氨作为船舶燃料的探讨

简介

全球航运业正处于十字路口，迫切需要使用更多的环保能源来减少碳排放。在新燃料的探索汇总，氨已经成为一种很有前途的船用燃料，包括设计师、船级社和造船厂在内的联合体也公布了氨燃料船的设计方案。最近的发展，例如MAN能源解决方案(MAN ES)在哥本哈根对4T50ME-X二冲程测试发动机进行的成功燃烧试验，显示出氨作为船用燃料的潜力。本文探讨了氨作为船舶燃料的前景，以及通过提供无碳替代品来改变航运业的潜力。同时，也探讨了采用氨作为船用燃料的安全考虑和技术挑战。

氨：一种有前景的零碳燃料

氨是一种全球贸易商品，经常在码头和船舶之间装卸。然而，为了使氨成为一种商业上可行的长期航运燃料选择，需要建立全面的供应侧基础设施，并制定和实施严格的新安全法规。

作为船用燃料，氨具有一系列优势，包括其无碳特性和燃烧过程中不排放二氧化碳。MAN ES预计，到2050年，氨将成为主要的替代燃料，约占大型商船燃料组合的27%。满足这一需求将需要数百万吨氨的生产，包括蓝氨和绿氨。

氨的特性

氨是氮和氢的化合物(NH3)，是一种无色气体，在大气压和环境温度下具有独特的刺鼻气味。然而，当受到更高的压力时，氨会转化为液态，使其更便于储存和运输。就热值而言，氨与甲醇相当。像许多替代燃料一样，氨的能量密度比石油基燃料低，需要大约2.4倍的体积来产生相同的能量。

氨对人类是有毒的，必须将暴露限制在允许的限度内，以确保船上人员的安全。即使浓度很低，氨也会刺激眼睛、肺和皮肤，高浓度或通过直接接触可立即危及生命。接触氨的症状包括呼吸困难、胸痛、支气管痉挛，严重者还会出现肺水肿、肺部积液，可导致呼吸衰竭。皮肤接触浓无水氨可引起严重的化学灼伤。同时，长期暴露会导致眼睛疼痛、过度流泪、角膜损伤、虹膜和角膜损伤，还会引发青光眼和白内障。急性接触液体无水氨可引起红肿、皮肤溃疡和冻伤。考虑到这些风险以及氨燃料技术仍然相对较新，确保整个行业形成良好的合作，并随着技术的发展迅速吸取和分享经验教训将是非常重要的。

应对技术挑战，确保安全

虽然氨作为船用燃料具有巨大的潜力，但它也带来了必须解决的技术挑战。这包括它的毒性、腐蚀性和比传统燃料更低的能量密度。尽管如此，正在进行的研究和开发工作的重点是寻找创新的解决方案。设计改进，如双壁屏障和氨捕获系统，正在探索减轻安全隐患和防止氨泄漏。该行业还致力于严格遵守安全协议，并实施强大的硬件设计，以便在各种类型的船舶上使用氨作为燃料。

氨燃料船舶在船舶设计中需要不同或额外的概念，特别是在几个关键系统中。这些包括氨燃料密封系统，专用的氨燃料补给站和输送管道。必须有燃料供应系统和处理沸腾气体、再液化、气体阀单元、氮气发生器、排气管道系统和桅杆设备。根据所使用的氨罐的类型，可能需要额外的设备来管理罐的温度和压力。氨燃料船舶的其他考虑因素包括雨淋系统、个人防护设备、氨空间的独立通风、应急抽气通风和密闭燃料系统。

氨既可以用于内燃机，也可以用于燃料电池。大多数将氨作为船用燃料的项目都集中在传统的内燃机上。在这种选择中，氨在内燃机中燃烧，要么是压缩点火，要么是先导燃料或火花点火。在燃料电池中，氨可以直接作为燃料源使用，也可以分为氢和氮，氢成为主要燃料。

氨在内燃机中使用时，具有影响其燃烧过程的特定特性。自燃温度高，汽化热高，可燃性范围窄。因此，当用于二冲程柴油循环发动机时，氨通常需要先导燃油喷射来启动点火。高压喷射系统需要最大限度地减少未燃烧氨的释放，这是有毒的。

此外，当氨在压缩点火发动机中燃烧时，由于所涉及的温度和压力升高，它会产生大量的氮氧化物(NOx)。一氧化二氮(N2O)是一种强效温室气体，在100年内对全球变暖的潜能值大约是二氧化碳的298倍，是副产品之一。因此，在氨燃料发动机的研发中，开发合适的燃烧技术和评估废气排放以确保NOx符合法规限制是至关重要的。此外，有必要进行调查，以解决N2O排放的潜在问题，并控制未燃烧氨的水平，使其达到安全的标准。

目前燃料电池领域的研究和开发工作正在迅速发展，在可预见的未来，氨基燃料电池技术的效率和成本效益有望显著提高。最近一个值得注意的及进展是，原则上批准了由ShipFC领导的氨燃料电池项目。

ShipFC是一个为期6年的项目，由欧盟研究与创新计划地平线2020在其燃料电池和氢联合事业(FCH JU)下资助。该项目设想交付世界上第一个以绿色氨为动力的大功率燃料电池。

法规

IGF规则适用于《1974年国际海上人命安全公约》(SOLAS)第II-1章G部分所涵盖的船舶。它为天然气的燃烧提供了规范性要求。只要它们符合IGF规则的目标和功能要求，并保持同等的安全水平，既允许使用其他低闪点燃料作为船用燃料。

IGF规则不包括对低闪点燃料(如氨)的具体规定要求。然而，它提供了一种机制来批准使用低闪点燃料的替代技术设计安排，且等待船旗国的接受。IGF规则第2.3条概述了批准备选技术设计安排的程序。在短期内，为了解决氨的使用问题，必须同船旗国管理当局进行讨论。

某些船级社为使用传统燃料、且具有适合未来转换为特定气体或低闪点燃料、燃烧概念的设计特征的船舶提供“替代燃料准备就绪”符号，包括“氨燃料准备就绪”符号。对这些设计特征进行评估，以确保它们与预期的替代燃料使用的兼容性。

加油

氨作为一种大宗商品，在航运业中频繁地从码头到船舶，再从船舶到码头装卸。操作类似于加油，不同之处在于氨被转移到专用储罐而不是油箱。液态氨作为一种新的船用燃料，需要为成功的加注作业制定规定和准则。预计以前在化肥和化学工业方面的经验、以及在液化石油气/液化天然气加注方面最近的发展，将有助于建立这一规定。

全球海事脱碳中心(GCMD)及其合作伙伴和顾问完成了一项研究，旨在为新加坡的安全加氨制定指导方针。该研究分析了400多个潜在风险，并提出了四种技术上可行的加氨操作概念：在锚地进行卸货和加油，以及在两个陆基站点进行岸对船转移作业和跨船坞转移作业。

研究发现，通过适当的缓解措施，已确定的风险是可控的。个体死亡和伤害风险水平受氨流量、转移操作次数、每次转移持续时间、管道和转移臂长度等因素的影响。该研究的结果将为GCMD进一步进军、开展试点铺平道路，UK Club将继续监测事态发展，以支持其会员。

结论

在航运脱碳的要求方面，标准正在提高。例如，参见UK Club的脱碳路线图，以及协会总结国际海事组织海洋环境保护委员会(MEPC)第80届会议成果的文章，该会议建立了指示性检查要点，以实现国际航运的温室气体净零排放。

作为一种不含碳的燃料，氨作为船舶的可持续燃料具有巨大的潜力，为海运业脱碳提供了一条有希望的途径。技术的进步和持续的研究正在解决使用氨作为船用燃料的技术障碍。然而，氨作为燃料的安全实施需要对各个方面进行综合评估，包括加注、储存、消耗以及泄漏或系统故障的潜在风险。

为了确保成功过渡到氨作为船用燃料，一个谨慎和安全第一的方法是必不可少的。为了有效地处理氨，应该优先考虑船员培训和发展强大的基础设施。通过采取这些预防措施，海事部门可以自信地将氨作为一种广泛采用的环保燃料选择，支持全球应对气候变化的努力。