黨愛民 顧亮亮 朱裕君

（金海重工股份有限公司，上海 200120）

0 前言

船舶排放對環(huán)境的影響正日益受到重視，國際海事組織制定了相關(guān)規(guī)則，旨在未來10年內(nèi)大幅減少CO2、NOx和SOx的排放，各地區(qū)也陸續(xù)制定并修正了法規(guī)，對SOx的排放有了更加嚴(yán)格的限制，歐盟內(nèi)河及港口已要求使用含硫量不大于0.1%m/m的低硫燃油。本文提到的低硫油均指含硫量不大于0.1%m/m 的 MGO［1］。

1 相關(guān)規(guī)范介紹

硫氧化物SOx是形成酸雨的主要原因，酸雨破壞植物和植被，損壞建筑物，同時硫氧化物的排放引發(fā)空氣的污染導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病。船舶柴油機排放物中含有硫氧化物，為了減少來自船舶的硫氧化物排放，國際海事組織和各國政府制訂了規(guī)則和法規(guī)：

1）國際海事組織IMO MARPOL Annex VI-2008 MEPC 176（58），第14條對船上使用的燃油的硫含量做出了規(guī)定，見表1。

表1 硫排放限制標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行時間

2）歐盟第2005/33/EC法令規(guī)定：自2010年1月1日起在歐盟港口停泊（包括錨泊、系浮筒、碼頭靠泊）超過2 h的船舶不得使用含硫量超過0.1%m/m的燃油（注：歐盟將MARPOL公約附則VI 2008修正案中對不超過0.1%m/m低硫油的使用實施時間整整提前了5年）。

3）針對船舶燃用低硫燃油，船級社對使用低硫燃油的船舶設(shè)備如主機、發(fā)電機、鍋爐及船舶燃油系統(tǒng)提出了安全評估和編制操作程序的要求。

2 船用低硫燃油的特性

與高硫的燃料油相比，低硫燃油有以下特性：

1）低潤滑性：燃油中的硫有一定的潤滑作用，低硫燃油的潤滑性較差，潤滑性能對燃油噴油設(shè)備及泵尤其重要。

2）低黏度：MGO（DMA）的黏度為1.5～6 cst/40℃，據(jù)統(tǒng)計，含硫量不大于0.1%m/m的DMA大部分黏度為 2～4 cst/40℃。

3）低閃點：部分低硫燃油的閃點可能低于SOLAS公約的要求（即低于60℃），因此在選用船用低硫燃油時，最小閃點應(yīng)不低于60℃。

4）揮發(fā)性較強：目前市場上能供應(yīng)的含硫量低于0.1%m/m的燃油只有低硫蒸餾油。

3 船舶燃用低硫燃油對船用燃油設(shè)備的影響

3.1 船舶燃用低硫MGO對柴油機的影響

1）針對高負荷燃用重油的柴油機，Nomonic材料因具有很好的耐高溫腐蝕性而被用于排氣閥的材料。當(dāng)轉(zhuǎn)換為低硫油時，由于潤滑性能明顯降低，可能會導(dǎo)致排氣閥座磨損，因此一些柴油機設(shè)備廠家建議在使用低硫油時將Nomonic材料的排氣閥更換為硬質(zhì)合金材料排氣閥。

2）低硫燃油的潤滑性能較差［2］。硫可以提高燃油的潤滑性能，但是低硫燃油的硫含量很低，因而大大降低了其潤滑性能；低硫燃油的硅鋁含量相對較高，硅鋁顆粒會想磨料一樣，進入燃油系統(tǒng)，加速高壓油泵柱塞套筒偶件磨損，出現(xiàn)油閥卡阻、噴油器針閥磨損。

3）低硫燃油的黏度較低。過低的黏度會因潤滑不良導(dǎo)致燃油噴油設(shè)備精密偶件間磨損加劇甚至咬死，且高壓油泵柱塞偶件間的漏泄隨磨損間隙加大而增大。若長時間使用低硫燃油，應(yīng)加強檢查或縮短柴油機保養(yǎng)間隔時間。

根據(jù)不同的機型及不同的噴油設(shè)備，柴油機燃油進機最小黏度要求不同。一般船用低速柴油機設(shè)計允許進機的最小黏度為2 cst/40℃。

4）低硫燃油與氣缸油難以匹配［2］。燃油在燃燒時產(chǎn)生的SO3和水蒸氣（H2O），在柴油機缸壁溫度低于其露點時，會生成硫酸附著在缸壁表面產(chǎn)生強烈的腐蝕作用，即低溫腐蝕。燃油中含硫量與酸露點關(guān)系見圖1。

但適當(dāng)?shù)乃岣g能在氣缸套內(nèi)表面形成石墨薄層而有利于氣缸油的分布，對氣缸的工作條件是有利的。因此，對于氣缸的酸腐蝕應(yīng)合理控制而不是避免。氣缸油呈一定堿性以中和沉積在氣缸套內(nèi)壁的燃燒酸性物質(zhì)。TBN值是中和燃油中酸的能力的重要指標(biāo)，TBN值越高，其中和酸的能力就越強。

柴油機在使用低硫燃油時凝結(jié)酸減少，如再選用總堿值高的氣缸油，會使缸套內(nèi)表面形成鏡面，氣缸油的附著力大大降低，不能形成連續(xù)的油膜，增加缸套的磨損。同時會使活塞頭及活塞環(huán)間嚴(yán)重結(jié)炭，甚至導(dǎo)致活塞環(huán)的斷裂，因此需選用堿總值低的氣缸油，但低堿總值氣缸油的洗滌分散性能會下降，會對柴油機產(chǎn)生不利影響，如活塞環(huán)槽嚴(yán)重污染，氣缸套磨損等。

在船舶長期既要燃用高硫油又要燃用低硫油時，船上應(yīng)配備兩種氣缸油，即在使用高硫燃油時選用高堿值的氣缸油（一般為TBN70），在使用低硫燃油時用低堿值的氣缸油（一般為TBN40～50）。

3.2 船舶燃用低硫燃油對船用鍋爐的影響

目前情況下，鍋爐燃燒器、燃燒控制系統(tǒng)、鍋爐油泵等均按高硫油的黏度來配置的。當(dāng)鍋爐燃油需切換至低硫油（MGO）時，鍋爐自身的配置應(yīng)作一些改進：

1）燃燒器。燃燒器及其噴油嘴必須適用于備選燃油的種類。目前船用鍋爐燃燒器主要有：壓力霧化式、轉(zhuǎn)杯式和蒸汽或空氣霧化式3種型式。這3種燃燒器均適用于燃用含硫量相對較高的重燃油和船用柴油。然而，壓力霧化式的噴油嘴容易結(jié)碳，調(diào)節(jié)比較小，對油品的清潔度要求高；同時壓力霧化式和蒸汽或空氣霧化式的燃油供給泵的供油壓力較大，壓力霧化式的燃油供給泵的排壓一般在0.5～2.0 MPa，蒸汽或空氣霧化式的燃油供給泵的排壓一般在 0.4～1.5 MPa，因此，兩種型式對泵的安全性要求要比轉(zhuǎn)杯式高。從船廠實際使用來看，選用轉(zhuǎn)杯式燃燒器比較理想。

2）爐膛掃風(fēng)。在系統(tǒng)使用MGO時，由于MGO揮發(fā)性較強，當(dāng)鍋爐停止后，爐膛內(nèi)會彌漫大量的可燃氣體。因此，為了安全考慮，必須徹底清除爐膛內(nèi)的可燃氣體，必須延長鍋爐預(yù)掃風(fēng)和后掃風(fēng)的時間，就需鍋爐廠家對其鍋爐的控制程序進行修改。

3）鍋爐燃油輸送泵。由于MGO的黏度較低，原配置的適用高黏度的泵就會由于過低的黏度而導(dǎo)致其排量不滿足要求，所以要求在泵的進口處加一冷卻器或者修改此泵的黏度輸送范圍，以滿足鍋爐燃用低黏度低硫油的要求。

4 船舶燃油系統(tǒng)的設(shè)計

由于低硫油的價格比較高，為了減少低硫油消耗，當(dāng)前最普遍和有效的做法是在硫化物排放控制區(qū)域以外燃用高硫燃油，在進入硫化物排放控制區(qū)域時燃用低硫油，因此，應(yīng)對船舶燃油系統(tǒng)的設(shè)計提出新的要求。

4.1 船上儲存各種不同類油品油艙的布置及容量

MGO和HFO各類油品應(yīng)設(shè)獨立油艙，另外由于HFO油艙一般情況下均需加熱保溫，而MGO黏度較低需要冷卻，因此在油艙布置時應(yīng)避免MGO直接與HFO艙相鄰，以避免熱傳導(dǎo)。各種燃油的儲量需根據(jù)船舶航線要求（是否及多長時間航行于硫排放控制區(qū)）設(shè)定，要滿足在不同情況下船舶燃用各類燃油的耗量。

4.2 管系材料及泵的選取

由于MGO具有含硫量較低、黏度較低和潤滑性能較差等特點，會造成泵較易磨損以致咬死或者流量減小的情況，因此在選泵時不僅要特別考慮泵材料的耐磨性，選排量時要與輸送介質(zhì)黏度相匹配。

4.3 MGO冷卻器

為滿足柴油機的安全使用，各柴油機廠家都提出了燃料油進機黏度不低于2 cst/40℃的要求，考慮到環(huán)境溫度熱傳導(dǎo)及柴油機回油溫度升高，將導(dǎo)致MGO黏度降低，為增大MGO的進機黏度，需在柴油機進油管路上增加MGO冷卻器。為防止燃油泄漏至海水，一般MGO冷卻器冷卻介質(zhì)采用淡水。大部分黏度相對較高的MGO只需用機艙低溫淡水冷卻，或根本不需冷卻即可滿足柴油機進機黏度不小于2 cst的要求。但對于黏度較低的MGO（尤其是黏度低于2 cst/40℃），為確保燃油進機黏度，則需冷卻至17～20℃。此時冷卻介質(zhì)選擇36℃淡水已不能滿足，需用冷機機組的冷媒水來冷卻MGO，系統(tǒng)相對復(fù)雜，成本也高。

4.4 柴油機燃油系統(tǒng)切換

柴油機燃油系統(tǒng)的切換靠供油單元來實現(xiàn)。圖2為某散貨船供油單元示意圖。

該船設(shè)有3種燃油：MGO用于硫排放控制區(qū)；MDO和HFO用于非硫排放控制區(qū)。

首先，切換時應(yīng)注意燃油溫度的控制。由于HFO需加熱溫度較高（80～90℃），而MGO需冷卻溫度較低 （18℃左右），因此在柴油機進行HFO及MGO切換時，溫差較大的2種燃油混合引起的溫度黏度波動可能導(dǎo)致柴油機燃油噴射設(shè)備堵塞卡死和燃油泄漏等。MAN柴油機要求在燃油切換時，油的溫度變化要控制在2 K/min。為了緩沖溫度劇變，并考慮到管路的沖洗，該船在HFO切換至MGO前，先切換至MDO，即切換程序為HFO→MDO→MGO。整個切換程序均為自動切換。

其次，在燃油切換過程中，還應(yīng)注意加熱器及冷卻器的切換。該船在供油單元內(nèi)設(shè)一電動三通閥V3，加熱器的停止及冷卻器的啟動通過溫度傳感器或黏度傳感器來控制的，在HFO切換至MDO的過程中，V3的閥位為直通加熱器。當(dāng)系統(tǒng)全部切換至MDO時，加熱器停止，同時V3切換至冷卻器，冷卻器開始起動。

HFO與MGO共用的管路，在燃油切換至MGO時要同時切斷伴行蒸汽及加熱蒸汽。

4.5 鍋爐燃油系統(tǒng)切換

鍋爐燃油系統(tǒng)是相對獨立的系統(tǒng)，其燃油的切換是通過三通閥來控制的。鍋爐燃油系統(tǒng)可采用單回路和雙回路系統(tǒng)，單回路即采用一組供給泵，HFO、MDO和MGO均使用同一燃油管路。圖3為某散貨船鍋爐燃油日用系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)為雙回路，即單獨設(shè)一MGO供給泵組和一套獨立的燃油管路系統(tǒng)。該船的燃油切換程序為HFO→MDO→MGO。

5 結(jié)語

比起傳統(tǒng)的重油和柴油，在燃用低硫MGO時，需要加裝一系列的設(shè)備，對柴油機和泵的要求也相應(yīng)提高。此外，船上還需要增加低硫MGO艙柜和相應(yīng)的管路。

然而隨著石油化工技術(shù)的日趨提高，提煉高黏度、低揮發(fā)的低硫燃油或者采用添加劑的辦法，都可以是MGO的實用性大大提高，所以未來具有低硫、高黏度特性的燃油將是船舶燃油的一個發(fā)展方向。

［1］孫文廣，王宗濤，張金良.船舶鍋爐低硫燃油使用分析［J］.船舶工程，2011（1）：91－93.

［2］崔向東，辛春安.船舶低速主機低硫燃油使用問題和防范措施［J］.世界海運，2006（5）：18－20.