燃料电池船舶混合动力系统能量管理研究综述

在“双碳”目标下,发展燃料电池船舶是实现航运业转型升级和低碳化的重要发展方向之一。面对当前燃料电池上船的诸多问题,混合动力系统成为燃料电池船舶应用的有效解决方案,其能量管理的研究也成为核心研究方向之一。系统梳理燃料电池船舶的发展概况,针对燃料电池船舶多类型能源能量管理中涉及的能量调度问题以及变换器功率分配问题进行综述;分析各类方法的优缺点及其在实船上应用的可能性;探讨燃料电池船舶推广可行性和发展方向,以期能为技术创新和工程应用提供参考。

氨作为船舶替代燃料技术发展及挑战

为满足航运业逐步提升的碳减排要求,对氨作为船舶替代燃料的技术发展及未来可行性进行分析。通过氨作为船用燃料产业链中制备、运输、利用等环节中涉及的核心技术现状研究,分析产业发展面临的问题,提出未来氨燃料船舶的发展面临的挑战并进行总结展望。研究表明,氨作为船舶替代燃料大规模推广应用还面临着技术成熟度不够、安全法规暂不完善、利益相关者的支持和合作力度不够等技术和商业难题,需要从政策支持、创新平台、标准体系全方位布局,保障核心技术、关键设备的研发攻关,积极探索应用示范工程,推进其产业化发展。

空水跨介质鱼雷动力推进系统构型比较分析

目前外军装备的跨介质鱼雷均为助推运载器+鱼雷战斗部的构成形式,空水复用动力推进系统可使运载器与鱼雷合二为一,从而有效提高水下攻击有效载荷量与航程,且全寿命成本低廉,并有发展多次出入水功能的潜力。空水复用动力推进系统在常规鱼雷动力系统的基础上改造,使之具备空中推进和多模式切换的能力。文中针对3类可能的空水复用动力推进系统构型,从运行原理、系统性能、燃料选择、系统控制、研发难度以及发展潜力等方面展开讨论。研究结果表明,对于轻型跨介质鱼雷,可采用单一OTTO-Ⅱ燃料的构型,对于重型鱼雷则倾向于采用煤油和OTTO-Ⅱ双燃料双燃烧室系统的构型。

EGR技术对生物柴油混合燃料发动机性能的影响研究

为缓解柴油掺烧生物柴油导致的NO_(x)排放过高问题,将4190ZLC船用中速柴油机作为试验台架,通过AVL_FIRE软件建立燃烧室模型,并验证该模型准确性。设置生物柴油掺混比0~40%等4组变量,EGR率0~12.5%等4组变量,进行柴油机燃烧、性能和排放分析。结果表明,掺烧适量生物柴油能够降低柴油机缸内温度,降低Soot排放,但同时会导致NO_(x)排放明显升高;EGR的引入能够实现低温燃烧,显著降低NO_(x)排放,但EGR率过高会增加Soot排放。生物柴油掺混比B40、EGR率12.5%组合NO排放比原机降低47.7%,Soot排放质量分数比原机降低98.13%。本文结果将为柴油掺混生物柴油燃烧并结合EGR技术提供一定的研究方向。

基于数据收集机制的国际航行船舶替代燃料应用分析

国际海事组织数据收集机制已实施4个周期,基于数据收集机制,结合有关替代燃料的政策和规则要求,整理分析5 000总吨及以上国际航行船舶替代燃料的消耗情况,探究国际航运替代燃料的应用规律和趋势。目前数据收集机制中的替代燃料不涉及全生命周期温室气体强度,仅考量燃料化学成分和船端使用情况;国际海事组织关于替代燃料应用技术导则正逐渐形成完整体系;数据分析结果表明,液化天然气是主要的替代燃料,占据了95%以上的消耗量,其他替代燃料均有在船应用,但规模较小,尚处于发展初期阶段,各种替代燃料均具有很强的船型相关性。替代燃料对于实现国际航运温室气体减排目标不可或缺,在船舶温室气体减排政策和规则驱动下,预计替代燃料的在船应用会逐渐成熟,消耗量将呈爆发式增长。

用于船舶尾气NO_(x)治理的蜂窝状整体式NH_(3)-SCR催化剂研究进展

随着船舶运输行业的蓬勃发展,船舶尾气带来的污染也愈发严重,氮氧化物(NO_(x))为其中主要污染物。氨气-选择性催化还原(NH_(3)-SCR)是目前最有效的脱硝方法,催化剂是技术的核心部分。整体式催化剂具有机械强度高和传热性能好等特点,是应用最广泛的商业催化剂。文章综述了用于NH_(3)-SCR的船舶整体式催化剂载体的预处理方法、挤出成型法和涂层涂覆法及其优缺点,重点总结了浆料涂覆法的涂覆式催化剂研究进展。船舶排放尾气成分复杂,二氧化硫、水蒸气、颗粒物等都会对NH_(3)-SCR催化剂产生不利影响,因此对催化剂耐中毒性能机理、催化剂的SCR活性和耐复杂污染物中毒性能进行了综合分析和总结。

应用于船舶尾气NO_(x)去除的SCR催化剂涂覆工艺影响因素研究

涂覆工艺对于整体式涂覆型SCR催化剂至关重要。通过对催化剂浆料制备过程以及涂覆过程中的关键影响因素的探究,考察了分散剂、增稠剂及对应添加量、pH和固含量对浆料涂覆效果及活性测试结果的影响。通过比较不同涂覆方式、浆料搅拌时间、干燥温度及时间、成型焙烧温度及时间,对涂覆工艺进行过程优化选择。结果表明:通过最优方案制备的涂覆型催化剂在250~450℃的条件下反应活性均在85%以上,在315℃的条件下运行30 h脱硝活性仍能稳定在90%以上。系统地梳理了涂覆过程中关键参数的选择及应用,为整体式蜂窝状涂覆式催化剂的制备提供了指导。

内河LNG船舶加注站选址分析

随着船舶排放控制区的不断扩大以及船用燃料排放标准的逐步升级,船舶使用液化天然气(LNG)作为动力已成为内河航运绿色发展的重要方向。内河LNG船舶加注站作为推广船舶使用LNG燃料的重要基础设施,在建设前期选址面临诸多问题。对适用于内河流域的岸基式加注站和趸船式加注站2种加注模式,分析其LNG资源获取、船用LNG市场、航道岸线、土地道路、安全等各项站点选址影响因素,给出适合内河LNG船舶加注站选址区域范围,以期为内河LNG加注站的建设提供参考。

生物燃料在近海船舶中的应用探析

近海船舶通常在近海范围内作业,其使用传统燃料所造成的大气污染和水污染对近海环境的影响尤为严重。在当前可持续发展和环保重要性日益凸显的背景下,传统燃料在近海船舶中的使用性能已经满足不了当今环保的要求。生物燃料作为新型清洁燃料,应用于近海船舶将很好地满足当前需要。本文简述了近海船舶中生物燃料的应用情况,分析了近海船舶动力系统中采用生物燃料的方式,并对未来近海船舶领域中生物燃料的发展趋势和前景提出一些看法。

船舶替代燃料动力系统综合评价及选择策略

为推动我国绿色航运转型,对船舶替代燃料动力系统的可行性进行探索。以长江集装箱船为研究对象,选取低碳燃料(液化天然气、甲醇)、零碳燃料(液氨、液氢)作为替代燃料,采用全生命周期环境评估和成本评估的方法评估燃料动力系统的碳当量排放和经济成本,并对结果的不确定性进行分析。通过反熵权法和逼近理想解排序法进行综合评价。环境评估结果表明,液氨、液氢和液化天然气的碳当量排放比基准柴油的分别减少了66.80%、52.51%和16.94%;成本评估结果表明,甲醇和液化天然气的经济成本较基准柴油的降低了24.51%和20.27%;可行性评估结果表明,液化天然气和液氨的贴近度都达到0.7,甲醇次之。评估结果说明液化天然气、液氨、甲醇是长江集装箱船理想的替代燃料,这为清洁燃料的替代选取提供科学的参考依据。

甲醇作为船舶燃料研究展望

减少船舶温室气体排放和满足越来越严格的NOx排放控制法规,甲醇作为一种可再生低碳燃料已经在船舶领域开展了大量研究。对甲醇的生产及燃料特点和甲醇在发动机上应用的研究现状进行综述。通过分析得出,虽然甲醇在船舶运输和储存上技术已经成熟,但由于甲醇单位体积热值相对较低,需要更大的船舶燃料储存空间。发动机使用甲醇燃料可以有效降低NOx和碳烟颗粒的排放,同时会产生甲醇和甲醛等污染物。相较于燃料掺混和直接压燃,柴油引燃甲醇发动机更适用于船用动力。

LNG和船用甲醇燃料选用综述

针对LNG价格昂贵、生产运输成本要求较高等问题,为节省人力成本,提高经济效益,考虑船用甲醇燃料取代LNG燃料。通过对比两种燃料的二氧化碳排放量、成本、管理和储存、基础设施建设、未来开发难度,阐述两种燃料的优点和局限性。

障碍物排列方式对非均匀氢-空气混合物爆炸特性的影响

通过数值模拟研究了不同障碍物排列方式对非均匀氢-空气混合物爆炸火焰动力学的影响,模拟预测的爆炸特性参数均与实验结果吻合良好。模拟结果表明,预混火焰在管内经历了球形火焰、指形火焰、锥形火焰和絮状火焰4个阶段的演化过程。火焰经过障碍物时流场严重不稳定,导致火焰发生严重畸变。当障碍物两侧布置时,火焰最先到达管道出口,压力最快达到峰值。管道顶部障碍物能显著提高爆炸压力,与底部布置相比,障碍物在管道两侧布置和顶部布置时爆炸峰值压力分别增加了23%和74%。该研究可为氢安全规划和防爆提供理论指导。

船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统数值仿真

相较于高压气态储氢、固态储氢等储氢方式,低温液态储氢具有有效储氢密度大、运输成本低、汽化纯度高和储运压力低等优势,因此对大功率燃料电池而言是最有潜力的一种储氢方式。利用Fluent软件对某船用大功率氢燃料电池的液氢供氢系统进行非定常计算,研究了使罐内液氢在给定时间内完全排出所需的最小气氢充注速度。数值模拟结果表明:在高温气氢充注到液氢罐过程中,由于热量聚集导致入口处存在局部高温,氢气进入液氢罐后沿水平方向流动,在重力与壁面作用下向下方流动,通过与罐内低温流体的对流换热作用,引起不同区域内的流体密度发生改变,从而使气氢与液氢分别产生涡旋;随着液氢罐气氢入口流速线性增加,液氢罐排空所需时间减小,但减小幅度随着入口速度的增加而降低。

新能源和替代燃料船舶发展现状与展望

航运业是国际贸易发展的重要保障,但与路上交通相比,国际航行船舶载重大、航程远、功率大,难以靠电动化实现减排目标,应用新能源和替代燃料是实现绿色转型的主要途径。国际海事组织(IMO)于2023年7月发布了航运温室气体减排战略,在为航运业带来巨大压力的同时,也给航运新能源和替代燃料相关产业带来了前所未有的机遇。文章为应对国际航运业减排战略及其影响,分析了新能源和替代燃料在航运中的应用现状、机遇与挑战,提出了中国发展相关产业的建议。

船用替代燃料应用进展

低碳航运背景下,为明晰低碳/零碳燃料的应用潜力,从理化性能、生产、储运和终端应用等维度对液化天然气、氢、氨、甲醇等潜在的船用替代燃料进行全面评述,分析船用替代燃料的应用进展情况。从替代燃料生命周期温室气体排放的角度来看,面向2050年的海洋运输,液化天然气是主要的过渡性燃料,而航运业选择可再生的甲烷、氢、氨、甲醇等其中的一种或几种作为未来船用燃料还具有不确定性,主要的挑战和障碍包括燃料成本、储运和加注基础设施、关键设备的研发与应用等。从技术、经济、环境、社会、可扩展性等多个维度进行评价,得出目前并没有一种燃料具有全方位、压倒性的优势从而可以完全替代燃油在船用燃料中的中心地位的结论。

太阳能电池在船舶上的应用研究进展

水路交通运输的碳排放量在交通运输领域仅次于公路运输,在“双碳”目标的背景下,其节能减排对于推进绿色航运发展至关重要。推广清洁能源船舶是船舶节能减排的主要途径,太阳能作为一种清洁无污染的能源,在新能源船舶上的应用具有很大的潜力。太阳能电池材料作为太阳能船舶的核心材料,其快速发展是加快太阳能船舶的推广应用关键。阐述太阳能电池的研究进展和太阳能船舶的发展,分析现有太阳能电池优缺点,对太阳能船舶的研究和应用现状进行综述,提出提高太阳能电池的光电转换效率,尤其是弱光情况下的光电转换效率,减少电池组件铺设面积,同时减轻光伏组件重量和提高储能技术是未来太阳能船舶发展需要解决的关键问题。

日本船级社(NK)发布《船用替代燃料指南》3.0版

近日,日本船级社(NK)发布了《船用替代燃料指南》3.0版(简称《指南》)。NK表示,除对使用甲醇、乙醇、液化石油气和氨作为燃料的船舶的安全要求外,3.0版新增了氢燃料船舶相关要求,为替代燃料船舶的设计提供了指导。《指南》全面描述了替代燃料船舶的安全要求,包括对安装、控制、安全装置等方面的要求,旨在最大限度减少使用替代燃料对船舶、海员和环境造成的风险。

绿色航运能源技术现状及发展趋势分析

航运可持续发展背景下,针对国内外碳排放发展战略及北极航道商业化航行的排放要求,研究绿色能源技术,实现航运业低碳化和清洁化已成为航运科研的重大任务。为明晰绿色燃料对实现航运碳中和的应用潜力,围绕能源技术的研究前沿,针对氢、氨和绿色甲醇3类绿色能源在国内外航运船舶中的技术应用和技术研究现状进行综述和评论,并从技术成熟度和商业成熟度2个角度对航运绿色能源开展初步技术评估,进而从燃料生产、运输储存加注、动力系统、船舶设计改造和航行运营5个方面分析讨论了航运绿色能源技术目前所存在的主要问题。分析结果表明:相较于传统重质柴油和LNG燃料技术,当前绿色能源技术的应用主要受制于燃料成本高昂且未实现规模化供给、基础配套设施缺乏、关键设备的研发及改造技术不成熟,并且尚未有1种燃料具有全方面、压倒性的技术优势从而能够完全替代现有传统燃料,但基于现有的技术路线和研究趋势,可预见甲醇将成为实现阶段性碳减排目标的主要能源。而实现碳中和目标,氢和氨则更具优势。氢和氨分别更适用于实现内河和海运船舶的碳中和目标。此外综合绿色航运能源的技术现状、主要问题和发展趋势,从燃料供应链建设、船舶技术研发、标准及政策法规3个方面提出发展建议。

Li/SF_(6)燃烧反应路径及机理研究

揭示Li/SF_(6)燃烧反应机理是构建燃烧动力学模型、高效组织燃烧过程的关键基础,但是现有实验测试以及宏观模拟方法难以揭示Li/SF_(6)燃烧的分步反应机理。文中结合ReaxFF反应分子模拟和第一性原理计算方法研究了Li和SF_(6)的微观反应过程,分析了反应物和产物组分的动态演化特性,获得了主要反应路径及其反应热。研究发现,反应的起始过程为SF_(6)分子S-F键的断裂,LiF是反应初始时刻的主要产物;随着反应的进行,多余的Li形成Li_(2)并与S成键形成Li_(2)S;反应后期,2个LiF分子结合反应形成Li_(2)F_(2)。基于反应物浓度变化获得了Li和SF_(6)的总反应速率,结果表明,总反应速率与反应物浓度、反应物比例呈正相关关系,这是因为反应物浓度或比例的增大均会导致反应物分子之间碰撞概率的增加;初始温度对总反应速率的影响则相对较小。结合第一性原理得到的反应物焓值,计算各个分步反应的放热量,进而得到Li/SF_(6)的反应热为-2216.7 kJ/mol,与理论值及实验值均接近。研究结果为复杂燃烧反应的分步反应机理揭示和反应热计算提供了有效途径。