导读
为了实现 IMO 制定的海运业减排中远期目标，船用清洁能源的利用成为船舶行业减排的重要手段。
本文针对甲醇与 LNG 燃料在船舶上的应用，基于规范要求从燃料特性、加注、燃料舱布置、燃料供应系统、防火防爆、气体探测等多方面进行了对比，可为绿色能源实船设计提供参考。
▲我国首艘甲醇双燃料绿色船舶
一、引言
国际海事组织（IMO）提出了在 2050 年前后实现国际海运温室气体净零排放的远期目标，我国政府也承诺会为此目标贡献自己的一份力量。
为了实现 IMO减排目标，船用清洁能源的利用就是船舶行业在节能减排上集思广益的成果。
船用替代清洁能源种类很多，形态各异。
液态的主要有液化石油气（LPG）、甲醇及液态氨；气态的主要有 LNG 等为代表。
据克拉克森2024年上半年对业内的调研数据显示，新增的新能源船舶订单达到了总订单的 33%，其中 LNG船订单高达 49.7%；
甲醇燃料船占据第二，为 22.4%；LPG 燃料船占 19.1%；氨燃料也有一席之地，为 6.8%。
与其他替代燃料相比，目前 LNG 燃料在港口加注的基础设施最为完备，全球目前有 200 多个港口已经布置了 LNG 加注系统。
操作技术和规范也相对成熟，这是其成为目前应用规模最大的船用替代燃料的主要原因。
但 LNG 燃料也有令人不可忽视的缺陷：
CO₂减排量仅能达到约 24%，这对于实现 IMO 制定的 2030年碳强度降低 40% 和 2050 年碳排放总量降低 50% 的目标存在很大差距。
各新型清洁能源的减排情况见表 1。
从表 1 数据看，甲醇燃料进入了我们的视线：
甲醇的 CO₂减排优于 LNG，氮氧化物、硫氧化物、PM 减排能力与 LNG 基本相当。
甲醇燃料的出现令人对实现中期减排目标充满信心。
CCS 提供的数据（见表 2）显示：
甲醇的含碳量明显低于 LNG、LPG、乙醇等同类型的新型替代燃料，其产生的 CO₂ 量明显小于其他替代燃料。
随着技术的发展，通过绿色甲醇制法产生的绿色甲醇更是使 CO₂的减排量达到 90%。
相信绿色甲醇会成为未来 CO₂零排放的理想能源。
二、燃料特性对比
甲醇化学分子式为 CH₃OH，常温下即可储存，是一种无色、透明、有毒、易挥发的易燃液体[2]。
LNG是指液化天然气，在常压、-162 ℃温度下以液态形式储存，主要成分是甲烷 (CH4)。
甲醇、LNG 和柴油的物理性质对比如表 3 所示。
甲醇的热值明显较低，只能达到 LNG 热值的 0.41。
这说明在船舶设计考虑燃料容积时，同主机功率下，船舶用于存储甲醇燃料的舱容要远大于 LNG 燃料的储存空间，会牺牲较多的载货空间。
在同等热值下，甲醇燃料舱舱容是 MGO 的 2.1 倍，而 LNG 则是 MGO的 0.86 倍。
三、两种船用替代燃料的关键技术
1、燃料系统
典型的甲醇及 LNG 燃料系统处理模块类似，包含了如图 1 所示的五大模块。
▲图 1 替代燃料供应模块图
2、加注
甲醇与 LNG 的加注系统组成类似，都包含了加注站、加注管系、加注接头和惰化、吹扫管路。
但考虑到甲醇的低闪点和毒性，加注站的位置、构造、通风、探测、消防、人员防护等都需要特别考虑。
关于甲醇加注站的要求，中国船级社《船舶应用甲醇乙醇燃料指南 2022》已经做了明确的规定。
3、储存燃料舱布置对比
对甲醇燃料舱主要应考虑其舱型、位置、燃料舱保护、透气、环境控制等方面。
从布置的复杂程度考虑：
与 LNG 相比，甲醇最大的优势在于其不需要低温储存和绝热，可以常温载运。
因而燃料舱的设计和建造非常简单，储存舱制造成本大大降低。
对于船东来说，船舶的改造成本也大幅降低，日常维护成本也有所降低 [3]。
但规范关于甲醇燃料舱隔舱要求相对复杂，两种燃料各有利弊。
甲醇和 LNG 燃料舱要求如下表 4。
燃料舱布置燃料舱不能布置在 A 类机器处所（海船），可移式燃料舱应布置在特定区域。
内河船独立燃料舱距离船体外板应不少于 760 mm[6]。
燃料舱应位于自舷侧向内沿垂直于夏季载重线处的中线量取至少 B/5 或 11.5 m 处，取小者 [5]。
燃料舱隔舱整体式燃料舱的周围应设置隔离空舱，除非其表面被最轻载水线以下船体外板或其他甲醇燃料舱或燃料准备间环围。
与较大失火危险区域设至少900 mm 隔离空舱；
对于 C 型独立燃料舱，燃料舱外壳或燃料舱接头处所的限界面（如有时）距离 A-60 级防火分隔的最小间距不小于 900 mm 时，燃料舱处所可视作隔离空舱燃料舱惰化所有燃料舱在实用期间应能一直维持惰化。
设置防止燃料蒸气倒流至惰性气体系统的装置在使用干燥空气进行透气前，应用惰性气体进行惰化，以避免燃料舱和燃料管路中出现爆炸危险环境。
燃料舱透气燃料舱采用控制式透气。
每个燃料舱上都设置压力 / 真空释放阀。
LNG 储罐的安全阀应与透气系统相连接，且需引到高出露天甲板、工作区域和走道≥ B/3 或 6 m 处（取大值）。
四、燃料供应系统
甲醇供应系统包括 FVT、甲醇供应单元（LFSS）、水喷射单元、甲醇燃料日用舱等组成部分。
LNG 供应系统包含了 LFSS、GVT 等两个主要单元。
甲醇供应系统与 LNG 燃料供气系统类似，但又各有特点。
以下我们以典型的 MAN 的主机为例分别展示甲醇供应系统和LNG 燃料供气系统。
1、甲醇燃料供应系统
甲醇供应系统主要是指甲醇燃料舱到发动机之间的所有的系统和部件。
根据各主机厂家的不同需求，甲醇供应系统各不相同。
▲图 2 甲醇燃料供应系统图
由于甲醇燃料的自身特性，此系统需要设置一个燃料日用舱用于主机的日常供料及燃料和水的分离。
水喷射单元用于将水喷入 FVT 单元，与甲醇充分混合后进机。
日用柜除了为主机供应燃料，还用于主机甲醇回收及水分离。
2、 LNG 燃料供应系统
LNG 供应系统分为高低压两套系统，分别用于适应 ME-GI 高压机型和 ME-GA 低压机型（如图 3）。
▲图 3 高低压供气系统图
这两套系统各有利弊，高压系统的稳定性要高于低压系统，但初期投入和运行成本要远高于低压系统。
所以高压系统作为一套成熟的 LNG 供应系统已经在多个项目上得到了运用。
3、燃料系统的惰化和吹扫
甲醇和 LNG 燃料惰气系统的目的和要求类似，但甲醇燃料舱在操作期间要求一直维持惰化；
LNG 燃料舱只要求进料前进行全舱惰化。
4、甲醇和 LNG 燃料适应机型
为了与时俱进，各大设备厂研发了多种机型来适应各种新型燃料的运用。
五、管路设计
所有的甲醇燃料管路和独立燃料舱均应与船舶结构采取电气接地措施。
所有的接头和附件均需进行电气连接。
管道和船体之间的电阻应不高于 1×106 欧姆。
加注站至燃料舱、机舱内均采用双壁管。
通过围蔽处所的燃料管系应设置为双壁管，在燃料舱周围的隔离空舱、燃料准备间或独立式燃料舱的空间可不设置双壁管[6]。
对甲醇敏感的金属材料，如铝合金、镀锌钢、铅合金等，不应用于含甲醇燃料的系统。
对甲醇敏感的非金属材料，如丁腈橡胶，丁基橡胶等，也不应用于甲醇燃料系统。
甲醇燃料系统可采用聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶（EPDM）和氯丁橡胶。
甲醇和 LNG 燃料的管路设计的异同见表 6 所示。
六、防火防爆安全设计
1、防火
根据 IGF code 要求，船舶上甲醇 /LNG 燃料的储存、整备、输送及使用有关的所有系统部件都要考虑防火、探火和灭火。
甲醇和 LNG 燃料主要区域的灭火方式如表 7 所示。
2、危险区域划分
为了使船上的电气设备能在特定的危险区域内安全运行，各船级社对搭载甲醇、LNG 的船均有危险区域划分相关规定，一般分为 0 类危险区域、1 类危险区域和 2 类危险区域。
这里就不用文字赘述，用一张简图 4 来说明燃料船的危险区域划分，其中甲醇燃料船独有的要求就是关于燃料舱压力 / 真空阀出口危险区域的界定。
▲图 4 甲醇燃料船危险区域划分
七、气体、火灾和通风探测
1、气体探测
甲醇和 LNG 区域需要设定固定的燃料气体探测器，但需要设定的点略有区别，见表 8 所示。
2、火灾、通风探测及报警
甲醇 /LNG 燃料发动机的机器处所和燃料舱处所内的火灾探测装置，均要求应能在探测到火灾时，向驾驶室、连续有人值班的集控室或安全中心以及本地发出声光报警；
此外，当通风系统的通风能力下降时，两种均要求应在驾驶室、连续有人值班的集控室或安全中心和本地发出声光报警。
八、结论
甲醇和 LNG 燃料作为新型的替代燃料，在减排方面，绿色甲醇的优势比较明显，但其在船舶设计和运营中的劣势也很明显，较大的舱容需求会降低船舶载货量，降低船舶的经济性。
根据实际的情况制定更适合船东的方案才能使船舶的设计更具有市场竞争力。
参考文献
[1] 王东波 . 限硫令与碳中和对航运业的影响 [J]. 中国远洋海运，2021(3)：28-31.
[2] 甘少炜，雷伟，周国强 . 甲醇：未来船用燃料 [J]. 中国船检，2016(8)：90-94.
[3] 袁士春 . 甲醇燃料船试验方案分析 [J]. 世界海运，2017,40(4)：28-32.
[4] 甲醇乙醇燃料动力船舶检验指南 [S]. 北京：人民交通出版社，2021.
[5] 船舶应用天然气燃料规范 [S]. 北京：人民交通出版社，2021.
[6] 船舶应用甲醇 / 乙醇燃料指南 [S]. 北京：人民交通出版社，2022.
[7] 船舶应用天然气燃料规范 [S]. 北京：人民交通出版社，2024.
原创作者系：
上海佳豪船海工程研究设计有限公司
刘雅斐、刘森林
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