柴油機換用低硫燃油的實例探析

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(1.福建福通對外經濟合作有限公司,福州 350000；2.福建永佳船務有限公司,福州 350000)

隨著國際海事組織(IMO)將MARPOL Annex VI 中大氣污染物擴大到對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的SOx的排放控制擴大到如NOx排放等[1]。并形成了明確的執行時間表，見圖1。

圖1 國際海事組織海洋環境保護委員會第57次會議和加利福尼亞洲燃油含硫量限制實施時間表

自2009年7月1日該規則開始實施以來，美國海岸警衛隊第 11 區的記錄顯示，與切換使用燃油有關的推進系統故障顯著上升。舊金山沙洲引航協會報告表明，發生柴油機故障、柴油機無法啟動及柴油機速度不穩定影響操縱性的問題明顯增多。因此，有必要重新分析、審視低硫油使用中可能涉及的風險和可能后果。

1 柴油機換用低硫燃油的操作風險

由于船舶原先使用的是重燃料油(HFO)，因此發動機和鍋爐使用的油品需要從HFO切換為MGO或MDO。當換用低硫燃油時，對操作方面潛在影響的因素是：潤滑性下降，粘度低，閃點低，酸度低，催化劑細粉末含量低，或點火及燃燒性能低。發動機可能發生幾種問題。其一是由于溫度急速變化且低硫燃油的潤滑性較差，燃油系統可能發生熱沖擊。這會造成燃油閥、燃油進口閥和燃油泵活塞的卡滯、磨損，從而導致主發動機機熄火，引發操縱性的問題[2]。有切換燃油要求的水域往往是環境敏感地區，存在多種航行風險，而且潮汐和水流作用較強。

在不考慮對大氣環境影響的情況下，適當的燃油硫含量對現有機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重油相比，有很大變化。具體表現在如下。

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

2)低的潤滑性能。低硫油本身潤滑性能不如傳統的重油。此外，燃油中的硫在機器內進行燃燒反應時，同燃油中的其它成分產生的化學物質有一定的潤滑作用。隨著燃油中的硫含量降低，燃燒產物中的潤滑性能也會降低。低硫油潤滑性能降低會帶來主、副機高壓油泵、噴油器等柱塞偶件以及燃油泵的磨損甚至咬死。為此，國際標準化組織對燃油的潤滑性能制定了相關標準以及測試方法(ISO 12156-1)，要求燃油商提供的燃油潤滑性能為460～520 μm。如果低硫油的潤滑性指標不在以上范圍內，可以要求燃油供應商添加燃油潤滑劑。

3)不相容性。兩種不同的燃油混合時會帶來燃油不相容，產生沉淀、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、低硫油混合后穩定性很差，將會產生析蠟和質量很大的油泥。

4)低硫油對目前船舶設備潛在的影響。由于ULSFHO含硫量降低，燃燒產物中的酸性物質較少，要求滑油的堿性降低。尤其是目前美國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，過高堿性的滑油將會帶來缸套等運動部件磨損、拉缸等事故。過高堿性的滑油沒有被機器內的燃燒產物中和掉，會在燃燒室上、活塞環槽內沉淀大量堅硬鈣鎂化合物。

5)低硫油的凈化。通常情況下，MGO輕油可以不需要分油機凈化處理，然而有些機器制造商推薦凈化處理。凈化操作應該按照分油機廠家指導進行。至于像硅、鋁化合物的觸媒顆粒，燃油的熱裂化提煉過程是在500 ℃的高溫分離塔中通過觸媒裂化分解，大量的觸媒顆粒存在于蒸餾物中。觸媒對于燃油的終端產品會產生負面的影響，對機器運動部件產生磨損。船上減少觸媒顆粒的方法是燃油沉定柜加熱、放殘以及進行離心分油機凈化處理。

2 柴油機換用低硫燃油的探析

2.1 制定合適的換油操作程序

低硫燃油的特性對管理提出了新的要求，特別是高、低硫燃油轉換使用過程中，燃油-低硫油轉換操作程序應作如下考慮。

1)由經驗豐富、技能良好的輪機員對燃油系統安全有效的轉換進行評估。

2)考慮到燃油日用柜、沉淀柜的設計布置情況，決定轉換操作時是否混油。1998年以后建造的船舶，按照SOLAS公約要求，有2個日用柜和多個儲存柜，在很多情況下，有一個日用油柜是輕油柜而不是重油柜，當這個油是MDO或MGO時好操作，在裝LSFHO時就像MGO轉換操作一樣，這是這種設計的優點。

3)開始進行轉換操作時，建議降低主機負荷，典型的情況是在30%～70%MCR進行轉換操作。具體情況要依照船舶推進裝置的特點進行選定。

4)避免燃油系統溫度變化過快。設備制造廠家對溫度變化要求一般不高于2 ℃/min，正常情況下以主機燃油進機溫度150 ℃為例，MGO溫度40 ℃，按照2 ℃/min的要求進行操作，完成轉換過程需要55 min，接近1 h。很多船舶采用3通閥直接轉換，燃油在混合油柜中快速流動，會導致MGO過熱氣化，過快的從MGO轉換HFO, 由于過冷的MGO使HFO溫度降低過快堵塞濾器導致主機停車。因此，轉換系統不得不進行修改，安裝自動轉換裝置。

5)為了保證低硫油的進機粘度不低于設備要求的最低粘度，燃油系統安裝冷卻器，冷卻旁通閥保持常開，進行轉換操作時在關閉。

2.2 低硫燃油轉換的實船操作程序

以下為筆者在“臺揚”船(M.V.TAI HAWK)結合廠家、船舶操作實際情況而制定的高硫份到低硫份的轉換程序。

1)低硫油艙(S≤1.5%)應和其它油艙保持隔離(4.5%>S>1.5%)，第三燃油艙則用來補給低硫燃油。

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

3)一旦船舶確認進入低硫控制區域(ECA)，下列程序必需執行(高硫燃油硫份是3.2%，低硫燃油硫份是1.2%)。

①進入硫份控制區前24 h，停止正常油艙駁油到重油沉淀柜，記錄到輪機日志。

②當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，駁運低硫燃油到重油沉淀柜，記錄到輪機日志。

③當燃油日用柜里高硫燃油剩下5.0 m3，啟動燃油分油機，直到燃油日用柜達到15 m3，停止分油機。

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當混合燃油從15 m3消耗到5 m3，(約8 h)，啟動燃油分油機，直到燃油日用柜達到15 m3，停止分油機。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離開硫份控制區域后，改回到正常油艙。

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

2.3 鍋爐換油操作的分析

由于鍋爐的最初設計不是使用MGO之類的輕油，所以對鍋爐使用低硫油的時候，不僅要依照設備廠商的要求做相應的修改，同時要注意以下事宜。

1)船東和經營人要對鍋爐及附屬設備對燃燒低硫油存在的風險進行評估，確認是否需要添加設備或修改管路以便適合燃燒低硫油，以及相關的操作程序。制定操作低硫油操作程序放在船上，這是ISM審核時要求。

2)對于初始設計使用HFO/MDO的燃油鍋爐應該注意如下事宜[3]。

①鍋爐在冷態初始狀態燃燒MGO時，要考慮燃燒MGO時蒸汽負荷達不到要求。

②對鍋爐霧化油嘴進行重新評估，以前的霧化油嘴不適合燃燒MGO，可能導致火焰熄滅，應該同廠家聯系制定安全措施。

③MGO可能會在旋轉杯上結碳，需要采取防熱措施避免結碳；此外，鍋爐燃油—低硫油轉換時，同樣要考慮油的相容問題。

④目前船舶燃油管路系統中的伴熱管是為燃燒HFO設計的，不適合MGO，MGO如果在目前的鍋爐管系中流動，可能會氣化，這樣流到鍋爐燃燒器的油是不連續的，導致火焰不穩定或者熄滅，應該考慮添加單獨的低硫油管路。

⑤目前船舶鍋爐油泵適合HFO，使用MGO會帶來吸入困難。

3 結論

船舶在ECA區域換用低硫燃油操作的關鍵是熟悉設備廠家的指導說明，結合油品特性，對管理細節進行相應的調整，才能最大程度地保障機器設備在低硫燃油的環境下安全穩定使用，最大程度地保障船舶的安全運營，減少故障。

[1] 關于船舶在歐盟國家使用低硫燃油新規定的通函[R].中國船東互保協會,2010.

[2] 周蘭喜.船舶低硫燃油的使用對船舶設計的影響及對策[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.