【绿色水运】甲醇动力船舶技术发展现状及展望

2015 年，“Stena Germanica”号渡轮被成功改装成世界首艘商用甲醇动力船舶（图 1），该船采用瓦锡兰甲醇和柴油的双燃料发动机，甲醇燃料由回收炼钢排放的 CO2 制取，甲醇动力船舶相关技术从此进入高速发展期。

图1  世界首艘甲醇动力船舶

2013 年，曼恩（MAN）公司初步完成了船用甲醇内燃机的研发。2016 年，使用 MAN ME-LGI 型发动机的甲醇动力船舶下水运行[5]。截至目前，曼恩（MAN）公司的甲醇发动机已经成功实现了一定规模的商业化应用，共有超过 50 台甲醇发动机被订购用于或计划用于甲醇动力船。

2022 年，ABB 与其研发设计及航运合作伙伴共同开发全球首艘甲醇氢燃料电池动力内河拖轮⸺⸺“Hydrogen One”号，该船采用了新型甲醇制氢技术，将甲醇重整为氢气后用于燃料电池发电，为船艇动力系统供电。

2019 年，中国首艘甲醇燃料动力船舶“江龙”轮下水，该船长约 40m，宽 8m，型深 2.7m，自重 172t。搭载采用天津大学柴油/甲醇二元燃烧技术的广西玉柴制造的船用柴油机。相关实验数据表明，双燃料模式之下，“江龙”轮碳排放可以减少 50%～70%。

2020 年，甲醇燃料舷外机涡轮增压闭环控制高效净化催化系统研发项目“鑫灿 06 号”在昆明滇池上完成试验。该科研项目将纯发动机功能技术研制与新能源甲醇燃料技术研制融合发展，解决了舷外机尾气水下排放和高原稀氧功率衰减两个业内难题。

2021 年 11 月，“嘉鸿 01”示范船是国内首次采用高温甲醇燃料电池为动力电源的示范游船。

2022 年，淄柴动力开发出的四冲程 Z6170 甲醇发动机完成样机试验，该发动机的研制成功标志着淄柴动力在揭示甲醇/柴油二元燃料快速燃烧机理，探索甲醇进气歧管混合气形成技术、甲醇/柴油双燃料系统控制技术，以及研发甲醇泵、喷嘴、滤清器等耐甲醇关键零部件和甲醇/柴油双燃料专用后处理装置等方面取得了关键突破。

甲醇是一种无色、透明、极易挥发的有毒液体，可通过饮入、呼吸和皮肤接触吸收后，影响人的神经系统和血液系统，挥发的蒸汽刺激人体内的黏膜和眼睛。

船舶使用甲醇燃料的主要挑战是其闪点低、热值低以及汽化温度较低，这些将直接影响船舶的安全。

甲醇的热值低，质量能量密度为 19.9 MJ/kg，仅为柴油的 47%。为保证动力性能，其燃料喷射系统需进行特殊设计以增大喷醇量。常见的设计方案主要包括增大柱塞直径、增加喷孔数量、增大喷孔直径、延长喷射时间等。

甲醇的体积能量密度低，所需要的舱容是普通柴油的 2 倍多。舱容问题可能成为船舶使用甲醇燃料的限制条件之一，因此，行业内普遍认为甲醇燃料未来将主要用于舱容相对较大的大型远洋船舶。而对于结构紧凑、舱容相对较小的船舶应用甲醇燃料时需要增加甲醇加注的频率。

甲醇十六烷值（3～5）比传统燃油十六烷值（40～55）低，且甲醇自燃温度（465 ℃）比传统燃油自燃温度（250 ℃）高，此外，由于甲醇高汽化潜热产生的冷却效应妨碍了其在运行温度下的完全汽化，难以形成良好的混合气，压缩终了时缸内温度降低，使着火延迟期变长，影响启动性能。

行业内为保证甲醇发动机的冷启动性能，需特殊考虑其缸内燃烧过程。通过提高燃料进机温度、添加助燃剂、使用柴油引燃等方法保障正常启动。

不同于传统燃油，甲醇对部分金属和非金属具有腐蚀作用，因此船用甲醇燃料舱、船用甲醇燃料供应系统以及甲醇发动机机体等需要进行特殊的防腐处理。中国船级社《船舶应用甲醇/乙醇燃料指南（2022）》对适用于甲醇燃料的金属和非金属材料做出了明确规定，其中铝合金、镀锌钢、铅合金、丁腈橡胶、丁基橡胶等不能用于含甲醇的系统，而奥氏不锈钢、双相不锈钢、聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶、氯丁橡胶等可用于含甲醇的系统。此外，甲醇动力黏度（0.6 N ⋅ s/m2，40℃）比传统燃油（2～6 N ⋅ s/m2，40℃）低，为保证甲醇发动机中运动部件的良好润滑，其滑油系统通常需进行特殊设计。

甲醇在船舶上应用的相关扶持政策暂未出台，甲醇加注、存储等基础配套设施建设也不完善。

甲醇上船会给救生消防、舱室内布置、船舶安全管理以及船员培训等带来较大影响。因此需要健全的法律体系来保障行业发展。

中国船级社颁布的《船舶应用甲醇乙醇燃料指南（2022）》对船长 20m 及以上、使用甲醇/乙醇为燃料或预设甲醇/乙醇燃料动力系统的钢质或等效金属材料的船舶使用做出了指导和规定，但是仍需通过项目专项研究，完善设计、制造及检验的技术标准，以促进我国甲醇动力船舶相关的标准规范体系的建立。

甲醇有毒，皮肤接触甲醇后会引起刺激、干燥、开裂或灼伤，且甲醇在人体中（摄入或皮肤吸收）会氧化产生甲酸和甲醛，摄入少量会破坏人体视神经，摄入过量可致人死亡。

甲醇对铝合金、镀锌钢和铅合金等金属材料有腐蚀作用，对塑料和橡胶有溶胀作用，从而会对塑料和橡胶零件、喷油泵零件和高压燃料等部件产生不利影响。

甲醇在常温下会着火并燃烧，且当其高纯度燃烧时产生的火焰在白天几乎不可见，因此甲醇燃料的火焰检测具有挑战性。

综上所述，甲醇在船上的应用会带来毒性、腐蚀、溶胀以及火焰难以发现等风险。解决方案通常是采用基于风险评估制定的船舶安全技术标准，从泄漏探测、人员防护、材料选择、消防等方面采取措施并合理地控制风险，保证甲醇动力船舶的安全。

船用甲醇燃料通常存放于甲醇燃料舱内，通过舱内的甲醇燃料输送泵送到甲醇日用柜中。甲醇日用柜露天放置于甲板上，且装备有高低液位开关，当甲醇日用柜中的甲醇燃料消耗至低位时会自动启动补给泵，通过抽吸甲醇燃料储存舱中的甲醇并驳送至甲醇日用柜，直至甲醇日用柜中的液位到达高位设定值后自动停止补给泵。甲醇燃料通过船用甲醇供应系统从日用油柜供给船用甲醇发动机。原理如图 2 所示。

图2  船舶甲醇供应原理图

船用甲醇燃料供给系统的主要组成部件包括低压循环泵、高压供给泵、加热器、双联滤器、燃料供应阀组以及流量计、回流调节阀等，设备集成组装，如图 3 所示。

图3  船用甲醇供应系统原理图

船用甲醇燃料供给系统工作原理如下：

（1）甲醇日用柜内的甲醇液体通常需要通过一低压泵进行循环。

（2）燃料通过一单向阀以及高压泵，进入双联手动过滤器，过滤器的过滤室一备一用，过滤绝对精度一般为 10μm，可以去除甲醇燃料中存在的所有可能导致发动机损坏的颗粒。

（3）经过滤后的甲醇燃料液体进入燃料供应阀组（FVT），经分配后供发动机使用。

综上所述，燃料供应管系通常为双壁管设计，且独立于船上其他管系，使得某一道屏壁发生的故障不会导致燃料从管系泄漏到周边区域而对船上人员、环境或船舶造成危害。此外，推进、发电装置和燃料供应系统的布置应防止燃料供应的单一故障不会导致不可接受的动力损失。

甲醇自燃温度与汽油相近，辛烷值远高于汽油，十六烷值远低于柴油，这些特性决定了甲醇易用于点燃式发动机，难以直接用于压燃式发动机。目前其在船舶发动机上的应用主要有以下几种模式。

（1）进气道喷射点燃的燃烧模式

该模式通常采用汽油启动，暖车后转为纯甲醇运行，甲醇由进气道喷射、火花塞点燃。目前，很多样机是在普通的四冲程高速气体发动机基础上改装而成。

（2）低速二冲程微引燃燃油-甲醇双燃料燃烧模式

目前在海洋中运行的采用甲醇燃料的大型船舶低速发动机主要由瓦锡兰（Wärtsilä）公司和曼恩（MAN）公司生产。两家公司均开发了低速柴油-甲醇双燃料压燃式发动机，前者开发的为四冲程机，后者开发的为二冲程机。基于甲醇自燃点高的特性，两家公司均采用燃油微引燃的压燃方式，但在发动机的结构和应用甲醇的方式上有所不同。瓦锡兰开发的甲醇双燃机为四冲程机，采用燃油和甲醇喷射系统合二为一的集成式喷射器。与瓦锡兰（Wärtsilä）公司采用单一喷射器不同，曼恩（MAN）公司采用 2 个燃油喷射器加 1 个甲醇喷射器的 3 喷射器方式。在排放控制区采用燃油-甲醇的双燃料模式，其余区域转为纯燃油模式。

（3）中高速船舶发动机燃油-甲醇双燃料压燃燃烧模式

与低速机不同，中高速船舶发动机的功率密度较高，整机比较紧凑，缸盖上除了 4 个气阀和燃油喷嘴之外，内部还有冷却和润滑油路，结构已极复杂，若再加上另外的喷嘴，如采用双燃料集成喷射器会使缸盖的布置变得非常困难，因而须寻求新的技术路线。如天津大学的姚春德等提出了柴油、甲醇组合燃烧技术。

燃料电池利用氢与氧直接反应，从而产生电能，是未来舰船动力装置的主要发展方向之一。甲醇燃料在船舶及海事领域的船用燃料电池系统方面的应用可分为直接甲醇燃料电池（DMFC）和甲醇重整型燃料电池（RMFC）两种形式。

直接甲醇燃料电池（DMFC）主要工作原理是：将甲醇溶液直接作为低温燃料电池的“燃料”，即阳极上的甲醇溶液在催化剂的作用下分解为质子，同时释放出电子，通过不断产生的电子的移动产生持续的电能。

甲醇重整型燃料电池（RMFC）的工作原理是：甲醇通过重整器产生氢气，提纯过滤后将氢气作为“燃料”提供给氢燃料电池堆，从而通过持续的电化学反应产生电能，为船舶动力系统或电力系统供电。

此外，甲醇重整制氢技术一般包含 4 种类型，即甲醇裂解、甲醇水蒸气重整、甲醇部分氧化和甲醇自热重整。四种类型的甲醇重整制氢技术的优缺点见表 1。

表1  甲醇重整制氢技术类型表

甲醇在船舶行业的应用存在易燃爆、有毒、易引起腐蚀/溶胀等各种风险，因此，基于风险的船舶安全技术评估标准显得格外重要。此外，由于海事行业具备不满足法规要求不能投入运营的特殊性，法规对行业的发展也是至关重要的前提条件。在甲醇动力船舶研发设计、生产制造、安装调试、维护保养等技术方面，在船用甲醇燃料岸基加注站改造与新建、甲醇加注船研发建造方面，形成完善的标准规范体系，健全甲醇动力船舶质量保障机制，为船用甲醇燃料安全提供基础保障。

结合船用场景的特殊要求，重点突破满足振动和冲击、倾斜和摇摆及高盐雾、油雾和霉菌环境等海洋环境要求的船用甲醇燃料供给系统技术，保证船用甲醇燃料供给系统的可靠性，保障系统安全稳定。

通过分析船舶发动机上甲醇燃料的主要应用模式，针对低速船舶动力系统，建议采用以柴油或重油为微引燃燃料，然后与甲醇一起压燃燃烧的模式；针对中高速船舶动力系统，建议保持现有船舶柴油机结构不变，可采用在进气歧管或总管处喷入甲醇，形成混合气后进入气缸的模式，这种模式适用于任何排量的中高速发动机。

综合分析甲醇动力船舶技术的发展现状及未来趋势，参考示范应用及已经投入运营的甲醇动力船舶项目，可以发现，近海、远洋的中大型船舶可以考虑以甲醇内燃机为主、甲醇燃料电池系统为辅的动力技术路线；内河及湖泊区域内的小型船艇可采用短期内甲醇燃料电池动力系统或甲醇内燃机，长远考虑可以甲醇燃料电池为主。

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