摘 要：改革开放以来，我国经济发展水平也越来越高，但是随之而来的环境污染也成为不可承受之痛，长江作为中华民族的母亲河，不仅孕育了灿烂的中华文明，在当今中国经济的发展进程中更是起到了交通大动脉的作用，长江黄金水道在带来惊人运输效益的同时，大量船舶因燃烧传统柴油燃料造成污染也是惊人的，作为一名武汉长江边出生长大的高中学生，通过所学物理化学知识，分析船舶污染、黑烟的来源，提出船舶清洁能源应用选择发展方向。
关键词：船舶；清洁能源；天然气
中图分类号：U677.6 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0057-03
自工业革命以来，煤炭、石油等传统燃料的使用，极大地推动了人类工业文明发展进程，但随之而来的污染却也严重威胁着全人类的身体健康乃至人类的文明发展进程，如何选择应用清洁能源已成为全世界共同面对的问题。
改革开放以来，我国经济发展水平蒸蒸日上，但是随之而来的环境污染也成为不可承受之痛。长江作为中华民族的母亲河，不仅孕育了灿烂的中华文明，在当今中国经济的发展进程中，长江作为横贯西东的黄金水道，更是起到了交通大动脉的作用，长江在带来惊人运输效益的同时，大量船舶因燃烧传统柴油燃料造成污染也是惊人的，笔者作为一名武汉长江边出生长大的高中学生，看到长江上船舶排出的滚滚黑烟，痛心不已，通过笔者所学物理化学知识，分析船舶黑烟的来源，对船舶清洁能源的应用及发展方向提出有价值的参考，也为国家建设绿色长江经济带贡献自己的力量。
1 船舶内燃机工作原理及污染原因分析
1.1 船舶内燃机及燃料使用
目前，长江上船舶普遍使用以柴油作为燃料的内燃机作为航行推进动力，内燃机本质上是一种燃烧，燃烧将化学能转化为机械能，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。传统内燃机采用汽油或柴油作为燃料，燃烧后会产生固体颗粒物、氮氧化物（NOx）等多种有害物质，尽管内燃机具有效率高、体积小、续航里程高等优点，但是其每年消耗燃料并排放危害环境和人体健康的物质，而排放的固体颗粒物也是近年来雾霾频发的诱因之一。
1.2 汽柴油成分
汽油的成分很复杂，其中含有上千种化合物，主要成分是C4～C12烃类，为混合烃类物品之一，是一种无色或淡黄色、易挥发和易燃液体，具有特殊臭味。汽油不溶于水，易溶于苯、二硫化碳和醇。
柴油也是混合物，中间有较多可燃烃类，如链烷烃、环烷烃、单环芳烃、烷基苯、茚、萘衍生物、多环芳香烃、三环芳烃等。
与汽油相比，柴油能量密度高，燃油消耗率低，柴油可分为轻柴油（沸点范围约180～370℃）和重柴油（沸点范围约350～410℃）两大类。
使用汽柴油的内燃机广泛用于船舶、车辆、铁路机车。
1.3 汽柴油內燃机的污染排放分析
分子中仅含C、H两种元素的有机物烃类，可用通式CxHy表示，且y≤2x+2。汽油的主要成分是含碳原子5～11个的烃，柴油以含碳原子15～18个的烃为主，烃类在燃烧时，含碳量（质量分数）越高，就越易造成不完全燃烧，产生一氧化碳甚至冒黑烟，这也是柴油机为什么比汽油机更容易产生黑烟的原因之一，而大中型船舶普遍是采用柴油机作为推进动力的：
（1）可燃物完全燃烧时，其中碳元素全部生成二氧化碳、氢元素全部生成水，因此碳氢化合物CxHy，在空气中完全燃烧生成二氧化碳和水，该反应的化学方程式可表示为：
4CxHy+（4x+y）O2=4xCO2+2yH2O
（2）可燃物不完全燃烧时，其中碳元素生成一氧化碳、氢元素生成水、烃链结构中碳元素也会生成颗粒物，可燃物不完全燃烧时，其中碳元素全部生成一氧化碳、氢元素全部生成水，因此碳氢化合物CxHy，在空气中不完全燃烧生成一氧化碳和水，该反应的化学方程式可表示为：4CxHy+（2x+y）O2=4xCO+2yH2O；生成“黑烟”和水可表示为：4CxHy+yO2=4xC+2yH2O。
使用传统汽柴油内燃机尾气的排放物是大气污染物的一个主要来源，其中，排放的固体颗粒物是普遍认为的雾霾重要诱因之一，我们日常在长江边上看到船舶排出的滚滚黑烟，就是固体颗粒物的排放重要表现之一。
除了上面分析的污染，传统汽柴油中含有的铅、硫化物燃烧后产生铅氧化物和硫氧化物，还有氮氧化物，这些都随着滚滚黑烟排入大气，对我们长江母亲河沿线生态造成了严重的污染，也不符合建设绿色长江经济带的国家战略。
2 清洁能源发动机
长江上航行的船舶普遍采用柴油作为燃料，通过以上分析得知，传统的汽柴油难当清洁能源大任，那么在推进动力系统方面，可选用新清洁能源动力方面又有哪些呢？
2.1 纯电动驱动
纯电动驱动采用“充电->电池->驱动电机”的工作原理，从根本上避免了内燃机燃烧排放所造成的污染，然而，作为纯电动驱动的“心脏”的动力电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等缺点。纯电动驱动应用于城市公交、短程定点车辆、小型定线船舶运行尚属可行，而大中型船舶应用因要求续航里程长，动力输出功率大等原因，纯电动推进系统无法应用于大中型运输船上，即便有的大中型船舶用的电动推进系统，也是由船舶自身内燃机发电供给的，由国内“广船国际”建造的应用最新技术的纯电力驱动船舶，采用超级电容加锂电池的方式来存储电能，但其续航力也不到100公里，不具备长航程运营的能力，长江仅武汉到上海航段就长达1000多公里，此技术显然在长江航运上不具备可实施性，此外船用电池制造、报废处理所造成的污染也是不可回避的环保难题。总之制造成本高、续航里程短、充电时间长、次生污染严重等都是现阶段纯电动驱动技术无法应用于船舶的主要原因。
2.2 太阳能动力
太阳能动力使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会储存在电池中备用，用来推动电动机。由于太阳能动力也避免了内燃机燃烧所造成的污染，所以不会释放有害污染物。
太阳能动力行驶和充电需要靠充足的阳光，在长江流域阴雨天气较多的情况下，无法确保充电运行。太阳能板大量采用碳纤维等材料外，其表面覆盖砷化镓薄膜，一旦损坏撞坏，更换这些太阳能电池板的砷化镓薄膜成本就很高，太阳能电池板本身在制造过程中也会产生大量污染。
目前，太阳能动力成本高、效率低、占用空间大的现状，使其无法满足作为船舶推进动力的要求，太阳能船舶动力的前景目前并不乐观。相比纯电动驱动，太阳能动力系统可能面临定价更高更难普及的难题，目前看来太阳能也将是高贵的环保而不经济。
2.3 新型天然气内燃机
在纯电动或太阳能动力都不可行的前提下，我们不妨换一种思路，对原有内燃机系统改良，能否实现清洁排放？
在国内，科研机构从本世纪初就开始探索用天然气作为燃料为船舶发动机提供动力的研究，经过多年努力，这项研究已在技术、实践上取得重大突破，进入实用阶段。
将传统的汽柴油内燃机改作（换新）为天然气动力发动机，以天然气取代传统内燃机的汽柴油，内燃机燃烧基本原理不变，动力系统推进特性不变，能满足船舶稳定持续的动力推进需求仅在控制系统方面做少许改变，对原有动力系统改动极小，应该是目前船用清洁能源的发展方向。
3 天然气发动机排放分析
天然气发动机本质上仍属于内燃机，所不同的是将传统内燃机的汽柴油燃料更换为天然气，同时在发动机本身及控制系统上做出相应改进，从而实现与传统内燃机一样持续、稳定的功率输出。
天然气的主要成分是甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有少量硫化氢、二氧化碳、氮和水气等杂质。
作为天然气主要成分甲烷，在内燃机中燃烧反应如下：
完全燃烧：
CH4+2O2=CO2+2H2O（反应条件为点燃）
甲烷+氧气→二氧化碳+水蒸气
不完全燃烧：
2CH4+3O2=2CO+4H2O（反应条件为点燃）
甲烷+氧气→一氧化碳+水蒸气
通过方程式可以看到，因天然气组分较为单一，碳基含量低，其完全燃烧后主要成分为二氧化碳和水，不完全燃烧也不会生成游离的碳颗粒，自然也就没有滚滚黑烟，与汽柴油相比，天然气硫含量极低，不含有铅，其燃烧后也基本没有硫氧化物和铅氧化物，为什么将天然气称作清洁能源也就不难理解了。
天然气动力有以下几个优点：
（1）有较高的经济效益：从国际能源定价趋势来看，世界各国一般将1立方米天然气的价格控制为1升汽油柴油的一半；
（2）气体燃料在制备过程中能量损失较小，对大气的有害排放污染物少；
（3）天然气动力属于内燃机系统，仅将原来传统的汽柴油燃料改换为天然气，改造实现技术相对简单，最终用户改造较为简单，原内燃机产业链上的各项基础投资均可利用，原有的内燃机社会资源投资可得到有效利用。
存在的缺点及解决方案：
（1）运输性能比液体燃料差、发动机的容积效率低、着火延迟较长及动力性有所降低。天然气的主要成分是甲烷，通过我们所學的物理知识可以得知，将其降温到约零下160度时，其会变为液体，事实上目前已有成熟的技术将天然气降温液化，体积可缩小600倍，液化后的天然气和液态的汽柴油一样便于存储运输，天然气液态存储运输技术已相当成熟。对于天然气与汽柴油燃烧特性的区别，可通过改造内燃机控制系统实现对内燃机天然气燃烧的良好控制。
（2）国家已大力规划投资兴建陆地、水上液化天然气加注站，以液态的方式存储、加注天然气燃料也与汽柴油一样便捷。
4 船舶天然气燃料动力国内外应用现状
4.1 国内外应用现状
近年来，国内外关于船舶天然气燃料动力应用的相关工作已陆续开展。丹麦、挪威等国家已在渡船、滚装船、海岸警备船和平台供应船等应用液化天然气作为燃料。
在国内，天然气作为船舶发动机燃料也逐步进入快速发展阶段，长江水系重庆、贵州、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海、浙江、山东等省市均有天然气燃料动力船舶投入使用。2010年8月，京杭运河水域第一艘天然气燃料动力船3000吨级“苏宿货1260”号成功试航；2010年8月，长江首艘天然气燃料动力船 “武拖轮302”在武汉成功下水试航；LNG-柴油双燃料动力“长迅3”号货船在长江重庆航段试航成功；2011年4月，5000吨级天然气燃料动力货船“红日166”号在芜湖试航成功；而近两三年来江苏海通货运、上海绿动集团、安徽万峰航运公司等投资建造的新一批天然气燃料动力船陆续下水投入运营，天然气燃料船舶发动机技术日臻成熟。
4.2 技术规范法规逐步健全完善
中国船级社于2013年正式发布了《天然气燃料动力船舶规范》，并在2017年进行更新发布《天然气燃料动力船舶规范（2017）》，国家海事局也于2013年发布《内河天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定》。
中国船级社颁布的《液化天然气燃料水上加注设施入级建造规范》，2017年中国船级社对《液化天然气燃料水上加注趸船规范》进行更新。海事局也发布了《内河液化天然气水上加注设施法定检验暂行规定》。
由交通运输部审定发布的《内河液化天然气加注码头设计规范》（JTS196-11-2016）和《液化天然气码头设计规范》（JTS165）已于2016年11月正式生效。
船舶应用天然气燃料动力推进的技术指导保障规范已逐步健全完善。
5 分析及结论
（1）将天然气燃料用于船舶内燃机推进系统，可有效地降低环境污染。
（2）相比于电力推进和太阳能推进，天然气内燃机具有投资小、动力稳定、续航里程长、储存补充便捷、无次生污染等优点。
（3）船舶使用天然气作为燃料，可充分保留原内燃机产业链的基础投资和技术储备，有效节省社会资源。
（4）其应用技术成熟、配套政策和基础设施建设完善，是长江船舶应用清洁能源的首选。
参考文献：
[1]《长江航运发展报告2016》，交通运输部长江航务管理局，2017.6.
[2]《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，交通运输部，2015.12.
[3]《内河液化天然气水上加注设施法定检验暂行规定》，海事局，2014.
[4] 《内河天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定》，海事局，2013.
[5]《长江航运知识读本》，湖北科技出版社，2005.