高压双燃料船用发动机在50%最大持续功率下船载对比重质燃油与液化天然气排放：对可持续航运的启示

《Sustainability》：Onboard Comparison of HFO and LNG Emissions in a High-Pressure Dual-Fuel Marine Engine at 50% MCR: Implications for Sustainable Shipping

　　

海运是全球供应链的重要组成部分，但降低其大气排放对提升航运环境可持续性仍至关重要。研究人员分析了MV Ilshin Green Iris轮在真实工况下报告的船载排放数据，评估燃料选择如何影响双燃料船用推进系统的直接排放表现。该船配备采用高压双燃料（HPDF）技术的MAN B&W 6G50ME-C9.5-GI发动机，在50%最大持续功率（MCR）下对重质燃油（HFO）与液化天然气（LNG）进行定量比较。在50% MCR时，相较HFO，LNG使CO2排放降低27.0%、NOx降低20.7%、CO降低18.2%，PM指示性降低约69%（因缺乏完整PM不确定度预算，精确幅度不确定）。900秒测量期内CO2质量估算减少154 kg。LNG运行时50% MCR比甲烷（CH4）排放约0.6 g/kWh，取化石CH4百年全球变暖潜势29.8，相当于约17.9 g CO2-eq/kWh，约为该工况HFO与LNG直接CO2减排量的10.5%。结果代表所分析稳定工况点而非全运行剖面。研究主要贡献是对同一HPDF船用发动机HFO与LNG排放的结构化等负荷分析，结合测量比排放、基于能量的质量估算、甲烷相关限制、数据质量考量及法规与可持续性意涵，为在可用数据限度内评估燃料相关差异提供一致基础。

研究背景与动机

海运承载全球货运大宗，但船舶燃烧重质燃油（HFO）等化石燃料释放CO₂、NOx、SOx、颗粒物（PM）、CO、未燃烃（UHC）与甲烷（CH₄），影响气候与港岸空气质量。既有排放评估多依赖厂商规格、台架试验、额定功率与AIS模型，难以反映真实航次动态负荷。国际海事组织（IMO）MARPOL Annex VI、Tier II/III、EEXI、CII与欧盟MRV、EU ETS、FuelEU Maritime等正向实际排放与well-to-wake（从油井到尾流）核算转型。在此背景下，研究人员针对同一高压双燃料（HPDF）二冲程主机在等负荷点对HFO与LNG做船载比对，以厘清燃料切换的直接环境收益及甲烷抵消效应，论文发表于《Sustainability》。

主要技术方法

研究人员采用Lee等报告的MV Ilshin Green Iris轮（50,655 DWT散货船，配MAN B&W 6G50ME-C9.5-GI二冲程HPDF主机，MCR 7250 kW）在东海至光阳商业航次中、稳定50% MCR（名义功率3625 kW）连续900秒船载测量数据集。以文献报道的比排放（g/kWh）为基准，乘参考能量906.25 kWh得污染物质量估算；相对减排按（HFO-LNG）/HFO计算；NOx对照MARPOL Tier I/II/III（转速88.7 rpm对应限值17.0/14.4/3.4 g/kWh）做诊断比对；CH₄按IPCC AR6 GWP100=29.8折算CO₂-eq。数据质量方面仅用稳定工况点，以PMI与船监记录做一致性核查，不传播分析仪厂商标称不确定度，PM减排作指示性点估计。

研究结果

3.1 排放计算运行基础：明确结果分三层——测量比排放、900秒质量估算、小时外推；仅首层来自船载测量，后两层为分析变换，且只代表50% MCR稳定点。

3.2 50% MCR下HFO与LNG排放比对与质量解释：LNG比HFO的CO₂ 630→460 g/kWh（降27.0%），NOx 16.4→13.0 g/kWh（降20.7%），CO降18.2%，PM指示性0.87→0.27 g/kWh（约降69%）；900秒CO₂估减154 kg。结论：同机同负荷下LNG直接CO₂、NOx、CO、PM均更低，PM幅度受不确定度限制。

3.3 与MARPOL NOx参考值诊断比对：HFO NOx超Tier II参考值13.9%，LNG低于Tier II参考值9.7%，但仍为Tier III限值3.8倍。结论：燃料切换改善NOx剖面但单靠换LNG不足以满足Tier III，需SCR/EGR等后处理；单点测量非法定认证。

讨论浓缩

燃料组成解释减排：LNG碳分数84.3%→75.2%、氢分数11.1%→24.5%、无硫，致单位化学能碳输入少、无硫酸盐PM。NOx降20.7%源于该点火焰温度、引燃油、负荷等综合，非全负荷固有属性；CO降反映该点氧化条件。跨研究比对：Kuittinen等四冲程低压双燃料（LPDF）邮轮PM降87–93%、CH₄ 2.3–3.0 g/kWh，本HPDF 0.6 g/kWh更低，印证高压柴油循环甲烷逃逸少于低压预混。法规意涵：LNG降直接CO₂利于EEXI/CII/EU ETS，但FuelEU Maritime取well-to-wake，故生命周期与甲烷须计入；港泊hotelling辅机排放占主导（Split港班轮靠泊占NOx 90.1%、PM_2.5 78%），需岸电（OPS）与靠泊优化。甲烷气候项：0.6 g/kWh CH₄≈17.9 g CO₂-eq/kWh，抵消50% MCR直接CO₂减排约10.5%，且仅限稳定点，低负荷逃逸更高。LNG属过渡燃料非终极脱碳解。

结论翻译

研究显示真实工况船载数据可支撑航运排放评估，但单点短时测量有限度。MV Ilshin Green Iris在50% MCR下LNG较HFO比排放CO₂降27.0%、NOx降20.7%、CO降18.2%、PM指示性降约69%（无完整不确定度预算），900秒CO₂质量估减154 kg；该点HFO NOx超Tier II参考13.9%、LNG低9.7%，仅为诊断非法定合规判定。LNG在此点直接CO₂/NOx/PM/CO更低，但CH₄约0.6 g/kWh（≈17.9 g CO₂-eq/kWh，抵直接CO₂减排10.5%），故甲烷须纳入全生命周期评估。LNG应视过渡燃料；减排需多准则（CO₂、NOx、PM、SOx、CO、CH₄）并配合岸电与能效。主要科学贡献为同HPDF主机同50% MCR等负荷HFO–LNG集成分析框架。局限在单船、单机型、单稳定点，后续需变负荷、长时程、PMI时间分辨功率、负荷分辨CH₄与PM不确定度量化。