電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在船舶CO2減排中的應(yīng)用

吳旺山 韓美茹 張晨東 衡 偉 王國(guó)祥

（1.福建省廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361012；2.漳州市薌城中學(xué)，福建 廈門 361012；3.廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361012；4.廈門能聚節(jié)能科技有限公司，福建 廈門 361012）

0 背景

根據(jù)克拉克森研究公司最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2021年1月，全球100總噸及以上商船數(shù)量首次突破10萬(wàn)艘。國(guó)際貿(mào)易貨物運(yùn)輸近90%運(yùn)輸任務(wù)由海運(yùn)完成，國(guó)際商船在全球貿(mào)易中的重要作用不言而喻。國(guó)際對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)造成的二氧化碳排放關(guān)注和要求不斷升級(jí)。2021年起，歐洲將遠(yuǎn)洋貨輪二氧化碳排放納入歐洲碳排交易市場(chǎng)。根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）的研究表明， 2019年全球船舶營(yíng)運(yùn)造成二氧化碳排放量達(dá)到8.19億t。國(guó)際海事組織（IMO）2050年全球航運(yùn)業(yè)二氧化碳排放目標(biāo)是減少到5億t[1]。我國(guó)營(yíng)運(yùn)船舶數(shù)量龐大，截至2020年底，中國(guó)國(guó)際航行船舶數(shù)量超過(guò)8200艘，近沿海省際干散貨運(yùn)輸船舶近1800艘，沿海省際集裝箱運(yùn)輸船舶近300艘，沿海省際油船近1300艘。因此，中國(guó)營(yíng)運(yùn)船舶減少二氧化碳排放排的任務(wù)艱巨，力爭(zhēng)船舶減少碳排已經(jīng)成為船運(yùn)企業(yè)和行業(yè)共識(shí)。中國(guó)政府2020年9月，提出2030碳達(dá)峰、2060年碳中和的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)。在該背景下，該文針對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的靠港裝卸貨環(huán)節(jié)，分析船舶靠港期間造成二氧化碳排放的主要來(lái)源，提出了采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)接駁岸電，減少船舶靠港期間碳排放的具體技術(shù)方案。

1 減少船舶靠港碳排意義

目前商船在海上航行采用柴油機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力裝置，航行期間二氧化碳排放主要是由船舶主機(jī)運(yùn)行及發(fā)電機(jī)柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的。而船舶?？科陂g主要是發(fā)電柴油機(jī)、燃油鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的?？坎雌陂g發(fā)電柴油機(jī)為船舶提供電力；燃油鍋爐主要的作用是為船舶主機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)保溫提供蒸汽，不同類型的船舶蒸汽鍋爐的作用略有不同，譬如原油運(yùn)輸船舶，靠港期間燃油鍋爐也為透平貨油泵、透平壓載泵等蒸汽動(dòng)力裝置提供蒸汽。根據(jù)船舶靠港期間的燃油消耗占船舶營(yíng)運(yùn)總油耗計(jì)算，船舶靠港期間設(shè)備運(yùn)行造成的二氧化碳排放約占船舶營(yíng)運(yùn)總碳排的5%。國(guó)際海事組織（IMO）統(tǒng)計(jì)，2019年全球船隊(duì)營(yíng)運(yùn)造成的二氧化碳排放量達(dá)8.19億t。不難計(jì)算出，全球船舶靠港期間造成的年碳排超過(guò)4000 萬(wàn)t。中和二氧化碳排放常采用的種植森林樹(shù)木，每平方公里森林年固碳量約在100t～500t，若以種植森林樹(shù)木來(lái)中和全球船舶靠港期間造成的二氧化碳碳排，以每平方公里森林年固碳300t計(jì)算，全球船舶每年?duì)I運(yùn)靠港期間造成的二氧化碳排放4000 萬(wàn)t碳排放，需要種植超過(guò)13萬(wàn)km2森林來(lái)中和，相當(dāng)于要種植近4個(gè)中國(guó)臺(tái)灣省面積（36013.73km2）的森林。因此，減少船舶靠港期間的二氧化碳排放意義重大，該文所要研究的即是減少船舶靠港期間的二氧化碳排放的解決技術(shù)方案。

2 船舶減排基礎(chǔ)設(shè)施

船舶靠港期間減少二氧化碳排放重要的途徑是讓船舶靠港期間使用岸電[2]。為減少船舶期間港二氧化碳及污染廢氣排放，中國(guó)沿海沿江等港口城市大力建設(shè)港口岸電基礎(chǔ)設(shè)施，為船舶靠港期間提供岸電。岸電被稱為“cold ironing”或“替代船舶動(dòng)力”（AMP），是指在船舶停靠港口期間，關(guān)閉輔助柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，使用岸電的過(guò)程。為了2030碳達(dá)峰目標(biāo)，國(guó)內(nèi)港口船舶岸電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷完善，不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，《港口岸電布局方案》內(nèi)5類泊位的岸電基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋的泊位近800個(gè)。使用岸電，船舶無(wú)須燃燒燃料發(fā)電，船舶靠港期間碳排將大大減少。隨著我國(guó)岸電設(shè)施的發(fā)展，對(duì)所有已建港口岸電設(shè)施鼓勵(lì)使用岸電，船舶靠港期間使用岸電將是船舶營(yíng)運(yùn)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，該文船舶應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)減碳排研究的技術(shù)方案就是依托我國(guó)港口建設(shè)日益完善的岸電基礎(chǔ)設(shè)施，提出采用電磁感應(yīng)加熱器，使靠港船舶在港期間實(shí)現(xiàn)零碳排。

3 船舶靠港減排痛點(diǎn)

船舶靠港期間應(yīng)用岸電為船舶提供電力，原來(lái)為船舶靠港期間提供電力的發(fā)電柴油機(jī)可以停止運(yùn)行，可以減少由發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行造成的二氧化碳排放。然而船舶靠港期間，船舶動(dòng)力系統(tǒng)如柴油機(jī)冷卻淡水系統(tǒng)、船舶柴油機(jī)重質(zhì)燃油系統(tǒng)、柴油機(jī)潤(rùn)滑油等動(dòng)力系統(tǒng)需要預(yù)熱或保溫。當(dāng)前，營(yíng)運(yùn)船舶靠港期間，普遍采用燃油蒸汽鍋爐為船舶動(dòng)力系統(tǒng)提供保溫預(yù)熱能量來(lái)源。船舶靠港期間燃油蒸汽鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，難以避免產(chǎn)生二氧化碳排放。這是船舶靠港期間無(wú)法真正減少到零碳排的重要原因。同時(shí)，船舶燃油蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)管路加熱工質(zhì)后，經(jīng)大氣冷凝器，回流到熱水井，再通過(guò)補(bǔ)給水泵輸送進(jìn)鍋爐，總體管系復(fù)雜，管路系統(tǒng)長(zhǎng)且布置分散。燃油鍋爐運(yùn)行過(guò)程存在較大傳熱損失。船舶在靠港期間采用這種燃油鍋爐產(chǎn)生蒸汽利用熱能的生產(chǎn)方式，能量損失大，不經(jīng)濟(jì)節(jié)能，在港口期間的溫室氣體排放加劇了港口城市的熱島效應(yīng)。

4 電磁感應(yīng)加熱器原理

船舶柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)、柴油機(jī)重質(zhì)燃油系統(tǒng)、柴油機(jī)潤(rùn)滑油等動(dòng)力系統(tǒng)保溫預(yù)熱需求是不可或缺的重要操作[3]。針對(duì)當(dāng)前船舶靠港期間使用岸電期間的鍋爐不能停止運(yùn)行減少碳排的痛點(diǎn)，筆者認(rèn)為采用下面介紹的技術(shù)方案可以讓船舶靠港期間真正實(shí)現(xiàn)零碳排，即應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱設(shè)備替代船舶在港期間燃油鍋爐的功能。以下結(jié)合電磁感應(yīng)加熱工質(zhì)原理圖（圖1），簡(jiǎn)單介紹電磁感應(yīng)加熱器為液體工質(zhì)預(yù)熱保溫的基本原理。

圖1 電磁感應(yīng)加熱工質(zhì)原理圖

電磁感應(yīng)加熱器（Electromagnetic induction heater）是一種基于法拉第電磁感應(yīng)原理的加熱技術(shù)，能高效將電能轉(zhuǎn)換為熱能。日常生活中的電磁爐就是基于這種原理的。電磁感應(yīng)加熱器是短路加熱、渦流加熱、短路漏磁加熱的“三位一體”加熱方式，加熱穩(wěn)定高效。電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)整流器變成脈動(dòng)的直流電，再通過(guò)濾波器對(duì)脈動(dòng)直流電進(jìn)行濾波變成標(biāo)準(zhǔn)方波，然后由逆變器轉(zhuǎn)變成變頻交流電送至電磁感應(yīng)線圈內(nèi)，電磁感應(yīng)線圈通過(guò)較高頻率變頻的交流電產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，電磁感應(yīng)線圈周圍的鐵質(zhì)管線在交變磁場(chǎng)的作用下，感應(yīng)磁場(chǎng)切割鐵質(zhì)管線材料，使鐵質(zhì)管線材料產(chǎn)生感應(yīng)交變電流，鐵質(zhì)材料在感應(yīng)交變電流的作用下快速發(fā)熱，然后與流通在管線材料中的工質(zhì)液體進(jìn)行換熱，液體被加熱后通過(guò)管道泵送至設(shè)備的外部，實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)的加熱。電磁感應(yīng)加熱器即是利用包圍在導(dǎo)磁鐵質(zhì)管線外部線圈通過(guò)的交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使鐵質(zhì)管線產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱流經(jīng)鐵質(zhì)管線內(nèi)部液體工質(zhì)的目的。

5 船舶靠港減排方案

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在陸地上應(yīng)用比較廣泛，如塑料加工領(lǐng)域、北方冬季供熱取暖、日常烹調(diào)電磁爐廣泛應(yīng)用這種技術(shù)。筆者認(rèn)為電磁感應(yīng)加熱技術(shù)也可應(yīng)用于船舶在靠港期間六大動(dòng)力系統(tǒng)中幾個(gè)需要保溫預(yù)熱的系統(tǒng)中，如船舶柴油機(jī)冷卻淡水系統(tǒng)、柴油機(jī)重質(zhì)燃油系統(tǒng)，柴油機(jī)滑油系統(tǒng)等。采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)方案利用岸上電網(wǎng)能源，可解決船舶動(dòng)力系統(tǒng)靠港期間保溫預(yù)需求，可以使船舶靠港期間船舶發(fā)電機(jī)柴油機(jī)、船舶燃油鍋爐停止使用，可使船舶在靠港期間真正實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放量。以下結(jié)合圖2船舶柴油機(jī)冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)圖，簡(jiǎn)單解釋電磁感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)柴油機(jī)冷卻淡水系統(tǒng)預(yù)熱應(yīng)用技術(shù)方案思路。船舶柴油機(jī)冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)圖中包括船舶柴油機(jī)冷卻海水管系、柴油機(jī)冷卻淡水管系、柴油機(jī)潤(rùn)滑油管系，如圖2所示。船舶在海上航行時(shí)，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，一路海水冷卻柴油機(jī)的增壓空氣，另一路海水冷卻柴油機(jī)潤(rùn)滑油冷卻器后冷卻柴油機(jī)冷卻淡水。船舶在港口泊位?？繒r(shí)，船舶主柴油機(jī)停止運(yùn)行，在配備有岸電基礎(chǔ)設(shè)施的港口泊位，發(fā)電柴油機(jī)也停止運(yùn)行。如圖2中船舶柴油機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)需要保溫，潤(rùn)滑油系統(tǒng)在柴油機(jī)運(yùn)行前一段時(shí)間需要預(yù)熱。柴油機(jī)對(duì)冷卻水系統(tǒng)保溫，可確保柴油機(jī)在冷態(tài)下能夠順利啟動(dòng)，減少啟動(dòng)時(shí)柴油機(jī)缸套熱應(yīng)力，避免缸套開(kāi)裂[4]。船舶滑油系統(tǒng)中如果滑油溫度過(guò)低，黏度大，流動(dòng)性差，無(wú)法形成良好的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致柴油機(jī)潤(rùn)滑不良，柴油機(jī)內(nèi)部零件摩擦表面的摩擦阻力增加，零件磨損加劇，嚴(yán)重影響船舶柴油機(jī)使用壽命。通常，滑油進(jìn)機(jī)溫度應(yīng)保持40℃～50℃（中高速機(jī)取上限），因此，柴油機(jī)在啟動(dòng)之前需要預(yù)熱系統(tǒng)滑油，使其溫度滿足柴油機(jī)運(yùn)行使用要求 [5]。

當(dāng)前營(yíng)運(yùn)船舶在港期間主要是由燃油鍋爐產(chǎn)生蒸汽來(lái)為船舶柴油機(jī)冷卻淡水系統(tǒng)、柴油機(jī)重質(zhì)燃油系統(tǒng)、柴油機(jī)滑油等系統(tǒng)保溫，不可避免地產(chǎn)生了二氧化碳排放。筆者認(rèn)為可在柴油機(jī)冷卻、潤(rùn)滑油系統(tǒng)中應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)制造船用加熱器，使用岸電為停用柴油機(jī)冷卻淡水保溫，開(kāi)航前為停用柴油機(jī)滑油系統(tǒng)預(yù)熱，替代船舶靠港期間的燃油鍋爐功能，如圖2所示。這樣一來(lái)，靠港停用的柴油機(jī)冷卻水即可保持在適當(dāng)溫度，保證柴油機(jī)能夠順利啟動(dòng)，減少啟動(dòng)時(shí)柴油機(jī)缸套熱應(yīng)力，避免缸套開(kāi)裂。而電磁感應(yīng)加熱器對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的預(yù)熱，可確保柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油具有良好的流動(dòng)性，保證柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程，系統(tǒng)各部件形成良好的潤(rùn)滑油膜，保證柴油機(jī)正常使用。具體操作可啟動(dòng)圖2中的滑油泵、或冷卻水泵，運(yùn)行相應(yīng)電磁感應(yīng)加熱設(shè)備，設(shè)定相應(yīng)的加熱溫度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)的工質(zhì)預(yù)熱保溫功能。

圖2 柴油機(jī)冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)圖

另外，船舶柴油機(jī)使用的重油黏度大，室溫狀態(tài)下黏稠流動(dòng)性差，柴油機(jī)停止運(yùn)行期間燃油系統(tǒng)需要保持在適當(dāng)溫度，降低燃料黏度，防止燃油系統(tǒng)溫度過(guò)低導(dǎo)致燃油噴射設(shè)備卡死，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常使用。筆者認(rèn)為在船舶靠港停泊期間也可采用電磁感應(yīng)加熱器使用岸電為船舶柴油機(jī)燃油系統(tǒng)保溫，確保船舶柴油機(jī)燃油系統(tǒng)保持在合適的溫度。

6 電磁感應(yīng)加熱方案優(yōu)勢(shì)

船舶在港口期間使用柴油機(jī)發(fā)電及燃油鍋爐運(yùn)行，造成大量二氧化碳與污染廢氣排放，為減少船舶靠港期間的二氧化碳排放，國(guó)家大力發(fā)展港口岸電基礎(chǔ)設(shè)施，船舶靠港期間使用岸電是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在船舶柴油機(jī)各動(dòng)力系統(tǒng)保溫預(yù)熱方面的應(yīng)用，理論分析可完全替代船舶靠港期間燃油輔助鍋爐的功能，真正實(shí)現(xiàn)船舶靠港期間二氧化碳零排放。應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)生產(chǎn)的加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行過(guò)程無(wú)噪聲，被加熱工質(zhì)升溫速度快、電熱轉(zhuǎn)換效率高；被加熱工質(zhì)與電路分離，無(wú)觸電安全隱患，故障可自檢，操作管理方便，加熱響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定安全，能量密度大，適應(yīng)于大型船舶動(dòng)力系統(tǒng)工質(zhì)保溫需要大功率加熱要求的應(yīng)用場(chǎng)景；此外，電磁感應(yīng)加熱器可采用分布式定點(diǎn)加熱方法，可以有效避免類似燃油蒸汽鍋爐熱能在蒸汽管線中長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程的能量損耗?？偠灾?，船舶靠港期間使用岸電采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)方案為船舶動(dòng)力系統(tǒng)保溫有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）電磁感應(yīng)加熱器替代船舶在港燃油鍋爐功能，使用岸電船舶靠港期間可真正實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。2）電磁感應(yīng)加熱器可采用分布式布置加熱方式，減少大量的傳熱損失，節(jié)能環(huán)保，節(jié)省船舶營(yíng)運(yùn)成本。3）電磁感應(yīng)加熱設(shè)備方便管理操作，運(yùn)行環(huán)境無(wú)高溫，將極大的改善了靠港期間船員工作環(huán)境。4）采用電磁感應(yīng)加熱器為柴油機(jī)冷卻水淡水保溫，由于在加熱過(guò)程中冷卻水被磁化，柴油機(jī)冷卻水腔不形成水垢，可減少船舶柴油機(jī)冷卻水處理藥劑的投放量。5）電磁感應(yīng)加熱器在船舶上使用岸電，通過(guò)錯(cuò)峰運(yùn)行，可改善岸電電網(wǎng)的峰電與谷電負(fù)荷落差 ，均衡電網(wǎng)負(fù)荷，減少電網(wǎng)太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔發(fā)電棄電率，提高岸電發(fā)供電設(shè)備的利用率，優(yōu)化電網(wǎng)資源的配置，提高岸電電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

7 總結(jié)

在2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)下，船舶運(yùn)輸行業(yè)界高度重視船舶減排方案的研究。該文闡述了減少船舶靠港期間二氧化碳排放的重要性，分析了船舶營(yíng)運(yùn)靠泊期間產(chǎn)生二氧化碳排放的主要源頭，提出了結(jié)合當(dāng)前國(guó)家大力發(fā)展的岸電基礎(chǔ)設(shè)施，采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用岸電為減少船舶靠港期間二氧化碳排放設(shè)想了一種理論上可行的技術(shù)方案。 然而，不同類型船舶運(yùn)行特點(diǎn)差異較大，船舶動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)作為船舶減碳排方案還有待船舶領(lǐng)域高水平科研機(jī)構(gòu)進(jìn)一步科學(xué)論證。筆者在該文中提出的關(guān)于船舶靠港減排方案的研究認(rèn)識(shí)粗淺，不足之處在所難免。希望借此拋磚引玉，為船舶營(yíng)運(yùn)各個(gè)環(huán)節(jié)減少碳排技術(shù)攻堅(jiān)，提出更加科學(xué)合理可行的技術(shù)方案。