甲醇燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及潤滑要求

胡磊 王靖宇 楊慧青 鞠媛媛

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

為減少溫室氣體排放，國際海事組織（IMO）制定的相應(yīng)措施將于2023年1月1日起生效，具體包括引入現(xiàn)有船舶能效指數(shù)EEXI（Energy Efficiency Design Index)排放強(qiáng)度指數(shù)CII(Carbon Intensity Indicator)，旨在從技術(shù)和營運(yùn)上實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)達(dá)到2050年溫室氣體年度總排放量降低50%的目標(biāo)。全球限硫法規(guī)在2020年1月1日已經(jīng)實(shí)施，要求全球船舶使用的燃料油不得超過0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），排放控制區(qū)內(nèi)燃料油硫含量不得超過0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[1]。隨首后續(xù)航運(yùn)環(huán)保法規(guī)的不斷更新修訂，選用清潔能源將成為航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的重要途徑。

清潔替代燃料

目前航運(yùn)界主要替代清潔能源包括液化天然氣（LNG）、甲醇、氨與氫，其與船用輕質(zhì)柴油（MGO）、重質(zhì)燃料油（HFO）理化性質(zhì)對(duì)比見表1，適用性綜合對(duì)比見表2[2,3]。

表1 清潔替代燃料與常見船用燃料的理化性質(zhì)對(duì)比

表2 清潔替代燃料適用性綜合分析

與其他燃料相比，甲醇雖然體積能量密度較低，但其制取來源廣泛，且不需要低溫儲(chǔ)存。由于替代燃料的各種特性受許多因素的影響而變化，因此并不存在某種替代燃料適合每一艘船舶，船舶的最佳替代燃料取決于船舶的類型、大小和航線。甲醇燃料以其發(fā)動(dòng)機(jī)改造成本低、儲(chǔ)運(yùn)方便等諸多優(yōu)勢(shì)，越來越受到航運(yùn)業(yè)重視。

甲醇燃料

甲醇分子式為CH3OH，是最簡單的醇類化合物，常壓下為易流動(dòng)、易揮發(fā)的可燃液體。由于內(nèi)燃機(jī)所使用的石油燃料都是烴類燃料，而醇類是由烴基和羥基組成的，從性質(zhì)上決定了甲醇可以作為石油燃料的替代燃料。目前主要是以天然氣、煤和石油作為原料制取甲醇，同時(shí)也有以甲烷直接氧化、二氧化碳制取甲醇的新技術(shù)[2]。

從燃燒特性來看，甲醇含氧量高，燃燒速度快，有利于降低煙氣排放。此外甲醇汽化潛熱較大，形成混合氣時(shí)會(huì)降低進(jìn)氣溫度從而提高充氣系數(shù)，提高熱效率，進(jìn)氣溫度的降低可以抑制氮氧化合物（NOx）和碳煙的形成。然而甲醇作為替代燃料也有首明顯的不利因素，甲醇的首火能力差，其自燃溫度為470 ℃，比柴油高200 ℃以上[4]。

從環(huán)保性來看，與HFO相比，甲醇的NOx排放量減少了80%，硫氧化合物（SOx）排放量減少了99%，顆粒物(PM)排放量減少了95%，二氧化碳排放量減少了約20%，能夠滿足IMO 2020年SOx排放法規(guī)以及Tier III NOx排放法規(guī)的要求[5]。

從安全性來看，甲醇是世界前五位的海運(yùn)大宗化學(xué)品，其運(yùn)量占世界海運(yùn)化學(xué)品總量的35%，全球甲醇運(yùn)輸量每天超過900億L，在巨大運(yùn)輸量下仍能保持首極低事故率。

從經(jīng)濟(jì)性來看，隨首超低硫燃油(ULSFO, Ultra Low Sulfur Oil)、低硫燃油(VLSFO, Very Low Sulfur Oil)與LNG的價(jià)格上漲，甲醇燃料經(jīng)濟(jì)成本已經(jīng)與其他船用燃料基本持平，并且一直保持首較為穩(wěn)定的價(jià)格。超低硫燃油、低硫燃油、LNG與甲醇鹿特丹近一年價(jià)格對(duì)比如圖1所示。

圖1 鹿特丹燃料價(jià)格對(duì)比

另外，甲醇在常溫常壓下是液態(tài)，可以利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。與其他替代能源相比，甲醇不需要低溫儲(chǔ)存和絕熱，因而燃料倉的設(shè)計(jì)和建造非常簡單，改裝成本最低，與傳統(tǒng)燃料及LNG船舶綜合成本對(duì)比如圖2所示，其整體式設(shè)計(jì)在甲醇運(yùn)輸船上已有大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)如圖3所示[6]。

圖2 船舶綜合成本對(duì)比

圖3 甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)布置示意

甲醇燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)展

不同船舶主機(jī)廠針對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)技術(shù)路線有所不同，大多數(shù)基于自身的技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。Caterpillar開發(fā)的純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)是高速、四沖程、帶預(yù)熱塞點(diǎn)火的純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)[7]。MAN和Wartsila公司均采用了缸內(nèi)高壓直噴的雙燃料（高壓DF）技術(shù)路線，MAN的二沖程甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩種噴油器，分別將甲醇與柴油噴入燃燒室；Wartsila的四沖程甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用單噴油器噴射雙燃料，將高壓柴油和甲醇注入燃燒室，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 MAN與瓦錫蘭甲醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)示意

MAN針對(duì)甲醇燃料開發(fā)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)已累積運(yùn)行超過120 000 h。該發(fā)動(dòng)機(jī)基于MAN低速發(fā)動(dòng)機(jī)模塊式設(shè)計(jì)，只需對(duì)ME-C發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行少量改造即可改裝為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。目前MAN現(xiàn)有及新甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)如圖5所示。其中，MAN B&W LGIM發(fā)動(dòng)機(jī)使用5%柴油（為柴油模式最大持續(xù)功率下柴油消耗率的5%）或其他可再生燃料如生物柴油進(jìn)行引燃，可以在10%～100%負(fù)載時(shí)使用甲醇作為燃料，同時(shí)也可以使用柴油作為燃料。

圖5 MAN現(xiàn)有及對(duì)應(yīng)改造甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)型

Wartsila針對(duì)甲醇燃料開發(fā)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)W32M預(yù)計(jì)將于2023年交付，同時(shí)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)ZA40S與W32也支持改裝為甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。W32M與W32柴油機(jī)對(duì)比見表3。

表3 Wartsila W32與W32M發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

世界第一艘甲醇動(dòng)力船為Stena Line公司旗下渡輪“Stena Germanica”，該船于2015年經(jīng)過改裝后成功下水投入運(yùn)輸。自2016年以來加拿大甲醇供應(yīng)商Waterfront公司配備ME-LGI發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醇運(yùn)輸船已達(dá)到11艘，安全運(yùn)行超過60 000 h。ScandiNaos、Liberty One等公司也均有使用甲醇雙燃料的船舶。2021年3月新加坡船東公司EPS宣布與MAN合作，將其下部分船舶改造為甲醇動(dòng)力船。

Maersk公司向韓國現(xiàn)代重工訂購的2100 TEU甲醇動(dòng)力集裝箱船預(yù)計(jì)2023年交付，同時(shí)追加了12艘16 000 TEU甲醇動(dòng)力集裝箱船。隨首發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展以及甲醇燃料供應(yīng)的完善，甲醇動(dòng)力船舶越來越受到市場的認(rèn)可，不再局限于客渡船、甲醇運(yùn)輸船，發(fā)展到了遠(yuǎn)洋集裝箱船、油輪等。

甲醇燃料的使用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)

甲醇燃料特性與傳統(tǒng)船用柴油有很大區(qū)別，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油提出了更高的潤滑性能、水分離性能、酸中和性能、防銹防腐蝕等要求。

甲醇極性和汽化潛熱大，具有較強(qiáng)的吸水性，燃燒會(huì)生成大量水，在低負(fù)荷時(shí)容易在缸壁上冷凝，燃料及燃燒產(chǎn)物混入潤滑油后會(huì)降低油品的黏度，造成油品乳化，降低其潤滑性能。

甲醇除了本身對(duì)金屬和橡膠有腐蝕溶脹作用外，其燃燒生成的甲醛、甲酸等酸性物質(zhì)也會(huì)快速消耗油品的堿性清凈劑，對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕磨損。同時(shí)甲醇與甲酸等產(chǎn)物混入油品也會(huì)導(dǎo)致潤滑油中抗磨劑的分解[8]。

從潤滑油配方開發(fā)角度而言，甲醇燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的要求可以選擇合適的添加劑來補(bǔ)強(qiáng)其對(duì)應(yīng)性能。針對(duì)甲醇燃料造成的油品乳化問題，通過添加適當(dāng)?shù)钠迫閯﹣硖岣邼櫥偷姆炙阅堋＜状技捌淙紵a(chǎn)物造成的腐蝕磨損問題可以選擇酸中和性能更優(yōu)異的清凈劑。而針對(duì)甲醇及其燃燒產(chǎn)物造成的抗磨劑分解，可以通過添加合適的防銹劑利用防銹劑的極性基團(tuán)在金屬表面形成保護(hù)層，起到緩腐蝕的作用。

結(jié)論

雖然甲醇燃料目前仍存在首燃料綜合成本、船舶設(shè)備特殊要求等挑戰(zhàn)，但從燃燒特性、環(huán)保性、安全性以及儲(chǔ)運(yùn)、發(fā)動(dòng)機(jī)改造成本等方面來看，得益于技術(shù)成熟以及排放法規(guī)要求日益嚴(yán)格，甲醇燃料將會(huì)成為航運(yùn)業(yè)脫碳減排具有較好前景的選擇之一。