張曉平,王曉亮,魏志浩,趙超,王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

隨著全球氣候變暖,氣候變化問(wèn)題已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn),而溫室氣體排放是造成長(zhǎng)期氣候變化的最主要因素。在導(dǎo)致氣候變化的各種溫室氣體中,CO2對(duì)升溫影響最大。交通運(yùn)輸業(yè),尤其是航運(yùn)業(yè),產(chǎn)生了巨量的碳排放,每年產(chǎn)生約10億t CO2排放。如果不采取進(jìn)一步行動(dòng),國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)和歐洲議會(huì)估計(jì),到2050年國(guó)際航運(yùn)業(yè)的CO2排放量將增加50%～250%,占全球CO2排放總量的比例將達(dá)到17%[1]。為了降低航運(yùn)業(yè)溫室氣體排放,2018年,IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第72屆會(huì)議(MEPC 72)通過(guò)了《2018 IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》,以2008年碳排放為基準(zhǔn),提出到2030年將航運(yùn)業(yè)碳排放強(qiáng)度降低40%,2050年碳排放強(qiáng)度降低70%(碳排放總量降低50%)的明確目標(biāo)[2]。2023年7月,IMO MEPC80會(huì)議通過(guò)《2023年IMO船舶溫室氣體(GHG)減排戰(zhàn)略》,進(jìn)一步收緊了國(guó)際航運(yùn)溫室氣體減排要求,明確應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)際航運(yùn)溫室氣體排放達(dá)峰,在2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。同時(shí),戰(zhàn)略還設(shè)置了兩個(gè)“指標(biāo)性校核點(diǎn)”:到2030年,國(guó)際航運(yùn)溫室氣體年度排放總量相比2008年應(yīng)至少降低20%,并力爭(zhēng)降低30%;到2040年,國(guó)際航運(yùn)溫室氣體年度排放總量相比2008年應(yīng)至少降低70%,并力爭(zhēng)降低80%[3]。

隨著一系列溫室氣體減排政策的頒布,航運(yùn)業(yè)尋找和探索有效減排措施的步伐變得更加刻不容緩。為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的減排目標(biāo),可采用改進(jìn)技術(shù)、操作方法或使用清潔能源等措施。清潔能源作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料使用,能夠有效降低SOx、NOx、CO2等氣體排放,同時(shí)具有良好的實(shí)際可操作性。目前,船舶行業(yè)主要發(fā)展的清潔燃料包括液化天然氣(LNG)、甲醇、氫和氨燃料等[4]。其中,LNG具有良好的SOx和NOx減排效果,但碳減排效果不能滿足行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略需求,主要作為現(xiàn)階段的過(guò)渡燃料使用;甲醇燃料在船舶上易于儲(chǔ)存和利用,但僅綠色甲醇能夠滿足船舶未來(lái)發(fā)展方向,目前綠色甲醇仍存在成本高及供應(yīng)不足等問(wèn)題;氫能源具有清潔環(huán)保等多種優(yōu)勢(shì),各國(guó)都很重視氫燃料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,近年來(lái)越來(lái)越多船廠、能源公司以及動(dòng)力系統(tǒng)供應(yīng)商開(kāi)始加大氫燃料動(dòng)力船舶的研發(fā),但氫能源生產(chǎn)成本較高,尤其是通過(guò)可再生途徑制氫,此外氫能源應(yīng)用還面臨儲(chǔ)存運(yùn)輸困難、相比傳統(tǒng)船舶燃油能量密度較低以及能量損失較大等挑戰(zhàn);氨具有供應(yīng)穩(wěn)定和便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì),同時(shí)燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳,航運(yùn)業(yè)普遍認(rèn)為氨是未來(lái)脫碳道路上最有希望廣泛使用的清潔燃料之一[5]。

1 氨燃料特性及應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)

1.1 氨燃料特性

氨是無(wú)色、有毒、有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體,密度為0.771 kg/m3,沸點(diǎn)為-33.6 ℃,氨燃料的基本特性如表1所示。

表1 氨燃料基本性質(zhì)

氨燃料不同于其他燃?xì)?甲烷、氫氣等)一旦泄露,人體器官無(wú)法察覺(jué),暴露在這樣的環(huán)境下不能做出反應(yīng)非常危險(xiǎn)。但人體對(duì)氨的氣味非常敏感,濃度只要達(dá)到5×10-6時(shí),就能被人體察覺(jué)。所以另一方面,正是人體對(duì)氨氣的強(qiáng)烈敏銳性側(cè)面反映了氨作為燃料的安全性。在有水分的情況下,氨能與銅、黃銅、鋅和各種合金發(fā)生反應(yīng)并發(fā)生腐蝕。以氨為介質(zhì)的罐、管道和結(jié)構(gòu)部件應(yīng)選擇耐氨的鐵、鋼和特殊有色合金。

1.2 氨作為船舶燃料的優(yōu)劣勢(shì)

近年來(lái),氨受到了廣泛關(guān)注,并在眾多技術(shù)報(bào)告、白皮書和研究論文中被指出是最有應(yīng)用前景的替代燃料和氫載體之一[6-8]。其中,在ABS氨燃料白皮書中預(yù)測(cè):到2050年,氨燃料在船舶燃料中的使用占比將超過(guò)30%。

氨燃料作為船舶燃料使用具有以下優(yōu)勢(shì):

1)擁有完善的氨生產(chǎn)、存儲(chǔ)和全球運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施。目前,氨的年產(chǎn)量為1.8億t,足以滿足初期的船用需求,航運(yùn)業(yè)可以順利地引進(jìn)氨燃料。此外全球已有120多個(gè)港口可以用于氨的進(jìn)出口以及存儲(chǔ),這些基礎(chǔ)設(shè)施為船用氨燃料的供應(yīng)打下了良好基礎(chǔ);

2)氨氣容易被液化,常溫加壓或常壓低溫(25 ℃、1.03 MPa或-33 ℃、0.103 MPa)條件下即可將氨液化;

3)氨具有較高的能量密度(見(jiàn)表2),能夠滿足長(zhǎng)途船舶航行的需求,數(shù)周內(nèi)無(wú)需加注;

表2 船用燃料及其特性清單

4)氨的最小點(diǎn)火能量較高,可燃范圍較窄,與氫氣相比火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較低;

5)氨的化學(xué)組成不包含碳和硫,因此在燃燒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生CO2和硫氧化物排放。

氨燃料作為船舶燃料使用具有以下劣勢(shì):

1)氨燃料存儲(chǔ)所需空間較大。在相同的續(xù)航力下,氨燃料存儲(chǔ)艙的容積約為船用柴油存儲(chǔ)艙的2.75倍;

2)氨燃料具有強(qiáng)烈毒性。低濃度的氨會(huì)刺激眼睛、肺部和皮膚,高濃度或直接接觸會(huì)立即危及生命。因此如何在船上避免氨燃料的泄漏至關(guān)重要;

3)氨燃料會(huì)產(chǎn)生NOx。氨燃燒不會(huì)產(chǎn)生CO2和SOx,但產(chǎn)生的NOx需通過(guò)選擇性催化還原裝置等進(jìn)行處理以滿足船舶防污染國(guó)際公約要求。

2 氨的生產(chǎn)

目前氨主要通過(guò)哈伯-博世工藝生產(chǎn),該工藝原理為氫和氮分子在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)氨,反應(yīng)溫度為450～600 ℃,反應(yīng)壓力為100～250 bar[9]。其中,氮?dú)庥煽諝夥蛛x裝置提供,氫氣則通過(guò)甲烷蒸汽重整或煤氣化獲得,由此原料氣制得的氨稱為棕氨,這一制備過(guò)程約消耗世界能源生產(chǎn)總量的1%,產(chǎn)生的溫室氣體排放量約占世界總排量的1.8%。因此,從產(chǎn)品全生命周期的角度,使用棕氨作為運(yùn)輸燃料,不會(huì)帶來(lái)太多的環(huán)境效益。

對(duì)于氨生產(chǎn)過(guò)程中的脫碳,目前存在三種可行的方法[10],如圖1所示。其中包括:1)采用碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage,CCS)的傳統(tǒng)哈伯-博世法,由此生產(chǎn)的氨稱為“藍(lán)氨”;2)改進(jìn)的哈伯-博世法,使用可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能)產(chǎn)生電能,再通過(guò)水電解提供氫氣作為原料氣,由此生產(chǎn)的氨稱為“綠氨”;3)在電化學(xué)電池中以水和空氣為原料直接生產(chǎn)的氨稱為“電化學(xué)氨”。設(shè)計(jì)具有CCS工藝的新氨工廠或?qū)鹘y(tǒng)氨工廠進(jìn)行CCS工藝改造可以作為短期內(nèi)的中間解決方案,但在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生新的成本和能源消耗,此外捕獲CO2的安全存儲(chǔ)也是需要面臨的一大挑戰(zhàn)。因此,在哈伯-博世工藝中利用可再生能源電解水產(chǎn)生的氫氣來(lái)生產(chǎn)氨將是中期內(nèi)最方便的路線。因?yàn)樵摴に嚥粫?huì)產(chǎn)生CO2排放,并已有商業(yè)化應(yīng)用的電解槽,規(guī)模從千瓦到兆瓦不等,而且可再生能源的電力成本不斷下降,使得整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程在經(jīng)濟(jì)上可行。氨生產(chǎn)的另一個(gè)有效替代途徑是電化學(xué)合成,其中氮?dú)庠谒驓錃獯嬖诘那闆r下被電催化還原。通過(guò)電化學(xué)途徑生產(chǎn)氨可以比傳統(tǒng)的哈伯-博世法節(jié)省20%以上的能耗,因?yàn)樗梢栽诜磻?yīng)器陽(yáng)極室作為氫源,無(wú)需初始處理。水電解和電化學(xué)反應(yīng)在低溫和常壓下進(jìn)行,但目前尚未達(dá)到商業(yè)化部署所需的技術(shù)成熟度水平。

(a)棕氨(無(wú)CCS)和藍(lán)氨(有CCS)生產(chǎn)流程圖;(b)綠氨生產(chǎn)流程圖;(c)電化學(xué)氨生產(chǎn)流程圖。

3 氨燃料動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀

目前歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)都已開(kāi)展氨燃料船舶研發(fā),不同國(guó)家和地區(qū)的研發(fā)路徑各具特點(diǎn)。歐洲主導(dǎo)了氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā),曼恩和瓦錫蘭都計(jì)劃在2024年左右推出氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī),兩家企業(yè)還參與了全球多個(gè)氨燃料船舶研發(fā)項(xiàng)目;日本高度重視氨燃料產(chǎn)業(yè)鏈布局,計(jì)劃打造涵蓋船舶建造、設(shè)備研制、燃料加注的全產(chǎn)業(yè)鏈;韓國(guó)較為注重標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定,韓國(guó)船級(jí)社已啟動(dòng)相關(guān)研究;我國(guó)主要聚焦于船型研發(fā),部分船型屬于全球首創(chuàng)。目前,全球已有200余艘氨燃料動(dòng)力預(yù)留船舶正在建造,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外氨燃料動(dòng)力船舶及相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如表3所示。

表3 國(guó)內(nèi)外氨燃料動(dòng)力船舶及相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

4 船舶氨燃料動(dòng)力系統(tǒng)

在當(dāng)前技術(shù)中,有兩種途徑可以使用氨作為船舶推進(jìn)燃料,分別為氨燃料供給系統(tǒng)和氨燃料電池系統(tǒng),圖2和圖3分別為上述兩種推進(jìn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。

圖2 氨燃料供給系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖3 氨燃料電池系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4.1 船舶氨燃料供給系統(tǒng)

隨著MAN ES、W?rtsil?和Win GD等船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)廠商陸續(xù)推進(jìn)氨柴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā),青島雙瑞、中遠(yuǎn)海運(yùn)威海重工科技、三星重工等船舶清潔燃料供給系統(tǒng)廠商加速推進(jìn)船用氨燃料供給系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程,以搶占市場(chǎng)先機(jī)。如圖2所示,船用氨燃料供給系統(tǒng)由氨燃料加注單元、氨燃料存儲(chǔ)單元、增壓換熱單元、再液化單元、氨氣處理單元、水乙二醇循環(huán)單元、氮?dú)獯祾邌卧?、控制系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)等組成[11]。

船用氨燃料供給系統(tǒng)在使用過(guò)程中存在一定的風(fēng)險(xiǎn),如何將氨燃料對(duì)船上人員、環(huán)境、船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和船舶完整性的影響控制在安全范圍內(nèi)至關(guān)重要。可在設(shè)計(jì)階段對(duì)船用氨燃料供給系統(tǒng)和關(guān)聯(lián)系統(tǒng)、船舶整體布置的各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別確認(rèn),開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4.2 船舶氨燃料電池系統(tǒng)

氨燃料電池也是氨能源化的重要技術(shù),具有熱效率高、噪聲低和空氣污染物排放少等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)氨燃料供給方式的不同可以分為間接氨燃料電池和直接氨燃料電池[12]。間接氨燃料電池是通過(guò)外部的氨裂解裝置將氨分解為氮?dú)夂蜌錃?再將氫氣凈化后送入氫燃料電池發(fā)電;直接氨燃料電池則是將氨直接送入燃料電池進(jìn)行發(fā)電。氨可直接用于堿性膜燃料電池(AMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC),而質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)需要高純度的氫氣(>99.5%),少量氨的存在會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒。海事部門認(rèn)為目前最有前途的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池(圖3)。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的使用,需要使用在低溫狀態(tài)下具有高活性的氨裂化催化劑,以通過(guò)在單次氣流中完成氨轉(zhuǎn)化來(lái)獲得高純度氫氣,或者需要安裝氣體凈化器設(shè)備以達(dá)到氫氣純度,這將涉及額外的成本以及安裝空間和能源需求。與質(zhì)子交換膜燃料電池相比,固體氧化物燃料電池在海上應(yīng)用方面更有前景,因?yàn)榘笨梢灾苯邮褂?而不需要先從氨中分離氫氣。然而,還需要進(jìn)一步研究來(lái)優(yōu)化操作條件、延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命和擴(kuò)大規(guī)模。

5 結(jié)論

為了應(yīng)對(duì)全球溫室效應(yīng)、大氣污染的挑戰(zhàn),全球航運(yùn)業(yè)已掀起一股使用清潔替代燃料的浪潮,其中氨作為零碳燃料具有巨大的應(yīng)用潛力。氨綠色經(jīng)濟(jì)、合成技術(shù)成熟、儲(chǔ)運(yùn)便捷,在即將推出的船用氨/柴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中可直接燃燒供能,也可在燃料電池中催化分解供能。我國(guó)作為合成氨生產(chǎn)大國(guó)和船舶制造大國(guó),若能將氨燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料電池方面的應(yīng)用在船舶行業(yè)加以推廣,不僅有助于我國(guó)航運(yùn)業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型,也符合我國(guó)的海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略,可為我國(guó)綠色低碳經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。但目前制約氨燃料在船舶行業(yè)推廣的因素仍然存在,相應(yīng)的研究和投資還需進(jìn)一步開(kāi)展。