氨燃料散货船的方案设计.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.氨燃料散货船的方案设计詹熳宁娄春景(上海外高桥造船有限公司上海)摘 要:结合船舶行业要实现碳达峰、碳中和目标需寻找替代能源来降低 排放氨燃料将会是最有希望的替代燃料的形势分析氨燃料特性结合散货船设计经验对氨燃料散货船进行方案设计提出两种可选的氨燃料散货船燃料舱的布置方案对氨燃料的储存供给提供初步方案明确氨燃料泄漏、蒸发、排放问题的处理方法关键词:排放氨燃料船舶新能源应用中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:詹熳宁()女学士工程师研究方向:轮机工程 根据国际海事组织()设定的目标到 年航运业温室气体年排放量将比 年减少 以上 此外 年 月中国明确提出 年前实现碳达峰目标 年前实现碳中和目标 减少二氧化碳排放的目标只有通过技术创新的研发应用和引进替代燃料才能实现这意味应尽快运用低碳排放或零碳排放燃料 氨燃料是未来脱碳航运业中最有希望的燃料之一为了实现 关于减少船舶温室气体排放的最初战略所设定的目标航运业必须改用替代的零碳燃料如何安全便捷地在常规的货物运输船型上存储和使用氨燃料成为目前船舶行业关注的重点需要有相关设计方案 为此分析氨燃料特性再从存储、供给、泄露、蒸发和排放处理几个角度讨论氨燃料在常规散货运输船上使用的可行性方案 氨燃料特性关于氨燃料的特性主要通过与常规化石燃料对比优劣来分析氨作为船用燃料的可行性和可操作性首先氨是氮氢化合物在内燃机内发生燃烧反应时排放气体不会产生二氧化碳是真正意义上的零碳燃料 目前市场上供应的大部分氨是由天然气产生的氢气制造的“灰”氨中间过程产生大量的 排放 但航运的目标是从目前的“灰氨”过渡到在制造过程中应用碳捕获和储存技术的“蓝氨”最终实现使用可再生能源生产“绿氨”这样就能从燃料生产的源头实现零碳排放其次从燃料存储角度考虑氨的能量密度低于化石燃料生产相同的能量含量需要大约化石燃料的 倍质量 倍体积 因此在常规运输船上的氨燃料储存舱占用空间将会是常规石油燃料舱的 倍左右再者从燃料本身经济性角度来看氨是一种定价透明的全球商品整个生产、运输、交易市场存在已久并且成熟 氨与传统化石燃料价格基本一致 但是考虑到产生同样能量的消耗量大约是传统化石燃料的 倍对于常规货物运输船来说投入的燃料运营成本将会提高 倍 目前全球氨分销系统已经就位但现有的氨运输网络主要连接为工业市场服务的生产和储存地点其港口设施并非为船舶燃料加注而准备因此目前的港口布局或要进一步调整同时从燃料使用的安全性角度来看氨对人体有毒 为确保船上人员的安全必须将氨气暴露限制在允许范围内 氨是一种易燃气体易燃范围很窄 与其他燃料相比氨气着火的风险较低因为氨气的可燃性范围较窄 然而在适当的条件下可能会发生氨火灾安全原则要求将氨与任何火源隔离 除纯氨燃烧外还应调查氨与其他燃料和润滑油混合时的火灾风险 这种燃料混合物可能具有更大的爆炸范围 氨可与卤素、卤素间和氧化剂发生反应并可能导致剧烈反应或爆炸 因此氨应储存在阴凉、通风良好的地方 年第 期詹熳宁等:氨燃料散货船的方案设计船海工程第 卷远离火源并与其他化学品特别是氧化性气体(氯、溴和碘)和酸分开 氨与各种工业材料不相容并且在存在水分的情况下与铜、黄铜、锌和各种合金反应并腐蚀船上使用氨时应仔细选择材料 使用氨的储罐、管道和结构部件应使用耐氨的铁、钢和特殊有色金属合金 当液氨中的氧含量超过几 时钢在高温下会诱发并迅速进行应力腐蚀开裂 氨水或蒸汽接触的管道组件、液货舱和设备的要求镍浓度不大于、碳锰钢的屈服强度不超过 /此外还应该注意氨会与 发生反应 氨燃料散货船设计方案.散货船设计特性方案主要针对采用氨燃料和燃油作为燃料的大型散货船主要指载重吨 万 以上的散货船以 万 散货船为例可根据船舶营运需求在氨燃料和燃油之间灵活切换 主机使用曼恩公司()的双燃料主机(系列机型该机型的燃料供应压力不超过 选型为.曼恩公司的此款主机(包括尾气处理技术)将在 年推向市场 本船设计航速为.双燃料主机在设计航速下的氨燃料消耗为 /根据计算每天消耗的氨燃料约为.考虑到本船作为 万 大型散货运输船综合考虑几种主要航线的航程最终确定续航力为 根据计算所需燃料舱舱容定为 .氨燃料存储.储存罐选型目前主流的液货储存罐型式主要有以下几种)“”型液货舱罐型式为自承式棱柱形需要设置次屏蔽以保护船体免受低温损伤 液舱最大允许设计压力为.工作温度不低于 用来运载温度低于 的液货一般用于大型全冷液货船)“”型液货舱一般为平面结构形式(如棱柱型)或者是压力容器型结构(如回转球型)“”型液货舱仅需要部分的次屏蔽舱与船体货舱相邻的部分都需要做双层绝缘防护)“”型液货舱独立液舱是符合压力容器标准的压力式液舱一般为圆筒形卧罐或球罐 设计蒸气压力大于.一般用于全压式和半冷式液化气船如果液舱材料可承受低温也可以用于全冷式的运输本船运输的氨燃料在常压下 左右就为液态本船液货罐的特点是需要耐低温度和常压 所以确定采用“”型自承式掕形液货罐并全部设有双层屏蔽和隔热考虑到船上用氨设备所需的燃料供给压力、规范所明确的氨燃料舱压力维持时间以及燃料储存舱的制造成本还应考虑运载货物温度低于 的结构舱柜需要设置次屏蔽以保护船体免受低温损伤 次屏蔽外在机舱/货舱处要求有空舱对机舱/货舱的面要求 保护 次屏蔽内需进行惰气保护并有通风装置 由于液态的氨燃料会与碳锰钢或镍钢中的某些材料发生应力腐蚀反应所以本船采用低温碳钢作为液罐材料.储存罐布置方案本船计划采用 型舱作为氨燃料储存舱有两种布置方案 方案为船尾部甲板上设置两个舱容 的棱柱式燃料舱放于机舱上部上建的两边 方案为在船中货舱区域设置一个舱容 的棱柱式燃料舱放于 号和 号货舱之间 两种方案的容量都可以满足氨燃料动力散货船在全航程(至少一个往返航程)使用氨燃料的需要中途无需加注液氨)方案(见图)氨燃料储存舱位于船艉机舱甲板两侧向下延伸至机舱二甲板上沿船长方向对称布置在船舶上层建筑左右两侧 本船采用全宽式尾部甲板氨燃料储存舱的布置对船舶主尺度及船体结构的完整性影响尽可能小燃料准备间布置在开敞的主甲板上机舱棚后方位置燃料准备间前壁与机舱棚后壁共用一道舱壁该舱壁为“”级防火分隔 燃料准备间位于两个氨燃料舱中间与液氨接管处所相邻主要布置与燃料处理相关的设备、管路以及相应监测和报警系统 燃料准备间内需安装固定式气体探测系统和火灾报警传感器并设置有效的抽吸式机械通风系统其通风能力为每小时至少换气 次针对该方案 燃料准备间在住宿区域附近距离住宿区域边界距离约为 为保证内部扩散气体不影响到居住环境燃料准备间的入口应该 年第 期詹熳宁等:氨燃料散货船的方案设计船海工程第 卷布置在靠近船尾部远离居住区域两个入口中左侧入口应该尽可能布置靠近舷侧以满足 的规范要求 此外燃料准备间的出风口设置在左舷进风口为右舷靠近船尾)方案(见图)氨燃料储存舱位于货舱区域 由于布置在货舱区域甲板以下对船舶主尺度及船体结构的完整性影响不大燃料准备间布置在开敞的主甲板上氨燃料舱上部位置主要布置与燃料处理相关的设备、管路以及相应监测和报警系统 燃料准备间内需安装固定式气体探测系统和火灾报警传感器并设置有效的抽吸式机械通风系统其通风能力为每小时至少换气 次图 方案燃料舱布置图 方案燃料舱布置 年第 期詹熳宁等:氨燃料散货船的方案设计船海工程第 卷 )方案对比 方案仅占用机舱上部部分空间不占用货舱空间 方案不占用机舱空间仅占用部分货舱空间两种方案都能在保证货物装载量的前提下不影响机舱内的主要设备和舱室的布置同时满足驾驶室人员在船舶航行时对操作视线范围的要求 方案氨燃料储存舱因布置在开敞甲板具有足够的自然通风其周围无需另外设置火警探头、气体探测器以及通风等系统 方案氨燃料储存舱则布置在货舱区域甲板以下需要根据要求配置透气桅并且周围需要设置火警探头、气体探测器和通风系统 两种方案都需要水雾消防系统覆盖氨燃料储存舱的全部范围 见表 表 方案对比表对比项 方案 方案燃料舱个数燃料舱容量 燃料舱位置机舱货舱对机舱空间影响影响不影响对货舱装置影响不影响影响火警探头、气体探测、通风系统不需要需要透气桅不需要需要水雾系统全覆盖全覆盖.氨燃料加注考虑到散货船加装氨的灵活性满足船舶在不同工况下左右舷均可进行燃料加注补给本船设置 个氨燃料加注站左右对称布置在开敞的货舱区域主甲板两舷侧位置为保证加注效率同时考虑到舱室安全加注站尽量靠近氨燃料舱且氨燃料加注管路尽量减少穿舱设置 每个氨燃料加注站旁设置一台手动操作吊车用于协助氨燃料加注作业加注站布置主甲板上的开敞空间具有足够的自然通风其周围无需另设火警探头、气体探测器以及通风等布置需设置固定式干粉灭火系统覆盖所有可能的泄漏点 氨燃料加注站顶部可设有防护钢板氨燃料加注接头和加注管路(包括液氨液体加注管路和蒸汽回收管路)上方同样设有防护钢板减少船舶装卸货时发生意外情况下损伤氨燃料加注站和加注管路的风险 加注总管上方的应设置喷水系统以减少加注站中的有毒蒸汽 燃料总管下方应设置集液盘用于收集任何泄漏并将水/氨排出船外.氨燃料供应氨燃料供应系统能够产生具有合适温度、压力和流量的氨燃料供双燃料发动机使用 双燃料主机采用曼恩公司的 系列二冲程低速发动机以液体燃料操作模式运行时基于迪塞尔()循环原理进行工作 发动机可被设计成使用氨燃料和燃油的双燃料主机只需对燃料输送系统进行一些改动以保证系统提供压力在大约 的下并且维持该压力下将其注入气缸 在满足现有技术条件的同时设计需要仔细考虑控制氨的泄漏氨燃料供应系统主要是由氨燃料输送泵、加热器单元、压缩机、阀组单元、相关阀件和仪器仪表组成 在双燃料运行期间发动机的氨燃料通过燃料供应系统从氨燃料储存舱供应 有部分的氨燃料需要通过再循环系统持续再循环输送至燃料供应系统()以此来保障氨燃料在合适的温度和压力下输送至发动机 通常情况下 系统配置为一台高压泵、加热器、滤器、阀门附件和控制装置以在双燃料主机在氨燃料模式下不同工况不同消耗量运行时能为发动机输送压力和温度都稳定的氨燃料 使双燃料主机工作运行可与传统的低速柴油机相媲美 当主机未处于双燃料模式时需要使用燃料阀组单元()的双阻断和排液装置来降低系统压力并将主机机内的氨燃料喷嘴与回流喷嘴之间完全隔离 在每次启动主机之前需要使用用氮气对整个系统进行预处理以验证系统的密封性燃料阀组单元()是双燃料主机和辅助系统之间连接的接口 的目的是在停机和维护期间实现双燃料主机的安全隔离并提供氮气吹扫功能 该功能确保主机在开启工作后有一个安全的工作环境 当双燃料主机的双喷嘴停止工作时氮气压力将喷嘴内的液氨从主机内吹扫回流至再循环阀内 当吹扫按照顺序完成时 将再次启动确保双燃料主机自身与燃料供应系统和回流系统完全隔离氨燃料供应系统本身外船上还需为供应系统配置相应的安全系统以及辅助系统 其中安全系统包括气体探测系统、火灾报警系统、应急切断系统、消防系统、通风系统以及透气和泄放系统辅助系统除上述氮气系统外还包括水乙二醇 年第 期詹熳宁等:氨燃料散货船的方案设计船海工程第 卷系统、仪表空气系统等.氨燃料泄漏处理氨燃料系统管路设计为双壁管 根据 的要求外管内需要保持恒定的通风气流 检测氨燃料泄漏的气体探测系统需要覆盖燃料舱到机舱内至主机整个氨燃料系统管路在整个运行过程中如果双燃料主机的双壁通风系统检测到任何管路上有氨燃料泄漏应将其泄露氨燃料引导至单独的氨捕获系统内通过氨捕获系统去除其中氨避免氨气直接被排入大气中氨气捕捉系统实际上是一种吸水装置具体工作原理主要是将含有氨气的废气引入水中其中的氨会被水吸收变成氨水 该装置需要配置换水系统以保证该系统的捕捉吸收效率此外还应该考虑系统的吸收速率用来确定何时补充水具体吸收速率换水频率等数据目前还无相关规范要求 目前设计的捕捉系统主要针对的是燃料供给系统相关氨废气处理未考虑冷藏、货物维护、蒸发气体等系统产生的氨废气捕捉收集 所以具体捕捉罐容量将在氨燃料主机台架试验阶段进行进一步试验检测氨捕获系统是根据 要求防止氨气直接被排放到大气中除了管路内泄露部分的气体需要引入氨捕获系统在停机和切换燃烧模式时进行氮气吹扫后产生的废气也需要被引入氨捕获系统当其中氨气被系统捕获达到可排放标准后被连接至船上通向安全位置的透气桅将来自有压系统的易燃气体安全地泄放到大气中去.氨燃料蒸发气()处理氨燃料储存舱在航行过程中会自然蒸发产生蒸发气()为气态氨无法被氨燃料主机消耗目前 的处理方法为加装再液化装置使 再液化成液氨重新进入氨燃料储存舱内需配置货物压缩机、气液分离器、冷凝器等系统对 进行再液化 由于除了双燃料主机消耗氨燃料没有其他用户消耗产生的 气体配置的再液化系统需要为预冷型 通常使用直接循环式再液化将氨燃料存储舱内的蒸发气体抽出后经过货物压缩机直接加压通过冷凝器凝成液体后再返回到氨燃料储存舱内从而处理了舱内的 又能控制舱内的温度和压力 根据 要求在再液化系统发生单一故障时需要有另一个系统保持燃料舱的压力和温度 所以需要配置另一种形式的 处理装置一般选择气体燃烧装置()将产生的 直接燃烧以减轻舱内压力.氨燃料排放处理氨燃料在双燃料主机内燃烧时会产生 气体由于 气体属于温室气体为了满足 排放标准的要求需要在双燃料主机排气后部安装 废气处理系统处理排放时产生的 气体 技术是一种后处理工艺燃烧过程中形成的 通过催化还原从废气中去除 通常情况下通过注入尿素溶液来进行催化反应 但是在氨燃料动力船上也可以将氨作为催化剂而不是尿素喷射到废气中 这样做的好处之一是以氨为燃料的容器已经装载了氨无需额外设置 尿素舱 与氨燃料主机消耗量相比 系统的氨消耗量将非常小 除此之外还可以将氨捕捉系统吸收到废气中的氨气用作 系统的催化使用这样也可以对泄露的氨气和管道内残留的氨气加以回收再利用具体的催化使用氨水的比例和废气中吸收到氨气的含量应继续深入研究双燃料主机在使用氨燃料的过程中需要使用约占比总燃料消耗量 左右的引燃油会产生一定量的 气体排放此外由于目前还没有出现使用氨燃料的发电机和锅炉在本方案设计中发电机和锅炉依然是使用常规燃料会产生 排放如果需要保证零碳排放需要在排气后部安装碳捕捉系统但是相比常规燃料船碳捕捉系统捕捉量将会极大缩减 结论针对未来碳减排要求提出了以氨作为替代能源的一种散货船设计方案该方案以 万 散货船为例普遍适用于 万 大型散货船设计对其他大型货物运输船设计也具有的一定参考性 目前氨燃料储罐技术还未成熟氨燃料主机还在开发阶段未来用氨作为燃料的发电机、锅炉也将陆续被开发出来氨燃料供给系统(包括氨气捕捉收集技术)也将会有更成熟的方案此外相关规范规则也将会进一步更新完善基于以上工作该氨燃料散货船设计方案会在今后进一步更新细化以便在未来应用到实船建造中 年第 期詹熳宁等:氨燃料散货船的方案设计船海工程第 卷参考文献 白二亮唐诗佳.一种氨燃料舱及其压力保持系统的原理设计.船舶物资与市场():.王月姑周梅王兆林等.以氨燃料为介质的全生命周期储能效率估算.储能科学与技术():.中国船级社.天然气燃料动力船规范.高子朋詹宇王民等.船用 双燃料发动机技术分析.中国船检():.蒋雄健张道志周鑫元.液氨运输船氨燃料技术应用.柴油机():.李欣王怡周熲等.大型远洋双燃料散货船 处理方法的应用分析.船舶工程():.(.):.:(上接第 页)盛振邦刘应中.船舶原理.上海:上海交通大学出版社.(.):.: