[基础知识] 甲醇燃料在船应用前景分析

     近年来，随着船舶减排压力日趋增大，航运业加快了对清洁燃料应用的探索，甲醇作为航运业低碳转型替代燃料的呼声越来越高。目前，甲醇在船上应用主要是作为内燃机的燃料，少数作为燃料电池动力船舶的燃料或重整制氢的原料。 -->

-->    1.甲醇在常温常压下为无色液体，不需要低温或高压存储，它比液化天然气、氨和氢燃料更容易储存和处理。

    2.甲醇的闪点低，容易燃烧。在所有液体燃料中，甲醇的氢碳比最高，与传统燃料油相比，这种关系会降低燃烧产生的二氧化碳排放量。

    3.甲醇单位体积的能量密度为15.7 MJ/L，不足传统船用燃料油的一半。醇是一种低能量密度燃料，这就意味着相同功率输出需要更多燃料。甲醇的体积能量密度比柴油低约2.5倍，要获得与柴油相同的体积能量，储存容器体积必须扩大至原来的2.5倍，或者使用现有舱柜，运输距离将减少一半。

    4.甲醇在需氧和水生环境中都易于生物降解。在地表水中的半衰期为1到7天，如果发生泄漏或溢出，对海洋环境的影响较小。

    5.具有较强的挥发性和刺激性,有较强的毒性。对人体的神经系统和血液系统影响最大,经消化道呼吸道或皮肤摄入后会产生毒性反应,甲醇的蒸汽能够损害人的呼吸道黏膜和视力,对人体造成伤害。

    6.甲醇对铅、镍、铸铁等有色金属产生腐蚀，会影响到内燃机、管路和储存舱柜中这些材料的使用。

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甲醇与其他燃料的能量密度对比

    甲醇分子不含硫，燃烧后不会产生硫氧化物，完全满足IMO关于硫氧化物排放控制的要求。由于甲醇不含有产生颗粒物的碳碳键，因此也不会产生颗粒物。甲醇燃烧的温度较低，低温会减少氮氧化物的排放。为了达到 IMO 关于氮氧化物排放控制三级（Tier III）排放水平，在使用甲醇作为船用燃料时可能需要后处理系统。然而，MAN Energy Solutions最近的研究已经使用向甲醇中添加水来控制燃烧过程中 NOx 的形成。结果表明，加水可以帮助发动机在不使用废气再循环（EGR）或 选择性催化还原（SCR） 的情况下满足 Tier III NOx 法规。与HFO相比，可以减少约6%-10%的碳排放。国内研究表明，使用甲醇作为船舶主燃料对满足EEDI 3阶段要求上有一定的贡献。

    在讨论航运燃料GHG排放情况时，应评估整个生命周期的排放量，温室气体的排放总量主要取决于生产所用的原材料和能源。目前工业上生产甲醇的传统方法是以煤和天然气为原料,可再生甲醇的方式包括生物质甲醇和采用电解水为主的电制甲醇。

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船用燃料全生命周期评估

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甲醇燃料动力船舶布置图

（一）国际

    2019年，《甲醇乙醇燃料船舶安全临时导则》在国际海事组织货物与集装箱运输分委会（CCC）第6次会议上正式定稿并通过。2020年，海上安全委员会（MSC）第102届会议批准了《甲醇/乙醇燃料船舶安全暂行指南》，MSC.1/Circ.1621确立了甲醇或乙醇作为船用燃料应用的目标、功能要求和规定性要求。

（二）国内

    交通运输部海事局早在2020年就启动了醇类船舶技术法规的研究和编制工作。2020年4月，委托中国船级社开展甲醇/乙醇燃料动力船舶相关技术研究。目前，《甲醇乙醇燃料动力船舶技术与检验规则》已完成初稿的编制工作，计划在近期向社会公开征求意见，预计年内可以发布。

    2022年6月，中国船级社发布了《船舶应用甲醇/乙醇燃料指南》，替代2017年发布的《船舶应用替代燃料指南》（2017）第一篇甲醇/乙醇部分。

（三）甲醇/乙醇燃料船舶的设计和建造时需要重点考虑的技术问题   

    1.系统的安全性、可用性和可靠性应与使用常规燃油的全新同类主机和辅机相当；

    2.应能通过布置和系统设计（如通风、探测和安全措施）将与甲醇/乙醇燃料相关的危险所发生的概率和后果限制在最低水平；当燃料泄漏或风险降低措施失效时，应启动必要的安全措施；

    3.应确保甲醇/乙醇燃料装置的风险降低措施和安全措施不会导致不可接受的动力损失至最低；

    4.应尽量限制危险区域，将其可能影响船舶、船上人员和设备安全的潜在风险将至最低；

    5.危险区域内应仅安装操作所必需的设备，且此类设备的性能应与其工作环境相适应；

    6.应能防止易爆、易燃或有毒蒸气的意外积聚；

    7.应适当防护系统的部件，以免其遭受外部损伤；

    8.应将危险区域内的着火源减至最少，以降低燃烧或爆炸发生的概率；

    9.应设置安全和合适的甲醇/乙醇燃料供应、储存和加注装置，其能够接收和容纳所要求状态下的燃料而不会造成泄漏；

    10.应设置经适当设计、由合适材料制造和安装的管系、储存和超压释放装置，以实现其预定用途；

    11.机器、系统和部件的设计、制造、安装、操作、维护和保护应确保其安全和可靠地运行；

    12.应设置合适的控制、报警、探测和切断系统，以确保燃料系统安全和可靠地运行；

    13.应设置适合所有相关处所和区域的固定式气体和/或泄漏探测系统；

    14.应针对潜在的火灾风险设置防火、探火和灭火措施；

    15.应确保甲醇/乙醇燃料系统和燃料使用设备的调试、试验和维护满足在安全性、可用性、可维护性和可靠性方面的目的要求。

（一）甲醇内燃机研发

    甲醇发动机既有双燃料内燃机，也有以甲醇为单一燃料的内燃机。在甲醇内燃机研发方面，国际上居于领先地位的是曼恩（MAN）和瓦锡兰（Wärtsilä）公司。MAN ME-LGIM 双燃料发动机既能以甲醇为燃料，也能使用传统燃料。使用甲醇作为燃料运行时， ME-LGIM 发动机能够显著减少二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物排放。曼恩公司称，ME-LGIM 双燃料发动机使用甲醇、重油、船用柴油或船用汽油，使用甲醇时，重油、船用柴油或船用汽油作为引燃燃料。同时，甲醇和其他燃料之间的任何操作转换都是无缝的。与传统重油发动机相比，以甲醇为燃料的发动机在测试中表现出同样或略高的效率。瓦锡兰于2015年将Stena Germanica的四台发动机改装成以甲醇为燃料。

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MAN ME-LGIM双燃料发动机

    2021年10 月，由中船七一一所自主研发的首台6CS21-M甲醇发动机甲醇燃料供给系统顺利吊装落座。12 月中旬，中船动力（集团）有限公司发布了320mm 缸径甲醇燃料中速机及开发计划。该机型适用于甲板运输船、2 万吨以下散货船、化学品船和成品油船、1100TEU以下集装箱船的主机，以及大型集装箱船和油船的发电机组，计划2022年底完成首型机研制。

（二）典型实船应用

   Stena Germanica是全世界第一条改装使用甲醇为燃料的滚装船舶，该船于2015年完成改造。

2020年，全球最大的甲醇动力油船公司Waterfront Shipping 在现代尾浦造船订造了8艘49999载重吨级的甲醇动力船，这批运力计划在2021-2023 年交付，这些船搭载的是MAN第二代双燃料发动机。

航运巨头马士基是甲醇燃料船舶的积极推动者。2021年7月，马士基敲定全球首艘甲醇燃料集装箱船订单，该船运力为2100TEU，预计在2023年年中交付。2021年8月，马士基又签署了8+4艘甲醇燃料集装箱船建造合同，每艘运力约为16000TEU，其中第一艘船舶将于2024年第一季度投入运营。

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马士基甲醇燃料动力船舶效果图

    2019年9月，国内首艘甲醇燃料动力船艇“江龙号”下水，该轮自重172吨，发动机主体是通用船用柴油发动机，但增加了甲醇和空气的混合装置、甲醇控制单元、甲醇燃料供给系统等配件。双燃料模式之下，“江龙”轮碳烟排放可以减少50% 至70%。

    甲醇是全球规模巨大的化学品，全球产能超过1.4亿吨，具有化石能源制取和可再生能源制取两种途径，其产能可确保全球范围内的稳定供应。中国作为最大的甲醇生产国，甲醇燃料供应充足。

    醇燃料的海上运输已经接近100年的时间，业界在储运方面积累了丰富的安全经验。Methanex的研究显示，世界上最重要的100个港口有超过80个可以获得甲醇燃料。在设施方面，甲醇因拥有广泛的化学工业基础设施，以及港口在处理方面所积累的经验，这些都是甲醇燃料相较于LNG、氢、氨等的优势。

    欧洲主要采用天然气制甲醇，甲醇价格与MGO较接近；中国主要采用煤制甲醇，甲醇价格略高于MGO。根据国际可再生能源署（IRENA）报告，化石源甲醇的生产成本为100-250 美元/吨， 生物源甲醇的生产成本为320-770美元/吨，合成甲醇的生产成本为1200-2400 美元/吨（预计到2050年将降至250-630美元/吨）。根据甲醇网的信息，今年7月国内甲醇的价格约在2200-2500元/吨之间。

    甲醇燃料具有非常良好的应用前景，内燃机技术成熟度较高，使用过程中安全系数高，燃料价格与传统燃料油相差不大，单位体积的能量密度显著高于氢，燃料容易储运，容易获取，适用于短中远各种航线的船舶。如果未来能够继续降低甲醇生产中的碳排放，降低甲醇的制备成本，再辅以碳捕捉技术，甲醇燃料将能更好满足未来零碳的发展要求，实现更为广泛的应用。

参考文献：

涂环. 清洁能源船用适应性综合分析；

王晓芳等.三大船型应用甲醇燃料满足EEDI3阶段可行性分析；

中国船级社.船舶应用甲醇乙醇燃料指南；

ABS. methanol ethanol fueled vessel guide；

LONGSPUR RESEARCH.METHANOL AND SHIPPING;

MAN.The methanol fuelled man B&W LGIM engine.

Methanex.methanol as a marine fuel.

来源：船舶技术法规研究中心

作者：董贻意