船舶燃用低硫燃油的研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨愛民 顧亮亮 朱裕君

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

0 前言

船舶排放對(duì)環(huán)境的影響正日益受到重視，國(guó)際海事組織制定了相關(guān)規(guī)則，旨在未來10年內(nèi)大幅減少CO2、NOx和SOx的排放，各地區(qū)也陸續(xù)制定并修正了法規(guī)，對(duì)SOx的排放有了更加嚴(yán)格的限制，歐盟內(nèi)河及港口已要求使用含硫量不大于0.1%m/m的低硫燃油。本文提到的低硫油均指含硫量不大于0.1%m/m 的 MGO［1］。

1 相關(guān)規(guī)范介紹

硫氧化物SOx是形成酸雨的主要原因，酸雨破壞植物和植被，損壞建筑物，同時(shí)硫氧化物的排放引發(fā)空氣的污染導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病。船舶柴油機(jī)排放物中含有硫氧化物，為了減少來自船舶的硫氧化物排放，國(guó)際海事組織和各國(guó)政府制訂了規(guī)則和法規(guī)：

1）國(guó)際海事組織IMO MARPOL Annex VI-2008 MEPC 176（58），第14條對(duì)船上使用的燃油的硫含量做出了規(guī)定，見表1。

表1 硫排放限制標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行時(shí)間

2）歐盟第2005/33/EC法令規(guī)定：自2010年1月1日起在歐盟港口停泊（包括錨泊、系浮筒、碼頭靠泊）超過2 h的船舶不得使用含硫量超過0.1%m/m的燃油（注：歐盟將MARPOL公約附則VI 2008修正案中對(duì)不超過0.1%m/m低硫油的使用實(shí)施時(shí)間整整提前了5年）。

3）針對(duì)船舶燃用低硫燃油，船級(jí)社對(duì)使用低硫燃油的船舶設(shè)備如主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐及船舶燃油系統(tǒng)提出了安全評(píng)估和編制操作程序的要求。

2 船用低硫燃油的特性

與高硫的燃料油相比，低硫燃油有以下特性：

1）低潤(rùn)滑性：燃油中的硫有一定的潤(rùn)滑作用，低硫燃油的潤(rùn)滑性較差，潤(rùn)滑性能對(duì)燃油噴油設(shè)備及泵尤其重要。

2）低黏度：MGO（DMA）的黏度為1.5～6 cst/40℃，據(jù)統(tǒng)計(jì)，含硫量不大于0.1%m/m的DMA大部分黏度為 2～4 cst/40℃。

3）低閃點(diǎn)：部分低硫燃油的閃點(diǎn)可能低于SOLAS公約的要求（即低于60℃），因此在選用船用低硫燃油時(shí)，最小閃點(diǎn)應(yīng)不低于60℃。

4）揮發(fā)性較強(qiáng)：目前市場(chǎng)上能供應(yīng)的含硫量低于0.1%m/m的燃油只有低硫蒸餾油。

3 船舶燃用低硫燃油對(duì)船用燃油設(shè)備的影響

3.1 船舶燃用低硫MGO對(duì)柴油機(jī)的影響

1）針對(duì)高負(fù)荷燃用重油的柴油機(jī)，Nomonic材料因具有很好的耐高溫腐蝕性而被用于排氣閥的材料。當(dāng)轉(zhuǎn)換為低硫油時(shí)，由于潤(rùn)滑性能明顯降低，可能會(huì)導(dǎo)致排氣閥座磨損，因此一些柴油機(jī)設(shè)備廠家建議在使用低硫油時(shí)將Nomonic材料的排氣閥更換為硬質(zhì)合金材料排氣閥。

2）低硫燃油的潤(rùn)滑性能較差［2］。硫可以提高燃油的潤(rùn)滑性能，但是低硫燃油的硫含量很低，因而大大降低了其潤(rùn)滑性能；低硫燃油的硅鋁含量相對(duì)較高，硅鋁顆粒會(huì)想磨料一樣，進(jìn)入燃油系統(tǒng)，加速高壓油泵柱塞套筒偶件磨損，出現(xiàn)油閥卡阻、噴油器針閥磨損。

3）低硫燃油的黏度較低。過低的黏度會(huì)因潤(rùn)滑不良導(dǎo)致燃油噴油設(shè)備精密偶件間磨損加劇甚至咬死，且高壓油泵柱塞偶件間的漏泄隨磨損間隙加大而增大。若長(zhǎng)時(shí)間使用低硫燃油，應(yīng)加強(qiáng)檢查或縮短柴油機(jī)保養(yǎng)間隔時(shí)間。

根據(jù)不同的機(jī)型及不同的噴油設(shè)備，柴油機(jī)燃油進(jìn)機(jī)最小黏度要求不同。一般船用低速柴油機(jī)設(shè)計(jì)允許進(jìn)機(jī)的最小黏度為2 cst/40℃。

4）低硫燃油與氣缸油難以匹配［2］。燃油在燃燒時(shí)產(chǎn)生的SO3和水蒸氣（H2O），在柴油機(jī)缸壁溫度低于其露點(diǎn)時(shí)，會(huì)生成硫酸附著在缸壁表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用，即低溫腐蝕。燃油中含硫量與酸露點(diǎn)關(guān)系見圖1。

但適當(dāng)?shù)乃岣g能在氣缸套內(nèi)表面形成石墨薄層而有利于氣缸油的分布，對(duì)氣缸的工作條件是有利的。因此，對(duì)于氣缸的酸腐蝕應(yīng)合理控制而不是避免。氣缸油呈一定堿性以中和沉積在氣缸套內(nèi)壁的燃燒酸性物質(zhì)。TBN值是中和燃油中酸的能力的重要指標(biāo)，TBN值越高，其中和酸的能力就越強(qiáng)。

柴油機(jī)在使用低硫燃油時(shí)凝結(jié)酸減少，如再選用總堿值高的氣缸油，會(huì)使缸套內(nèi)表面形成鏡面，氣缸油的附著力大大降低，不能形成連續(xù)的油膜，增加缸套的磨損。同時(shí)會(huì)使活塞頭及活塞環(huán)間嚴(yán)重結(jié)炭，甚至導(dǎo)致活塞環(huán)的斷裂，因此需選用堿總值低的氣缸油，但低堿總值氣缸油的洗滌分散性能會(huì)下降，會(huì)對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生不利影響，如活塞環(huán)槽嚴(yán)重污染，氣缸套磨損等。

在船舶長(zhǎng)期既要燃用高硫油又要燃用低硫油時(shí)，船上應(yīng)配備兩種氣缸油，即在使用高硫燃油時(shí)選用高堿值的氣缸油（一般為TBN70），在使用低硫燃油時(shí)用低堿值的氣缸油（一般為TBN40～50）。

3.2 船舶燃用低硫燃油對(duì)船用鍋爐的影響

目前情況下，鍋爐燃燒器、燃燒控制系統(tǒng)、鍋爐油泵等均按高硫油的黏度來配置的。當(dāng)鍋爐燃油需切換至低硫油（MGO）時(shí)，鍋爐自身的配置應(yīng)作一些改進(jìn)：

1）燃燒器。燃燒器及其噴油嘴必須適用于備選燃油的種類。目前船用鍋爐燃燒器主要有：壓力霧化式、轉(zhuǎn)杯式和蒸汽或空氣霧化式3種型式。這3種燃燒器均適用于燃用含硫量相對(duì)較高的重燃油和船用柴油。然而，壓力霧化式的噴油嘴容易結(jié)碳，調(diào)節(jié)比較小，對(duì)油品的清潔度要求高；同時(shí)壓力霧化式和蒸汽或空氣霧化式的燃油供給泵的供油壓力較大，壓力霧化式的燃油供給泵的排壓一般在0.5～2.0 MPa，蒸汽或空氣霧化式的燃油供給泵的排壓一般在 0.4～1.5 MPa，因此，兩種型式對(duì)泵的安全性要求要比轉(zhuǎn)杯式高。從船廠實(shí)際使用來看，選用轉(zhuǎn)杯式燃燒器比較理想。

2）爐膛掃風(fēng)。在系統(tǒng)使用MGO時(shí)，由于MGO揮發(fā)性較強(qiáng)，當(dāng)鍋爐停止后，爐膛內(nèi)會(huì)彌漫大量的可燃?xì)怏w。因此，為了安全考慮，必須徹底清除爐膛內(nèi)的可燃?xì)怏w，必須延長(zhǎng)鍋爐預(yù)掃風(fēng)和后掃風(fēng)的時(shí)間，就需鍋爐廠家對(duì)其鍋爐的控制程序進(jìn)行修改。

3）鍋爐燃油輸送泵。由于MGO的黏度較低，原配置的適用高黏度的泵就會(huì)由于過低的黏度而導(dǎo)致其排量不滿足要求，所以要求在泵的進(jìn)口處加一冷卻器或者修改此泵的黏度輸送范圍，以滿足鍋爐燃用低黏度低硫油的要求。

4 船舶燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于低硫油的價(jià)格比較高，為了減少低硫油消耗，當(dāng)前最普遍和有效的做法是在硫化物排放控制區(qū)域以外燃用高硫燃油，在進(jìn)入硫化物排放控制區(qū)域時(shí)燃用低硫油，因此，應(yīng)對(duì)船舶燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出新的要求。

4.1 船上儲(chǔ)存各種不同類油品油艙的布置及容量

MGO和HFO各類油品應(yīng)設(shè)獨(dú)立油艙，另外由于HFO油艙一般情況下均需加熱保溫，而MGO黏度較低需要冷卻，因此在油艙布置時(shí)應(yīng)避免MGO直接與HFO艙相鄰，以避免熱傳導(dǎo)。各種燃油的儲(chǔ)量需根據(jù)船舶航線要求（是否及多長(zhǎng)時(shí)間航行于硫排放控制區(qū)）設(shè)定，要滿足在不同情況下船舶燃用各類燃油的耗量。

4.2 管系材料及泵的選取

由于MGO具有含硫量較低、黏度較低和潤(rùn)滑性能較差等特點(diǎn)，會(huì)造成泵較易磨損以致咬死或者流量減小的情況，因此在選泵時(shí)不僅要特別考慮泵材料的耐磨性，選排量時(shí)要與輸送介質(zhì)黏度相匹配。

4.3 MGO冷卻器

為滿足柴油機(jī)的安全使用，各柴油機(jī)廠家都提出了燃料油進(jìn)機(jī)黏度不低于2 cst/40℃的要求，考慮到環(huán)境溫度熱傳導(dǎo)及柴油機(jī)回油溫度升高，將導(dǎo)致MGO黏度降低，為增大MGO的進(jìn)機(jī)黏度，需在柴油機(jī)進(jìn)油管路上增加MGO冷卻器。為防止燃油泄漏至海水，一般MGO冷卻器冷卻介質(zhì)采用淡水。大部分黏度相對(duì)較高的MGO只需用機(jī)艙低溫淡水冷卻，或根本不需冷卻即可滿足柴油機(jī)進(jìn)機(jī)黏度不小于2 cst的要求。但對(duì)于黏度較低的MGO（尤其是黏度低于2 cst/40℃），為確保燃油進(jìn)機(jī)黏度，則需冷卻至17～20℃。此時(shí)冷卻介質(zhì)選擇36℃淡水已不能滿足，需用冷機(jī)機(jī)組的冷媒水來冷卻MGO，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，成本也高。

4.4 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)切換

柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的切換靠供油單元來實(shí)現(xiàn)。圖2為某散貨船供油單元示意圖。

該船設(shè)有3種燃油：MGO用于硫排放控制區(qū)；MDO和HFO用于非硫排放控制區(qū)。

首先，切換時(shí)應(yīng)注意燃油溫度的控制。由于HFO需加熱溫度較高（80～90℃），而MGO需冷卻溫度較低 （18℃左右），因此在柴油機(jī)進(jìn)行HFO及MGO切換時(shí)，溫差較大的2種燃油混合引起的溫度黏度波動(dòng)可能導(dǎo)致柴油機(jī)燃油噴射設(shè)備堵塞卡死和燃油泄漏等。MAN柴油機(jī)要求在燃油切換時(shí)，油的溫度變化要控制在2 K/min。為了緩沖溫度劇變，并考慮到管路的沖洗，該船在HFO切換至MGO前，先切換至MDO，即切換程序?yàn)镠FO→MDO→MGO。整個(gè)切換程序均為自動(dòng)切換。

其次，在燃油切換過程中，還應(yīng)注意加熱器及冷卻器的切換。該船在供油單元內(nèi)設(shè)一電動(dòng)三通閥V3，加熱器的停止及冷卻器的啟動(dòng)通過溫度傳感器或黏度傳感器來控制的，在HFO切換至MDO的過程中，V3的閥位為直通加熱器。當(dāng)系統(tǒng)全部切換至MDO時(shí)，加熱器停止，同時(shí)V3切換至冷卻器，冷卻器開始起動(dòng)。

HFO與MGO共用的管路，在燃油切換至MGO時(shí)要同時(shí)切斷伴行蒸汽及加熱蒸汽。

4.5 鍋爐燃油系統(tǒng)切換

鍋爐燃油系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，其燃油的切換是通過三通閥來控制的。鍋爐燃油系統(tǒng)可采用單回路和雙回路系統(tǒng)，單回路即采用一組供給泵，HFO、MDO和MGO均使用同一燃油管路。圖3為某散貨船鍋爐燃油日用系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)為雙回路，即單獨(dú)設(shè)一MGO供給泵組和一套獨(dú)立的燃油管路系統(tǒng)。該船的燃油切換程序?yàn)镠FO→MDO→MGO。

5 結(jié)語

比起傳統(tǒng)的重油和柴油，在燃用低硫MGO時(shí)，需要加裝一系列的設(shè)備，對(duì)柴油機(jī)和泵的要求也相應(yīng)提高。此外，船上還需要增加低硫MGO艙柜和相應(yīng)的管路。

然而隨著石油化工技術(shù)的日趨提高，提煉高黏度、低揮發(fā)的低硫燃油或者采用添加劑的辦法，都可以是MGO的實(shí)用性大大提高，所以未來具有低硫、高黏度特性的燃油將是船舶燃油的一個(gè)發(fā)展方向。

［1］孫文廣，王宗濤，張金良.船舶鍋爐低硫燃油使用分析［J］.船舶工程，2011（1）：91－93.

［2］崔向東，辛春安.船舶低速主機(jī)低硫燃油使用問題和防范措施［J］.世界海運(yùn)，2006（5）：18－20.