柴油機(jī)換用低硫燃油的實(shí)例探析

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(1.福建福通對(duì)外經(jīng)濟(jì)合作有限公司,福州 350000；2.福建永佳船務(wù)有限公司,福州 350000)

隨著國(guó)際海事組織(IMO)將MARPOL Annex VI 中大氣污染物擴(kuò)大到對(duì)更多大氣排放物的控制ECAs(emission control areas，ECA)，意味著大氣污染物由原來(lái)的SOx的排放控制擴(kuò)大到如NOx排放等[1]。并形成了明確的執(zhí)行時(shí)間表，見圖1。

圖1 國(guó)際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第57次會(huì)議和加利福尼亞洲燃油含硫量限制實(shí)施時(shí)間表

自2009年7月1日該規(guī)則開始實(shí)施以來(lái)，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)第 11 區(qū)的記錄顯示，與切換使用燃油有關(guān)的推進(jìn)系統(tǒng)故障顯著上升。舊金山沙洲引航協(xié)會(huì)報(bào)告表明，發(fā)生柴油機(jī)故障、柴油機(jī)無(wú)法啟動(dòng)及柴油機(jī)速度不穩(wěn)定影響操縱性的問(wèn)題明顯增多。因此，有必要重新分析、審視低硫油使用中可能涉及的風(fēng)險(xiǎn)和可能后果。

1 柴油機(jī)換用低硫燃油的操作風(fēng)險(xiǎn)

由于船舶原先使用的是重燃料油(HFO)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)和鍋爐使用的油品需要從HFO切換為MGO或MDO。當(dāng)換用低硫燃油時(shí)，對(duì)操作方面潛在影響的因素是：潤(rùn)滑性下降，粘度低，閃點(diǎn)低，酸度低，催化劑細(xì)粉末含量低，或點(diǎn)火及燃燒性能低。發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)生幾種問(wèn)題。其一是由于溫度急速變化且低硫燃油的潤(rùn)滑性較差，燃油系統(tǒng)可能發(fā)生熱沖擊。這會(huì)造成燃油閥、燃油進(jìn)口閥和燃油泵活塞的卡滯、磨損，從而導(dǎo)致主發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)熄火，引發(fā)操縱性的問(wèn)題[2]。有切換燃油要求的水域往往是環(huán)境敏感地區(qū)，存在多種航行風(fēng)險(xiǎn)，而且潮汐和水流作用較強(qiáng)。

在不考慮對(duì)大氣環(huán)境影響的情況下，適當(dāng)?shù)娜加土蚝繉?duì)現(xiàn)有機(jī)器的日常管理是有益的。而使用低硫油后，低硫油的貯存保管、理化特性以及燃油的燃燒特性與傳統(tǒng)重油相比，有很大變化。具體表現(xiàn)在如下。

1)較差的發(fā)火/燃燒性能。低硫油進(jìn)行脫硫后導(dǎo)致燃油成分中烴類含量變化，從而降低了低硫油的發(fā)火燃燒性能，大氣污染物(不完全燃燒產(chǎn)物)的排放量隨之增加。未來(lái)柴油機(jī)技術(shù)、日常管理將隨之改變。

2)低的潤(rùn)滑性能。低硫油本身潤(rùn)滑性能不如傳統(tǒng)的重油。此外，燃油中的硫在機(jī)器內(nèi)進(jìn)行燃燒反應(yīng)時(shí)，同燃油中的其它成分產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)有一定的潤(rùn)滑作用。隨著燃油中的硫含量降低，燃燒產(chǎn)物中的潤(rùn)滑性能也會(huì)降低。低硫油潤(rùn)滑性能降低會(huì)帶來(lái)主、副機(jī)高壓油泵、噴油器等柱塞偶件以及燃油泵的磨損甚至咬死。為此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)燃油的潤(rùn)滑性能制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試方法(ISO 12156-1)，要求燃油商提供的燃油潤(rùn)滑性能為460～520 μm。如果低硫油的潤(rùn)滑性指標(biāo)不在以上范圍內(nèi)，可以要求燃油供應(yīng)商添加燃油潤(rùn)滑劑。

3)不相容性。兩種不同的燃油混合時(shí)會(huì)帶來(lái)燃油不相容，產(chǎn)生沉淀、分層堵塞管路濾器等。蒸餾的低硫油與其它的重油相容性很差。傳統(tǒng)的重油中含有較多的芳香烴成份以及瀝青，這些成份與柴油、低硫油混合后穩(wěn)定性很差，將會(huì)產(chǎn)生析蠟和質(zhì)量很大的油泥。

4)低硫油對(duì)目前船舶設(shè)備潛在的影響。由于ULSFHO含硫量降低，燃燒產(chǎn)物中的酸性物質(zhì)較少，要求滑油的堿性降低。尤其是目前美國(guó)陸用低硫柴油含硫量只有15 mg/L，如果仍然使用BN70的氣缸油，過(guò)高堿性的滑油將會(huì)帶來(lái)缸套等運(yùn)動(dòng)部件磨損、拉缸等事故。過(guò)高堿性的滑油沒(méi)有被機(jī)器內(nèi)的燃燒產(chǎn)物中和掉，會(huì)在燃燒室上、活塞環(huán)槽內(nèi)沉淀大量堅(jiān)硬鈣鎂化合物。

5)低硫油的凈化。通常情況下，MGO輕油可以不需要分油機(jī)凈化處理，然而有些機(jī)器制造商推薦凈化處理。凈化操作應(yīng)該按照分油機(jī)廠家指導(dǎo)進(jìn)行。至于像硅、鋁化合物的觸媒顆粒，燃油的熱裂化提煉過(guò)程是在500 ℃的高溫分離塔中通過(guò)觸媒裂化分解，大量的觸媒顆粒存在于蒸餾物中。觸媒對(duì)于燃油的終端產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響，對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生磨損。船上減少觸媒顆粒的方法是燃油沉定柜加熱、放殘以及進(jìn)行離心分油機(jī)凈化處理。

2 柴油機(jī)換用低硫燃油的探析

2.1 制定合適的換油操作程序

低硫燃油的特性對(duì)管理提出了新的要求，特別是高、低硫燃油轉(zhuǎn)換使用過(guò)程中，燃油-低硫油轉(zhuǎn)換操作程序應(yīng)作如下考慮。

1)由經(jīng)驗(yàn)豐富、技能良好的輪機(jī)員對(duì)燃油系統(tǒng)安全有效的轉(zhuǎn)換進(jìn)行評(píng)估。

2)考慮到燃油日用柜、沉淀柜的設(shè)計(jì)布置情況，決定轉(zhuǎn)換操作時(shí)是否混油。1998年以后建造的船舶，按照SOLAS公約要求，有2個(gè)日用柜和多個(gè)儲(chǔ)存柜，在很多情況下，有一個(gè)日用油柜是輕油柜而不是重油柜，當(dāng)這個(gè)油是MDO或MGO時(shí)好操作，在裝LSFHO時(shí)就像MGO轉(zhuǎn)換操作一樣，這是這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

3)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)，建議降低主機(jī)負(fù)荷，典型的情況是在30%～70%MCR進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。具體情況要依照船舶推進(jìn)裝置的特點(diǎn)進(jìn)行選定。

4)避免燃油系統(tǒng)溫度變化過(guò)快。設(shè)備制造廠家對(duì)溫度變化要求一般不高于2 ℃/min，正常情況下以主機(jī)燃油進(jìn)機(jī)溫度150 ℃為例，MGO溫度40 ℃，按照2 ℃/min的要求進(jìn)行操作，完成轉(zhuǎn)換過(guò)程需要55 min，接近1 h。很多船舶采用3通閥直接轉(zhuǎn)換，燃油在混合油柜中快速流動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致MGO過(guò)熱氣化，過(guò)快的從MGO轉(zhuǎn)換HFO, 由于過(guò)冷的MGO使HFO溫度降低過(guò)快堵塞濾器導(dǎo)致主機(jī)停車。因此，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不得不進(jìn)行修改，安裝自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。

5)為了保證低硫油的進(jìn)機(jī)粘度不低于設(shè)備要求的最低粘度，燃油系統(tǒng)安裝冷卻器，冷卻旁通閥保持常開，進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)在關(guān)閉。

2.2 低硫燃油轉(zhuǎn)換的實(shí)船操作程序

以下為筆者在“臺(tái)揚(yáng)”船(M.V.TAI HAWK)結(jié)合廠家、船舶操作實(shí)際情況而制定的高硫份到低硫份的轉(zhuǎn)換程序。

1)低硫油艙(S≤1.5%)應(yīng)和其它油艙保持隔離(4.5%>S>1.5%)，第三燃油艙則用來(lái)補(bǔ)給低硫燃油。

2)重油沉淀柜容量18.5 m3(實(shí)際15 m3)，重油日用柜的容量19.4 m3(實(shí)際容量16 m3)，重油溢流柜的容量14.3 m3，主機(jī)燃油管系統(tǒng)的容量0.15 m3，主機(jī)的燃油消耗30 t/d(1.25 t/h)；輔機(jī)燃油管系統(tǒng)的容量：0.05 m3，輔機(jī)的燃油消耗：1.8 t/d(0.075 t/h)。

3)一旦船舶確認(rèn)進(jìn)入低硫控制區(qū)域(ECA)，下列程序必需執(zhí)行(高硫燃油硫份是3.2%，低硫燃油硫份是1.2%)。

①進(jìn)入硫份控制區(qū)前24 h，停止正常油艙駁油到重油沉淀柜，記錄到輪機(jī)日志。

②當(dāng)重油沉淀柜里的高硫燃油被消耗，(從15 m3到用空大約需要12 h)，停止燃油分油機(jī)，駁運(yùn)低硫燃油到重油沉淀柜，記錄到輪機(jī)日志。

③當(dāng)燃油日用柜里高硫燃油剩下5.0 m3，啟動(dòng)燃油分油機(jī)，直到燃油日用柜達(dá)到15 m3，停止分油機(jī)。

混合前高硫燃油硫份值為5.0×3.2%=0.16；

低硫燃油的硫份值為10.0×1.2%=0.12；

混合后的混合燃油硫份值S1為

S1=(0.16+0.12)÷(10+5)=1.87%。

④當(dāng)混合燃油從15 m3消耗到5 m3，(約8 h)，啟動(dòng)燃油分油機(jī)，直到燃油日用柜達(dá)到15 m3，停止分油機(jī)。燃油日用柜里混合的硫份值S2為

S2=(5×1.87%+10×1.2%)÷(5+10)=1.4%。

⑤離開硫份控制區(qū)域后，改回到正常油艙。

4)如果從高硫到低硫轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)不及，沉淀柜里的高硫燃油可以放到燃油溢流柜。然后轉(zhuǎn)駁到第一艙或第二艙。

2.3 鍋爐換油操作的分析

由于鍋爐的最初設(shè)計(jì)不是使用MGO之類的輕油，所以對(duì)鍋爐使用低硫油的時(shí)候，不僅要依照設(shè)備廠商的要求做相應(yīng)的修改，同時(shí)要注意以下事宜。

1)船東和經(jīng)營(yíng)人要對(duì)鍋爐及附屬設(shè)備對(duì)燃燒低硫油存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)是否需要添加設(shè)備或修改管路以便適合燃燒低硫油，以及相關(guān)的操作程序。制定操作低硫油操作程序放在船上，這是ISM審核時(shí)要求。

2)對(duì)于初始設(shè)計(jì)使用HFO/MDO的燃油鍋爐應(yīng)該注意如下事宜[3]。

①鍋爐在冷態(tài)初始狀態(tài)燃燒MGO時(shí)，要考慮燃燒MGO時(shí)蒸汽負(fù)荷達(dá)不到要求。

②對(duì)鍋爐霧化油嘴進(jìn)行重新評(píng)估，以前的霧化油嘴不適合燃燒MGO，可能導(dǎo)致火焰熄滅，應(yīng)該同廠家聯(lián)系制定安全措施。

③MGO可能會(huì)在旋轉(zhuǎn)杯上結(jié)碳，需要采取防熱措施避免結(jié)碳；此外，鍋爐燃油—低硫油轉(zhuǎn)換時(shí)，同樣要考慮油的相容問(wèn)題。

④目前船舶燃油管路系統(tǒng)中的伴熱管是為燃燒HFO設(shè)計(jì)的，不適合MGO，MGO如果在目前的鍋爐管系中流動(dòng)，可能會(huì)氣化，這樣流到鍋爐燃燒器的油是不連續(xù)的，導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定或者熄滅，應(yīng)該考慮添加單獨(dú)的低硫油管路。

⑤目前船舶鍋爐油泵適合HFO，使用MGO會(huì)帶來(lái)吸入困難。

3 結(jié)論

船舶在ECA區(qū)域換用低硫燃油操作的關(guān)鍵是熟悉設(shè)備廠家的指導(dǎo)說(shuō)明，結(jié)合油品特性，對(duì)管理細(xì)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，才能最大程度地保障機(jī)器設(shè)備在低硫燃油的環(huán)境下安全穩(wěn)定使用，最大程度地保障船舶的安全運(yùn)營(yíng)，減少故障。

[1] 關(guān)于船舶在歐盟國(guó)家使用低硫燃油新規(guī)定的通函[R].中國(guó)船東互保協(xié)會(huì),2010.

[2] 周蘭喜.船舶低硫燃油的使用對(duì)船舶設(shè)計(jì)的影響及對(duì)策[J].江蘇造船,2011(4):36-38.

[3] 孫文廣,王宗濤,張金良.船舶鍋爐低硫燃油使用分析[J].船海工程,2011(2):84-85.