对ME-GI发动机甲烷逃逸的治理

双燃料低速电控MAN B&W ME-GI二冲程发动机以其卓越的效能，在MAN Energy Solutions（以下简称“MAN”）的产品组合及市场中脱颖而出，不仅兼容传统燃料，更能灵活采用替代燃料。

得益于相对较低的价格以及全球众多港口日益完善的加注网络，液化天然气（LNG）已成为新建船舶及改造项目的理想之选。在MAN的船用发动机计划中，大部分ME-C发动机均可升级为双燃料ME-GI燃气发动机，从而使得各类船舶均能轻松实现双燃料运行模式。

不仅如此，这些发动机还可与MAN的四冲程双燃料辅助发电机组集成运行，如MAN 23/30DF、MAN 28/32DF和MAN 35/44DF，这些机型同样能够使用燃气作为动力源，覆盖广泛的电力负载需求。

1.限制LNG船排放甲烷的重要性——现行规定

近期，燃气发动机的甲烷逃逸问题已引发广泛关注。甲烷作为天然气的主要成分，占比高达85%至95%，其全球增温潜势在短短20年内即可达到二氧化碳的84至86倍，而在100年内，这一数值仍保持在二氧化碳的28至34倍。显然，若不及时采取相应措施加以解决，LNG作为替代船用燃料的推广和应用前景可能会受到严重阻碍。

国际海事组织（IMO）、欧盟、各研究机构以及那些积极致力于船队脱碳与减排的船东们，均已开始正视这一问题，并积极推动寻找解决方案。自2025年起，FuelEU海事法规将强制要求停靠欧盟港口的船舶逐步降低其所用燃料和能源的全生命周期的温室气体强度，其中自然也包括甲烷逃逸的治理。同时，IMO预计将从2027年开始，推行基于目标的船用燃料标准，旨在分阶段降低船用燃料的温室气体强度，其中甲烷逃逸的治理亦被纳入考量之中。

2.影响甲烷排放的参数——逃逸率与发动机吹除

一般而言，双燃料发动机的甲烷排放主要源于两个方面：一是发动机在燃烧燃气时，难以避免的甲烷逃逸现象；二是当燃气运行结束时，未燃烧的燃料会被吹除到周围环境中。

第一种情况是甲烷在燃烧过程中从燃烧室逸出。与低压燃气发动机相比，遵循迪塞尔燃烧循环的双燃料发动机（如ME-GI发动机）的甲烷逃逸率明显较低。这是因为，在这类发动机中，气体燃料被注入一个极小的空间，活塞接近上止点时，燃料瞬间被点燃。而且，引燃燃料会在气体燃料注入之前先行喷射，这不仅启动了点火过程，还为高效且迅速的气体燃烧创造了理想条件。

目前，MAN承诺，该ME-GI发动机在25%至100%的负荷范围内，其甲烷逃逸量将严格控制在0.2-0.28 g/kWh之间，这一出色的性能指标在业内堪称最低水平。

“发动机吹除”这一术语，指的是将加压的甲烷燃料直接从发动机内部和燃气阀组下游的管道排放至大气中的过程。当发动机停止使用燃气运行时，作为发动机操作程序的一部分，吹除程序会被激活。这样，在启动氮气吹扫过程之前，可以确保发动机和管道中的加压气体被完全排出。

发动机吹除是甲烷逃逸的一部分。虽然与其他排放类型相比，其比例相对较小，但在船舶运营期间，它仍不可忽视地占了一部分甲烷排放总量。

MAN正在积极寻找新的技术与方法，以进一步减少因运营相关的逃逸和泄漏现象所引发的甲烷排放。在下一节中，我们将深入探讨一些已经提供或正在开发中的解决方案。

3.新的解决方案为排放治理提供额外措施

除了确保ME-GI发动机拥有高效的燃烧过程（这直接带来了卓越的燃油经济性），MAN还在不断探索其他途径来优化排放，尤其是针对甲烷排放的治理。

通过间接手段，如调整发动机性能参数、优化燃料燃烧过程，以及采用轴带发电机与主机的协同配合，我们得以有效解决大部分的甲烷逃逸问题。在轴带发电（PTO）模式下，轴带发电机与变频器紧密耦合，从而实现与辅机（发电机组）的并联运行。这一特性在减少甲烷排放方面尤为显著，因为辅助发动机通常伴随着较高的燃料消耗（这是四冲程奥托循环发动机的固有特性）以及相应的甲烷逃逸量。因此，从经济和环保的双重角度出发，将辅助发动机的运行限制在合理范围内，同时利用主机来满足主要的船舶基本负荷需求，无疑是一种极为有利的选择。

此外， MAN正致力于研发一种新型气体回流系统，其目的是在发动机吹除过程中捕获高达95%的气体，从而显著降低甲烷排放。该设计的核心理念在于将未燃烧的气体重新引导回缓冲罐，而非直接排放到透气桅并释放至大气中。随后，这些回收的气体被输送到合适的下游设备，如船舶锅炉或辅助发动机（发电机组），用于热能或电能的生成，从而提高整体效率、减少甲烷排放。目前，该系统正处于紧张而有序的开发阶段，并计划作为与造船厂合作的新ME-GI项目中的一项可选功能推出。

借助EcoEGR技术，我们可以实现气体模式调校，进而对ME-GI发动机进行深度优化，从而有效降低其碳强度。

在下一节中，我们将详细探讨与排放相关的数据，特别是甲烷逃逸和吹扫方面的数据。此外，我们还将对两种典型的ME-GI发动机进行比较分析：一种是常用于推进LNG运输船的中型发动机——5G70ME-C10.5-GI，另一种则是目前最大的发动机之一——10G95ME-C10.5-GI，它可安装在超大型集装箱船上。

4.量化两种不同尺寸ME-GI发动机的排放数据

为了准确量化ME-GI发动机的甲烷排放量，我们从CEAS发动机数据报告中获取了关于两种不同尺寸发动机（即10G95ME-C10.5-GI和较小的5G70ME-C10.5-GI）的详细数据，这些数据真实反映了发动机的运行情况。

首先，表1中列出的假设旨在为我们提供一个比较的共同基础。这些数据来源于实际安装情况，真实反映了双燃料发动机在日常运行中的各项参数。

表1：ME-GI发动机的典型运行特性

需要注意的是，不同船舶类型每年燃气停止运行的次数各不相同，这主要取决于它们的运营情况。表1中所示的数值是基于一艘配备ME-GI发动机且经常停靠港口的普通船舶。然而，无论在后续的计算中使用了多少次停气，了解发动机运行（甲烷逃逸）和吹扫的潜在气体节省量都至关重要。

为了全面计算ME-GI发动机的排放情况，我们还纳入了甲烷燃料和先导油的燃烧数据。

在表2中，我们列出了估算两种不同尺寸的ME-GI发动机以及相应船舶甲烷排放量时所需的其他关键信息。

表2：两种不同MAN B&W ME-GI发动机的特定数据

基于表2中的数据，我们绘制了图1，该图展示了集装箱船和LNG运输船（双发动机）的年甲烷排放量和总二氧化碳当量。

图1：集装箱船发动机（10G95ME-C10.5-GI）和双发动机LNG运输船（2*5G70ME-C10.5-GI）的甲烷和二氧化碳当量排放量

从图1中可以看出，与LNG运输船相比，集装箱船由于所使用的发动机体积更大，其废气排放量也相对较高。需要指出的是，LNG运输船与其他船舶在设计上存在显著差异，它采用了双发动机推进系统，这一特殊设计在计算其排放值时已被充分考虑。

这意味着，表2中单个发动机的绝对值，在乘以2后，即可与图1中的船舶数据相匹配。尽管甲烷排放总量对全球增温潜势的影响不显著，但甲烷作为一种温室气体，在短期内的全球增温潜势高达二氧化碳的84倍。尽管在两种发动机的总全球增温潜势中，甲烷的排放总量仅占6 - 7%（以二氧化碳当量单位计算）。这一发现与ME-GI发动机本身具备极低甲烷排放量的特性相吻合。尽管如此，在当前对温室气体排放进行严格管控的环境下，我们依然致力于进一步优化该系统，并通过提供必要的解决方案，以支持行业的持续发展——这一任务显得尤为重要。

此外，针对LNG运输船而言，当两台发动机同时运行时（即在最恶劣的运行工况下），甲烷排放量约占总排放量的17%，这几乎相当于五分之一的比例。而与之对比，集装箱船的发动机在相同条件下的甲烷排放比例则为11%。这清晰地表明，尽管在燃烧过程中因逃逸会释放更多的甲烷，但在燃气停止/发动机吹除阶段，严格控制气体燃料向大气中的排放量显得尤为关键。若我们能有效减少船舶停止燃气运行的次数（尤其是在公海上），或者采用运行回气系统来重复利用几乎所有的排放燃料，都将极大地减少排放量，并避免资源浪费。特别是回气系统这种方法，正作为ME-GI发动机的一个可选功能进行积极开发，其在环境保护和能源整合方面的巨大潜力令人期待。尽管在吹除过程中浪费的甲烷总量仅占ME-GI发动机每小时气体燃料消耗的不到0.1%，但这些甲烷同样具有利用价值，不应被直接排放至透气桅。

图2详细展示了不同双燃料发动机在具体燃气消耗量和甲烷逃逸水平方面的具体表现，从而实现了对高压（HP）双燃料ME-GI发动机、低压（LP）双燃料二冲程燃气发动机以及四冲程辅助燃气发动机之间的直观对比。

图2：不同型号发动机的具体燃气消耗量和甲烷排放量

请注意，低压二冲程发动机和四冲程发电机组的数据并非基于单个发动机的设计，而是反映了当前市场上的普遍趋势。此外，这些数据是在特定的（相对）条件下给出的，与所测试的发动机之间的尺寸差异并无直接关联。

值得一提的是，MAN正致力于探索减少低压二冲程推进发动机（ME-GA）和四冲程主辅发动机（发电机组）甲烷排放的有效方法。如前所述，对于ME-GA发动机，EGR技术被视为主要的技术选择；而对于四冲程发动机，则可通过采用氧化催化剂（如IMOKAT II）来减少甲烷逃逸现象。

从图2中可以发现，ME-GI相较于其他双燃料燃气发动机技术的优势显得尤为突出。与低压二冲程发动机相比，ME-GI的具体燃气消耗量降低了7%；而与四冲程发电机组相较，这一降低幅度更是达到了32%。此外，值得强调的是，ME-GI在燃烧过程中产生的甲烷逃逸量仅为低压二冲程发动机的16%，发电机组的6%。这些显著的优势使得ME-GI在燃油经济性方面表现卓越。同时，从环保角度出发，鉴于减少甲烷排放的紧迫性和重要性，ME-GI无疑成为了一个更具吸引力的选择。

5.结论

本文深入探讨了MAN所开发的高压双燃料燃气发动机（即经过优化的ME-GI）的运行特性及其相关排放数据，尤其针对甲烷排放进行了详尽的分析与阐述。

甲烷作为一种温室气体，其温室效应远超过二氧化碳，因此控制甲烷排放量对于应对气候变化至关重要。要实现这一目标，我们不仅要控制自然产生的或与燃烧过程相关的甲烷逃逸量，还需关注船舶每次停止燃气运行时因发动机吹除产生的甲烷排放量。

本文通过对两种不同尺寸的ME-GI发动机进行深入研究，结果充分表明，ME-GI无疑是最高效的船用双燃料发动机。相较于其他发动机设计或技术，ME-GI在燃油效率方面的优势尤为突出。更为值得一提的是，ME-GI在排放量控制方面也表现出色，其排放量达到最低水平。然而，即便拥有如此出色的性能，MAN仍不安于现状，积极探寻减少ME-GI发动机甲烷排放的新途径。这些创新措施包括大面积应用PTO技术、安装经过严格测试的后期处理技术（如EGR）以及研发一种新型气体回流系统，该系统能够节省高达95%的气体，从而有效避免发动机吹除过程中甲烷排放到大气中。

毋庸置疑，随着未来可再生生物基或合成气体生产的日益重要，ME-GI发动机将在航运业中占据更加举足轻重的地位，发挥更加关键的作用。