1引言
随着我国“双碳”目标的提出和排放法规的更新，甲醇作为新型可替代燃料深受关注。甲醇燃料具备储存运输便捷、基础设施改造费用低等优势。与重油相比甲醇燃烧可减少99%SOx排放、60%NOx排放、95%颗粒物排放。2023年全球甲醇双燃料动力集装箱船订单72艘，液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)双燃料动力集装箱船订单43艘，甲醇双燃料动力集装箱船订单规模已全面超过LNG双燃料动力集装箱船。因此，特进行甲醇燃料船舶应用现状研究，为甲醇燃料在船舶领域的发展提供参考。
2甲醇燃料的基本信息
2.1甲醇的理化特性
甲醇、LNG、柴油、汽油属于船舶燃料，由表1可知甲醇与其他船舶燃料的理化特性存在较大差异。
CO2排放量小：甲醇C质量分数为37.5%，远小于LNG、汽油、柴油。
相同输出功率下，使用甲醇燃料的体积约为柴油的2倍：甲醇的低热值为20KJ/kg，约为柴油热值的一半。
甲醇双燃料发动机充气效率高、动力性好，但冷启动和低负载时运行困难：甲醇汽化潜热较高为1089KJ/kg，甲醇燃料相变吸收大量热量，使得进气温度降低，充气效率更高。同时燃烧后气缸内冷却速率更快，发动机动力性强．。但在冷启动或低负载时缸内温度时常低于甲醇自燃点（465℃），导致发动机启动困难。
甲醇发动机选择运转的工况有较大自由度、安全性高：甲醇着火界限较宽且着火下限较高，故甲醇混合气燃烧浓度范围较大，具有良好的稀燃性和安全性，适用于稀薄燃烧。
甲醇双燃料发动机发火性能差：甲醇的十六烷值低，十六烷值是衡量燃料在压燃式发动机发火性能的指标，需采用引燃油引燃甲醇燃料。
2.2甲醇的制备
甲醇根据其不同的原料和制备方式，分为绿色、蓝色、黑色或灰色甲醇
。绿色甲醇分为电制甲醇和生物质甲醇。电制甲醇是利用太阳能、风能等可再生能源获得绿色电力，电解水制绿氢，将绿氢加可再生二氧化碳转化生产的甲醇；生物质甲醇是将农、林废弃物，禽畜粪便等生物质发酵生产沼气后用沼气生产的甲醇。灰色甲醇以天然气为原材料，使用蒸汽重整天然气制备甲醇。蓝色甲醇在灰色甲醇的制备基础上采用碳捕集与封存技术来捕获生产中排放的CO2。黑色（或棕色）甲醇以煤炭为原料，主要集中在中国。
2.3绿色甲醇经济性分析
目前，我国甲醇主要以灰色甲醇为主。绿色甲醇未被广泛应用，根本原因在于我国仍未核算其全生命周期碳排放。从甲醇燃料生产所需的生产成本和碳排放相关费用入手，研究制备绿色甲醇的成本，与灰色甲醇进行对比并分析其经济性。
甲醇生产成本包含固定资产折旧费用和运行成本，其中原材料价格对甲醇制备成本影响较大。电制甲醇成本取决于绿电价格；生物质制甲醇主要选取秸秆作为生物质原料，秸秆成本约600元/吨 ，价格波动较小；灰色甲醇的成本取决于煤炭、天然气价格．。
欧盟发布航海碳税征收政策，针对船舶燃油排放的CO2进行征税．。所有类型的甲醇燃料“tank-to-wake”（从油箱到尾流）的CO2排放量相同，灰色甲醇“well-to-wake”（从油井到尾流）的CO2排放比绿色、蓝色甲醇更严重。全国碳交易市场最新碳均价约为94元/吨，每吨灰色甲醇二氧化碳排放约为3吨，每吨绿色甲醇消耗二氧化碳约为1.4吨，故灰色甲醇碳交易支出为282元/吨，绿色甲醇碳交易收益为132元/吨．。表2为绿色甲醇和灰色甲醇生产成本对比。
2024年3月环渤海动力煤价格约为725元/吨，绿电价格约为0.46元/度。结合原料和碳税成本，由插入法得到目前灰色甲醇成本约为2482元/吨，电制甲醇成本约为5068元/吨，生物质甲醇成本约为3068元/吨。因此灰色甲醇成本最低，电制甲醇制备过程中CO2空气捕获成本和绿电价格较高，导致生产成本高于灰色甲醇和生物质甲醇，当绿电价格低于0.2元/度时，电制甲醇的优势将大于灰色甲醇。
3甲醇燃料船舶发动机技术
3.1国外甲醇燃料船舶发动机技术
目前国外柴油/甲醇双燃料发动机研究主要以MAN与Wärtsilä为代表，分别开发四冲程和二冲程压燃式发动机，均采用甲醇缸内直喷和燃油微引燃的压燃方式。
3.1.1MAN二冲程甲醇发动机
MAN研发的甲醇发动机ME-LGIM基于纯柴油发动机燃烧原理，动力输出和效率可达到ME-C燃油发动机水平。负载最大时，甲醇的喷入占比约为95%．。此外，甲醇供应系统加入注水单元，替代选择性催化还原系统和废气再循环系统，使NOX排放达Tier Ⅲ标准。图1为ME-LGIM燃料供应系统。
ME-LGIM甲醇供应系统主要包括储存罐、泵单元、燃料阀组、注水单元、吹扫回流系统。储存罐分为排水/净化隔间和供应隔间，两者通过溢出隔板连接，系统中产生的废液、废气回收至排水/净化隔间，净化后重新利用。低压泵将储存罐中的燃料抽出，由高压泵增压至13bar，加热器/冷却器调节燃料温度，确保燃料进入甲醇喷射器（Fuel Booster Injection Valve Methanol，FBIV-M）前不产生气蚀。燃料阀组与发动机通过双壁管连接，双壁管上安装CH、FS传感器，监测甲醇泄露情况。注水单元主要由泵、过滤器和压力变送器组成，由电控系统控制将适量的水注入燃料阀组中并与甲醇按一定比例混合，以达到减少NOX排放的目的。吹扫回流系统为整个系统提供氮气，在甲醇燃料通入前后进行扫气和气体惰化。
ME-LGIM发动机的缸盖上安装柴油、甲醇喷油嘴，柴油、甲醇通过不同的喷油嘴喷入缸内，图2为MAN喷射系统。FBIV-M设计为批量喷射器，液压驱动的柱塞泵可将甲醇加压至60Mpa，并与弹簧固定的喷射针阀相结合，当燃油压力达到设定值时针阀打开。吸入阀可确保每次冲程后泵腔都能充满甲醇。密封油可防止液压油和甲醇混合，使用后的密封油回收到单独油箱，防止潜在的甲醇污染。
3.1.2Wärtsilä四冲程甲醇发动机
Wärtsilä开发的MethanolPac是甲醇专用燃料供应系统，图3为Wärtsilä甲醇燃料供给系统。
60Mpa。冷却器控制甲醇温度，防止阀门维护或紧急停机时甲醇流动。氮气发生器用于扫气和惰化。双壁管上设有压力变送器和液位开关，调控燃料供应参数。密封油和控制油装置中输送两股油流，控制油用于执行发动机控制功能，密封油压力达70Mpa，用于防甲醇泄露和喷嘴润滑。
Wärtsilä采用集成式喷射器，甲醇和柴油通过同一喷射器喷入气缸并压燃，图4为Wärtsilä甲醇喷射系统。液压系统中液压油压为35Mpa，控制甲醇喷射器的开关，引燃油由柱塞泵加压至130Mpa。
3.2国内甲醇燃料船舶发动机技术
目前我国船用甲醇发动机的研发和推广正在稳步进行中，天津大学姚春德等人通过在玉柴YC6MK350DM-C20船用发动机进气道安装甲醇远端喷射装置，实现了柴油/甲醇双燃料燃烧，甲醇最高替代率为55.21%。中国船舶中船已具备甲醇双燃料主机生产建造的能力，2024年其研发的甲醇双燃料低速机6G50ME-C9.6-LGIM-EGRB实现了双燃料模式供给和动车运行。2024年中国船舶七一一所、潍柴等甲醇发动机产品已有实船订单，七一一所研发的甲醇燃料中速机CS21DF-M首次实现甲醇替代率超90% 。
4甲醇燃料应用注意事项
4.1甲醇毒性
甲醇具有和汽油相似的毒性。皮肤接触或吸入低浓度甲醇会导致身体不适，口服甲醇或吸入高浓度甲醇都十分危险，甚至危及生命。口服甲醇中毒最低剂量约为100mg/kg（体重），口服0.3～1g/kg（体重）可致死。甲醇无色、酒精味易被误饮，在甲醇存放处需贴好危险标识起到警示作用，以防未佩戴个人防护装备直接接触或误饮甲醇溶液危害生命健康。
4.2甲醇燃爆性
甲醇的闪点低且极易挥发燃烧，船舶内部温度通常超过甲醇的闪点，高温情况下可能会产生易燃气体，如果遇到火花可能会引发爆炸。因此在设计船舶甲醇系统时需要着重考虑甲醇监测、控制、消防等安全系统设计。为避免甲醇泄露风险，甲醇日用柜被露天放置于甲板上，船舱内甲醇管路采用双壁管，内充氮气，外装压力传感器以实时监控泄漏，一旦泄漏，即刻关闭阀门停止供料。
4.3溶胀腐蚀性
甲醇燃料燃烧过程中会生成甲酸、甲醛和水等液态残余物，其酸性强于汽油燃烧产物的酸性。极易对金属特别是铁和铜造成腐蚀，使用甲醇燃料时需采用抗腐蚀材料。中国船级社发布《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了明确规定，其中铝合金、镀锌钢等不能用于含甲醇的系统，而奥氏不锈钢、双相不锈钢等可用于含甲醇的系统。
4.4冷启动困难
甲醇汽化潜热高、自燃温度高等理化性质导致甲醇发动机冷启动困难。可采用助燃方法辅助甲醇燃料点火和燃烧，例如火花助燃法、热面助燃法。但缸盖上增加助燃元件结构变复杂，受甲醇冷却的影响元件寿命短、可靠性较差；燃料中添加助燃剂也可改善发火性能，实验表明，在-10℃下M100甲醇燃料发动机中加12%烃类添加剂，甲醇发动机可正常起动，但这种方法点火时刻难以控制。目前以上两种方式仅在研究中采用，实际中得到广泛应用的措施有甲醇柴油乳化法，以及将甲醇从进气道吸入或高温熏蒸法使甲醇形成混合气，并在气缸内与柴油一起燃烧，此方法通过提高进气温度改善冷起动燃烧。
4.5发动机噪音振动大
柴油/甲醇双燃料发动机通常使用柴油作为引燃燃料，将柴油注入甲醇空气混合气中引发燃烧。研究显示，混合燃料中甲醇燃料超过一定比例时，发动机很容易产生有“敲缸”声的爆震现象，燃烧过程更加剧烈，发动机运行更加粗暴．。此外柴油/甲醇双燃料发动机的压缩比对爆震现象也有影响，低高转速工况下，压缩比为16时，爆震强度为0.34；中转速工况下，压缩比为18时，爆震强度为0.47．。
采用“预喷+主喷”的控制策略可解决甲醇双燃料发动机运行噪音大、振动大的问题，该策略为提前在缸内喷入少量燃料引发小规模预燃，以形成良好的燃烧环境，随后再喷入大量燃料燃烧以实现做功。姚春德、姚鑫、李阳阳等将预喷策略应用到柴油/甲醇双燃料发动机中，通过控制预喷参数，研究其燃烧和排放特性。
4.6甲醛排放
柴油/甲醇双燃料发动机的甲醛排放量比传统燃料发动机高得多。纯柴油模式下，尾气中甲醛含量约为7mg/m³。喷入甲醇后，尾气中甲醛含量急剧增加，甲醇替代率10%、冷却水温为60℃时，尾气中甲醛含量约为113.4mg/m³。甲醛浓度为0.5mg/m³，刺激眼睛引起流泪。甲醛浓度为0.6mg/m³，引起咽喉不适或疼痛。甲醛的浓度为30mg/m³时，将致人死亡。因此需要通过一些手段控制甲醛的排放量。
甲醇柴油双燃料发动机中甲醛的来源主要有两方面：一是缸内甲醇不完全燃烧生成甲醛；二是尾气中未燃甲醇在排气管中氧化生成甲醛。增加中冷却水温度可有效减少甲醛排放，研究显示40%甲醇替代率下，冷却水温度由60℃升高至90℃时，甲醛降幅达到了26.6%。采用后处理装置可净化尾气中的甲醛，安装后处理装置甲醛浓度约为3mg/m³，净化率为96.6%．。
4.7甲醇燃料对气缸油和润滑油的要求
甲醇燃烧后产生的酸性物质会随燃料流入润滑油中，导致油品碱值迅速降低，造成发动机活塞环和气缸壁腐蚀磨损。甲醇双燃料发动机的润滑油需选择适合发动机要求的具有良好碱值保持能力、酸中和能力、腐蚀抑制能力和抗磨性能的专用润滑油。甲醇燃烧后产生大量水分，故润滑油需具有优秀的分水及抗乳化性能。甲醇发动机启动时易形成未燃烧的冷甲醇，与润滑油混合使润滑油黏度下降，从而影响润滑油的润滑性能，故润滑油的黏度需适合甲醇发动机。在最新的气缸油指南中，甲醇低速机推荐使用低碱值气缸油。气缸油不参与润滑油的循环系统。中高速船用发动机并不使用气缸油，而是使用系统的润滑油来润滑活塞及气缸套．。
5绿色甲醇燃料目前存在的问题
5.1行业标准不完善
甲醇作为新型可替代燃料，行业标准、指导文件不完善。国际海事组织于2017年生效的《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF规则）主要是针对LNG船舶应用，大部分规则并不适用于甲醇燃料。目前各船级社出台的甲醇/乙醇等替代燃料指导文件，以IGF为基础，指导文件的相关规定的正确性和合理性需在船舶设计、建造、营运过程中进行验证。
5.2甲醇港口基础设施建设不完备
全球具备甲醇燃料装卸能力的港口约120多处，甲醇燃料加注码头的建设工作尚未大量开展。甲醇燃料加注设施建设简单，投资成本较少，在原有燃油加注设施基础上进行改进即可实现甲醇加注。当前航运业甲醇燃料船舶数量有限，甲醇加注需求小，因此许多船东对甲醇加注网点的建设仍有顾虑。
5.3绿色甲醇运输成本高
绿色甲醇生产地区通常选择在内蒙、甘肃等原料便宜的地区，而目前国内绿色甲醇加注港主要布置在天津港和上海港。甲醇产品需要从工厂装车运至码头，装船海运送至加注港，物流费用约为500-800元/吨，约占总成本比例的10%-20%。
5.4绿色甲醇的认证
部分船东对于绿色甲醇的定义存在偏差，许多船东使用灰色甲醇、利用碳捕获方式获得工业废气中的CO2生产的甲醇，此类甲醇可减少CO2排放，但前者在生产过程存在CO2排放，后者的排放存在不确定性，故这些甲醇不属于绿色甲醇。绿色甲醇须进行国际可持续发展与碳认证（International Sustainability & Carbon Certification，ISCC），ISCC是能够证明可持续性和温室气体节减的生物能源国际认证系统。
5.5船员培训资源匮乏
轮机管理人员需要了解船舶甲醇燃料加注、供给系统的结构和处理流程，掌握系统运行的关键操作。当前涉海类高校存在船舶甲醇燃料教学实训装置不足和购买费用过高等问题。因此，设计一套开发成本低并能完整模拟船舶甲醇燃料加注、供给实际功能的甲醇模拟器可有效提高船员培训质量。
6结论
(1) 甲醇发动机充气效率高，动力性强，工况选择自由度大，甲醇燃料储存所需的体积较大。
(2) MAN和Wärtsilä的甲醇发动机采用缸内直喷，MAN发动机采用甲醇注水排放可以满足Tier Ⅲ标准。国内甲醇发动机研究进展迅速，多个甲醇发动机产品已有实船订单。
(3) 甲醇燃料易爆炸易腐蚀且具有毒性，船员在使用过程中需做好防护措施并张贴危险品标识以示警醒。甲醇发动机冷启动困难，可采用柴油引燃进行改善 。甲醇发动机运行噪音、振动大，可采用“预喷+主喷”的控制策略加以改善。甲醇发动机排放物含有甲醛，可通过安装后处理装置对尾气进行净化。此外，甲醇燃料对气缸油和润滑油的选择具有严格要求。
（4）甲醇燃料船舶应用的技术规范和法律法规等相关文件不完善，需在实践过程中不断完善。船员甲醇船舶应用培训资源匮乏，可增强政府部门以及相关企业完善船舶甲醇燃料应用培训体系的积极性。此外，甲醇港口基础设施建设不完全，绿色甲醇生产地和消费地分离导致运输成本高昂，船东在绿色甲醇认知上的偏差等均是甲醇燃料船舶应用亟需解决的难题。
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