朱元寶,辛 靖,侯章貴
[中海油煉油化工科學(xué)研究院(北京)有限公司,北京102209]
隨著全球貿(mào)易的發(fā)展,船用燃料油消耗量在逐年增加。目前,全球船用燃料油需求超過(guò)2億t/a[1],主要是以原油加工過(guò)程中的常壓渣油、減壓渣油、裂化渣油、催化柴油等為原油調(diào)合而成,其完全燃燒時(shí)的產(chǎn)物主要為碳氧化物、氮氧化物和硫化物,其中對(duì)大氣污染較為嚴(yán)重的是硫化物。因此,降低船用燃料油中的硫含量,對(duì)大氣污染物排放的控制至關(guān)重要。
全球環(huán)境問(wèn)題不斷加劇,國(guó)內(nèi)外對(duì)船用燃料油的硫含量也做了嚴(yán)格限制。2016年10月27日,國(guó)際海事組織(IMO)發(fā)布消息稱(chēng),自2020年起將全球范圍內(nèi)的船用燃料油的硫含量限制在0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)以下,這要求未來(lái)3 a里殘?jiān)痛萌剂嫌偷牧蚝恳獜漠?dāng)前的3.5%大幅降至0.5%,這將為全球煉油和油品供應(yīng)市場(chǎng)的格局帶來(lái)影響。它不僅為全球先進(jìn)煉油企業(yè)、新型清潔替代燃料帶來(lái)機(jī)遇,同時(shí)也使一些技術(shù)落后的老舊煉油企業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
1.1.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8217
國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)制定了第一個(gè)有關(guān)船用燃料油的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),即ISO8216-1—1986。為進(jìn)一步規(guī)范船用燃料油產(chǎn)品質(zhì)量,提供統(tǒng)一的全球范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)指標(biāo),ISO在1987年制定了第一個(gè)船用燃料油的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),即ISO 8217—1987《船用燃料油規(guī)范》[2]。
船舶保有量的快速增長(zhǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的大氣污染,為控制氣體污染物排放,減少大氣污染,ISO分別于1996年、2005年、2010年和2012年,對(duì)ISO 8217做了修訂。為了提高船用燃料油產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)格限定硫含量指標(biāo),業(yè)內(nèi)對(duì)船用燃料油的使用性能和污染物排放提出更高的要求,進(jìn)而形成現(xiàn)行的ISO 8217—2012,現(xiàn)已在全球范圍內(nèi)得到廣泛采用[2]。
ISO 8217—2012主要規(guī)定了餾分型燃料油和殘?jiān)腿剂嫌偷姆诸?lèi)及代號(hào)、試驗(yàn)方法等,對(duì)4種餾分型燃料油、6種殘?jiān)腿剂嫌徒o出了具體的產(chǎn)品指標(biāo)要求。其中不同類(lèi)型燃料油的硫含量見(jiàn)表1。
表1 ISO 8217—2012中的硫含量指標(biāo)[3]
1.1.2 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 396
美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)于1978年首次制定了石油產(chǎn)品燃料油標(biāo)準(zhǔn),即ASTM D 396《燃料油標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》,該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了燃料油產(chǎn)品的一般要求、詳細(xì)要求、試驗(yàn)方法以及具體性能指標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有工業(yè)和民用燃料油的生產(chǎn)和銷(xiāo)售,但沒(méi)有單獨(dú)對(duì)船用燃料做出規(guī)定。
該標(biāo)準(zhǔn)自發(fā)布至今做了28次修訂,尤其是對(duì)產(chǎn)品中硫含量做了嚴(yán)格限定,該標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)行版本ASTMD 396-15b中規(guī)定硫含量不大于0.5%。
1.1.3 防止船舶污染國(guó)際公約(MARPOL)
聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展組織于1995年提出增加MARPOL 73/78附則Ⅵ《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》,已于2005年5月19日對(duì)所有協(xié)議簽署國(guó)的船舶正式生效。
其中第14條對(duì)燃油的硫含量做了規(guī)定:1)全球范圍內(nèi),船舶上使用的任何燃油的硫含量不應(yīng)超過(guò)4.5%;2)當(dāng)船舶位于SECA(硫氧化物排放控制區(qū))時(shí),船上使用的燃油的硫含量應(yīng)不超過(guò) 1.5%[3]。MARPOL附則Ⅵ對(duì)燃料油中硫含量的限制見(jiàn)圖1[4]。
圖1 MARPOL附則Ⅵ對(duì)燃料油中硫含量的限制
2008年,IMO采用了一系列的MARPOL附則Ⅵ中的修正條款,要求從2012年1月1日起全球船用燃料硫含量開(kāi)始降低,在2018年之前完成第一階段,從4.5%降至3.5%,從2020年開(kāi)始進(jìn)一步降至0.5%[4]。
1.1.4 歐盟環(huán)保法案
在MARPOL 73/78附則Ⅵ的基礎(chǔ)上,歐盟立法規(guī)定:進(jìn)出歐盟所屬海域、特定經(jīng)濟(jì)區(qū)及污染控制區(qū)域的客輪、擺渡船或巡航船均執(zhí)行燃料油硫含量不超過(guò)1.5%的規(guī)定。根據(jù)《歐盟立法2012回顧》中規(guī)定:2020年1月1日起,在ECA區(qū)域以外的歐盟海域內(nèi),燃料硫含量從3.5%降至0.5%,對(duì)于硫高于3.5%的船用燃料油只能銷(xiāo)售給裝載有廢氣凈化系統(tǒng)的船舶使用[5]。
中國(guó)于1998年制定了推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17411—1998《船用燃料油》,對(duì)4種餾分型燃料油、15種殘?jiān)腿剂嫌偷牧蚝孔隽讼拗狄?guī)定:硫含量限值規(guī)定:餾分型燃料油為1.5%~2.0%,殘?jiān)腿剂嫌蜑?.5%~5.0%。2012年做了第一次修訂,即GB/T 17411—2012,其中將DMB類(lèi)燃料油的硫含量上限降至1.5%,殘?jiān)腿剂嫌偷牧蚝可舷藿抵?.5%[6]。
近年來(lái),中國(guó)船用燃料油市場(chǎng)一直缺乏強(qiáng)制性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),船用燃料油市場(chǎng)不規(guī)范、質(zhì)量劣質(zhì)化日益突出,既擾亂了市場(chǎng)秩序,又帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染。尤其是調(diào)合燃料油組分來(lái)源復(fù)雜,“合標(biāo)不合規(guī)”現(xiàn)象嚴(yán)重[7]。因此,統(tǒng)一中國(guó)船用燃料油標(biāo)準(zhǔn),提高船用油品質(zhì)量,已是迫在眉睫。
鑒于此,中國(guó)于2015年12月發(fā)布了現(xiàn)行的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),即GB 17411—2015《船用燃料油》,該標(biāo)準(zhǔn)已于2016年7月1日實(shí)施,其中將船用燃料油分為兩類(lèi)產(chǎn)品,分別為餾分型船用燃料(D組)和殘?jiān)痛萌剂希≧組),每類(lèi)產(chǎn)品分為3個(gè)等級(jí),對(duì)每個(gè)等級(jí)的燃料油的硫含量做了進(jìn)一步限定。
餾分型燃料油劃分為 DMX、DMA、DMZ、DMB,殘?jiān)腿剂嫌蛣澐譃镽MA (10 mm2/s、50℃下的運(yùn)動(dòng)黏度上限值,下同)、RMB(30mm2/s)、RMD(80mm2/s)、RME(180 mm2/s)、RMG 系列(180、380、500、700 mm2/s)、RMK 系列(380、500、700 mm2/s),不同類(lèi)型的燃料油的硫含量上限見(jiàn)表2。
中國(guó)交通部于2015年12月下發(fā)了《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》,自2016年1月1日起至2019年1月1日,實(shí)施第Ⅱ階段的硫含量限值規(guī)定,逐步實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)入排放控制區(qū)使用硫含量不高于0.5%的燃料油。
表2 GB/T 17411—2015硫含量指標(biāo)
目前,全球船用燃料油的主要消費(fèi)區(qū)域集中在荷蘭鹿特丹、美國(guó)紐約、比利時(shí)安特衛(wèi)普等歐美港口,以及中國(guó)、新加坡等亞太港口。亞太地區(qū)對(duì)船用燃料油的需求遠(yuǎn)高于其他地區(qū)[8]。對(duì)于這些地區(qū),要滿足國(guó)際海事組織(IMO)的目標(biāo),適宜的路徑是合規(guī)使用船用輕柴油(MGO),而不是重燃料油(HFO)。
國(guó)際能源署(IEA)表示,到2020年,使用船用輕柴油的需求將從約13.1萬(wàn)t/d升至44.47萬(wàn)t/d,但對(duì)重燃料油的需求將從約46.5萬(wàn)t/d降至16.5萬(wàn)t/d,以達(dá)到國(guó)際海事組織同期的規(guī)定。到2020年,僅航運(yùn)業(yè)對(duì)全球船用輕柴油的需求就占8%,而目前需求僅為2%。因此,全球煉油企業(yè)將面臨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的巨大壓力,煉油廠按照現(xiàn)在的效率,生產(chǎn)所需的船用燃料油可能性較?。?]。
能源咨詢(xún)公司 Turner,Mason&Co.調(diào)查顯示[9],許多煉油廠并不準(zhǔn)備從重質(zhì)燃料油過(guò)渡到船用輕柴油,因?yàn)樗麄儧](méi)有足夠的時(shí)間對(duì)煉油廠進(jìn)行投資升級(jí)。他們可能會(huì)進(jìn)口大量的輕油,將重燃料油調(diào)合成符合低硫標(biāo)準(zhǔn)的燃料油,這將會(huì)大幅提高航運(yùn)公司的燃料成本。
2015年中國(guó)船用燃料油市場(chǎng)需求已突破3000萬(wàn)t,將逐步成為亞太地區(qū)第二大船用油市場(chǎng)。中國(guó)船用燃料油資源的供應(yīng)主要來(lái)自國(guó)內(nèi)生產(chǎn)調(diào)合和國(guó)外成品油進(jìn)口,生產(chǎn)廠家主要集中在華南、華東(長(zhǎng)江中下游)、環(huán)渤海、山東和遼寧盤(pán)錦等地,其硫含量為0.5%~2.0%;而進(jìn)口油硫含量普遍為1.5%~3.5%[10]。由于受到國(guó)內(nèi)原油加工特點(diǎn)、生產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)、消費(fèi)稅政策等多方面因素的制約,直接生產(chǎn)船用燃料油的企業(yè)較少。
目前,船舶可以通過(guò)機(jī)內(nèi)優(yōu)化或安裝廢氣處理裝置來(lái)減少污染物的排放,而減少硫化物排放較為根本有效的方法是控制燃料油的硫含量。其中油品調(diào)合是較為常用的方法,通常是向重油組分中摻入輕組分調(diào)合而成,利用低硫餾分油與高硫渣油調(diào)合。而從根本上降低燃料油中硫含量的方法是脫除燃料油中的硫,常用的方法:加氫脫硫技術(shù)、氧化脫硫技術(shù)和生物脫硫技術(shù)等。
利用低硫原料能夠調(diào)合出符合標(biāo)準(zhǔn)的燃料油,如PIRA公司[12]提出的含硫0.1%的中間餾分與含硫1%的渣油按照體積比60∶40,調(diào)合成含硫0.5%的船用燃料油。但其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)黏度較低,難以完全滿足船舶柴油機(jī)的使用要求,此外成本較高。為有效使用上述產(chǎn)品,還需對(duì)船舶設(shè)備進(jìn)行改造,從而增加了成本支出。為了降低運(yùn)行成本,船運(yùn)公司更傾向于使用價(jià)格便宜、熱值較高的重質(zhì)船用燃料油。
調(diào)合生產(chǎn)的重質(zhì)燃料油的清潔度和相容性是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。適宜的調(diào)合原料、調(diào)合比例是生產(chǎn)合格燃料油的關(guān)鍵。針對(duì)船用燃料油調(diào)合技術(shù),中國(guó)已開(kāi)展了大量的研究工作。
劉美等[13]采用乙烯焦油、大慶減壓渣油、糠醛抽出油(大慶減四線)為原料,以不同的比例調(diào)合,制備出硫含量<1.0%的船用燃料油。田廣武[14]采用催化柴油與其他柴油按不同比例調(diào)合生產(chǎn)出了2種船用餾分燃料油,通過(guò)減黏渣油、催化裂化重循環(huán)油與催化柴油不同比例調(diào)合生產(chǎn)出了380#燃料油。
郭志文[15]采用遼陽(yáng)石化公司3種硫含量較低的原料(小于1.5%)渣油、重質(zhì)蠟油、乙烯焦油,與自制的油溶性降黏劑復(fù)配,通過(guò)調(diào)整合適的黏度,獲得滿足要求的燃料油。張孟博[16]采用錦州石化減黏后渣油和重柴調(diào)合能夠得到120#、180#船用燃料油。
張紅兵[17]采用催化油漿、焦化蠟油、渣油為基礎(chǔ)油做調(diào)合試驗(yàn),按照不同的比例分別調(diào)合出120#和180#船用燃料油,其硫含量分別為0.29%和0.36%。李曉華[18]利用蓬萊PL19-3減壓渣油,通過(guò)減黏裂化工藝,可直接生產(chǎn)硫含量小于0.5%的燃料油。
目前,中國(guó)殘?jiān)痛萌剂嫌驼{(diào)合組分復(fù)雜,不同的調(diào)合原料相容性差,各組分分散性欠佳,導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性不好,極易分層,致使瀝青質(zhì)析出,使用時(shí)易導(dǎo)致船上燃油系統(tǒng)沉渣和油泥堵塞,加之對(duì)硫含量的限制,調(diào)合原料須做出調(diào)整,調(diào)合技術(shù)需進(jìn)一步提高。
自2015年起,餾分油型船用燃料油的硫含量要求≤0.1%,從調(diào)合組分的硫含量看,必須經(jīng)過(guò)加氫精制才能滿足這一要求。大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家柴油餾分的硫含量已經(jīng)降至0.1%或者更低的水平,因此餾分油型低硫船用燃料油的生產(chǎn)僅需增加少量的精制成本。2020年殘?jiān)痛叭剂嫌偷牧蚝恳蟆?.5%,即使低硫原油的直餾渣油硫含量也很難達(dá)到這個(gè)水平,必須經(jīng)脫硫處理后才能生產(chǎn)符合要求的船用燃料油。
為應(yīng)對(duì)即將執(zhí)行的新的船用燃料油標(biāo)準(zhǔn),拓普索公司向煉廠提出了應(yīng)對(duì)策略:第一是煉廠升級(jí)改造生產(chǎn)符合規(guī)定的船用燃料油;第二是引進(jìn)新技術(shù)提高煉廠深加工能力,將船用燃料生產(chǎn)轉(zhuǎn)向其他附加值更高的產(chǎn)品[19]。2016年瑞典煉油商Preem公司引進(jìn)了Cheveron Lummus公司的LC-Slurry渣油懸浮床加氫裂化技術(shù)[20];2018年中石化與ENI公司簽約引進(jìn)渣油漿液法加氫裂化技術(shù)(EST)[21]。 上述舉措旨在低成本生產(chǎn)更環(huán)保的燃料油,以符合2020年開(kāi)始執(zhí)行的國(guó)際海事組織制定的船用燃料要求較低硫含量的規(guī)定。
通過(guò)加氫工藝生產(chǎn)低硫燃料油的附加值相對(duì)較低。為了盡可能降低脫硫成本,人們?cè)缭?0世紀(jì)30年代就開(kāi)始研究用氧氣代替氫氣用于脫硫技術(shù),但一直未受到關(guān)注。重質(zhì)油中的含硫化合物很難用氫氣還原,但很容易被氧化生成極性極強(qiáng)的砜類(lèi)化合物,再通過(guò)萃取或反應(yīng)脫除[22]。
Auterra公司開(kāi)發(fā)了重油氧化脫硫工藝(FlexDS)以及氧化催化劑(FlexOX)。FlexDS技術(shù)是一種低能耗、低成本的氧化脫硫新工藝,可以脫除重質(zhì)油中的硫、氮、微量金屬等雜原子,同時(shí)可以提高重油密度(APIo)、降低酸值等。
FlexDS工藝主要步驟:第一步是重質(zhì)燃料油在鈦基催化劑和氧化劑作用下,采用固定床反應(yīng)器,高選擇性地將燃料油中的含硫化合物氧化成砜類(lèi)化合物;第二步是堿催化脫除砜類(lèi)化合物中的硫,生成小分子烴類(lèi),降低燃料油中硫的同時(shí)使油品黏度降低;也可以采取萃取的方式,脫除砜類(lèi)化合物[23-24]。目前,該工藝針對(duì)油砂瀝青的脫硫率已達(dá)75%以上。隨著對(duì)船用燃料油含硫量的限制日趨嚴(yán)格,該脫硫技術(shù)正逐漸引起人們的重視。
選用低硫燃料油是控制船舶SOx排放的一條直接途徑,但低硫燃料油的生產(chǎn)成本較高。為降低燃料成本而選擇含硫稍高的燃料油,就要考慮廢氣排放控制技術(shù),如選擇性催化還原(SCR)、廢氣再循環(huán)(EGR)和廢氣洗滌器。SCR、EGR是2種船舶NOx排放控制技術(shù)。其中SCR技術(shù)的NOx脫除率可達(dá)70%~90%。
如果在使用高硫燃料油的情況下,要達(dá)到同時(shí)控制NOx和SOx的目的,還需要安裝廢氣洗滌器[25-26]。廢氣洗滌器是一種將船舶柴油機(jī)的排煙進(jìn)行洗滌等后處理的裝置,該裝置可以實(shí)現(xiàn)一種“等效性”,使得含硫量3.5%的燃油所產(chǎn)生的排放等效于使用含硫量0.1%的燃油[27],船舶行業(yè)很可能大力投資這種煙氣洗滌器。
總之,選用低硫燃料油或者加裝煙氣洗滌裝置都可以實(shí)現(xiàn)SOx總排量的降低。但如果硫含量從3.5%降至1.0%,則燃料油價(jià)格將提高10%~20%,且顯著增加精煉過(guò)程中的能耗[28],而廢氣洗滌裝置需選配高效率的廢氣渦輪增壓器,設(shè)備改造費(fèi)用將大幅增加。
4.1.1 全球一些技術(shù)落后的煉化企業(yè)面臨空前的壓力
嚴(yán)格執(zhí)行MARPOL公約對(duì)低硫燃料油的使用要求,會(huì)給船舶行業(yè)和煉油企業(yè)帶來(lái)巨大壓力。因?yàn)檫@些企業(yè)必須在短時(shí)間內(nèi)采取應(yīng)對(duì)措施,包括決定船舶發(fā)動(dòng)機(jī)燃料油的選用??梢源_定的是,船用柴油和柴油/渣油調(diào)合的燃料油會(huì)大量取代高硫渣燃料油,在一段時(shí)間內(nèi)船用柴油的需求量會(huì)大幅增加[15]。
一些深加工能力有限的落后煉油廠,要么被迫退出船舶燃料油市場(chǎng),要么投資進(jìn)行升級(jí)改造。如果考慮建造一套渣油加氫脫硫裝置,因資金投入高昂及建造周期太長(zhǎng),同時(shí)面臨替代燃料(如液化天然氣(LNG)等清潔燃料)的使用,所以煉廠投資改造升級(jí)后的獲利空間可能較小。
4.1.2 為擁有先進(jìn)技術(shù)的煉油企業(yè)帶來(lái)機(jī)遇
國(guó)際海事組織的決定對(duì)擁有先進(jìn)技術(shù)的煉油企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)機(jī)遇,因?yàn)檫@些企業(yè)(特別是擁有加氫裝置的煉廠)技術(shù)先進(jìn)、布局合理。由于渣油加氫脫硫裝置可以直接生產(chǎn)低硫重質(zhì)船用燃料油調(diào)合原料;柴油加氫和潤(rùn)滑油加氫裝置可生產(chǎn)低硫中間餾分油;這些煉油企業(yè)用于低硫船用燃料油的調(diào)合組分來(lái)源豐富,可以直接生產(chǎn)或調(diào)合生產(chǎn)出符合硫含量小于0.5%的船舶燃料油,擁有先進(jìn)技術(shù)的煉油企業(yè)應(yīng)對(duì)船用燃料油新標(biāo)準(zhǔn)變化的能力較強(qiáng)。
船用燃料油規(guī)格變化將改變煉廠加工原油的品種。為了應(yīng)對(duì)燃料油低硫化標(biāo)準(zhǔn)的要求,可能迫使一些煉油企業(yè)直接選擇低硫原油進(jìn)行加工。如歐洲煉油企業(yè)可能會(huì)避開(kāi)重質(zhì)原油,改用可方便獲得的輕質(zhì)北海及西非原油。這對(duì)包括沙特、伊拉克、委內(nèi)瑞拉、墨西哥和巴西在內(nèi)的生產(chǎn)含硫量較高的重質(zhì)原油生產(chǎn)國(guó)來(lái)說(shuō),可能將產(chǎn)生不利影響[29]。
作為國(guó)際市場(chǎng)上高硫原油的主要進(jìn)口國(guó),中國(guó)必須提高加工深度才能滿足低硫燃料油的要求,相應(yīng)的操作成本也將隨之上升。中國(guó)若在未來(lái)生產(chǎn)低硫船用燃料油,從國(guó)際原油市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)低硫原油也是一種可選的技術(shù)途徑。但關(guān)鍵還是做好煉廠結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高重質(zhì)燃料油的轉(zhuǎn)化能力,增加低硫中間餾分產(chǎn)率是根本的應(yīng)對(duì)之策。
全球貿(mào)易的發(fā)展促使船用燃料油消耗量逐年增加,面對(duì)新規(guī)下的船用燃料油標(biāo)準(zhǔn),其工藝先進(jìn)的煉化企業(yè)可以根據(jù)市場(chǎng)需求做出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)對(duì)低硫、輕質(zhì)及中間餾分產(chǎn)品的增長(zhǎng)需求。同時(shí),可發(fā)展液化天然氣(LNG)作為一種新型替代船用燃料。
盡管世界各國(guó)在不斷發(fā)展替代能源,根據(jù)英國(guó)勞氏船級(jí)(LR)社發(fā)布的《2030全球船用燃料油發(fā)展趨勢(shì)》預(yù)測(cè),2030年前重油依然占據(jù)船舶燃料的主導(dǎo)地位,船舶從依賴(lài)重質(zhì)燃料油到使用替代清潔燃料將會(huì)是一個(gè)較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。低硫船用燃料油、尾氣洗滌裝置以及替代燃料LNG將在新的船用燃料油標(biāo)準(zhǔn)下各自發(fā)揮其關(guān)鍵作用。