氨作为船用零排放燃料的优势、可行性与挑战分析

於晓川 万晓跃

一、背景

2018年4月，国际海事组织（IMO）环境保护委员会（MEPC）第72届会议通过了《国际海事组织温室气体减排初步战略》，提出到2050年国际航运温室气体排放总量比2008年减少至少50%、CO2的排放强度（即单位运输工作CO2的排放量）减少至少70%的目标，同时也提出了到2030年将二氧化碳的排放强度减少40%的目标[1]。为了实现这一战略目标，必须从技术和营运方面提高船舶的能效。但从目前来看，只采取这类措施是远远不够的，必须调整船用推进燃料的结构，将低碳或碳中和燃料加入组合，降低甚至放弃石化燃料在船舶上的使用。

目前，可用于航运的替代燃料有许多，如液化天然气（LNG）、甲醇、二甲醚、乙醇、液化石油气（LPG）、生物柴油、液化沼气（LBG）等。现阶段，LNG是最常用的替代燃料。要减少国际航运业的温室气体排放，需从船舶推进燃料的全生命周期着眼，包括燃料的原料来源、生产方式、运输、加注和存储等多个环节。从这个视角看，上述燃料难以实现减少70%的排放强度的目标，有些替代燃料反而会在全生命周期内增加温室气体的排放，比如由天然气生产的甲醇会使温室气体排放量增加几个百分点，生物燃料在生产和运输的过程中也将导致温室气体排放。但是，通过可再生一次能源生产的二次能源，比如氢、氨等，可以实现减排目标。能够使温室气体减排近100%的选择还包括核裂变反应堆以及船上碳捕获与储存（CCS）。前者具有争议性且属于资本密集型产业，而后者复杂、昂贵和庞大，依赖港口的接收设施。本文分析氨作为船舶零排放燃料的优势、可行性与挑战，对氨作为船舶替代燃料的应用前景进行初步探讨。

二、氨作为船用零排放燃料的优势

1.较高的能量密度

氨（NH3）在通常状况下是一种无色气体，比空气密度小。其沸点为-33.3 ℃，因此通过施加中等压力，可以在室温下将其作为液体处理。在20 ℃、压强大于8.6巴时，液体氨的密度为0.61吨/立方米，在沸点时其密度为0.68吨/立方米。在较低的热值基础上，氨的热值为18.6兆焦/千克。因此，与船用轻柴油（MGO）相比，获得相同能量所需的液态氨质量大于船用轻柴油的两倍，体积约为船用汽油的三倍。

氨的主要优点是比氢更容易储存，在低压环境下的特性与丙烷（LPG）几乎相同，因此每能源单位的储存成本比氢、电池中的电力或LNG低很多。氨在C型罐中储存时，与MGO、LPG以及氢的体积能量密度比较见表1。虽然氨的能量含量比氢气低，但考虑到燃料的密度，氨比氢（包括压缩氢、液态氢）储存同等能量所需的体积小，但与MGO和LPG相比，空间要求明显更大。

表1 在较低热值基础上氨、MGO、LPG以及氢的体积能量密度

2.广泛低廉的原材料

氨的化学结构如图1所示，是由氮和氢元素构成的。合成氨的原料氮气来自于空气（通过分馏液态空气取得），氢可以通过电解水或者天然气裂解获得，因此生产氨的原材料获取途径广泛，成本比较低廉。钢铁制造过程中产生的各种气体，包括氢、一氧化碳和氮的混合物，已经被证明可以用作合成氨的原料。比如可以从焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气中分离出氢气。生物质或煤也可以转化为氨。

图1 氨（NH3）的化学结构

3.成熟的制取氨的技术

目前合成氨的方法有低压法、中压法、高压法。基于哈伯-博世制氨方法，主要的氨合成工艺有[2]美国 KBR 工艺、丹麦托普索工艺、瑞士卡萨利工艺等。

（1）KBR 工艺一般多用在以天然气为原料的大型合成氨装置中，也在煤化工中被广泛应用，采用卧式径向流氨合成塔内件，组合氨冷系统制冷。

（2）托普索是合成氨工艺技术专利商中的领导者，拥有 1990 年后新建设的所有合成氨装置总产能50%的市场份额。

（3）瑞士卡萨利公司的氨合成工艺是中国应用最多的一种先进氨合成技术。

三、可行性

1.使用氨作为燃料的发动机技术研究

第二次世界大战期间，燃料匮乏的比利时成功地在1941—1942年冬季的100辆汽车和从1943年起的8辆公交车上应用了氨和压缩的混合煤气（主要是氢气和一氧化碳）。虽然氨的能量含量很低，但因为不生成二氧化碳，发动机消耗的空气少。

2.经济方面的可行性

随着风能、太阳能、潮汐能等清洁的一次能源制造技术的不断进步，清洁电能不断增多，为通过绿色能源生产氨提供了可靠的支撑。

四、使用氨作为船舶燃料面临的挑战

氨作为船舶燃料存在具有毒性、内燃机应用经验有限、能源利用率低等缺点。

1.毒性

氨是一种基本化合物，具有明显的刺鼻和令人窒息的气味。人类的典型检出限变化很大，从0.04/10-6到53/10-6，平均值为17/10-6。美国职业安全与健康管理局（OSHA）规定，8小时内接触氨的浓度上限为25/10-6，15分钟接触氨的浓度上限为35/10-6。欧盟相应的极限浓度为20/10-6和50/10-6。OSHA规定，在不产生不可逆健康影响的情况下，人们可接触的氨浓度水平为300/10-6。

氨对铜、铜合金、锌等材料有腐蚀性，在选用材料时要特别注意。众所周知，氨会引起碳锰钢和镍钢的应力腐蚀。此外，液氨中的溶解氧增加了应力腐蚀风险。

《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》16.9.2章规定不允许使用有毒货物作为燃料，因此氨货物不能作为燃料。如果船旗国与国际海事组织联合采取行动，这将是一个可以克服的监管障碍。对于其他船舶，氨作为燃料的使用必须通过符合IGF规则的替代方案来实施。

2.船舶设备的改造

由于氨具有毒性，在人员经常存在的船舶空间以及在火灾风险高的区域使用时，必须使用双层管道作为二级安全壳，并且安装氨探测器，如果有任何泄漏，应在燃料到达有人区域之前将其控制在二级安全壳内。同时，从表1可以看出，相比燃油，满足相同的船舶营运需要的能量，使用氨作为燃料，将需要2倍以上的存储空间，这将减少船舶装载货物或乘客的空间，提高船舶的营运成本。

3.基础设施投入较大

要使氨成为一种具有吸引力的无碳海运燃料，生产过程中产生的排放必须低于目前使用的天然气燃料。这将需要扩大可再生氨（基于可再生电力的电解）的生产能力，或者将天然气的氨生产与碳捕获和存储（CCS）结合起来。目前，只有1%的氢气是通过电解生产的，而采用CCS技术生产氨的情况尚不清楚。

效率的降低和资本支出的增加将使通过煤制氨比通过天然气制氨成本更高。由风能等可再生能源生产的可再生氨也将比天然气原料更昂贵。

根据这些估计可知，目前可再生氨的价格将在650至850美元/吨的范围内，但来自风能和太阳能的可再生能源的电价在不同的地方会有差异。我们可以合理地预期，可再生电力的价格会随着时间的推移而降低，电解的资本支出也会在一定程度上减少。因此，可再生氨在价格上将变得更具竞争力。

4.与其他部门竞争的挑战

根据欧洲政策研究中心的数据，全球生产的氨80%被用于制作化肥，剩下的用于制作炸药、塑料、合成纤维、合成树脂、制冷剂以及硝酸等化学物质。在2008年，世界人口消耗的近一半粮食，是通过氨及氨作为原料的肥料生产出来的。在全世界现有氨产能下，大量使用氨作为船舶燃料将与粮食生产竞争，造成严重的社会经济后果，因此，必须考虑到化肥供应、化肥年产量和可用性。

相比之下，2012年所有船舶的燃料消耗估计为3亿吨，相当于6.5亿吨氨。由于船舶燃料的需求预计还会进一步增加，目前的氨产量只能满足海运燃料需求的一小部分。

然而，由于需要建设可再生氨或采用CCS技术的天然气氨的新产能，与供应所有可再生能源氨相关的投资成本将是巨大的。生产上述的6.5亿吨氨，将需要大约6 500太瓦时的可再生电力——这相当于中国今天的总发电量。只有当足够多的风能、太阳能或水力发电等可再生能源用于生产氨时，氨的优势（将使温室气体排放接近于零）才会显现出来。

生产氨所需的额外可再生电力将与其他部门，特别是电力部门的脱碳努力相竞争。如果可再生能源可以取代煤炭发电，那么将比使用可再生能源制造氨来取代石油为基础的海运燃料（每能源单位的排放量比煤炭低）减少更多的排放。

5.氮氧化物的排放

此外，氨在船舶上作为燃料使用，还必然带来氮氧化物的排放，这样的排放还要受到《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》的制约。同时，在不充分燃烧时，还能产生一氧化二氮，而一氧化二氮是一种比二氧化碳温室效应更高的气体。

五、结语

氨是一种无碳燃料，可以在国际航运业的脱碳过程中发挥重要作用，其应用前景是非常广阔的。氨尽管有毒性，而且能量密度比目前使用的石油基燃料要低，但比氢更有利，未来在具有改装内燃机和低压燃料箱的货船上可能是一种合适的选择。

现有的氨的生产能力需要大力发展，以确保其潜力得以实现。目前通过可再生能源生产的氨的成本至少是2019年极低硫燃油成本的两倍，这是使用这种燃料的一个障碍。而成本主要取决于可再生能源电价和资本支出，预期未来可能会下降。

氨作为燃料在国际航行船舶的广泛应用，需要相关主管机关、行业组织的共同努力，同时需要其他行业的配合和支持。我们相信，随着巴黎协定关于大气温升目标截止时间的临近，现在的障碍都会在未来的发展中逐渐解决。