（约3600万吨）；废弃物源自于垃圾填埋场和大型垃圾堆场中的废物在厌氧条件下产生，其甲烷产生约占19%（约6800万吨）。
甲烷排放的治理
基于当前全球甲烷排放的情况，同时甲烷减排能够有效减少温室气体效应，国际社会高度重视甲烷减排的措施，应该说甲烷减排已是当前社会减碳的重点之一。目前全球甲烷行动计划（GMI）锁定的五个目标来源是：农业（粪便管理）、城市固体废物、污水、煤矿、石油和天然气系统，约占54%的人为排放量。让我们看看和船舶航运业紧密相关的能源油气行业的甲烷排放情况：能源领域主要是煤、油气中的甲烷排放。据国际能源署IEA估计，2021年全球能源部门甲烷排放约为1.35亿吨，比2020年增长近5%。在1.35亿吨中，约4200万吨来自煤炭，4100万吨来自石油，3900万吨来自天然气，900万吨来自生物能源，400万吨来自终端设备的泄漏。国际能源署长期以来一直关注甲烷的减排问题。如下图2所示，2021年能源行业的甲烷排放量回升。2021年，在能源行业的甲烷排放量增加了近5%，仍略低于2019年的水平，但是化石燃料产量已回复到高于新冠疫情前的水平。随着国际降碳力度的不断加大，到2025年，能源行业甲烷排放愿景为降低28个百分点（较2000年），到2030年，其甲烷排放愿景为降低56个百分点（较2025年）。
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图2 能源行业甲烷排放现状及愿景
对于中国而言，甲烷排放主要是来自于煤炭开采过程、矿后活动和废弃煤矿排放。我国是世界上最大的煤炭生产国，2020年以来，煤炭产量占世界煤炭总产量的50.7%，煤矿地下开采中的甲烷排放是煤矿甲烷最主要的排放来源。近年随着我国煤炭生产布局的西移，露天开采煤炭产量占比增加，露天开采过程中的甲烷排放也呈上升趋势。图3所示的是中国所有人为来源的甲烷排放量分布图。
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图3中国所有人为来源的甲烷排放量分布
油气行业的甲烷排放和治理过去10年，全球油气领域甲烷排放量在7600万吨/年以上水平，油气行业被认为是甲烷减排最有实操性和经济型。
从排放源类型角度看，油气生产、运输及销售全环节的甲烷排放源可分为“放空燃烧（火炬）”、“放空”、“逸散（fugitive）”。超过75%的油气行业甲烷排放集中在勘探开发环节，对于天然气行业则有近1/3的甲烷排放在储运及销售环节，石油行业主要在开发环节，其他环节只占1%左右。
放空和放空燃烧（火炬）排放源较为单一且是同源，针对这类排放的治理措施相对直接。一是禁止未经燃烧的天然气排放到大气中，二是针对不得不排放的天然气要点燃之后且保证充分燃烧后才能排放。显然这两种方法都无法完全避免甲烷的排放，因此解决此类甲烷排放的最终方案是在进行新区块勘探开发之前，就要充分考虑到管线等基础设施的建设，以保证天然气的充分运输和利用，从而避免放空和火炬活动。
针对甲烷逸散的治理就比较复杂，甲烷的逸散发生在石油和天然气产业链的各个环节。泄露源主要是管线的法兰、阀门、压缩机、气动设备、维修泄露、管线老化等。这种甲烷的逃逸多是持续性的，因此适合采用排放因子法估算其泄漏量。不过由于此类排放源分布面积广，常规方法无法实现有效的甲烷减排控制。目前比较好的方法是建立管线的泄露、监测和维修( LDAＲ，Leak Detection and Ｒepair) 制度，及时发现和修复排放源。
另外，还有一类排放源需要特别注意，即意外事故导致的超级排放源，如井喷、管线破裂、意外事件导致基础设施被破坏等。这类排放源被称为超级排放源，此类排放源在短时间内造成的甲烷 泄露甚至会超过常规逃逸全年的泄露量。这类排放源由于偶发性和随机性较高，需要借助特殊的工具( 如卫星监测) 来定位和处理。
油气行业甲烷减排面临的另外一个问题是甲烷减排的绩效追踪。这个问题涉及甲烷排放数据的准确性问题，也涉及排放数据的报告和可回溯性等问题。简单来讲就是油气行业当前缺乏一个统一的甲烷监测、报告和核证(MRV，Monitoring，Reporting and Verification) 体系。目前各国油气行业的甲烷排放量都是根据联 合国 气 候 变 化 公 约 ( UNFCCC，United Nations Framework Convention Climate change) 基于排放因子的 1 类方法计算得出的，这种方法并未考虑不同国家油气基础设施和工业水平的差异，导致计算出来的数据与实际排放存在很大差异。此类数据作为甲烷减排基准显然达不到要求，更不用说具体到公司，这类数据无法作为企业甲烷减排目标的参考。13家世界主要油气企业发起的全球油气行业气候倡议组织（OGCI），将甲烷控排作为一项工作重点，承诺到2025年，该组织上游业务的平均甲烷强度降低至0.25%以下，并努力实现0.2%的目标。由联合国环境规划署（UNEP）、欧洲委员会（EC）和美国环保协会牵头发起的油气行业甲烷合作伙伴关系（OGMP），包含62家油气公司，资产覆盖全球五大洲，代表了全球石油和天然气总产量的30%。油气行业甲烷合作伙伴关系的最新框架“OGMP 2.0”提出了油气甲烷排放报告的黄金标准，并倡议到2025 年将行业的甲烷排放量减少45%（约3600万吨），在2030年前减少 60%～75%。全球性倡议联盟影响力逐步提升，使甲烷减排成为油气企业可持续发展的重要评价指标之一。
但是全球范围内并未形成统一的甲烷减排路径和方法学，这一方面需要国家和国际组织共同倡议，另一方面也需要企业之间达成共识，形成统一的 MＲV 规范，以实现数据的互相对比和减排绩效的追踪。目前绝大部分油气公司虽然都提出了甲烷减排目标，不过在减排措施上面尚未公布具体技术细节，因此实际的减排绩效仍需时间来验证。
当前油气行业普遍将天然气视为过渡能源，并且也正在有意地增加天然气业务比例。不过天然气是否能够成为过渡能源在很大程度上要取决于甲烷的控制程度。甲烷排放控制会让天然气更好地服务于过渡能源这个角色，使得天然气的开采过程更为清洁，从而在一定程度上促进油气企业的可持续发展。
船舶航运业甲烷排放的情况
船舶航运业对于“甲烷排放”的重视，以及对于船用动力“甲烷逃逸”的重视，其一甲烷是重要的温室气体，其二船舶航运界的甲烷排放量随着新造船越来越多的选用以LNG为燃料的船用动力带来的持续增长，其三是该船用动力形式的甲烷排放主要来自于正常运行时的“甲烷逃逸”。
根据IMO的报告，2018年国际航运业CH4排放53.34万吨，占全球甲烷人为排放总量的0.14%，约为畜牧业甲烷排放（9585万吨）的0.55%，约占油气行业甲烷排放（7600万吨）的0.7%。
由于近两年LNG作为船用动力燃料的选用，大量的LNG/燃料油双燃料动力（内燃机）作为新造船动力运行时不可避免的“甲烷逃逸（methane slip）”。根据当前的技术水平，LNG-Otto循环低速机的甲烷逃逸量为 0.9-3.4g/kwh ，LNG-Diesel循环低速机的甲烷逃逸量为0.2-0.3g/kwh，LNG-Otto中速机的甲烷逃逸量为2.6-6.2g/kwh。一艘全程使用LNG燃料的配置LNG-Otto循环（WinGD 9X92DF）或LNG-Diesel循环（8G95MEC10.5GI）的低速机和LNG-Otto循环的中速机的15000TEU的集装箱船（计算条件为：CMCR 45000KW@80RPM、CSR 38250KW@75.8RPM，主机全年全程使用LNG运行时间6500小时，其中10% @85%负荷、40%@50%负荷、50%@26%负荷；15000TEU集装箱船上50%为冷藏集装箱，发电机在正常航行下的总功率约为6400kW），其全年甲烷逃逸量分别为：151.7（低速机）+4+192.4（中速机）=348.1t/Year（CO2当量9746.8t/Year）；30.7（低速机）+10.5+192.4（中速机）=233.6t/Year (CO2当量6540.8t/Year)，其CO2排放总量相较传统燃料油的贡献约下降20%（其中LNG-Otto的中速机甲烷排放大于低速机）。需要注意的是此时，不同技术路径的船用低速机的甲烷逃逸量不同，同时其NOx排放量也不同，高甲烷逃逸量的低速机，其NOx排放量要更低些，配置LNG-Otto的中速发电机组，其NOx排放量为157.8+54.1=211.9t/Year；低甲烷逃逸量的低速机，其NOx排放量要高些，配置LNG-Otto的中速发电机组，其NOx排放量为606.9+54.1=661t/Year。配置LNG-Diesel的低速机本身无法达到TIII的NOx排放标准，加装EGR或SCR处理装置后可以实现Tier III的NOx排放标准。
根据IMO当前的法规要求，如果船东不愿大幅增加船舶运营成本而全程开启NOx处理装置的话，在实际运营中选择低甲烷逃逸低速机配置相较于选择高甲烷逃逸低速机配置的很可能是一条“低碳排放却高污染排放”的船舶。对于一艘常用使用功率达38250KW（52020BHP，BHP即俗称“马力”）的主动力船舶，一年全程运行LNG的状况下，不同的主机配置下，其最大甲烷逃逸约为348.1吨或233.6吨，大约为2903头乳牛或1948头乳牛一年的甲烷排放量。（120公斤/乳牛•年，全球有15亿头牛，其中约2.5亿头乳牛。）
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作一个简单的测算来审视船舶航运业由于选用不同技术路径低速机的甲烷逃逸量，如果当前船队中的主机全部选用LNG-Otto低速机并全程燃用LNG，其甲烷逃逸总量为约130.4万吨/年，约占油气行业甲烷排放的1.69%，其NOx排放量为318.3万吨；选用LNG-Diesel低速机，其甲烷逃逸总量为约26.4万吨/年，约占油气行业甲烷排放的0.34%，其NOx排放量为1224.2万吨。如果全部船队全部为LNG燃料，则其CO2当量排放相比燃料油总体下降约16.88%-20.68%，其中甲烷逃逸产生的CO2当量约为其燃料燃烧产生的CO2总当量的1.93%-9.12%。
将LNG作为船用动力燃料的船舶，FGSS修理以及船舶坞修时需要清空LNG燃料舱时类似油气行业的超级排放源需要引起船舶运营方高度重视，笔者曾经参与某一双燃料船舶试航，因FGSS中某一设备故障需要清空LNG燃料舱而造成的“甲烷逸散”恐怕要远大于正常运营时的“甲烷逃逸”量。
结论
甲烷是影响程度仅次于CO2的重要温室气体，甲烷的社会总排放量需要大幅降低，降低人为源甲烷排放将有效降低碳排放总当量，因此全社会都应重视“人为源甲烷排放”；农牧业、能源业、废弃物处理是人为源甲烷排放的主要来源。
能源油气等行业的甲烷减排得到社会高度关注，油气行业甲烷“逸散”（Methane Fugitive）重大影响其行业甲烷排放总量，当前任重道远；船舶航运业随着LNG燃料的使用，将明显增加甲烷排放总量，甲烷排放量的增加将减少使用LNG对于碳排放的贡献，但是在其他合适的低碳零碳燃料广泛使用前，既使有“甲烷逃逸”的影响，LNG仍然是市场获得性较好的相较传统燃料油有较大减碳贡献的合适燃料（总体碳排放当量减少20%左右）。
使用内燃机为船用动力，其燃用LNG时，“甲烷逃逸”（Methane Slip）是不可避免的，采用Otto循环的低速机甲烷逃逸量要大于采用Diesel循环的低速机，采用Otto循环的中速机甲烷逃逸量远大于采用Otto循环的低速机。可以采取处理装置来进一步降低“甲烷排放量”；每一种技术都有其优劣，Otto循环相较于Diesel循环高甲烷逃逸的同时表现出低NOx 排放；对于使用LNG为燃料的船舶，其FGSS修理或坞修需要清空燃料舱时的“超级排放源”需要引起高度重视。
船舶航运界的甲烷排放总量在整个社会的甲烷排放结构中微乎其微，但由于其是一个新的“社会增量项”，”勿以善小而不为”，仍然需要引起业内的关注和重视；相对于整个社会的甲烷排放治理，船舶航运界相较于其他行业已经走在了前列，但是或许如同之前所说，船舶航运业在“高度重视”减碳以及“高度关注”碳排放领域中较小的“甲烷逃逸”的同时一定要更加客观审视、重视船舶航运业自身“治污减排”的主要矛盾和主要问题。
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来源：中船动力集团
作者：陶国华 桂勇 Marcel Ott 刘博 |
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发表于 2022-8-24 10:59
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