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胡可一:氨燃料船工程及商用化并非易事

2022-01-25 09:22:00
來源:中國船舶報 編輯: 國際船舶網 我有話要說

“氨燃料動力船要真正實現工程化及商用化并非易事,圍繞氨燃料動力裝置的研發應用、圍護系統的創新、氨作為船用燃料法規的修訂等,還有大量的工作要做。”

在航運業零碳轉型過程中,氨由于零碳排放及在供應、運輸、儲存方面的優勢被業界寄予厚望。研發氨燃料動力的集裝箱船、礦砂船和汽車運輸船等,成為造船業迫在眉睫的任務。

目前,包括中國船舶集團有限公司旗下江南造船(集團)有限責任公司在內的船廠和船舶設計院所順應航運業向零碳轉型的大趨勢,推出了氨燃料船的概念設計并獲得了船級社的原則性認可(AIP),然而,這些氨燃料動力船要真正實現工程化及商用化并非易事,氨燃料動力裝置的研發應用、圍護系統的創新、氨作為船用燃料法規的修訂等,都還有大量的工作要做,還有很遠的路要走。

氨燃料船馬上來?

氨燃料是一種清潔能源,若不計及引導油或其他含碳助燃劑的話,氨燃燒時的二氧化碳和硫氧化物排放為零。氨體積能量密度高于同樣是零碳能源的氫,氨在燃燒時生成氮氣和氫氣,并不會像氫氣一樣易爆,安全性好,因此,氨在航運界零碳轉型過程中備受關注。

氨供應鏈穩定,容易運輸儲存。從供給端角度來看,目前全球大約有2.43億噸可用氨的年產能,而氨的年產量為1.8億噸,只使用了大約75%的產能。中國是最大的氨生產國,2020年合成氨產量為5600萬噸。

傳統方法制備氨的原料是化石能源,大部分來自天然氣和煤炭,通常碳足跡較高。隨著綠色制氨技術的發展,能源界出現了多種新興的氨制備路線。這些采用新制備方法生產的“藍氨”和“綠氨”有望成為未來船用零碳燃料的主要來源之一。

去年11月,包括澳大利亞、英國和美國等在內的22個國家簽署《克萊德班克宣言》,致力推動綠色走廊的實施,承諾到2025年在全球建立至少6條兩個或多個港口間綠色航運走廊。綠色航運走廊的建立或將為氨、甲醇等環保燃料的船用起到示范效應,并為其船用“打開大門”。有研究顯示,在候選綠色航運走廊之一的亞歐集裝箱運輸航線上,綠色氨和綠色甲醇是最有可能部署的零排放燃料。不過,雖然目前就具備甲醇發動機技術,但綠氨在這條運輸航線上將更有成本優勢。

為迎接這些變化并滿足需求,我國造船業在氨燃料船舶的研發方面開展了大量工作。如江南造船基于目前在建的兩大主流船型——液化氣船和大型集裝箱船的船型定位以及各型低溫圍護系統的設計建造經驗,在氨燃料液化氣船和氨燃料大型集裝箱船的研發上取得了成果。

在液化氣船方面,該公司將可裝載液氨的中型液化氣船(MGC)升級為氨燃料推進,其40000立方米的氨動力中型液化氣船船型方案目前已經獲得船級社的AIP證書;將主打船型超大型液化氣船(VLGC)部署升級為氨燃料推進;研發采用氨動力推進的超大型液氨運輸船(VLAC)。在大型集裝箱船方面,該公司為配合亞歐集裝箱運輸綠色走廊的建設,研發了15000TEU氨燃料超大型集裝箱船,船舯部配置了可提供全航程可兼容氨燃料的B型液化天然氣(LNG)燃料艙,此外還可配置該公司自主研發的“AmmoCELL”單元組合式氨燃料艙作為氨動力增程,可實現氨燃料的全航程應用。

在氨燃料船研發過程中,船廠特別關注如何在船上配置氨燃料發動機、供氣系統以及儲存氨燃料的圍護系統如何創新等,這些技術的成熟度(TRL,Technical Readiness Level),決定了氨燃料船的商用化進程。

動力裝置需要等!

從船舶主要動力裝置柴油機的工作機理來看,無論是狄塞爾循環還是奧托循環,都是可以以氨作為燃料的,但氨的燃燒溫度范圍比較窄,需要較高比例的引導油或助燃劑。而且,與其他燃料相比,氨燃料除燃燒性較差外,還存在氮氧化物排放較高、腐蝕性較強、有毒等問題。目前,一些主要的柴油機制造商都將氨燃料發動機列入了研發計劃,并制定相應的時間表,二沖程的高壓低速機已經有了商業化的訂單意向。一些激進的低碳航運推動者甚至已經明確地將氨燃料發動機列入了綠色走廊和零碳航運實施過程中的“確定項”。

與此同時,由于柴油機制造商的研發進程和技術成熟度并不透明、氨燃料的四沖程機的引導油比例偏高、氨對缸體應力腐蝕和氨的氮氧化物需要額外處理等,一些理性的造船界人士難免對氨燃料在船舶上的應用產生一些憂慮。截至目前,LNG、液化石油氣(LPG)和液化乙烯(LEG)雙燃料主機以及LNG雙燃料發電機已有諸多裝船業績,對于船舶設計和建造者來說,氨燃料的推進機械和供氣系統的布置與前述替代燃料并無本質性的差異,也并無特殊的困難,因此,對于船廠來說,等待氨燃料動力裝置的研制成熟可能是最需要花費時間的事情。

圍護系統期待變!

液氨燃料比重約為0.6噸/立方米,須在零下33攝氏度低溫儲存或在9巴壓力下常溫儲存在圍護系統里,為在儲存過程中確保不發生泄漏,還需配備相應的泄漏應急處理裝置。液氨燃料儲存的圍護系統在現有的法規框架下必須按照《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》(IGF Code)和《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規則》(IGC Code)進行設計。IGC Code 中定義的A型艙、B型艙、C型艙以及薄膜艙理論上都可以裝載液氨。

在氨燃料大型集裝箱船的應用場景下,鋁合金制作的B型艙作為氨燃料的圍護系統在輕量化、空間利用率和抗晃蕩能力等方面具有較大的比較優勢,特別是在LNG燃料艙同時兼顧氨燃料裝載的情況下,甚至比薄膜艙更合適。

必須要指出的是,雖然MOSS型LNG儲罐也是鋁合金制作的B型艙,基于斷裂力學設計的相關計算分析也已經非常成熟,但液氨極易產生應力腐蝕,在疲勞和裂紋擴展過程中會產生什么負面影響,無論在理論計算和實驗驗證方面目前均沒有相關的實際數據。

從液氨的特性來講,耐腐蝕并有一定隔熱性能的高分子材料似乎是液氨圍護系統的可選材料,同時,標準化單元的組合式容器更能為氨燃料提供安全防護保障。這種創新圍護系統的研發需要通過跨行業、跨專業和跨價值鏈的機制去推進,同時需要給創新倡導者創建一個更友好的產業生態環境,這也不是一蹴而就的。

法律法規必須改!

對于氨燃料的安全防護,還需考慮氨燃料的毒性。低濃度的氨氣會刺激人的眼睛、肺部和皮膚,若直接接觸高濃度的氨氣則會立即危及生命。鑒于這些情況,現有法規是不允許液氨作為燃料應用的。

液氨當前均使用半冷式和全冷式液化氣運輸船運輸,并在接收港口的專用化學品儲存區或氨儲運設施內卸貨。在IGC Code規則框架下,液氨運輸船不能以貨物為燃料,而IGF Code尚無針對氨燃料的安全技術規定,亦未有明確的開發計劃。值得注意的是,IGC Code和IGF Code中定義的低溫圍護系統對A型和B型獨立艙要求設置次屏壁,其初衷是防止低溫泄漏物對船體結構的失效破壞,但這一措施對氨泄漏以后氨毒性的防護效果并不明顯。

目前,國際上一些船級社已經制定了有關氨燃料的船舶應用導則,預計隨著氨在航運業零碳轉型和綠色走廊推進中扮演的角色越來越重要,對IGC Code和IGF Code的修訂將提上議事日程?陀^而言,針對氨作為燃料應用的法規修訂并不難,但海事界面臨的選擇是,是進行涵蓋艙型革新、圍護系統材料突破、毒性防護等的全面升級,還是在LNG雙燃料規則條款基礎上的簡單升級。這些均需盡快得到明晰。

本文作者系中國船舶集團江南造船

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