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船用燃料甲醇

3.船用燃料甲醇

全球对船用燃料的需求很大。据估计，每年全球的船用燃料消耗约3亿吨重油 (不完全统计2009年)。北海/波罗的海SECA地区每年重油消耗量2000万至2500万吨。这些数据突出了甲醇等低硫燃料的潜在市场。

甲醇在陆上的重型车辆上进行了试验，它是一种令人感兴趣的船用替代燃料。许多因素表明，它是一种可行的适用于当前环境法规挑战的方案。。甲醇与其他醇类一样，能够在发动机中清洁燃烧，燃烧时产生的炭黑比柴油或重油低(重型发动机中甲醇的炭黑低于0.01 g/kWh，而最佳柴油的炭黑高于0.1 g/kWh) (Tuner, 2015)，实验室和现场试验都支持这些观察结果。南加州大学的一个研究小组已经阐述了甲醇在未来大规模作为能源载体的用途(Olah等人, 2009;Olah, 2013)。

在船用柴油机燃用甲醇的试验中，氮氧化物和颗粒物的排放量一直很低，而且由于甲醇不含硫，所以不会产生二氧化硫排放。氮氧化物排放水平较低，符合第三阶段氮氧化物排放(2-4g/kWh)。当燃用乙醇燃料时，有时会形成甲醛气体。在测量燃用甲醇排放物时，没有测量到有甲醛生成(MAN 2015b)。在燃用甲醇时，发动机的效率与燃用传统燃料同样高，甚至更高(Haraldsson, 2015a; Stojcevski, 2015)。

发电领域的实验也是良好的。在以色列一个燃气轮机发电厂进行的试验显示，当柴油被甲醇替代时，排放量大大减少；全负荷下，NO_X排放量减少85% (Eilat, 2014)。

3.1甲醇燃料特性

表1 .不同船用燃料特性

properties Methanol Methane lng Diesel fuel

甲醇是汽油的优良替代品，可用于混合燃料，在柴油机中也可能达到良好的性能表现。柴油机上燃用甲醇时，需要添加助燃剂。少量的柴油可以作为助燃剂。所有的实验表明，甲醇具有良好的燃烧性能和能源效率，并且燃烧排放量低。

醇类燃料如甲醇的一个缺点就是能量含量比传统燃料低。给定相等能量密度，储存甲醇所需的空间大约是传统燃料的两倍。甲醇和液化天然气是能量密度相似(见表1)。

3.2原料生产

传统的甲醇是通过干馏木材来生产的，因此得名“木醇”。甲醇的工业合成发展较早。1913年，甲醇是以一氧化碳和氢气(合成气)为原料催化过程中的产物之一。早期的工艺在高压(25- 35mpa)和高温（320 - 450℃）下进行的。直到20世纪60年代低压(5-10 M Pa, 200-300 ℃)合成路线的发展，才使生产的经济性得到改善(Fiedler et al, 2011;Biedermann等，2006)。

工业甲醇生产有三个主要步骤:

• 生产合成天然气
• 合成甲醇
• 处理粗甲醇。

合成天然气，可以从化石或可再生的原料加工得到。它也是合成许多产品的原料，但是是合成甲醇的唯一原料。如今市场上的甲醇是由天然气生产的。中国的大部分生产原料都使用煤炭，主要用于国内。也有使用炼油厂残余馏分的，包括HFO (Seuser, 2015)。

甲醇是一种在社会上用途广泛的化工产品。在一些国家，除用作燃料外，甲醇还被用作挡风玻璃清洗液、一种在污水处理厂中用于增强还原氮细菌活性的工艺添加剂，并作为合成其他化学物质的原材料。甲醇的处理特性也是广泛认为没有任何问题。

4.船舶发动机实验

船用柴油机有二冲程机和四冲程机。如今，我们或许可以在二冲程和四冲程机上通过双燃料模式燃用甲醇。我们队发动机进行改装，发动机的燃油喷射进行了改装，以实现更高的喷射压力，这是点燃甲醇所必需的。

由于甲醇的粘度与传统的重油和柴油相比非常低，因此需要特别注意密封防止泄漏。燃料输送系统也必须确保进行维修的技术人员的安全，这实际上意味着避免直接接触甲醇。为此，甲醇发动机配有双层燃料分布系统。此外，发动机设计了氮气净化系统，确保发动机操作人员安全。与HFO相比，甲醇无需加热;相反，甲醇燃料有时须在注入前冷却。

4.1 船用燃料研究计划

发动机的燃料的转变以及运行已经开发和测试了许多研究项目，包括Effship、SPIRETH和PILOT甲醇。本节将简要的介绍下每个项目。

4.11 effship项目

Effship项目(2009-2013)评估了几种短期内(2015-2016)满足SO_X和NO_X减排规定、中期(2030年)和长期的温室气体减排目标的技术解决方案和船用燃料。该项目得出的结论是甲醇是最好的替代燃料，依据实用性、现有基础设施的使用、价格和发动机设计和广泛基于陆地应用的船舶技术的简便性(Fagerlund and Ramne, 2013)。

该项目是瑞典的一个研究项目，由瑞典研究机构和其合作者共同资助。

4.1.2 SPIRETH项目

SPIRETH项目是从Effship项目分离出来的，从2011年持续到2014年(Ellis et al, 2014)。本项目旨在在实验室环境中测试两种燃料概念的可行性。

1. 在船用柴油机上全面使用甲醇
2. 船舶辅机上使用由甲醇转化而成的二甲醚。

SPIRETH项目获得了瑞典能源署、北欧能源研究、北欧投资银行和丹麦海事基金的资助。

4.1.3 甲醇试点项目

甲醇试点项目是在欧盟TEN-T计划的支持下，对德国客运轮渡转用甲醇燃料进行的全面测试。该项目的主要目标是发展替代燃料的技术研究和基础建设。

它包括船用发动机和燃料供应系统的改装、加油设施的建设和许可证/法规的制定。改装已经在2015年4月完成，测试正在进行中(欧洲委员会，2015b)。

4.2 发动机改装过程

大部分发动机改装经验来自上文介绍的三个计划。SPIRETH项目的目标之一是在柴油机上改装成一种船用以甲醇为主要燃料的双燃料机(Ellis et al, 2014)。重点是基于中速四冲程发动机开发一种改进的燃用甲醇方案。这一概念在德国Stena号客运渡轮应用发动机的改造项目中得到进一步发展。这款发动机改装非常合适。还有其他几种发动机模型可以进行改装，但这并不适用于所有较老的船用柴油机(Haraldsson, 2015b)。

一种二冲程双燃料甲醇主机已被开发，满足新制定的国7标准，将用于甲醇的运输。正如多数情况一样，这种发动机是基于现有的概念(MAN, 2015b)。

图1 加装甲醇管道的瓦锡兰发动机

4.2.1 瓦锡兰

SPIRETH项目已经对各种以获得低排放、高效率、可靠的解决方案和具有成本效益的改装为目的燃烧概念和设计解决方案进行了评估。在低压燃气系统LNG/HFO双燃料发动机设计经验基础上，这个项目迅速发展（如图1）。这个概念已经测试了十多年。

较低的十六烷值是甲醇和液化天然气共有的特性。在发动机点火时，甲醇和LNG需要十六烷值增强剂。在这个双燃料方案中，少量柴油用作先导燃料。为了使现有的发动机能够进行燃料转换，使用了气化柴油技术。

与燃气双燃料机不同的是，天然气用的燃气压缩机被高压甲醇泵所替代，以增加燃油压力。在改装后的船舶中，常规燃料系统可以作为备用系统保留。

甲醇注入采用共轨系统。所有甲醇管道均为双壁结构，高压管道系统中的甲醇可以用氮气进行自由净化，操作人员无需接触甲醇即可使用。

与燃用柴油或是重油时比较，排气中的润滑颗粒减少，对排气阀进行改进以抵抗磨损。这一概念已经在一台Wauml;rtsilauml;-Sulzer八缸机Z40S上进行了试车实验测试。同样类型的发动机也被Stena Germanica号轮渡应用。

4.2.2 MAN

MAN正在对用于七艘新造甲醇船的发动机进行改造，这些船是为梅塞尼克斯公司委托建造的。第一台发动机于2015年8月交付(Sejer Laursen, 2015a)。该船预计于2016年4月至10月交付。

所述发动机为二冲程10Mw ME-LGI发动机。这种发动机为低燃点液体燃料提供双燃料解决方案。气缸盖加装甲醇增压喷射器(MAN, 2015b)，设计的喷射压力为10bar。该发动机正在日本进行长时间测试(Sejer Laursen, 2015a)。如图2。

加压甲醇通过双壁管道输送，干燥通风，所有甲醇燃料设备均为双壁结构(MAN, 2015a)。

图2 MAN改装的甲醇发动机

4.3试车初步结果

试车的数据都显示了非常好的性能。

实验室测试瓦锡兰发动机的结果如下(Stojcevski, 2014):

• NO_X 3.5g/kWh (低于Tier II,没有较大改变）
• CO (lt;1g/kWh)
• THC (lt;1g/kWh)
• PM only from MGO pilot (FSN ~ 0,1)
• SO_X only from MGO pilot (减少99%)
• 甲醛排放量 (低于TA-luft)
• 没有在废气中发现甲酸
• 输出功率无减少，负载响应无变化，full fuel redundancy
• 更高的效率 (测试中在甲醇模式显示较低燃油消耗)。

在MAN的测试中：

• 第一结果显示氮氧化物排放比Tier II标准低30%,粒子的排放量(重量)非常低(Sejer Laursen, 2015a)。
• 在4T50ME发动机进行实验显示，燃用甲醇和柴油在性能上差异很小。后者循环热释放更低，相比于柴油，甲醇燃烧效率好(Sjoholm, 2015)。

4.4 在船舶上的应用

在改变燃料时，船上需要增加或改装一些装置。这包括燃料罐、管道和加压系统。在船舶上使用的其他设备，如锅炉、燃料分离器。如果甲醇是主要燃料或者是在双燃料发动机中一种是轻质柴油的另一种燃料，则不需要燃料分离器。在改装中，可能还需要燃料冷却装置(Haraldsson, 2015b)。如图3：

图3 船上改用甲醇燃料装置

4.5 未

资料编号：[3277]