氨氢燃料 “驶” 向绿色海运：双重机遇与挑战并存

为解决海运业碳排放高的问题，研究人员开展氨作为船用双燃料技术的研究。他们分析超 300 项研究，发现氨双燃料可减碳，但有 NOx排放等问题。该研究为海运业脱碳提供方向，助力实现环保目标。

　　在全球倡导绿色发展的当下，海运业却因温室气体排放问题备受瞩目。随着国际间贸易往来日益频繁，海运承担着超过 80% 的世界国际贸易量，可它所产生的二氧化碳（CO₂）、氧化亚氮（N₂O）等温室气体排放也在不断攀升。国际海事组织（IMO）的研究显示，2012 - 2018 年间，船舶温室气体排放总量从 9.77 亿吨增至 10.76 亿吨，CO₂排放量也有所增加，海运业在全球 CO₂排放中的占比从 2.76% 升至 2.89% 。面对这一严峻形势，寻找清洁、高效的替代燃料迫在眉睫。在此背景下，氨凭借其无碳燃烧、高体积氢密度、易于储存和运输等优势，成为极具潜力的船用燃料新星，吸引了众多研究人员的目光。

韩国研究人员针对氨在船用双燃料技术中的应用展开了全面深入的研究。他们综合分析了 2001 - 2024 年间超过 300 项研究、实验数据，对氨在当前及未来海运领域作为双燃料发动机燃料的潜力进行了评估。研究发现，氨在降低碳排放方面表现出色，将其与柴油、氢气、生物柴油等燃料混合使用，能够显著减少 CO₂排放。但同时，氨的使用也带来了新的挑战，比如较高的 NO_x排放以及未燃烧氨的泄漏（氨滑移）等问题。不过，通过优化柴油喷射时间、控制氨能量比例等手段，可以在一定程度上缓解这些问题。这一研究成果对于推动海运业向绿色可持续方向发展意义重大，为实现 IMO 提出的 2050 年净零排放目标提供了新的思路和解决方案。该研究成果发表在《Fuel Processing Technology》杂志上。

在研究过程中，研究人员主要运用了文献综述、实验研究和数值模拟三种关键技术方法。他们广泛查阅了大量关于氨作为燃料的文献，梳理研究现状和趋势；进行了众多实验，如在不同发动机类型中测试氨与其他燃料的混合燃烧情况，获取实际燃烧和排放数据；还通过数值模拟，深入探究氨 - 柴油等双燃料的燃烧过程，分析各种因素对燃烧和排放的影响。

氨的特性

氨（NH₃）由一个氮原子和三个氢原子组成，具有诸多作为燃料的优势，如体积氢密度比液氢高 45% ，常温下加压至 10 巴或在 33°C、1 巴条件下即可储存，辛烷值高达 110 - 130 ，但也存在一些挑战。其低火焰传播速度、高自燃温度（约 651°C）以及窄可燃范围，给稳定点火和燃烧带来困难。此外，氨有毒且反应性强，国际法规对其储存和运输设施有严格规定。在储存和供应方面，氨体积能量密度较高，可存储于 Type C 或棱柱形罐中，运输时需压缩、冷藏或两者结合。

氨与传统化石燃料作为船用双燃料发动机的燃料

研究发现，氨与传统化石燃料混合作为船用双燃料发动机的燃料具有一定可行性。通过在 ScienceDirect 数据库搜索相关文献，发现近年来该领域研究呈上升趋势。将氨与柴油等传统燃料混合，可减少发动机改装成本，利用传统燃料较低的点火温度促进氨的燃烧。数值模拟和实验研究表明，优化喷射策略、控制氨比例等能提升发动机性能、减少排放。但增加氨比例会因能量密度低影响发动机性能，且燃烧时会产生较高的 NO_x和 N₂O 排放。

氨与替代燃料作为船用双燃料发动机的燃料

氨在不同类型发动机中的应用各有特点。在双燃料压缩点火（CI）发动机中，氨常作为辅助燃料，与柴油等配合使用，但受其低可燃性限制，替代主燃料的量有限；在火花点火（SI）发动机中，氨与标准汽油一起使用可减少 CO₂排放，其高辛烷值能改善燃烧特性，但也会导致 NO_x排放波动。与氢气混合可改善氨的燃烧特性，但会延长点火延迟期。

氨作为船用燃料电池技术的燃料

氨用于船用燃料电池技术具有潜力，但目前仍处于早期发展阶段。氨能量密度高于氢气，储存更简便，有望满足 IMO 排放目标。固体氧化物燃料电池（SOFCs）用于船舶有优势，但氨用于 SOFCs 面临储存空间大、加油间隔可能缩短、基础设施缺乏等问题。研究人员提出的氨燃料电池集成系统，可利用 SOFCs 的废热发电，提高系统效率。

NO_x排放

氨完全燃烧虽不产生 NO_x，但实际应用中其排放较高，主要源于氨的高氮含量。NO_x排放包括热 NO_x和燃料 NO_x，控制燃烧温度可减少热 NO_x形成。优化柴油引燃燃料喷射时间、控制氨喷射时间和比例等，有助于降低未燃烧氨和 N₂O 排放，但目前仅依靠先进的缸内控制难以达到 NO_x排放标准，还需结合废气处理方法。

研究结论与讨论

氨作为船用替代燃料前景广阔，能有效减少碳排放，助力海运业实现脱碳目标。通过调整发动机参数、添加辅助燃料等方式，可在一定程度上解决氨燃烧带来的问题。同时，现有排放控制技术可用于氨燃料船舶，如选择性催化还原（SCR）和废气再循环（EGR）技术。然而，氨作为船用燃料仍面临燃烧速度低、NO_x排放高等挑战，需要进一步研究分子相互作用、改进数值模拟模型等，以推动其广泛应用。这一研究为海运业的可持续发展提供了重要参考，有望引领海运业走向更加绿色环保的未来，在全球应对气候变化的行动中发挥积极作用。