船用甲醇發(fā)動機油的發(fā)展趨勢與性能需求

韓旭，閆洪振，付代良，陸海迪，牛志堅

(1.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116023；2.中國石油潤滑油公司特種油事業(yè)部，上海 201800；3.淄柴動力有限公司，山東 淄博 255086)

0 引言

在《中美聯(lián)合氣候變化聲明》和《巴黎協(xié)定》中，中國承諾碳排放將在2030年前后達峰，達峰時的碳排放強度較2005年下降60%～65%。非化石能源占一次能源消費比重提升至20%左右。多數(shù)研究都表明中國在2030年具備碳排放達峰條件，能順利實現(xiàn)承諾。何建坤[1-2]和柴麒敏、徐華清[3]認(rèn)為，中國2030年左右可以實現(xiàn)碳排放達峰，并且是實現(xiàn)達峰較好的機會。將甲醇作為燃料推廣應(yīng)用，替代石油以降低對外依存度，實現(xiàn)環(huán)境友好，最終實現(xiàn)碳中和的能源發(fā)展目標(biāo)。此外，發(fā)展甲醇燃料，降低對石油依賴，有利于緩解我國目前石油緊缺現(xiàn)狀，保證國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展[4]。

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和國際經(jīng)濟貿(mào)易往來活動頻次提高，航運業(yè)迎來了快速發(fā)展，船舶發(fā)動機作為國際航運船舶的主要動力，其規(guī)模和數(shù)量也快速增長，由此帶來的發(fā)動機尾氣排放對大氣環(huán)境造成的污染問題也越趨嚴(yán)重，如何降低船舶柴油機的尾氣排放量，提高發(fā)動機燃料的性能，減少全球溫室氣體排放，滿足國際海事組織的要求，正引起國際社會的密切關(guān)注，因此，航運業(yè)也面臨著尋找和獲取低碳替代燃料的重大挑戰(zhàn)。

2018年4月13日，IMO第72屆海上環(huán)境保護委員會在英國倫敦通過了國際海運溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，要求分三個階段目標(biāo)逐步實施，爭取到2050年全球溫室氣體年度總排放量與2008年相比至少減少50%，并努力按照與《巴黎協(xié)定》溫控目標(biāo)一致的減排路徑，逐步消除海運溫室氣體排放。使用更清潔的發(fā)動機燃料，總體上提高船舶發(fā)動機的排放水平[5-6]。

由于發(fā)動機結(jié)構(gòu)及船舶燃料的改變，發(fā)動機潤滑需求發(fā)生了改變。為滿足發(fā)動機的潤滑需求需要開發(fā)適用于船舶甲醇發(fā)動機及甲醇雙燃料發(fā)動機的潤滑油。該油品需要在抗氧化性能、分水性能、抗磨性能等方面適應(yīng)新的潤滑需求[7]。

1 國際海事組織減排方案

2018年4月，國際海事組織采取了減少船舶溫室氣體(GHG)排放的初步戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略將由IMO進一步審查，并設(shè)定2050年溫室氣體工作的方向。

該戰(zhàn)略的重點是降低二氧化碳和甲烷等主要溫室氣體的排放量。戰(zhàn)略設(shè)定了三個目標(biāo)[8]。

(1)通過更嚴(yán)格的能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)要求，減少單個船舶的溫室氣體排放；

(2)到2030年，每個運輸船舶的平均二氧化碳排放量至少減少30%，在2050年努力達到70%(與2008年相比)；

(3)在2050年之前將年度溫室氣體排放量至少減少50%(與2008年相比)。

該戰(zhàn)略還提出了短期，中期和長期候選措施。

短期：2018-2023年。

(1)改進現(xiàn)有的能效框架(EEDI和船舶能效管理計劃(SEEMP))；

(2)為新船和現(xiàn)有船舶制定技術(shù)和運營能效措施，考慮和分析速度優(yōu)化/減少；

(3)考慮和分析減少甲烷排放的措施；

(4)研究和開發(fā)替代低碳和零碳燃料；

(5)為所有類型的燃料制定生命周期溫室氣體強度指南。

中期：2023-2030年。

(1)有效更新替代低碳和零碳燃料的實施計劃；

(2)實施節(jié)能運營措施；

(3)利用市場工具調(diào)節(jié)燃料方案。

長期：2030年以后。

(1)繼續(xù)開發(fā)零碳和無化石燃料；

(2)其他新的/創(chuàng)新的減排機制。

國際海事組織的初始溫室氣體戰(zhàn)略針對所有懸掛防止船舶污染國際公約(MARPOL)船旗的船舶。但是，該戰(zhàn)略還包括一些例外的條款，此類條款特別針對小島嶼發(fā)展中國家和最不發(fā)達國家[5]。

2 替代燃料——甲醇

航運產(chǎn)生的廢氣造成空氣污染和環(huán)境問題，因此，航運業(yè)根據(jù)新的環(huán)保條約的要求，需要大幅度減少溫室氣體的排放。例如，在指定的SOx排放控制區(qū)，如北海/波羅的海地區(qū)，到2015年將使船舶燃料中允許的最大硫含量降低到0.1%。氮氧化物(NOx)排放將需要從2016年開始在指定的NOx排放控制區(qū)減少。

甲醇是一種很有前途的替代燃料，甲醇可以成為滿足硫排放控制區(qū)指南的競爭性替代品。甲醇可以從可再生和不可再生原料中生產(chǎn)，也可以通過在煙氣中捕獲和回收大氣中的CO2來生產(chǎn)。隨著 “綠色”甲醇變得更加廣泛，它將有助于實現(xiàn)航運溫室氣體減排目標(biāo)，并轉(zhuǎn)向無化石燃料和低碳未來[9]。甲醇特性見表1。

表1 甲醇特性

甲醇燃料的特點[10-11]。

(1)以甲醇為燃料可降低有毒有害的溫室氣體的排放：有效降低NOx、CO、CO2、SOx等氣體的排放；

(2)燃燒充分，延長發(fā)送機的使用壽命：因為甲醇燃料的充分燃燒特性，能有效地消除燃燒系統(tǒng)各部位的積炭，避免了因積炭的形成而引起動力下降、燃燒不充分等現(xiàn)象，且可降低各工況排氣溫度，有利于降低零部件熱負(fù)荷，延長發(fā)動機部件的使用壽命；

(3)來源清潔：可通過煤制合成氣合成甲醇、通過天然氣合成甲醇、通過捕捉CO2合成甲醇，實現(xiàn)碳的零排放，生產(chǎn)成本低；

(4)與LNG對比：依靠 LNG 燃燒實現(xiàn)的小幅 CO2減排效果(最大20%)很容易就會被發(fā)動機甲烷泄露和配送環(huán)節(jié)中的流失所抵消。作為一種溫室氣體，甲烷溫室效應(yīng)是 CO2的 20～30 倍，這就導(dǎo)致甲烷排放物成為全球變暖的一個重要因素，甲醇加注及運輸可采用與船用柴油相同的設(shè)備，儲存設(shè)備安裝簡單，成本僅為LNG的二分之一。

甲醇燃料的缺點及解決方案[11]。甲醇燃料存在動力性不足、易產(chǎn)生氣阻、有毒、有腐蝕等問題。為改善甲醇動力性不足的問題，可通過添加助燃劑(有機過氧化物、金屬有機化合物)加以解決；為解決氣阻問題，可通過添加抗阻沉積劑，促進甲醇的充分燃燒，減少氣阻的發(fā)生；通過添加腐蝕抑制劑可以解決甲醇的腐蝕性問題。

3 發(fā)動機改造

船舶使用的柴油發(fā)動機類型有兩沖程發(fā)動機或四沖程發(fā)動機。目前，兩沖程發(fā)動機和四沖程發(fā)動機均可改裝為可以在雙燃料模式下使用甲醇的發(fā)動機[9，12]。在這些改裝中，將對發(fā)動機燃料噴射器進行改動，以便獲得更高的噴射壓力，這樣才能引燃甲醇。與常規(guī) HFO 和柴油相比，甲醇的黏度很低，所以需要對密封件采取特殊的防泄漏措施。燃料供應(yīng)系統(tǒng)還必須保證執(zhí)行維護或維修工作的技術(shù)工人的安全，在實際情況下，這就意味著需要避免直接接觸甲醇。因此，甲醇發(fā)動機裝有雙層燃料輸送系統(tǒng)。此外，發(fā)動機系統(tǒng)具有脫氮凈化功能，可確保操作人員可以安全操作發(fā)動機。與HFO恰恰相反，甲醇無需對燃料進行加熱，相反，有時需要在噴射前對燃料進行降溫。

甲醇與LNG的十六烷值都比較低，所以發(fā)動機將需要一種十六烷增強劑，以便點火。雙燃料發(fā)動機使用少量的柴油作為一種引燃燃料。為了對現(xiàn)有發(fā)動機進行改裝，使用了氣體-柴油技術(shù)。氣體雙燃料發(fā)動機的不同之處在于，天然氣使用的氣體壓縮機更換為高壓甲醇泵，以增加燃料壓力。在改裝船只中，常規(guī)燃料系統(tǒng)可以作為一個獨立系統(tǒng)保留運行功能。甲醇噴射通過高壓共軌系統(tǒng)執(zhí)行。所有甲醇管道均采用雙層設(shè)計。所有甲醇高壓管道系統(tǒng)可通過氮氣凈化處理，以便操作員在不接觸甲醇的情況下進行維護。

“Stena Germanica”號滾裝船于2016年初將該船的所有4臺發(fā)動機都改裝成甲醇燃料動力，該船的改裝包括雙體船中的一個甲醇燃料艙、一個氣體壓縮泵房和發(fā)動機控制系統(tǒng)，改裝工作均在波蘭Remontowa船廠進行。

第1臺瓦錫蘭發(fā)動機改裝已在2015年初進行，目前這臺雙燃料甲醇發(fā)動機已可正常運行(圖1)，瓦錫蘭的檢測已確認(rèn)可以進行第2臺發(fā)動機的改裝安裝。目前該船滿負(fù)荷運行時的燃料中，95%為甲醇，5%為傳統(tǒng)船用燃料；半負(fù)荷運營時的燃料中，10%為傳統(tǒng)船用燃料，90%為甲醇。

圖1 改裝后的瓦錫蘭甲醇發(fā)動機

4 甲醇發(fā)動機油

由于發(fā)動機改造及甲醇燃料的燃燒特點，甲醇作為燃料時,發(fā)動機潤滑系統(tǒng)會產(chǎn)生一系列的技術(shù)問題。例如：發(fā)動機出現(xiàn)銹蝕、磨損、發(fā)動機冷啟動困難時部分缸內(nèi)甲醇流入曲軸箱，進而使?jié)櫥秃图状贾苯咏佑|，不但使?jié)櫥褪艿轿廴?，而且使?jié)櫥陀行С煞直惠腿?，即造成潤滑油功能的喪失。同時，甲醇燃料燃燒[13-15]后衍生的水、甲酸等成分容易進入曲軸箱使?jié)櫥统霈F(xiàn)堿丟失、乳化等現(xiàn)象。因此現(xiàn)有的市售潤滑油不能適用于甲醇做燃料的發(fā)動機，由此使得研制和開發(fā)適用于甲醇燃料發(fā)動機的新的潤滑油成為了一種迫切的需求[7]。美孚、雪佛龍等公司均已針對甲醇發(fā)動機開展?jié)櫥脱邪l(fā)[16-18]。

甲醇發(fā)動機油特點[19-20]。

(1)低堿值：甲醇、LNG等清潔能源不含硫，燃燒產(chǎn)物對機油堿值要求不高，實驗證明機油堿值過高，會引起異常磨損；

(2)低灰分：灰分過高會引起積炭，篩選無灰分散劑；

(3)高抗磨性能：實驗表明對于雙燃料發(fā)動機，機油需要提供較高的抗磨性能，否則將導(dǎo)致異常磨損；

(4)高分水性能：甲醇燃料燃燒產(chǎn)生水分，水分導(dǎo)致潤滑油乳化，需要篩選全新的破乳劑；

(5)預(yù)防甲醇不完全燃燒產(chǎn)生的甲酸對機油添加劑的萃取作用：篩選全新的無灰分散劑、清凈劑等；

(6)引燃階段的潤滑：船用柴油做引燃劑，滿足發(fā)動機的潤滑要求；

(7)抗氧化性能：良好的抗氧化性能。

5 總結(jié)

(1)為實現(xiàn)IMO制定的溫室氣體減排方案，甲醇因其可降低溫室氣體的排放成為潛在的替代燃料；

(2)甲醇燃料來源廣泛，可在全過程實現(xiàn)溫室氣體的低排放，甲醇燃料的缺點可通過添加相應(yīng)的添加劑予以解決；

(3)甲醇發(fā)動機的改造相對簡便可行，需對管路、噴射、儲存等環(huán)節(jié)進行改造，甲醇燃料發(fā)動機“Stena Germanica”號滾裝船已在運營中；

(4)甲醇燃料發(fā)動機油需要具有低堿值、高分水性、體系穩(wěn)定性好、抗磨性高等特點。