新環保法規下國內航運業技術應對及對船用潤滑油的新需求

馮濤，楊超，韓旭，馬林君，王葆葳

(1.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116032；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室，遼寧 大連 116032；3.中國石油潤滑油公司，北京100028)

新環保法規下國內航運業技術應對及對船用潤滑油的新需求

馮濤1,2，楊超1,2，韓旭1,2，馬林君3，王葆葳3

(1.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116032；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室，遼寧 大連 116032；3.中國石油潤滑油公司，北京100028)

文章對現階段國內環保法規的發展進行了敘述，并介紹了國外環保法規的相關情況。結合國內近期低迷的航運市場行情，講述了在環保法規形式下，航運業對船用潤滑油的新需求。 文章結合現階段國內環保對船舶燃料硫含量的要求，指出了未來使用船用氣缸油、船用中速機油等相應產品的堿值調整方向，并介紹了國外曼恩公司在氣缸油領域應對環保法規所給出的處理方案。

環保法規；航運市場；船舶技術；船用燃料；船用潤滑油

0 引言

中國海岸線長度將近1.8萬公里，長江沿江航線長度6000多公里；廣闊的海岸線及長江航道，造就了中國龐大的航運市場。

近年來，我國對環境保護的要求日益嚴格，一系列環保法規出臺并實施[1]。而之前被嚴重忽視的海洋污染問題，最近也越來越多的被政府及整個社會所關注。江蘇省海事局，在2016年4月份出臺了針對長三角水域的“史上最嚴”的環保要求，對長三角區域船舶燃料硫含量進行了規定。除了對燃料硫含量有要求外，隨著國內對環保要求的更加嚴格，預計在不久的將來，國內還會出臺專門針對NOx、 CO、PM等排放物的規定。

近年來，國內航運市場受國內外經濟低迷、以及環保法規限制，出現了一些新情況和新問題，這些都對整個船用潤滑油行業提出了新的挑戰。

1 國內環保法規實施情況

國內對船舶排放的規定制定，遠遠滯后于汽車等陸上交通工具和飛機等航天運輸工具。中國從80年代開始制定汽車排放法規，20世紀末，參照歐盟法規，制定了自己的排放法規[2]，且目前已執行國五標準[3]。

2016年年初，在長三角區域內，江蘇省海事局對核心區域內停靠的船舶燃料硫含量進行了規定。而依據交通運輸部文件，國內珠三角區域、環渤海(京津冀)將同樣會設立相應硫含量排放控制區域，見圖1。

圖1 長三角、珠三角及環渤海(京津冀)排放控制區

長三角硫含量控制要求如下：自2018年1月1日起，主要針對所有停港船舶，要求燃料改為<0.5%硫含量；自2019年1月1日起，則是進入核心港區時，需要切換為<0.5%硫含量。而自2019年12月31日起，則是對之前效果進行評估，如果前期效果較好，則在全區域推進更加嚴格的硫含量<0.1%的燃料[4]，見表1。

表1 長三角區域船舶燃料硫含量要求

注：其中第四階段待前面評估后決定是否實施。

在文件中，還規定了內河船及江海直達船使用燃料的要求，要求其使用滿足GB 252-2015標準的普通柴油，禁止燃燒渣油及重油。GB 252-2015對燃料硫含量的要求見表2。

表2 GB 252-2015中對燃料硫含量的要求

若按照江蘇省海事局文件，未來船舶在內河及江海中行駛時，必須使用硫含量更低的普通柴油。而在其他區域，則必須使用硫含量滿足GB 252-2015要求的船用燃料。

對于國際遠洋航行船舶，我國作為國際海事組織(IMO)A類理事國，遠洋船舶統一執行國際公約，在公海應遵守IMO其對硫含量、NOx排放所做出的規定。相關規定見表3、表4。

表3 IMO硫含量規定要求

表4 IMO對NOx排放規定 g/kW·h

表4(續)

2016年8月，由中國環境保護部及國家質量監督檢驗檢疫總局共同出臺的《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》(GB 15097-2016)的國家標準，正式規定了國內航行的船舶排氣污染物排放限值及測量方法，將填補我國在國內航行船舶中對污染物控制的空白。其中對NOx、CO及PM要求見表5和6[11]。

表5 船機排放氣污染物第Ⅰ階段排放限值

注：*僅適用于NG(含雙燃料)船機。

表6 船機排放氣污染物第Ⅱ階段排放限值

注：*僅適用于NG(含雙燃料)船機。

并同時規定了兩個階段的執行日期，分別見表7。

表7 標準執行日期

與IMO所規定的NOx排放相比，國內主要依據船舶發動機的單缸排氣量及額定凈功率對其NOx排放進行限定。其中IMO對非排放區NOx限定值范圍為7.7～14.4 g/kW·h；而國內第Ⅰ階段NOx排放限定范圍為7.2～11.0(HC+NOx)g/kW·h，比IMO規定更低一些，要求更加嚴格。

按照GB 15097-2016的相關要求，第Ⅰ階段按計劃應于2018年7月開始執行。而該標準中，對NOx及PM、CO等排放規定均做了明確限定。屆時將會對船舶發動機的相關排放進行最直接的限定。

2 國外環保法規發展

國外主要為國際海事組織(IMO)對全球海域船舶排放進行相關規定，主要是1995年在倫敦簽署的《防止船舶造成大氣污染規則》，也即MARPOL73/38附則Ⅵ，對船舶排放的NOx、SOx進行了相關規定。并于2008年添加了一些附則，形成了IMO Tier Ⅲ排放規定。其中NOx排放要求見表4，對船舶燃料硫含量的要求見表8。

表8 IMO對船舶燃料硫含量的要求

美國EPA(Environmental Protection Agency)針對不同類型的船用發動機的污染物排放出臺了一系列法案，該系列法案適用于美國海岸線200海里范圍內(專屬經濟區)航行的船舶，并規定了排放控制區域的NOx、HC及PM排放限值和在用符合性的限值要求(37 kW以下的船用柴油機參照非道路機械法規的具體要求)。具體要求見表9、表10。

表9 EPA-C1 C2類船舶柴油機排放Tier 4標準

表10 EPA-C3類船舶柴油機排放標準

從表9、表10可以看出，EPA-C1、C2類船舶柴油機NOx控制要求更低，僅為1.8 g/kW·h，不論船機轉速多少。而EPA-C3類標準，已開始執行Tier 3相關要求，該要求等同于IMO在硫含量排放控制區(SECA)內對NOx排放的要求。

歐盟區域排放要求主要依據IMO在硫含量排放控制區內的相關要求，其對硫含量的要求見表8；對NOx排放規定見表4。歐盟總體要求均嚴于世界其他區域。ECA區域目前已有的區域有波羅地海、北海區域、北美區域(美國與加拿大的港口區域)、加勒比海區域等。世界其他區域，新加入的區域有新加坡海域、日本東京、墨西哥區域。目前隨著國際上對環境保護的加強，越來越多的區域將加進硫含量排放控制區。

3 國內航運市場的影響

受國際經濟增長速度變緩影響，大宗商品如鋼鐵、礦石、水泥、煤炭等產品的運輸受到較大波及。國內經濟發展下行壓力較大，各類大宗商品運輸與國際市場類似，運量也呈現下降趨勢，各較大航運公司在2015年的經營業績也處于下降的狀態。圖2、圖3為2015年主要干散貨航運公司及集裝箱船航運公司的營業收入情況。從圖中可以看出，各主流航運公司的經營狀況均較差，營業收入較前年均有大幅下滑。

圖2 2015年干散貨航運公司營收及利潤變化

圖3 2015年主流集裝箱業務營收及利潤變化

其中降幅最大的中國遠洋在干散貨市場與集裝箱市場均出現大幅下滑。其干散貨營業收入相比去年下滑達到28%，而集裝箱業務下滑達到6.32%。其他主流運力公司營收也出現不同程度的下滑。

由于環保法規的嚴格，航運市場將必須要面對這一新挑戰。對于國內航運企業來講，主營內貿業務的航運公司，將會受到國內關于NOx、SOx排放的限定要求；而對于主營外貿業務的航運公司，將會受到IMO及其他ECA排放區內關于NOx、SOx的限定要求。

鑒于目前航運市場不景氣，環保要求的嚴格化，將對航運企業提出新的要求，為滿足排放要求，需對航運企業的船舶進行一定技術改造，會給航運業增加一定成本。因此選擇合理的應對技術，在滿足排放要求時，同時兼顧一定的經濟效益，將非常有必要。

4 航運企業技術應對措施

為滿足日益嚴格的排放要求，在歐洲及排放控制區域的航運企業有許多成熟經驗可以借鑒。這些區域運用的技術，主要用以應對NOx、SOx排放要求。

船機NOx排放控制技術，主要為燃料處理、缸內處理及尾氣后處理三種。其中對燃料預處理中，使用代用燃料為可行途徑。而缸內處理技術，可行的為燃燒優化(推遲噴油、燃燒室優化、供油優化)、加水技術(進氣加濕)、充量調節(EGR廢氣再循環技術)及尾氣后處理技術(SCR技術)，各種技術優勢見表11。

表11 各類技術對NOx降低效果

另一條有效途徑是使用氣體機或雙燃料技術。其中雙燃料技術，其最高燃燒溫度明顯低于柴油機，因此其排放比柴油機技術約減少85%的NOx，同時SOx相對柴油模式減少近100%，見圖4。

圖4 雙燃料DF技術與傳統HFO技術差異

兩大主流OEM，曼恩及瓦錫蘭公司，分別研發了相關技術，以應對NOx排放要求。各OEM技術更新見表12[5-8]。

表12 主流OEM應對NOx排放規定所發展的技術

12表(續)

通過主機OEM的技術更新，將能夠對NOx排放控制在法規要求之內。而船機SOx排放控制，主要通過預先對燃料處理及對燃燒后尾氣處理兩部分。前處理即通過燃油煉制時脫硫技術達到要求；而后處理則通過對尾氣吸收的方式，除掉尾氣中的SOx物質。目前較為有效的途徑為選擇低硫含量的燃料，將能夠滿足對SOx排放的要求。

5 未來航運業對潤滑油新的需求

目前柴油機排放物關注較多的是SOx與NOx+HC，同時還包括部分顆粒物。其中排放的顆粒物主要來源于柴油機，而國內通過加裝粒物捕捉器(DPF)可以實現減排。而國外在處理排放問題上，已有成功的技術應對可供借鑒，現分別就SOx、NOx進行闡述如下。

對于SOx而言，在現階段情況下，使用更清潔的燃料，將會有更好的效果。未來預計將會越來越多從高硫重質燃料轉變為低硫輕質燃料，甚至新型環保型燃料，如甲醇、乙醇、LNG及其他液態揮發性有機物燃料(LVO)。滿足ISO 8217燃料類別中DMA、DMB與RMA10、RMB30、RMD80將是未來船用燃料首選。其中DMA與DMB為ISO 8217餾分油類別，其硫含量要求較低，其中DMA要求硫含量小于1.5%；而DMB硫含量要求小于2.0%。RMA、RMB及RMD，均為ISO 8217中殘渣油分類，其黏度相對較低，且硫含量依據不同階段分別限制為小于3.5%、小于0.5%、小于0.1%。若船用燃料改變，其燃燒方式、最高爆發壓力與溫度均會改變。這樣從設備潤滑角度來看，其潤滑需求會發生新的改變[9]，見圖5。

圖5 中速機油堿值與燃料硫含量關系

對于中高速四沖程發動機，當燃料硫含量長期處于1.0%時，推薦使用TBN30的中速機油，當燃料硫含量降低至0.1%～0.5%時，推薦使用TBN15中速機油。而當燃料硫含量小于0.1%時，推薦使用TBN12中速機油。

對于低速二沖程發動機，若燃料改為低硫含量燃料，則氣缸油堿值可進行相應下調。按照OEM導則，當硫含量低于1.5%時，需要使用TBN40以下油品，而當硫含量進一步降低至0.5%時，最優先推薦TBN25堿值氣缸油。當發動機以低速航行時，則需另外對待，應適當提高氣缸油堿值以避免低溫腐蝕，見圖6。

圖6 氣缸油堿值與硫含量關系

在現階段情況下，航運公司依舊可以使用原有的中速機油及氣缸油產品。對于燃料的多變性，通常使用的還是TBN30的中速機油與TBN70的氣缸油產品。

就目前國內情況來看，燃料類型可能較為復雜，低硫含量燃料與高硫含量燃料將同時存在。為應對燃料復雜性的問題，MAN公司給出了如下的解決方案，也可供國內航運企業選擇，見圖7。

圖7 不同氣缸油系統

使用ACOM(Automated Cylinder Oil Mixing)系統，可以依據燃料的差異，調制不同堿值的氣缸油產品。該系統的優勢是，對于不同燃料系統，硫含量0%～4.0%，均可以直接在線進行調合合適的堿值以供發動機使用[10]。這就需要潤滑油供應商能夠同時提供兩種不同堿值的氣缸油產品，且兩種產品能夠進行混合使用。

而對于NOx排放規定而言，則需要對現有發動機技術進行改造以滿足排放要求，相關改造對潤滑油的需求見表13。

表13 相關技術對潤滑油的新需求

使用EGR技術，將發動機排放的廢氣重新引入到氣缸中，但同時會引入一些煙炱顆粒物，對潤滑油的清凈分散性能和抗磨性能將有更高要求。而SCR技術主要為機外技術，對潤滑油并無特殊要求。

氣體機、雙燃料技術，其燃燒相比HFO更加充分，因此其燃燒溫度較高，對抗氧化性能要求較高，但為保護發動機缸頭部位清潔，需要潤滑油有較低的硫酸鹽灰分。同時由于氣體燃料通常不含硫，因此對潤滑油堿值要求相對較低。

預計國內現有航運企業將會對發動機技術進行相關改造，而EGR技術的引入，將會對潤滑油清凈分散性能提出更高的要求。而氣體機及雙燃料等新式發動機的引入，將對潤滑油的抗氧化性能、酸中和性能提出新的要求。

從市場發展角度，目前航運業正處于低迷期，除技術上滿足航運公司使用需求外，提供更加優質的售后服務，具備齊全的供應網絡，同時價格上能夠具備非常強的競爭力，將會成為未來航運市場選擇潤滑油的重點考慮因素。

6 結論

國內將面臨日益嚴格的排放要求，對燃料硫含量要求將會更低，同時對NOx排放將會更加嚴格。而國內航運市場的不景氣，將會主導其選擇較為“經濟”的發動機改造技術路線。同時，面臨排放法規，國內對低堿值潤滑油需求將提升，而發動機新技術的引入，將對船用潤滑油提出較高的清凈分散性能及高溫抗氧化性能。若使用雙燃料及氣體機技術，則同時要求潤滑油具備較低的硫酸鹽灰分。

[1] 交通運輸部關于印發珠三角、長三角、環渤海(京津冀)水域船舶排放控制區實施方案的通知[EB/OL].[2015-12-02]. http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bzsdw/bhsj/201512/t20151204_1942434.html.

[2] GB 17691-2001車用壓燃式發動機排氣污染物[S].

[3] GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段) [S].

[4] 江蘇省交通運輸廳江蘇海事局關于長三角水域江蘇省實施船舶排放控制區的通告[EB/OL]. [2016-03-31]. http://www.jsmsa.gov.cn/art/2016/4/1/art_10719_1179539.html.

[5] Morten Vejlgaard-Laursen. Controlling Tier III Technologies[C]//CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[6] Sebastian Kunkel. The Next Generation of MDT's Large Bore Diesel Engines[C]// CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[7] Ulf Astrand. Wartsila 31-World's Most Efficient Fourstroke Engine[C]// CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[8] Grant Gassner. Experience from the World's First Ethane Powered Multi-Gas Carrier[C]//CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[9] GB 17411-2015 船用燃料油[S].

[10] ISO 8217 Petroleum Products - Fuels (Class F) -Specifications of Marine Fuels[S].

[11] Dorthe M S Jacobsen. Cylinder Lube Oil Experiences and New Development for the MAN B&W Two-Stroke Engines[C]//CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[12] GB 15097-2016 船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)[S].

Technical Response to Domestic Shipping Industry under New Environmental Protection Regulations and New Demands for Marine Lubricants

FENG Tao1,2, YANG Chao1,2, HAN Xu1,2, MA Lin-jun3, WANG Bao-wei3

(1.PetroChina Dalian Lubricating Oil R&D Institute, Dalian 116032,China; 2.PetroChina Lubricant Key Lab, Dalian 116032,China; 3.PetroChina Lubricant Company, Beijing 100028, China)

This paper describes the development of domestic environmental protection regulations at the present stage, and describes relevant laws and regulations in foreign countries. Combined with the recent downturn in the domestic shipping industry, the new demands for marine lubricants under current new environmental regulations is described. Based on the domestic environmental regulations over the sulphur content in marine fuels, this article points out the future BN requirements of marine cylinder oil, trunk piston engine oil and other relevant products. An example of MAN B&W in the dealing with environmental regulations and laws in cylinder oil is explained.

environmental protection regulation; shipping industry; shipping technology; marine fuel; marine lubricant

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.03.001

1002-3119(2017)03-0001-07

TE626.3

A