0 引言隨著柴油機排放法規(guī)日益嚴格,全球對硫排放的限制也越來越嚴格。2015年起IMO在排放控制區(qū)內執(zhí)行燃油硫含量質量分數(shù)不超過0.1%(以下沒特別說明硫含量均指質量分數(shù))的排放法規(guī);2020年1月1日起在全球范圍內控制燃油硫含量不超過0.5%,。船舶燃用低硫油已成為必然趨勢,。據全球能源和金屬行業(yè)權威咨詢機構(Wood Mackenzie)預計:到2020年底,全球船隊中2%的船舶將安裝廢氣脫硫裝置;0.4%的船舶采用LNG等清潔能源燃料;近97%的船舶將選用合規(guī)低硫燃油來應對限硫新規(guī)。國內的排放控制區(qū)從DECA 1.0升級至DECA 2.0。原DECA 1.0未包含沿海主要港口(吞吐量超過兩億噸);未包含主要污染物種類(如NOx),并且無法達到減排要求,。升級后的DECA 2.0針對DECA 1.0有如下改動:(1)原珠三角,、長三角、環(huán)渤海灣地區(qū)擴展至所有沿海海域,包括海南海域;(2)撤銷原沿海城市內河水域;(3)增加長江,、西江兩處內河控制區(qū),。隨著排放法規(guī)越來越嚴格,SOx排放下降,空氣質量得到改善。1 低硫燃油定義1.1 現(xiàn)行燃油標準船用柴油機根據轉速不同,分為低速柴油機,、中速柴油機和高速柴油機,。一般而言,船用低速柴油機主要用作遠洋貨輪的主機,燃料主要為ISO8217規(guī)定的HFO、MDO,、MGO;船用高速柴油機一般用作公務船,、巡邏艇的主機或發(fā)電機組,燃料主要為GB252普通柴油或GB19147車用柴油;船用中速柴油機一般用作遠洋船舶的輔機、江海直達船及內河船舶的主機,燃料須同時滿足ISO8217規(guī)定的HFO,、MDO,、MGO以及GB252普通柴油或GB19147車用柴油的使用要求。(1)GB252-2015普通柴油(2019年1月1日已廢止):硫含量不大于10 mg/kg(2018年1月1日開始執(zhí)行),即0.001%,屬低硫油;(2)GB19147-2016車用柴油:硫含量不大于10 mg/kg,即0.001%,屬低硫油;(3)GB17411-2015船用燃料油:DMX,、DMA,、DMZ硫含量不大于1%,DMB硫含量不大于1.5%,屬高硫油;RMA～RMK硫含量不大于3.5%,屬高硫油;(4)ISO8217-2015船用燃料油:DMX硫含量不大于1%,DMA硫含量不大于1.5%,DMB、DMC硫含量不大于2%,屬高硫油;RMA～RMK硫含量不大于3.5%～4.5%,屬高硫油,。中國船級社2013年7月發(fā)布的《船舶使用低硫燃油指南》對低硫燃油的定義:低硫燃油(Low Sulphur Fuel Oil ,LSFO)系指除硫含量質量分數(shù)不超過0.1%,其他各項指標均符合ISO 8217 ∶2010標準規(guī)定的餾分油,。MAN公司等二沖程低速機制造商定義的低硫柴油/重油的硫含量不超過0.5%。1.2 低硫油理化指標特點(1)黏度低,。傳統(tǒng)柴油機推薦燃油的運動黏度為10～15 mm2/s,而低硫燃油運動黏度大部分在2～4 mm2/s,。過低的燃油黏度會導致燃油在燃油系統(tǒng)內的泄漏量增大,造成熱機小油量起動困難。(2)密度低,。密度低會造成供給柴油機的燃油質量流量減小,使柴油機無法達到全功率,。(3)閃點低。當前市場上部分低硫燃油的閃點可能低于SOLAS公約要求(即低于60 ℃);(4)潤滑性差,。燃油中的硫分有潤滑作用,低硫燃油硫含量非常低,導致潤滑性能差,無法滿足高壓油泵和低壓輸送泵的泵送黏度要求,會引起精密運動偶件的磨損和卡死,。1.3 低硫油對發(fā)動機的影響(1)低硫油對燃油系統(tǒng)的影響黏度低、潤滑性差可導致駁運泵,、燃油閥等運動部件加快磨損,甚至發(fā)生咬死等故障,使用低硫燃油前須進行確認,。當前船舶燃油駁運系統(tǒng)多采用齒輪泵設計,與螺桿泵相比,齒輪泵存在容積效率低、齒輪易磨損,、壓力不穩(wěn)定,、流量脈動大,、振動噪聲大等不足;同時黏度低也會導致泵流量大幅降低,。因此,齒輪泵設計不適宜輸送低硫燃油,推薦采用螺桿泵替代齒輪泵。過低的黏度會導致機帶燃油系統(tǒng)的泄漏量增大,造成熱機小油量起動困難;同時由于供給柴油機的燃油流量相應減小,使柴油機無法達到全功率;過低的黏度無法滿足高壓油泵和低壓輸送泵的泵送黏度要求,引起精密運動偶件磨損和卡死,。(2)低硫油對潤滑系統(tǒng)的影響傳統(tǒng)重油含硫量高,產生酸性硫化物較多,控制,、中和潤滑油堿性的作用較強。如采用低硫燃油,則酸性變弱,若原潤滑油堿性不變,則二者中和后會成堿性,使缸套表面形成鏡面,油膜難以附著,增加缸套磨損,也會導致活塞及活塞環(huán)嚴重結炭,。因此,須選擇合適的低堿值潤滑油來對應低硫燃油。(3)低硫油對安全性的影響閃點低使得低硫燃油易燃易爆,對船舶加油,、駁運,、尤其是儲存產生重要影響。在燃料油艙的布置中,低硫燃油和重油等各類油品要設置獨立油艙,。由于重油儲存艙通常維持在40～50 ℃,重油日用艙在80 ℃左右,而低硫燃油閃點低,僅略高于60 ℃,因此,在油艙布置時,原則上應注意低硫燃油艙不能與重油日用艙相鄰,并盡可能避免直接與重油儲存艙相鄰。(4)低硫油對柴油機運行的影響使用低硫燃油的船舶通常備有3種燃油:①低硫燃油,用于硫排放控制區(qū)(SECA);②輕質柴油,用于內河,、近海等航區(qū);③重油,主要用于深海航區(qū),。燃油間切換應注意溫度的控制,。由于重油須加熱至較高溫度(80 ℃左右),而低硫燃油不須加熱,在進行重油及低硫燃油切換時,較大溫差燃油混合引起的黏度波動會導致柴油機高壓油泵,、噴油器等設備拉傷,、卡死,。MAN及Wartsila的柴油機均要求:在燃油切換時,溫度的變化要控制在2 ℃/min以內,。考慮到管路中燃油的置換和沖洗,在重油切換至低硫燃油前,可先切換至輕質柴油,即切換程序為重油→輕質柴油→低硫燃油,。這樣,重油與輕質柴油屬于傳統(tǒng)的燃油切換,而輕質柴油與低硫燃油由于溫差很小,也可以實現(xiàn)直接,、簡單的手動切換,。實施手動切換時主機功率應盡可能設置在25%～40%MCR,通過延長切換時間,保證切換過程的平穩(wěn)、可控,。為了實現(xiàn)主機高負荷下重油和低硫燃油間的快速切換,推薦使用溫度傳感器自動控制切換閥,以滿足溫度變化控制要求,。1.4 使用低硫油的應對措施(1)低硫油密度低會造成燃油質量流量降低,柴油機無法達到全功率,。相應的可以通過安裝低硫油冷卻器降低進油溫度,達到提高燃油密度的目的,。(2)低硫油黏度低,易從高壓油泵柱塞偶件處泄漏,污染滑油,并造成油泵供油量不足,熱起動困難;黏度低還會造成燃油系統(tǒng)偶件、氣閥閥座,、活塞氣缸套異常磨損等,?？梢酝ㄟ^安裝低硫油冷卻器提高燃油進機黏度,實現(xiàn)低硫油進機黏度大于2 cSt的要求。(3)低潤滑性的低硫油噴射到氣缸壁上,會使活塞環(huán)與氣缸套間的潤滑變差,造成活塞環(huán)運動異常,、缸套磨損,、排氣閥漏氣等,部分燃燒產物會使氣缸套表面產生“漆化”現(xiàn)象,造成運動件磨損加劇和燃油耗增加,并影響發(fā)動機運行可靠性。因此須優(yōu)化設計活塞環(huán),、活塞、排氣閥等,以解決柴油機燃燒低硫燃油所帶來的磨損、腐蝕,、潤滑不良,、積炭等問題。同時,可通過添加燃油添加劑來提高低硫燃油的潤滑性,。(4)柴油機燃用低硫油時應根據硫含量選擇對應堿值的滑油,。根據CIMAC 2013發(fā)布的低硫油指南推薦:使用重油時,滑油堿值TBN為30～50;使用低硫油時,滑油堿值TBN為15,。(5)嚴格執(zhí)行低硫油與重油的切換操作流程,。關注低硫油與重油的相容性;設置混合油桶,用于不同溫度燃油的均勻混合,以避免燃油溫度劇烈變化對機器設備及燃油系統(tǒng)造成熱沖擊;切換過程中的溫度梯度不超過2 ℃/min,發(fā)動機負荷控制在25%～40%,。2 船用中速柴油機燃用低硫燃油的試驗研究2.1 燃油噴射系統(tǒng)平臺性能試驗研究試驗對象:某船用中速柴油機泵-管-嘴機械式燃油噴射系統(tǒng),。試驗用油:(1)與0#柴油流動特性近似的ISO4113校泵油(黏度3 cSt);(2)與進機重油流動特性近似的10號航空液壓油(黏度10 cSt),。試驗結果如圖1～圖5所示:燃油黏度和密度隨壓力的變化特性影響燃油的可壓縮性和高壓油管內音速;黏度的不同可能帶來噴油壓力波形態(tài)的變化,進而影響噴油率,。從圖5的噴油率曲線對比可知:高黏度油的噴油率曲線在噴射前期斜率較大,最高噴油率也高于低黏度油,噴油結束更干脆,。結合噴油壓力峰值和泄漏量的測試結果對比,表明:燃油噴射系統(tǒng)使用高黏度油時油泵供油效率提高,噴射時加壓快,、泄漏少,、噴射壓力高;噴射結束時泄壓也快。
通過上述試驗可見燃用低硫,、低黏度油對燃油噴射系統(tǒng)造成的影響:偶件泄漏量增大,導致高壓噴射系統(tǒng)效率下降;系統(tǒng)效率下降和燃油可壓縮性差異導致噴射壓力下降、噴油持續(xù)期延長;噴油率上升沿和下降沿同時變緩,最大噴油率減小,。2.2 低硫油與高硫重油對柴油機性能影響的試驗研究基于一臺船用中速柴油機開展發(fā)動機臺架試驗,。該發(fā)動機主要技術參數(shù)如表1所示。整機性能試驗結果(圖6～圖9)表明,不同油品對燃油系統(tǒng)噴射特性和柴油機性能有較大影響,具體如下,。(1)由低硫燃油(LFO)切換至高硫重油(HFO)時,噴射壓力約升高8%～10%(且負荷越高,燃油噴射壓力增大越大)?？梢?油品對噴射壓力變化的影響較大,與平臺試驗結果的變化趨勢一致,。(2)由LFO切換至HFO時,供油正時不變,滯燃期加大,缸內最高燃燒壓力增大(上升0.5 MPa),燃燒重心后移,燃燒持續(xù)期延長;由于HFO黏度大,嘴端壓力上升,噴霧貫穿距增大,平均索特直徑減小,燃油霧化質量改善,缸內燃燒溫度降低,燃油消耗率也有所降低,約降低2 g/(kW·h),。
柴油機燃用高、低硫油對比試驗結果表明:在轉速,、功率、扭矩保持一致的情況下,燃用低硫燃油較高硫重油在全負荷范圍內燃油噴射壓力降低;高負荷時的排溫及最高燃燒壓力相當;但中低負荷時的最高燃燒壓力降低,排溫和油耗率升高。
3 低硫燃油的生產與市場供給2016年,全球船用燃料油消費量在2億噸左右,其中餾分型船用燃料和殘渣型船用燃料的比例約為15 ∶85,。預測“十三五,、十四五”期間全球船用燃料消費量年增速為1%左右,預計到2020年全球船用燃料總需求量約為2.5億噸,。全球船用燃料主要消費區(qū)域有亞洲,、歐洲、北美,、中東等國家和地區(qū),預計到2020年亞太地區(qū)消費量將占全球消費總量的40%以上,。可見亞洲市場前景廣闊,未來低硫船用燃料消費量巨大,船用燃料低硫化既是挑戰(zhàn)也是機遇,。目前,油品供應商,、航運企業(yè)甚至國家層面都為此在做努力。殼牌,、?？松梨凇⒂鳥P,、中國石化等石油巨頭都宣稱,為2020年的船舶限硫令做好了充分的準備,并將按時在各大港口供應船用低硫油,。各大航運企業(yè)也為及時獲得低硫油進行了提前布局,如馬士基與孚寶集團建立合作關系,孚寶集團使用其在鹿特丹的含硫量為0.5%的燃油供給設施,滿足馬士基約20%的燃油需求,約230萬噸。中遠海運則正在籌備在舟山建立東北亞保稅燃料油供應中心。3.1 燃料油市場現(xiàn)狀及存在的問題(1)現(xiàn)行稅收政策及監(jiān)管機制是影響船用燃油可獲得性的主要原因,。首先,煉油企業(yè)直接生產船用燃料油須繳納高額的消費稅,、增值稅及城建和附加稅;其次國內主要煉油企業(yè)以加工高硫原油為主,加工成本高;再次,船用燃料油調和監(jiān)管缺失,調油企業(yè)通過逃避稅費和降低成本的方式供應的船用燃料油有較大的價格優(yōu)勢,占據了大部分市場份額。(2)油品調和監(jiān)管缺失是影響船用燃油質量的主要原因,。目前國內船用燃料油主要通過調油企業(yè)調和制成,。調油企業(yè)按照用戶不同的燃料油品質需求,將各基礎原料組分按特定比例注入油罐,然后進行攪拌,待完全均勻后,即完成了燃料油調和。調和過程缺乏相關標準規(guī)范,調和的合法性尚未明確,監(jiān)管部門不明確,存在監(jiān)管空白地帶,。3.2 中國政府舉措(1)完善船用燃油稅收管理制度,。嚴格稅控措施,打擊船用燃油供應過程中的逃稅漏稅現(xiàn)象,建立公平的船用燃油供應市場環(huán)境;調整關稅政策。向國內煉油企業(yè)開放保稅油生產供應市場,允許國內煉油企業(yè)向供油企業(yè)供應保稅油,解決煉廠產能過剩問題,提高煉廠生產船用燃油積極性,拓寬保稅船用燃油供應渠道,。(2)調整船用燃油生產和流通環(huán)節(jié)的管理模式,。允許供油跨區(qū)經營,加大力度打擊非法供油行為;進一步明確船用燃油生產、銷售和使用等環(huán)節(jié)的監(jiān)管職責,。(3)實施船用燃油上下游聯(lián)合監(jiān)管,。推行船舶燃油全鏈監(jiān)管;開展部門聯(lián)合執(zhí)法,提升現(xiàn)場監(jiān)管能力;建立海關、海事,、港務,、邊檢、檢驗檢疫等部門聯(lián)網服務保障,提高監(jiān)管服務效率,保障高品質燃油供給,。(4)完善配套保障措施,。修訂完善船用燃油技術標準。建立供油計量制度,。建立船用低硫燃油“產銷用”主體信用制度,。3.3 中國油品企業(yè)相應措施(1)中石化開展低硫重質燃料油的高標準研發(fā)。2015年進行低硫船用燃料的相關調研,并形成了調研報告;2017年對低硫船用燃料組分油資源及煉廠生產,、儲運條件進行調研,通過組分油性質研究及優(yōu)化,對燃油的調和特性,、調和配方進行設計研究,優(yōu)選經濟配方。(2)2019年6月5日,中石化在浙江舟山召開新聞發(fā)布會,宣布2020年低硫重質清潔船用燃料產能將達到1000萬噸,2023年這一產能將超過1500萬噸;同時完善全球銷售網絡,2020年1月1日前,在舟山等國內主要港口實現(xiàn)全面供應,在新加坡等50多個海外重點港口具備供應能力,。(3)中石化提前于2017年開始低硫重質清潔船用燃料的生產研發(fā)準備工作,。生產方面,布局鎮(zhèn)海煉化等10家臨近沿海的煉油企業(yè)開展資源生產,其中上海石化、金陵石化,、海南煉化等3家企業(yè)已生產出符合法規(guī)要求的產品供應市場,。網絡建設方面,目前在上海和浙江區(qū)域港口已經具備了低硫重質清潔船用燃料的供應能力,2020年1月1日前,將在國內主要港口全面供應合規(guī)、穩(wěn)定的低硫重質清潔船用燃料,。由于當前低硫油的市場價格,、煉化企業(yè)產能、船東對初始成本和運行成本的關注度等均存在不確定性,因此現(xiàn)階段呈現(xiàn)低硫油,、HFO+EGC,、LNG百花齊放,、百家爭鳴的狀態(tài)。4 結論(1)從長久來看,燃油低硫化是大趨勢,在煉化企業(yè)解決價格和產能的情況下,中低速柴油機對脫硫塔的需求會逐步降低,。當前須重點關注低硫燃油品質差異對發(fā)動機可靠性的影響,。(2)柴油機燃用高、低硫油的對比試驗表明:在轉速,、功率,、扭矩保持一致的情況下,燃用重油全負荷范圍內燃油噴射壓力增大;高負荷時排溫、最高燃燒壓力相當;但中低負荷時排溫,、最高燃燒壓力降低,油耗率也有所降低,。(3)遠洋船舶的中低速主機使用低硫油+SCR將成為應對排放法規(guī)的優(yōu)選技術路線之一。參考文獻： [1]浦衛(wèi)華,黃立,王昌慶,郭立君,張文正.低硫燃油在船用中速柴油機上的應用[J].柴油機,2020,42(03):1-5+10 作者簡介： 浦衛(wèi)華,，高級工程師，711研究所
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