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0引言
2023年7月，国际海事组织(International Maritime Organization,MO)海洋环境保护委员会(Maritime Environment Protection Committee,MEPC)第80次会议对2018年第72次会议通过的《IMO温室气体减排初步战略》进行了修订，将温室气体(Greenhouse Gas,GHG)排放总量到2050年削减50%的目标进行了调整，修改为到2050年左右达到净零排放。同时，欧盟已通过限制航运业温室气体排放的法规。更严格的排放目标的提出使得低碳或零碳燃料在船舶上的应用变得愈加迫切。
目前可供选择的新能源包括液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)、甲醇、氨、氢、生物燃料和电池等。根据船型、航线经济性以及燃料加注的便利性等因素为船舶选择最适合的新能源燃料是船东必须要面对的问题。甲醇燃料方面，因为绿色甲醇产业链的兴起，“碳中和”甲醇将在未来几年占据较大的份额。最近几年，甲醇燃料在船舶上的应用得到了船东的大力推广，以甲醇为燃料的各种船型的设计不断推出，甲醇燃料在船舶上的应用已逐渐成熟，还有一些运营船舶正在或计划被改装成甲醇双燃料。而作为零碳燃料，氨燃料正在成为船东的另一个热门选择，采用氨燃料的船舶也已开始建造。氨和甲醇是当前航运业脱碳路线中最有潜力的新能
源燃料[1]本文对氨和甲醇的特性和在船舶上应用的优缺点进行对比，通过2种燃料在船上的应用实例，分别说明2种燃料系统的技术要求得出2种燃料的对比结论。研究得出的技术方案以及对2种燃料对比分析的结论，可为船东和船厂的新能源燃料的选择提供借鉴和参考。
1甲醇和氨燃料的特性对比
1.1甲醇和氨的物理化学特性
甲醇(CH;OH)是基本的有机原料之一，可用于制造多种有机产品，常温下是无色带有酒精气味的易挥发的液体。氨(NH3)是应用广泛的无机化合物，是制作化肥的原料，在常温下是无色气体，具有强烈的刺激性气味。甲醇和氨的物理化学特性数据见表1
1.2甲醇和氨燃料的主要优缺点
1)减排量。作为零碳燃料，氨在燃烧时不释放CO,，这是氨作为燃料的最大优势。但目前市场上供应的大部分为由天然气或煤炭制造的“灰氨”[3]，在生产和运输等中间环节会产生大量的CO,排放。考虑燃料全生命周期的碳排放，则需要采用可再生能源生产的“绿氨”。甲醇燃烧时的CO,减排量与柴油相比并不明显，但“绿甲醇”采用绿色电力电解水产生的氢气和来自碳捕集的CO,作为原料生产，生产过程中的碳排放量非常低，某些生物甲醇甚至可以为负值!41，因此“绿甲醇”的全生命周期碳排放量可以很低。
2)储存。氨在常压下沸点为-33℃，在0.7 MPa压力下为25℃，因此为维持在液态下储存，需要加压或者低温储存。甲醇在常温常压下为液体，这是其作为燃料的最大优势。甲醇在船上储存不需要采用压力容器或低温保冷容器，也不需要设置再液化装置，因此其燃料储存和供应系统相对于其他新能源燃料来说更为简单，其储存舱占用的体积相对较小，燃料围护系统的建造成本和运营成本明显较低。
3)能量密度。相对于轻柴油，甲醇和氨的能量密度都比较低。两者的能量密度也都低于液化天然气，但明显比氢更高。
4)毒性。氨具有较强的毒性，吸入人体可造成呼吸道损伤，高浓度的氨可造成氨中毒，引起昏迷，甚至呼吸停止。因此，必须采取措施防止氨燃料的泄漏!5。船级社规范对氨泄漏的预防和检测有具体的要求，应配置相应的氨气回收处理系统!]，如中国船级社《船舶应用氨燃料指南(2022)》对氨气处理系统的要求。甲醇同样具有毒性，误服甲醇或大量吸入甲醇蒸气可造成中毒。
5)硫氧化物SO,和氮氧化物NOx的排放。甲醇和氨都不含硫，燃烧后不排放硫氧化物SO,;2种燃料燃烧后都会排放氮氧化物NO需要采用选择性催化还原装置(Selective Catalvtic Reduction,SCR)或废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)进行废气后处理才能满足NOv的Tier亚排放要求。
6)引燃油。甲醇和氨在柴油机内燃烧都需要一定量的燃油作为引燃油，所需的引燃油燃烧后会增加CO,排放，因此引燃油的消耗量成为新能源柴油机的重要指标，对里醇双燃料二冲程机型，MAN B&W和Win GD公司的引燃油占比都为约5%:对于正在研发的舞双燃料机型，这2家公司也都把5%的引燃油作为研发目标。
7)可获得性。甲醇和氨在化工领域都已获得大量的应用，供应充足，但采用可再生能源生产的“绿甲醇”产量还非常有限,"绿“绿甲醇”和“绿氨”的生产产业链的形成至关重要，但还有待时，氨”更是还未得到大量生产。为控制燃料全生命周期的碳排放，“绿甲醇”和“绿氨”的生产产业链的形成至关重要!7]但还有待时日。
2船用甲醇和氨燃料系统
2.1甲醇燃料系统
船用甲醇燃料系统主要分为加注、驳运、供应系统以及燃料消耗设备(主机、发电机组、锅炉)等主要部分。图1为Win GD公司的甲醇燃料系统框图[8]。甲醇燃料系统主要部件包括储存舱、日用舱、加注站(左右舷各1套)、驳运泵、甲醇供应单元、燃料阀组和燃料消耗设备(主机、发电机组、锅炉)等。辅助系统主要包括水-乙二醇系统、氮气系统、吹扫系统(采用氮气或淡水吹扫)、舱柜透气系统、泄放系统、舱底水系统、消防系统、通风系统以及安全和控制系统等。
甲醇通过加注站加注到储存舱，甲醇储存舱可采用普通结构舱柜加特涂处理，驳运泵从储存舱内将甲醇驳运至日用舱，日用舱内的甲醇经供应单元加压和调节温度后通过燃料阀组输送到机舱内的主机、发电机组或锅炉。船上设置燃料准备间，甲醇供应单元和燃料阀组布置在燃料准备间内。机舱和其他安全区域内的甲醇管路采用双壁管。
主机厂要求主机进口处的甲醇压力为1.3 MPa，要求甲醇温度为25℃~50℃，当甲醇温度低至15℃时，进主机的甲醇供应会停
甲醇双燃料的主机、发电机组和锅炉的技术都已逐渐成熟，已开始得到实船应用。
2.2氨燃料系统
氨燃料系统同样包括加注、驳运、供应系统以及燃料消耗设备等部分，但因为氨的毒性，需要设置氨气处理回收系统。图2为WinGD公司的氨燃料系统框图。
氨燃料系统主要部件包括储存舱、加注站(左右舷各1套)、驳运泵、氨供给单元、蒸发气BOG处理单元、燃料阀组、氨气处理单元和燃料消耗设备(主机等)等。辅助系统主要包括水-乙二醇系统、氮气系统、泄放系统、舱底水系统、舱柜透气系统、消防系统、通风系统以及安全和控制系统等。
主机厂要求主机进口处的氨压力为8.5 MPa，氨温度要求为4 0℃(允许误差±5℃C)
液氨在船上的存储可采用独立舱的形式，有A型舱、B型舱和C型舱等3种，其设计应满足相关的规范要求。船上设置燃料准备间
氨供应单元、燃料阀组和氨气处理单元等布置在燃料准备间内。机舱和其他安全区域内的氨燃料管路应采用双壁管,。各二冲程、四冲程柴油机厂家及锅炉厂家都在积极研发氨双燃料的机型，以抢占氨作为零碳燃料的市场先机，满足船东日益紧迫的需求。
3甲醇燃料系统在大型集装箱船上的应用案例
以某大型集装箱船双燃料改装项目为例，说明甲醇燃料系统在船上的应用。该项目主机和发电机组将改装为甲醇双燃料机型
3.1燃料舱的布置
该项目甲醇燃料舱总舱容约10 000 m’，分隔为2个甲醇储存舱，在经济航速下，甲醇燃料可满足美东航线单程的续航要求。如图3所示，左右2个甲醇储存舱布置在机舱前的货舱内，占用1个集装箱贝位。储存舱采用整体结构舱的形式，周边设置隔离空舱加以保护。储存舱内部采用无机硅酸锌涂料，为满足特涂要求，舱内不设置加强型材，所有结构件外翻布置到舱外的隔离空舱内储存舱内尽量做到平整光滑，左右储存舱采用槽型纵舱壁隔开。
3.2甲醇加注站的布置
主甲板左右舷各设置1套甲醇加注站，见图4。加注站内设置2根液相管和2根气相管，以满足加注速率的要求。加注站下方设置集液盘，收集加注时可能产生的泄漏。加注管路上需连接氨气管路供吹扫用。加注站采用半封闭结构，其通风、消防等设施应满足规范要求。
3.3燃料准备间的布置
燃料准备间布置在甲醇储存舱的顶部，其内部布置见图5.
甲醇燃料系统相关的主要设备布置在燃料准备间内，包括:
1)甲醇日用舱。日用舱的结构形式与储存舱类似，型材都布置在舱外，舱内采用无机硅酸锌涂料。因为布置在燃料准备间内，日用舱外不需要再设置隔离空舱。
2)驳运泵。每个甲醇储存舱设置1台液压深井泵，泵体安装在储存舱底部，接口法兰等安装在准备间内。
3)甲醇供应单元。供应单元采用模块式，内部包括甲醇供应泵、循环泵、热交换器、滤器、流量计、阀门、控制仪表等，是甲醇压力、温度、流量控制的主要设备。水乙二醇系统包括泵和热交换器等，用来与甲醇燃料进行热交换以控制甲醇的温度。
4)燃料阀组。主机和每台发电机组各设置1台燃料阀组，阀组内包括燃料进机前的主控制阀等系列阀门和仪表，是燃料系统与用户之间的隔离屏障。
5)高压泵组。每台发电机组配置1台甲醇高压泵，甲醇燃料升压后输送给发电机组。
3.4透气桅的布置
按照中国船级社《船舶应用甲醇乙醇燃料指南(2022)》[10]的要求，甲醇舱应设置压力/真空阀控制舱内压力，压力/真空阀的出
口应通至开敞甲板的安全位置。本项日在燃料准备间上方的集装箱绑扎,桥顶部设置了透气桅，压力/真空阀的排气口布置在透气桅上，见图6。乐力/真空阀出口的6.m半径范围内以及向上6 m半径无限高度的圆柱体范围内为1类危险区域，该区域往外延伸4 m范国内为2类危险区域。透气管的布置应尽量减小管路的阻力，管路布置完成后，需做阻力计算。
3.5双壁管布置
甲醇燃料管从燃料准备间至机舱的管路采用双壁管，可以通过机舱与甲醇储存舱之间的隔离空舱进入机舱，见图7。双壁管的内外管之间的空腔需要设置通风。
3.6氮气系统
MSC.1/Circ.1621《使用甲醇/乙醇作为燃料的船舶安全临时导则》(Interim Guidelines for the safety of shis using MethylEthyl Alchols as Fuel)[11]要求所有燃料舱在运行期间应一直维持惰化状态，另外，甲醇系统设备和管路也需要使用氮气吹扫，为此需要配置氮气系统。氮气系统包括氮气发生器、空压机、氮气瓶、增压装置以及减压阀组、阀门和管路系统等。甲醇储存舱外围的隔离空舱可采用惰化处理，也可在发生甲醇泄漏时向空舱内注水。在燃料准备间附近设置了氮气发生器和电气设备间，用于布置氨气系统相关设备。
3.7消防系统
采用甲醇燃料后，应增加下列消防系统:1)机舱配备固定式抗醇泡沫系统(覆盖机舱底层和舱底区域);2)燃料准备间配备适定式消防系统(如CO,灭火系统)、固定式抗醇泡沫系统;3)甲醇加注站配备固定式抗醇泡沫系统、手提式干粉灭火器。
3.8通风系统。
按《使用甲醇/乙醇作为燃料的船舶安全临时导则》要求，甲醇燃料相关区域通风系统的设置应满足表2的要求
4氨燃料系统在大型集装箱船上的应用案例
针对该大型集装箱船双燃料改装项目，鉴于目前氨双燃料柴油机的研发状态，方案仅考虑将主机改装为氨双燃料机型。
4.1氨燃料舱选择
氨的能量密度相对于甲醇更小，在满足相同的续航里程要求时，氨燃料需要的舱容约为12 000 m3，比甲醇舱更大。
集装箱船的布置空间紧张，如采用C型舱，集装箱箱位损失量较大。为此，选择舱容利用率相对更高的A型独立舱来储存氨燃料。
在甲醇方案的相同位置布置A型氨燃料舱，舱容约为12 000 m3，占用1个40英尺集装箱贝位和1个20英尺集装箱贝位。
4.2氨燃料舱的布置
氨燃料舱的布置见图8。A型舱设计压力0.07 MPa，材料可采用不锈钢或碳锰钢，舱外包绝缘。
4.3氨燃料供应系统的布置
1)在主甲板上左右舷各布置1套氨加注站，其位置与甲醇方案相同。
2)在氨燃料舱内设置2台电动深井泵，将氨驳运至燃料准备间内的供应模块。
3)氨燃料准备间的布置位置与甲醇方案相同，内部设置氨供应单元、蒸发气BOG压缩机单元、水乙二醇单元和氨气回收处理单元等。氨供应单元内部设置高压泵和加热器，增加氨燃料的压力和温度，满足主机的进机要求。BOG压缩机单元包括BOG压缩机、冷凝器和储罐等，该单元将氨燃料舱内的蒸发气进行再液化后重新注入舱内，以维持储存舱的压力和温度。氨回收处理系统包括氨气吸收罐和氨气洗涤系统等，应满足中国船级社《船舶应用氨燃料指南(2022)》[12]的要求，确保氨气浓度不超过允许接触限值。
4.4氨的毒性区域要求
除了需要考虑危险区域划分以外，还要求对氨的毒性区域进行划分，按照中国船级社《船舶应用氨燃料指南(2022)》[12]的要求，下列区域为毒性区域:1)距离氨燃料舱透气出口B(B为船宽)或25 m(取其小者)的区域;2)可能泄漏的氨燃料管路接口10 m内的区域;3)距离燃料准备间入口或通风进口10 m内的区域。船级社还可能要求提供气体扩散分析报告来验证毒性区域。居住舱室、服务处所等安全区域的通风进口、出口以及开口不应该位于毒性区域的范围之内。
从毒性区域的定义可看出，其范围比危险区的范围扩大了很多，因此造成氨燃料系统，尤其是透气桅的布置难度大大增加。针对本项目，氨燃料透气桅仍可布置在绑扎桥的顶端，但高度需要增加，以保证主甲板的通道不在毒性区域内。
4.5消防系统
氨加注站的加注管接头上方应布置水喷淋系统，在下方设置集液盘。加注站附近还应设置水帘系统，保护甲板和舷旁船体，避免氨泄漏时造成低温损伤。加注站还应设置固定式干粉灭火系统。
燃料准备间作为A类机器处所，应设置固定式灭火系统。同时应在燃料准备间内布置水喷淋系统，喷头应覆盖所有易泄漏部位，如管路可拆接口等。
如果氨燃料舱安装在露天区域，应安装水雾系统覆盖燃料舱的所有暴露部分，以起到舱的冷却和保护作用。燃料舱周边10 m范围内如果布置有居住舱室、控制站、燃料准备间等通常有人的处所，则这些处所面向燃料舱的界面也需要用水雾覆盖,
4.6通风系统
氨燃料准备间、双壁管的通风要求与甲醇系统相同。另外，氨燃料舱接头处所应设置机械排风系统，通风系统的风量应满足换气次数每小时30次，设置2台风机，每台容量为系统所需的50%,2台风机的供电系统应相互独立。
5结论和展望
本文对大型集装箱船甲醇燃料和氨燃料2个改装方案的实例对比，可以得出以下结论:
1)甲醇燃料能量密度相对于氨更大;甲醇储存舱采用普通结构舱，相对于氨的独立舱占用空间更小。
2)甲醇燃料供应系统设计简单，设备较少，
3)氨的毒性使得对其应用更加谨慎，也额外增加了系统的复杂程度。
4)因为储存舱和供应系统更复杂，氨燃料系统的建造成本更高。
经过近几年的发展，甲醇燃料在船舶上已经进入实际应用阶段，采用甲醇双燃料的多种船型开始实船建造，但可供选择的甲醇双燃料二冲程和四冲程柴油机机型还很少，形成机型全系列仍需要较长的时间。因为氨零碳燃料的优势，船东对氨燃料船型的需求日益迫切，各柴油机厂正在加紧进行氨双燃料机型的研发，但研发进度相对甲醇机型更加滞后，其在船上的应用刚刚开始，全系列发展还需要更长的时间。
在未来较长的一段时间内，航运业将处于多种燃料并存的状态，船东对燃料的选择需要从全生命周期减排、绿色燃料的可获得经济性等多种因素考虑。甲醇和氨2种燃料都已经成为船东的热门选择，为航运业实现脱碳目标发挥重要作用。
参考文献：
[1]姜季江,王远,施亮亮.氨和甲醇新能源在大型集装箱船上的应用[J].船舶工程,2024,46(07):74-80.
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