LPG已经是航运业一个重要的替代燃料！

编译 吴家琳

引言

LPG（液化石油气）一词通常用来描述“Natural Gas Liquids（NGLs）”的轻质碳氢化合物中的两种特定成分，即丙烷和丁烷。一般来讲，自然界中的物质只能是液体、固体、气体之一。然而，LPG能够在适度的压力或冷却条件下变成液体，因此其作为工业燃料受到广泛应用，如今作为船用燃料。在常温常压下，液化石油气呈气态，当它受到压力或冷却时，就会变成液态，这就是LPG运输船的处理原理。

LPG作为一种环保的燃料选择，有助于航运业向零碳排放迈进，并且，由于其独特特性与成本效益，是一种不错的燃料选择。因此，韩国进行了一项研究，评估使用LPG燃料的潜在风险，并确定在 IGF 规则中规定的LNG燃料之外可能需要采取的额外安全措施，从而制定了新的LPG准则。

LPG 生产

丙烷生产现有两种成熟方法：一是从天然气中提取丙烷，二是从原油提炼中提取丙烷。传统的原油开采涉及使用传统的钻井和泵送技术，挖掘地下储油层。这些储层可能含有天然气，因此海上平台潜在爆炸和压力积聚的风险有所增加。为降低风险，增加排气和燃烧程序，以确保操作安全。

值得注意的是，常规天然气存在于以不渗透岩层为边界的天然多孔储层中。但是，非常规页岩气的页岩缺乏天然孔隙度。因此，需要采用水力压裂法促进天然气从岩石结构内的孔隙中迁移出来。水力压裂法需要将水、沙子和专用化学品的高压混合物注入地下，从而有效地形成裂缝网络。与原油开采相比，通过这种方式开采天然气的全球升温潜能值（GWP）要高得多。

总之，丙烷的生产与不同的工艺密切相关，每种工艺都有其特定的环境和安全考虑因素。

 LPG的优势

从环境角度来看，LPG是一种成熟且环保的替代的燃料。其符合IMO 2020 规定，在航运业实现可持续发展的过程中发挥关键作用。在燃烧过程中，LPG可显著降低 SOX 90-95%的排放量，同时减少 NOx 排放量达 15%，减少颗粒物 (PM) 排放量达 90%。此外，与重油（HFO）相比，液化石油气燃烧产生的二氧化碳排放量减少 13-18%。

安全是LPG的另一个优势。这种无毒气体简化了处理程序，确保环境更加安全，即使发生意外泄漏也不会造成自然危害。与LNG不同，LPG消除了甲烷泄漏的风险，避免了潜在的长期环境后果。

实际上，将LPG储存在 C 型储罐中可简化操作，降低维护成本，具有实际优势。事实证明，改造现有发动机以使用LPG比许多其他替代燃料更容易实现。

在加油基础设施方面，目前全球有超过 1000 个LPG储存设施，并有望逐步扩大，形成全球性供应链，使全球各地的船舶都能随时获得LPG。

LPG应用现状

据《Alternative Marine Fuels》报告显示，目前已有 91 艘LPG运输船将LPG作为船用燃料，另外还有 93 艘LPG运输船正在订购LPG推进设备，这是一个令人鼓舞的趋势。

尤其值得注意的是，LPG运输船订单量与船队的比率达20%。2023 年，其运力预计增长 13%，达到 530 万立方米；到2024年预计增长 4%，达到200万立方米（未考虑报废因素）。其中，VLGC订单量居首位，订单量与船队的比率达到 24%。具体来说，预计 2023 年 VLGC 船队将激增 14%，2024 年增加 4%，2025 年再增加 5%。值得一提的是，这些新造船大多选择使用LPG作为船上的辅助燃料。

克服挑战

安全因素

需要认识到，LPG密度大于空气，在室温下呈液态。因此，与使用LNG的船舶相比，使用LPG作为主要燃料来源的船舶需要采取更强的安全措施，并以全面的风险评估为指导。措施包括以下内容：

安装气体与液体探测器

定制处理液体燃料的设备

考虑到液化石油气的点火温度较低，对液化石油气发动机和排气系统进行特殊设计

确保配备有效的机械通风系统

此外，LPG在接触氧气后存在一定的易燃风险,需要大量的安全协议来应对紧急情况。

燃料供应与基础设施可用性

加注是应用LPG作为船用燃料的关键环节。船舶和加注设施都须配备必要装置，需要大量的资本投资。即使全球有大量的LPG码头，但当非气体运输船只想使用此类码头时，就会出现问题。一种解决方案是通过专用加油船进行船对船 (STS) 加油，然而种服务缺乏广泛的应用。加注基础设施的发展、LPG供应和燃料价格的影响，让船东在对LPG燃料的选择有所迟疑。

满足IMO最新目标

IMO 2023 明确了国际航运温室气体排放目标。其中包括与 2008 年水平相比 "到 2030 年减少 20%，力争减少 30%"和 "到 2040 年减少 70%，力争减少 80%"的目标。目前看来，通过能效措施实现 2030 年的基础目标似乎是可行的，但是从 WtW角度考虑生产途径时，基础目标实际面临巨大的挑战。

技术准备和发动机选择

值得注意的是，LPG发动机主要是二冲程主推进型，没有使用四冲程动力发电机组。虽然使用LPG的四冲程发动机可用于固定式发电厂，但发动机制造商对进一步研究和投资这一领域的兴趣有限。这带来了长期的挑战，因为船上的动力发电机组必须依赖化石燃料，从而导致产生废气排放。船东需要在其可持续发展战略中仔细考虑这一方面。

环境效应与生命周期评估

为实现 IMO 2023船舶温室气体减排战略所设定的宏伟目标，海运业必须向零或接近零温室气体排放的燃料过渡。其些目标考虑了船用燃料从原料采购到船上使用的整个过程中的温室气体排放量，并采用生命周期评估（LCA）方法进行评估。该方法有助于确定IMO目标所需的燃料类型。

生产期间的温室气体排放量

需要注意的是，在分析液化石油气生产过程中的温室气体排放时，液化石油气的生产路径尚未获得WtW温室气体强度。现有研究提供了有关生产过程和排放的信息。在第 2 节提到的利用页岩气生产液化石油气涉及到一个包括 "回流 "在内的完井过程，使大量天然气排出。这一排气阶段的持续时间因储层渗透性而异。值得注意的是，页岩气的开采排放强度约为每兆焦耳天然气 14.2 克 CO2e，丙烷则为每公斤丙烷 5.6 公斤 CO2e。不过，由于原料、技术和地点等因素的影响，不同的资料来源可能会得出不同的数值。例如，美国 GREET 模型报告丙烷生产的碳强度为每兆焦耳 10.28 克 CO2e（每公斤丙烷 0.5 公斤 CO2e），而加拿大丙烷协会估计包括燃烧在内的碳强度为每兆焦耳 74 克 CO2e（每公斤丙烷 3.6 公斤 CO2e）。

此外，天然气的输送导致GWP较高，每公斤丙烷的GWP为 2.12 kg CO2e，而原油每公斤丙烷的GWP为 0.34 kg CO2e。造成这一差异的主要原因是压缩站和阀门等逃逸性排放。生产过程中的能源消耗涉及电力、热能和蒸汽，其中天然气和炼油厂燃料气用于满足加热和蒸汽需求。从天然气中回收天然气液（NGL）的低温膨胀工艺等特定技术的生命周期数据有限。可以注意到，在美国，天然气加工在 2019 年产生了 5750 万吨 CO2e 的温室气体。

总之，原油提炼产生的丙烷每公斤约产生 1.51 kg CO2e，而天然气产生的丙烷每公斤约产生 10.1 kg CO2e。这些数据来自具体研究，不同来源的数据可能有所不同。

基于《指南》的 IMO 生命周期评估方法

IMO采用生命周期评估 (LCA) 方法来评估船舶从燃料生产到最终使用过程中的温室气体排放，包括 "Well-to-Tank"（上游排放）和 "Tank-to-Wake"（下游排放）两个方面。

图1: Generic well-to-wake supply chain

MEPC 80 通过了船用燃料生命周期温室气体强度指南（LCA 指南，MEPC 376(80)号决议）。这些指南允许计算 "Well-to-Wake "排放，包括 "Well-to-Tank "和 "Tank-to-Wake "，从而评估与船用燃料的生产和使用相关的温室气体排放总量。如图 2 所示，《国际海事组织生命周期评估指南》附录 1 列出了一份燃料清单，其中包含路径代码，包括用于液化石油气路径的代码 11 至 30。

 图2: Fuel list with fuel pathway codes

此外，附录 2 提供了每个燃料途径代码的初始默认排放因子，包括图 3 所示的液化石油气途径 11（丙烷）和 21（丁烷）。

图3: Initial default emission factors per fuel pathway code

然而，LPG的 "Well-to-Tank "温室气体强度尚未确定，需要进一步研究，可能会纳入未来的指南更新中。如生命周期评估指南所述，二氧化碳排放量是根据燃料消耗量，使用国际海事组织确定的排放因子计算得出的。下表提供了液化石油气与其它替代燃料进行比较的信息。

Alternative Fuels Comparison

值得注意的是，船上使用的液化石油气被视为次要燃料，发动机和燃料供应系统（FSS）需要一个过渡期来准备使用液化石油气。在过渡期间，发动机通常使用传统燃油。此外，液化石油气发动机包含一个先导喷射装置，耗油量约为 5%。将所有这些因素考虑在内，液化石油气估计可实现从油箱到唤醒的 13% 至 18% 的降耗。

 监管现状

船舶使用液化石油气燃料安全临时指南（MSC.1/Circ.1666）

海事安全委员会在其第 107 届会议上批准了 MSC.1/Circ.1666 号通告，该通告概述了《使用LPG燃料的船舶安全临时准则》。这些准则是与《IGF 规则》类似的国际基准。其每个部分都采用了类似结构，确定了使用LPG作为燃料的船舶在设计、建造和运营方面的目标和功能要求。值得注意的是，这些临时指南经常交叉引用 IGF 规则，表明 IGF 规则的制造、工艺、测试（B-1 部分）、演习和应急演练（C-1 部分）以及培训（D 部分）等关键方面适用于以 LPG 为燃料的船舶，除非另有明确说明。

与《IGF 规则》一样，以 LPG 为燃料的船舶的安全设计取决于全面的风险评估。然而，本《暂行指南》对风险评估要求的扩展超出了 IGF 规则的规定。此外，针对液化石油气燃料的具体安全规定还涉及LPG的独特特性，例如其密度可能导致气体在舱室内较低的位置甚至在露天甲板上积聚。

本临时指南适用于使用液化石油气作为燃料的船舶，当《国际海上人命安全公约》（SOLAS）第 II-1 章 G 部分（使用低闪点燃料的船舶）适用时，必须遵守 IGF 规则。这意味着，即使是选择使用液化石油气作为燃料的非气体运输船也在其管辖范围之内。

作为气体运输船燃料的液化石油气货物

目前，CCC 9 已认识到修订《IGC 规则》的重要性，从而取代关于使用LPG货物作为燃料的临时准则。他们的做法是，首先制定准则，同时借鉴准则实施过程中取得的经验，编写 IGC 规则的修订草案。与会者针对准则是否应只适用于符合 IGC 规则要求并使用LPG货物作为燃料的气体运输船进行讨论，或者是否也应包括运输LPG以外货物的符合 IGC 规则的气体运输船，例如使用LPG作为燃料同时运输二氧化碳的气体运输船。各方达成的共识是，这些准则的范围仅限于为使用LPG作为燃料的气体运输船提供指导。然而，未来还需要为使用LPG作为燃料，同时运输《IGC 规则》第 19 章所列货物（不包括液化石油气）的船舶提供额外的安全规定。

下一阶段将提交这些临时指南草案，供定于 2024 年 5 月举行的海安会第 108 届会议审议和批准。

写在最后

作为海运业零碳排放的替代燃料，LPG备受关注，但我们必须以批判的眼光来看待LPG的选择。虽然LPG能够带来环境效益，如减少 SOX、NOx 和 PM 的排放，但需要承认，它并不是一个完整的解决方案。与重油（HFO）相比，LPG的二氧化碳排放量减少了 13-18%，但仍不足以满足未来严格的法规要求。要实现航运业的长期可持续发展，需要更大幅度的减排。

LPG生产过程中的温室气体排放也是令人担忧的问题。液化石油气的提取和分销过程中会产生不同的排放量，其取决于原料和地点等因素。此外，技术的准备程度也是一个问题。使用LPG船只的四冲程发动机有限，引起了人们的担忧。

总之，虽然对于LPG运输船来说，LPG燃料是不错的选择，但对于非液化石油气运输船来说，在考虑使用LPG时，需要谨慎选择。在应对海运业绿色转型的复杂局面时，必须清醒地评估 LPG 的局限性，并继续探索真正的转型解决方案。