吳中強(qiáng)

(武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

當(dāng)今世界由于消耗石油資源而帶來(lái)的氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等溫室氣體排放所造成的環(huán)境污染及全球變暖趨勢(shì)已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)并引起了廣泛的關(guān)注。自 2009年 12月 7日聯(lián)合國(guó)哥本哈根氣候變化大會(huì)召開(kāi)以來(lái),經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式向“低碳經(jīng)濟(jì)”轉(zhuǎn)型已成為全球發(fā)展的總趨勢(shì),各國(guó)都加快了發(fā)展“低碳經(jīng)濟(jì)”的速度來(lái)提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力。在目前民用船舶依然是以采用消耗傳統(tǒng)石油能源為主的動(dòng)力裝置的情況下,其節(jié)能減排壓力依然不小。

一、當(dāng)今船舶動(dòng)力技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

國(guó)際海事組織的研究報(bào)告認(rèn)為,全球航運(yùn)業(yè)目前每年消耗 20億桶燃油,排放超過(guò) 12億噸的二氧化碳,約占全球總排放量的 6%。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè),到 2020年全球航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放量將在目前基礎(chǔ)上增加 75%。這一情況日益成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。為此,國(guó)際海事組織出臺(tái)了一系列有關(guān)節(jié)能減排的新規(guī)則。比如 EEDI(能效設(shè)計(jì)指數(shù))、Tier系列標(biāo)準(zhǔn) (柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn))等,船舶動(dòng)力裝置的節(jié)能減排首當(dāng)其沖。

在此背景下,船舶動(dòng)力技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)也愈加嚴(yán)峻,各國(guó)紛紛通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新,研究發(fā)展安全、環(huán)保、節(jié)能的“綠色船舶動(dòng)力技術(shù)”。

二、綠色船舶的理念及內(nèi)涵

所謂“綠色”理念就是人類所從事的一切活動(dòng)都要以保護(hù)人類健康和賴以生存的環(huán)境為本,以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展為目的。綠色船舶就是在整個(gè)生命周期中 (從設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)運(yùn)、到最后報(bào)廢拆解的整個(gè)過(guò)程),通過(guò)采用先進(jìn)的綠色技術(shù),最大程度上實(shí)現(xiàn)其低能耗、低排放、低污染、高能效、安全環(huán)保的功能目標(biāo),同時(shí)能經(jīng)濟(jì)地滿足用戶的要求,并節(jié)省資源和能源,且對(duì)生產(chǎn)者和使用者具有良好保護(hù)的船舶。綠色船舶的打造必須靠綠色船舶技術(shù)來(lái)保證。綠色船舶技術(shù)的核心就是環(huán)境友好型和資源節(jié)約型技術(shù),而船舶動(dòng)力技術(shù)又是綠色船舶技術(shù)中能否實(shí)現(xiàn)“綠色”的關(guān)鍵。由于在目前技術(shù)條件下,船舶動(dòng)力技術(shù)要實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)污染、零排放的綠色技術(shù)還有一定的難度,因此,綠色船舶動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展大致要經(jīng)歷三個(gè)階段:第一階段是節(jié)約能源、節(jié)約資源、減少排放;第二階段是高效能源、高效資源、輕度污染;第三階段是再生能源、循環(huán)資源、沒(méi)有污染。

三、新型綠色船舶動(dòng)力技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

為了更好地應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求,更加積極主動(dòng)地應(yīng)對(duì)未來(lái)船舶市場(chǎng)的需求,世界各大船舶研究機(jī)構(gòu)、先進(jìn)造船企業(yè)以及相關(guān)機(jī)構(gòu)都在加大研發(fā)力度,不斷推出滿足綠色船舶要求的新技術(shù)、新動(dòng)力等。

(一)傳統(tǒng)能源船舶動(dòng)力裝置的綠色技術(shù)研發(fā)

目前民用船舶動(dòng)力裝置以使用傳統(tǒng)石油能源的柴油機(jī)動(dòng)力裝置為主,其綠色技術(shù)的研發(fā)主要以節(jié)能減排為突破口。主要有以下幾方面。

1.節(jié)能減排技術(shù)

節(jié)能減排技術(shù)的目的是通過(guò)優(yōu)化技術(shù)來(lái)改善柴油機(jī)的燃燒效果和控制柴油機(jī)廢氣排放量和排放物以提高柴油機(jī)能效從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。節(jié)能減排技術(shù)主要包括前端 (燃燒端)技術(shù)和后端 (排氣端)技術(shù)。前端技術(shù)是通過(guò)優(yōu)化柴油機(jī)燃油噴射和燃燒過(guò)程以及優(yōu)化進(jìn)氣過(guò)程來(lái)達(dá)到提高柴油機(jī)燃燒能效從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。該技術(shù)主要包括有電控高壓共軌噴射技術(shù)和柴油機(jī)增壓中冷技術(shù)以及高品質(zhì)燃油技術(shù) (低硫燃油、乳化柴油等)、雙燃料技術(shù)、臭氧助燃?xì)怏w技術(shù)、汽缸潤(rùn)滑優(yōu)化技術(shù)和掃氣加濕技術(shù)等來(lái)提高柴油機(jī)功率和效率,從而提高柴油機(jī)能效和降低排放。后端技術(shù)是通過(guò)控制柴油機(jī)排放技術(shù)和余熱綜合回收利用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。此類技術(shù)包括控制排放的廢氣再循環(huán)技術(shù) (可有效降低氮氧化物的排放)、排氣后處理技術(shù) (包括二氧化碳收集技術(shù)、催化氧化技術(shù)、微粒過(guò)濾沉淀技術(shù)等),該技術(shù)可大大降低氮氧化物和顆粒物的排放。排氣后處理技術(shù)將承擔(dān)柴油機(jī)排氣凈化的主要任務(wù)。余熱回收利用技術(shù)主要是通過(guò)廢氣渦輪增壓、廢氣余熱發(fā)電、廢氣鍋爐、熱管鍋爐等對(duì)廢氣余熱的多重利用來(lái)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)節(jié)能的目的。

有資料顯示世界各國(guó)利用柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)已經(jīng)取得了以下許多研發(fā)成果。在當(dāng)前及未來(lái)的船舶結(jié)構(gòu)和燃料構(gòu)成不會(huì)發(fā)生根本變化的情況下,若要大幅減少二氧化碳排放,必須開(kāi)發(fā)超低排放的柴油機(jī)。在此背景下,歐洲各國(guó)聯(lián)合進(jìn)行的船用超低排放燃燒高效率柴油機(jī)研發(fā)項(xiàng)目 (Hercules)第一期的研發(fā)成果實(shí)現(xiàn)了與同期最先進(jìn)的技術(shù)和排放標(biāo)準(zhǔn)相比的各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化,如燃油消耗降低 1.4%,氮氧化物減排 50%,硫氧化物減排 90%,顆粒物質(zhì)減排 40%,碳?xì)浠衔餃p排20%。第二期項(xiàng)目的研發(fā)目標(biāo)是到 2020年,通過(guò)將船用柴油機(jī)的燃油消耗降低 10%,效率提高60%來(lái)大幅減少二氧化碳的排放。與此同時(shí),將氮氧化物排放量減少 70%,顆粒物質(zhì)的排放量減少 50%,達(dá)到同期規(guī)定的 Tier3的最高的排放要求,這代表著環(huán)保型船用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

德國(guó)MAN柴油機(jī)公司與韓國(guó)大宇造船集團(tuán)合作,將大宇的低溫高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)用于MAN低速柴油機(jī)從而研發(fā)出低溫高壓天然氣船舶推進(jìn)系統(tǒng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是一種雙燃料低速柴油機(jī),能以任何比例的燃油和天然氣混合作燃料。非天然氣運(yùn)輸船舶使用該推進(jìn)系統(tǒng)能降低營(yíng)運(yùn)成本,同時(shí)也能減少污染物排放。該系統(tǒng)可降低23%的二氧化碳排放,13%的氮氧化物和 92%的硫氧化物排放。

日本三菱重工研發(fā)出了可使氮氧化物排放降低 15%的 8UEC60LSIIEco環(huán)保型船用電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)將作為新建造的 6400車(chē)位大型 Ro-Ro船的主機(jī)。

我國(guó)在船用柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)中也與其它國(guó)家積極合作,例如中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司下屬的上海船用柴油機(jī)研究所和宜昌船舶柴油機(jī)廠、芬蘭瓦錫蘭集團(tuán)和日本三菱重工共同組建的QMD船用柴油機(jī)有限公司采用瓦錫蘭和三菱的專利技術(shù),生產(chǎn)全系列的低速環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī),包括缸徑 50cm及以上的瓦錫蘭 RTA、RT-flex及三菱的UE系列機(jī)型,該類機(jī)型以程序控制共軌系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪軸、燃油噴射泵、換向伺服馬達(dá)、排氣閥驅(qū)動(dòng)裝置和啟動(dòng)空氣分配器等系統(tǒng)并且采用電子控制汽缸潤(rùn)滑優(yōu)化系統(tǒng)。其環(huán)保節(jié)能減排技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平,是目前中國(guó)最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)之一。

2.燃料多樣性技術(shù)

所謂燃料多樣性技術(shù)就是研發(fā)能夠排放低硫氧化物、低氮氧化物及二氧化碳等溫室氣體的并可用來(lái)替代柴油的清潔能源。

天然氣制油的研究:天然氣是寶貴的不可再生資源,通常情況下,開(kāi)采出來(lái)的天然氣大部分是通過(guò)管道直接輸送或?qū)⑻烊粴馓幚砑庸こ?LPG和 LNG等形式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。但是,天然氣制油技術(shù)可將天然氣燃料轉(zhuǎn)化為常溫常壓下的液體燃料。該工藝提供了另一種新的天然氣利用方式。該燃料在性能上接近于柴油,非常適合作為船用柴油機(jī)的燃料。它的最大優(yōu)點(diǎn)是清潔,從而能大幅降低硫氧化物、顆粒等大氣污染物排放,還能提高船用柴油機(jī)燃燒效率并減少氮氧化物的排放,因此具有廣闊的船用前景。

LNG燃料動(dòng)力裝置的研究:與普通船用柴油機(jī)動(dòng)力裝置相比,LNG燃料動(dòng)力裝置的氮氧化物的排放量可減少 80%,二氧化碳的排放量可減少20%,氧化硫排放量則可減少 100%,即每艘船每年可減少上千噸的排放物。據(jù)悉,使用 LNG能源可以使船舶的燃料燃燒效率增加 30%。由此可見(jiàn),LNG燃料船已成為綠色船舶動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

多年來(lái),相關(guān)船廠以及權(quán)威人士一直在進(jìn)行LNG燃料船相關(guān)技術(shù)的研發(fā),不斷地將 LNG燃料應(yīng)用到除 LNG船以外的船舶上。目前一些使用LNG燃料作為動(dòng)力的船已投入使用。

韓國(guó)現(xiàn)代重工采用稀燃技術(shù)研發(fā)出了大功率環(huán)保型氣體發(fā)動(dòng)機(jī)。所謂稀燃技術(shù)就是通過(guò)加大發(fā)動(dòng)機(jī)燃料混合氣中的空燃比,這樣,燃料能完全燃燒,也減少了換氣損失,從而可降低油耗,提高功率,減少排放。這臺(tái)功率高達(dá) 13000馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比,減少了超過(guò) 20%的二氧化碳排放,氮氧化物排放更是大幅減少97%。

3.推進(jìn)器優(yōu)化技術(shù)

船舶推進(jìn)器是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分,優(yōu)化的推進(jìn)器能顯著提高推進(jìn)效率,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置的節(jié)能減排。韓國(guó) STX造船集團(tuán)已成功開(kāi)發(fā)出改進(jìn)的船舶推進(jìn)系統(tǒng),并采用該成果建造出了新型節(jié)能生態(tài)船 (ECO一 Ship),該船能大幅減少污染氣體排放量,節(jié)省燃油費(fèi)用 50%以上。

[4]指出該船最大特點(diǎn)是采用了 3項(xiàng)技術(shù)刨新。一是減少螺旋槳推進(jìn)器的葉片數(shù)量。傳統(tǒng)的船用螺旋槳一般有 4～5個(gè)葉片,STX新推出的螺旋槳葉片減少為 3個(gè),起到了加大推進(jìn)力量的作用。其中,STX利用獨(dú)立開(kāi)發(fā)的“低振動(dòng)推進(jìn)器技術(shù)”,設(shè)計(jì)出全新概念的葉片,解決了減少螺旋槳葉片帶來(lái)的技術(shù)難題,將振動(dòng)和噪音降低到可接受水平。二是在船上新增輔助葉片裝置。為減少和改善船艉水流帶來(lái)的阻力,STX開(kāi)發(fā)出節(jié)能型輔助葉片裝置,使船舶實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化改進(jìn),進(jìn)一步提高了能源效率。三是船上采用了“風(fēng)能和太陽(yáng)能余熱發(fā)電設(shè)備”,該設(shè)備能將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱能轉(zhuǎn)換為電能。環(huán)保船將不再使用傳統(tǒng)的船用 C級(jí)重油作燃料,而改用環(huán)保性能更高的燃料,可提升燃料效能 41%,減少 45%二氧化碳排放量,同時(shí)大幅降低氮氧化物和硫氧化物排放。

(二)新型能源船舶動(dòng)力裝置的綠色技術(shù)研發(fā)

1.燃料電池動(dòng)力推進(jìn)裝置

燃料電池是將燃料 (如氫、天然氣、丙烷和甲醇等)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)電裝置。燃料電池動(dòng)力單元結(jié)合了新型電子技術(shù)、電子動(dòng)力以及控制系統(tǒng)技術(shù)。燃料電池應(yīng)用到船舶之上具有柴油機(jī)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),一是應(yīng)用燃料電池的船舶將比現(xiàn)有的柴油機(jī)推進(jìn)船舶的效率提高50%,且實(shí)現(xiàn)零污染排放;二是使用燃料電池不會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng),將提高乘客的舒適感,并大大改善船員的工作環(huán)境;三是燃料電池的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,可移動(dòng)部件較少,因此維護(hù)方面的投入將大大減少;四是燃料電池是標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì),可以更加方便合理地利用船上空間。目前雖然燃料電池的使用存在初期投入成本較高的問(wèn)題,這也間接地制約了燃料電池的廣泛使用,但由于燃料電池的燃料消耗低以及燃料電池運(yùn)行成本較低,可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)燃料電池動(dòng)力一定有廣闊的發(fā)展前景。

2.復(fù)合能源動(dòng)力技術(shù)

所謂復(fù)合能源動(dòng)力技術(shù)就是將各種可再生能源、清潔能源和傳統(tǒng)能源相結(jié)合綜合運(yùn)用在船舶動(dòng)力上,這樣既可以逐漸減少對(duì)于傳統(tǒng)能源的依賴,又可為今后完全使用再生能源、循環(huán)資源、從而實(shí)現(xiàn)零污染、零排放的綠色船舶動(dòng)力探索技術(shù)的可行性。在目前技術(shù)條件下,一般以傳統(tǒng)能源動(dòng)力裝置為主,而以其它各種能源動(dòng)力裝置作為動(dòng)力的補(bǔ)充。世界上一些造船發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面已經(jīng)有了實(shí)船的應(yīng)用。

法國(guó)設(shè)計(jì)出的環(huán)保游輪主要使用液化天然氣作為動(dòng)力燃料,此外,為減少溫室氣體排放量,輔以使用可再生能源,桅桿上的風(fēng)帆在為船舶提供風(fēng)能動(dòng)力的同時(shí),能將收集的空氣導(dǎo)入船底產(chǎn)生氣泡形成氣墊,從而減少船體阻力,提高船舶水動(dòng)力性能。同時(shí),船上還安裝了太陽(yáng)能電池板為船舶供電。其設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的理念。

日本郵輪公司的“超級(jí)生態(tài) 2030”集裝箱船集最佳能源與動(dòng)力組合,利用液化天然氣、太陽(yáng)帆,風(fēng)帆以及環(huán)保電池提供動(dòng)力。該船設(shè)計(jì)以環(huán)保為主導(dǎo),突出再生能源的應(yīng)用,通過(guò)這種新設(shè)計(jì),預(yù)計(jì)整體二氧化碳排量可降低 70%。這將成為未來(lái)新一代船舶的主流。預(yù)計(jì)該船于 2030年正式面世。

我國(guó)中遠(yuǎn)集團(tuán)也與澳洲環(huán)保公司合作,嘗試在其船隊(duì)的一艘散貨輪與油輪上安裝由澳洲研制的太陽(yáng)能風(fēng)帆。該太陽(yáng)能風(fēng)帆由鋁制成,每張高30米,相當(dāng)于一面波音客機(jī)機(jī)翼的長(zhǎng)度。該帆能夠自動(dòng)偵測(cè)風(fēng)向和太陽(yáng)光而調(diào)整最佳的角度,船舶可借風(fēng)力推動(dòng),預(yù)計(jì)可節(jié)省二成至四成的燃油消耗,同時(shí)可為船上設(shè)備提供 5%的總電力。

四、綠色船舶動(dòng)力技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

綠色船舶動(dòng)力技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向就是向完全使用再生能源、循環(huán)資源、從而實(shí)現(xiàn)零污染、零排放的最終目標(biāo)而努力。自然界提供的太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能、潮汐能等等,都是未來(lái)綠色船舶動(dòng)力技術(shù)可供使用的可再生能源。

太陽(yáng)能可以通過(guò)太陽(yáng)帆吸收并轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能電池板的電能直接使用或儲(chǔ)存起來(lái),太陽(yáng)帆還可調(diào)整角度以吸收更多的太陽(yáng)能。

日本在太陽(yáng)能船舶動(dòng)力方面進(jìn)行了積極地探索,在 2008年就研制出了全球首個(gè)以太陽(yáng)能為動(dòng)力的大型貨船“御夫座領(lǐng)袖”。該船長(zhǎng) 200米,排水量達(dá) 60213噸,研制出的太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)安裝有 328個(gè)太陽(yáng)能電池板,供電量可達(dá) 40千瓦 /時(shí)。“御夫座領(lǐng)袖”號(hào)貨船上的太陽(yáng)能電池板發(fā)電能力很強(qiáng),即使在陰天,也能產(chǎn)生足夠的能量,并且把多出的能量?jī)?chǔ)存下來(lái)。等到完全黑暗的時(shí)候,貨船可利用儲(chǔ)存的那部分能量繼續(xù)航行。此外,“御夫座領(lǐng)袖”號(hào)太陽(yáng)能貨船的駕駛艙內(nèi)還安裝有先進(jìn)的電腦控制系統(tǒng),能夠合理地安排電池的電量,最大限度地提升貨船的續(xù)航能力。

風(fēng)能可通過(guò)由輕質(zhì)材料制成的風(fēng)帆獲得,風(fēng)帆的方位可以根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)力自動(dòng)調(diào)節(jié),從而產(chǎn)生船舶所需的拖拽力。另外利用風(fēng)能發(fā)電也能為船舶提供動(dòng)力。

波浪能和潮汐能可以通過(guò)合理布置減搖鰭,調(diào)整波浪與減搖鰭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)吸收能量并將其轉(zhuǎn)化為其它形式的能量作用在減搖鰭上來(lái)推船前進(jìn)。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述,“綠色”技術(shù)是船舶動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),盡管在發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中還存在著許多認(rèn)識(shí)上的不足和技術(shù)上的難題,但隨著人類環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)和科技水平的不斷提高,相信在不久的將來(lái),一定能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的零污染、零排放的終極目標(biāo)。

參考文獻(xiàn):

[1]王傳榮.綠色船舶發(fā)展現(xiàn)狀及方向分析 [EB/OL].(2008-11-17).http://www.shipol.com.cn/document/20081117092538299068.pdf.

[2]韓光,劉嘯波.歐洲船舶工業(yè)的低碳行動(dòng) [J].中國(guó)船檢,2010,(6).

[3]韓光,劉嘯波.日韓船舶工業(yè)綠色風(fēng)向 [J].中國(guó)船檢,2010,(7).

[4]李積軒.綠色船舶世界航運(yùn)業(yè)發(fā)展主旋律 [N].中國(guó)水運(yùn)報(bào),2010-06-04(8).