IMO2020限硫令下船用燃料油使用分析

安偉，郭鵬，張慶范，趙建平，劉保占，宋莎莎

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 安全環(huán)保分公司，天津 300452；2.中華人民共和國山東海事局，山東 青島 266580)

為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的船舶大氣污染問題，國際海事組織(IMO)于2016年10月向全世界發(fā)布了有史以來最嚴(yán)苛的限硫規(guī)定，要求自2020年1月1日起在全球范圍內(nèi)執(zhí)行船用燃料油含硫量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.5%的全新要求，業(yè)界稱為IMO2020限硫令[1]。該法令正式實施后，航運界可選擇使用清潔能源、安裝脫硫裝置、使用合規(guī)的低硫燃油等方法滿足排放要求，但因使用低硫燃油更具靈活性、便利性和可實施性，具有綜合優(yōu)勢，更受大多數(shù)船東的青睞[2]。據(jù)估計，2020年90%以上的船舶選擇低硫油來應(yīng)對低硫法規(guī)， 2020年之后低硫油將成為船用燃油市場的主流產(chǎn)品。

1 船用低硫燃料油

市場上可選擇和使用的船用低硫燃油(LSFO)類型主要有4種:低硫重油(LSHFO)、低硫輕質(zhì)油(餾分型)、生物柴油和低硫調(diào)和油，詳見表1。

表1 市場上的低硫燃料油

低硫重油一般由高品質(zhì)原油經(jīng)蒸餾工藝加工后直接獲得，硫含量在0.3%～0.8%之間，這類高品質(zhì)原油在全世界只有五六個主要產(chǎn)區(qū)，可得性非常有限，市場供應(yīng)量不多。低硫輕質(zhì)油主要為餾分型，是超低硫燃料油的主要來源，但其價格相對較高，且黏度極低，很難達(dá)到設(shè)備廠家要求的最低黏度，從而限制了其使用范圍。調(diào)和生物柴油是ISO 8217在2017年新增的燃油類型，主要指通過引入脂肪酸甲酯而得到的調(diào)和柴油。該類柴油在使用過程中存在易氧化、易沉積、易生長微生物等問題，會對船舶安全運行造成不利影響，目前還未大規(guī)模使用。低硫調(diào)和油則是由餾分油和低硫重油混合調(diào)制而成，兩者調(diào)和后不但可降低硫含量還解決了黏度低的問題，同時該類油品還具有成本較低的優(yōu)勢，將成為未來船用燃料油市場的主要產(chǎn)品。

2 現(xiàn)行船用燃料油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

國際上比較常用的燃料油標(biāo)準(zhǔn)主要有3個:國際化標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)發(fā)布的ISO8217,美國材料與實驗協(xié)會(ASTM)發(fā)布的ASTM D396和中國發(fā)布的GB/T 17411。其中最早公認(rèn)的船用燃料油標(biāo)準(zhǔn)是由ISO于1977年制定的[3]。目前3個標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的最新版本分別為ISO 8217—2017、D396—18和GB 17411—2015[4]。3個標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于燃料油的型號分類及硫含量要求見表2。

由表2可見，現(xiàn)行的燃料油標(biāo)準(zhǔn)大多對硫含量的要求已無法滿足IMO2020限硫令的規(guī)定，因此制定新一代燃料油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已迫在眉睫。

表2 船用燃料油現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對比

3 船用低硫燃料油使用中存在的問題

超低硫燃油(w(S)0.10%)在硫排放控制區(qū)(SECA)內(nèi)已使用了很長一段時間，使用過程中發(fā)現(xiàn)低硫燃料油會對常規(guī)燃油系統(tǒng)造成一些不利影響。

3.1 黏度及潤滑性問題

通常情況下餾分型低硫油的黏度較低，致使燃油機(jī)管路泄漏風(fēng)險上升，一旦發(fā)生泄漏不僅增加了火災(zāi)風(fēng)險還會導(dǎo)致燃油系統(tǒng)壓力降低。尤其是當(dāng)燃油系統(tǒng)壓力低于一定值時，燃油經(jīng)噴油嘴噴出后將無法與空氣均勻混合，從而發(fā)生不完全燃燒過程，造成主機(jī)功率下降及噴油嘴積炭。同時黏度較低的低硫油潤滑性往往也較差，燃機(jī)中的油泵若長期在低潤滑環(huán)境中運行則會加劇其磨損過程，引發(fā)機(jī)械故障。

3.2 催化劑顆粒問題

在煉制低硫燃料油過程中，為降低硫含量會使用大量的催化劑，因此低硫油中催化劑顆粒的含量通常會較高。這些催化劑顆粒一般成分為鋁、硅化合物，具有較高的硬度，其存在會加劇燃油泵、高壓油泵、燃油噴油控制單元和噴油器等部件的磨損。

3.3 穩(wěn)定性和兼容性問題

低硫燃料油通常含有較高比例的石蠟基成分，當(dāng)其在油艙內(nèi)長期存放時，其中的懸浮態(tài)瀝青質(zhì)會聚合沉淀生成油泥或油渣，造成油路、分油機(jī)和濾器堵塞。而以調(diào)和方式制備的新型低硫燃料油，由于調(diào)和比例和成分的差異，則會經(jīng)常引發(fā)兼容性問題。即便新型低硫燃油達(dá)到ISO要求的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)與其他的燃料油混合后也存在沉淀分層的風(fēng)險。

3.4 低硫油質(zhì)量問題

某燃料油質(zhì)量檢測公司在世界范圍內(nèi)統(tǒng)計了7 000余次低硫油的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其中有約8%的油樣無法達(dá)到ISO要求標(biāo)準(zhǔn)。問題主要集中在沉積物含量偏高、硫含量超標(biāo)和含水量過高等方面，這些質(zhì)量問題在一定程度上增加了船東面臨監(jiān)管部門罰款的風(fēng)險[5-6]。

3.5 燃油轉(zhuǎn)換故障

餾分型低硫油具有流動性好、雜質(zhì)少等特點，長期燃燒重質(zhì)燃料油的發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)用低硫油時，會導(dǎo)致高壓油泵、噴油器等設(shè)備拉傷、卡死。殘渣型低硫燃油的物理性質(zhì)和常規(guī)燃油差別不大，但由于受原油來源和煉制工藝的影響，油品的化學(xué)成分會有明顯差異。不同成分的燃料油在互相切換時，難免會出現(xiàn)油料混用現(xiàn)象，從而產(chǎn)生分層、沉淀等問題，增加發(fā)動機(jī)故障的風(fēng)險。

4 船用低硫油使用注意事項

4.1 維持燃油系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)

燃料油的黏度是其在柴油機(jī)中燃燒質(zhì)量的決定性因素，MAN B&W柴油機(jī)制造商曾建議，在使用低硫油時應(yīng)確保黏度在3 mm2/s以上。為了維持燃油在發(fā)動機(jī)進(jìn)口處所需的黏度和水動力性能，引入冷卻系統(tǒng)將是最有效的選擇[7-8]。此外，發(fā)動機(jī)對燃油黏度的適用度通常還受發(fā)動機(jī)維護(hù)狀態(tài)、燃油泵磨損情況、發(fā)動機(jī)調(diào)整情況、燃油系統(tǒng)的實際溫度，以及人為操作等因素的影響。因此，在低硫油使用過程中通過合理有效的操作方法，確保燃油系統(tǒng)中的設(shè)施維持在良好的運行狀態(tài)將尤為重要。

4.2 降低催化劑顆粒影響

早前的燃油檢測報告顯示，低硫油中的催化劑顆粒鋁、硅含量明顯高于常規(guī)燃油。因此，針對低硫燃料油中催化劑顆粒含量過高的問題，在使用過程中應(yīng)重點關(guān)注燃油系統(tǒng)中的濾器狀況，及時開展放殘操作，盡量降低催化劑顆粒對燃油系統(tǒng)的影響。

4.3 做好燃油轉(zhuǎn)換管理

1)燃油質(zhì)量應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。確保所用燃料油符合ISO 8217/ ASTM D396/ GB/T 17411等標(biāo)準(zhǔn)，注意留存相關(guān)質(zhì)檢報告，并充分了解所用燃油的主要物性參數(shù)。

2)減少燃油混用。低硫油兼容性和穩(wěn)定性均較差，應(yīng)盡量避免燃油混用及長時間存放(一般建議在3～6個月內(nèi)使用完)，減少沉淀柜及日用柜中舊油的含量。

3)注意燃油轉(zhuǎn)換時機(jī)。據(jù)統(tǒng)計，船舶發(fā)動機(jī)故障通常發(fā)生在燃油轉(zhuǎn)換過程中或轉(zhuǎn)換后24 h內(nèi)，因此燃油轉(zhuǎn)化應(yīng)選擇在航道寬闊且通航密度較低的區(qū)域進(jìn)行，從而避免因燃料轉(zhuǎn)換故障導(dǎo)致的后續(xù)事故。

4)確保燃油轉(zhuǎn)換程序規(guī)范。嚴(yán)格控制燃油粘溫變化，黏度變化控制在4～20 mm2/s，溫度變化梯度不高于2 ℃/min，主機(jī)負(fù)荷控制在持續(xù)負(fù)荷的25%～40%。

4.4 開展氣缸油實時檢測

針對低硫油使用過程中存在燃燒不良和異常產(chǎn)物的問題，應(yīng)根據(jù)氣缸油的性能測試結(jié)果決定具體的應(yīng)對方法。目前的常規(guī)做法是將油樣送至實驗室進(jìn)行測試，通常1～2周甚至1個月后方可拿到化驗報告，不利于氣缸油性能的實時監(jiān)測。應(yīng)考慮在船上配套實時檢測設(shè)備，通過實時監(jiān)控燃燒室、掃氣箱和氣缸油的狀況，優(yōu)化氣缸油的注油率及BN值(堿值)，最終達(dá)到延長吊缸周期、控制低溫腐蝕以及異常物理磨損的目的。

5 船用低硫燃料油研究建議

5.1 推動低硫油標(biāo)準(zhǔn)制定

隨著市面上船用低硫油種類的不斷增多，船舶航運和燃料油監(jiān)管面臨的挑戰(zhàn)也將越來越大。ISO8217最新標(biāo)準(zhǔn)中某些指標(biāo)已被證實不再適用于低硫燃料油，目前一些行業(yè)協(xié)會和標(biāo)準(zhǔn)組織也正在考慮制定針對低硫燃油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過分析低硫燃料油使用中存在的問題不難發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這些問題的因素主要包括催化劑顆粒、黏度、穩(wěn)定性和兼容性等，因此建議在制定低硫燃料油標(biāo)準(zhǔn)時重點關(guān)注這些指標(biāo)。

5.2 關(guān)注低硫燃料油泄漏污染

船舶碰撞事故會造成燃料油的泄漏，在風(fēng)浪及日照作用下，燃油性質(zhì)會不斷發(fā)生變化，產(chǎn)生風(fēng)化，從而對應(yīng)急處置造成一定的影響。由于低硫燃料油使用的時間還比較短，目前世界范圍內(nèi)缺少針對低硫燃料油風(fēng)化性質(zhì)的研究。在對低硫燃料油開展檢測時，還需綜合考慮其溢油風(fēng)化特性，以指導(dǎo)低硫燃料油泄漏事故后的處置決策。另外，為提升油類污染事故中的溯源能力，應(yīng)進(jìn)一步開展針對新型低硫燃油的油指紋的研究工作。