浅析低硫燃油在船舶使用中的应对措施

1 公约对船舶硫排放的限制和要求

MARPOL公约附则VI于2005年5月19日生效。其主要规定了在全球范围内以及在被称为硫排放控制区（SECAs或ECAs）的保护区内控制硫氧化物（SOx）排放的方法。

特别是，海洋环境保护委员会第69届会议（MEPC 69）于2016年4月18日至22日通过了关于船用柴油机使用低硫燃料油的限制，硫含量限制值和实施日期，如下表和图1所示。自2015年1月1日后，船上燃油硫含量在SOX排放控制区内应不超过0.1%，从2020年1月1日起全球所有船舶燃油硫含量新限值不超过0.50%m/m。

图1 MARPOL附则VI规定的燃油硫含量限制

2 低硫燃油在船舶使用中存在的安全隐患问题

为了遵守MARPOL73/78公约关于减少SOx排放的规定，很多船舶在海上航行时制定了排放控制区（ECAs）内柴油机从高硫燃油（HSFO）转换为低硫燃油（LSFO）的程序。船舶进入排放控制区域（ECAs）之前，需要转换为低硫燃油，包括冲洗系统中含硫量超标的燃料。

但是，燃料转换及低硫燃油使用会导致船舶柴油机的技术状况出现一些问题，主要体现在三方面。一是当柴油机在高转速下稳定运行时，若将柴油机转速降低到低速或慢速后退时，柴油机会出现转速波动甚至停车，从而导致船舶运行不稳定或丧失推进力；二是柴油机启动失败事件，包括由于燃油系统压力低、燃油粘度低等引起的燃油喷射系统中的燃油泄漏和密封圈泄漏而导致柴油机启动困难或无法启动；三是燃油喷射压力不稳定，导致柴油机无法达到最大速度，同时柴油机无法保持在恒速正车、倒车位置。

3 低硫燃油导致设备故障原因分析

1）低硫燃油润滑性的降低将导致船用燃油泵系统过度磨损和过早失效。因为在燃油系统中除了通常使用特殊的润滑油来增加润滑性和防止碳沉积外，对柴油机润滑系统贡献很大的是燃油中含有的微量表面活性极性化合物在金属表面形成保护层，从而增强了边界润滑。燃油中天然存在的最活跃的极性物质是含氮和氧的杂合物。但是低硫燃油在去除硫含量的加氢脱硫（HDS）过程会去除这些极性化合物，进而导致燃油润滑性能非常差，从而容易导致燃油泵和喷油部件磨损、燃烧不良、发动机磨损损坏，甚至咬死进而造成主机失灵；

2）低硫燃料稳定性降低，导致点火质量降低和柴油机运转性能下降。低硫燃油在加氢脱硫（HDS）去除了大量芳烃含量，同时它还去除了天然的抗氧化剂，这些抗氧化剂提供了燃油的物理和热稳定性。天然抗氧化剂的缺乏会导致过氧化产物的生成，从而导致燃油泵系统的酸腐蚀和泵密封失效。特别是在高温下，燃料油中过氧化产物的生成速度很快，对燃料油系统造成了不利影响。氧化过程还会产生树胶聚合物和其他不溶物。低硫船用燃料稳定性降低通常会产生过多的未燃烧碳氢化合物和可见颗粒排放物。稳定性差可还能会导致储存过程中形成胶质和污泥，并在喷嘴上形成沉积物和阀门上形成胶质。

低硫燃料固有的不稳定性对船用发动机的安全运行构成了四大威胁，即点火质量下降、发动机沉积物过多、可见的特殊排放物增加、产生过多的污泥和燃料系统结垢；

3）低硫燃油粘度相对较低，范围一般为1.5～3.0c St。燃油泵需要有适当的粘度来保持适当的进油速率。ISO 8217规定了DMX(X级蒸馏船用油，在40°C下为1.4c St）和DMA(A级蒸馏船用油，在40°C下为1.5c St）的最小粘度。一般制造商建议的经验值是发动机进口处为2c St[1]。但是发动机室内的环境温度很容易达到40°C，有时甚至更高，在某些情况下甚至高达55°C。而管道和发动机中过多的热量会进一步升高温度，从而导致粘度下降，较低的粘度会降低燃油泵柱塞和壳体之间以及燃油阀中的油膜厚度，从而导致过度磨损和可能的卡滞，进而导致燃油泵故障。

4 低硫燃油在船舶使用中应对措施

针对低硫燃油造成设备故障的原因，船舶在建造及设备设计上应充分考虑各种不利因素，以提高柴油机的使用寿命，确保稳定运行。

1）选择合适碱值的润滑油。低硫燃料油使用将有助于在燃烧室内产生硫酸（H2SO4）。为了中和产生的酸，气缸套润滑油必须选择具有合适的碱值。如果碱值偏高，气缸套表面有被抛光的危险，将导致润滑油膜损坏划伤的风险增加。另一方面，如果碱值偏低，则可能会增加擦伤或过度腐蚀性磨损的风险。因此在船上使用低硫燃油的情况下，要选择合适气缸套润滑油，提高柴油机润滑油的润滑性；

2）在燃油系统中安装冷却器。燃油粘度是非常重要的，它决定了柴油机燃烧室燃油的点火质量。因为当船舶驶入排放控制区（ECAs）时，柴油机需要转换为低粘度的低硫燃油，所以为了保持发动机进口燃油的所需粘度，解决这一问题的最好方法就是在燃油系统中安装快速冷却器[2]，通过降低燃油进机温度，使燃油的粘度维持在合理的数值范围；

3）低硫燃油润滑性添加剂使用。低硫燃油润滑性的降低会导致柴油机的关键部件如燃油供给泵和喷油泵出现异常摩擦和操作缺陷。因此，采用低硫燃油润滑性添加剂来改善低硫船用柴油的润滑性，不仅能保证船舶的安全运行，还能保护环境。日本某油化工业株式会社就研发了一种能够提高燃油润滑性并且具有防霉特性的燃油添加剂（Yunic750LS-F），该添加剂能够提高低硫燃油的润滑性进而提升设备的操作流畅性，而且可以防止低硫燃油在长时间存储过程中混入冷凝水导致的霉变[3];

4）阿尔法自适应气缸油控制（Alpha-ACC）系统使用[4]。该系统有一个算法，不仅能够控制气缸油量与燃料中硫含量成比例，而且可以控制气缸油的用量与发动机负荷成比例。它根据进入汽缸燃料油的硫含量，决定一个最佳的汽缸油用量。这样不仅大大节约了使用成本，而且减少因过度润滑而造成的二次环境污染。

5 结束语

随着全球各地硫排放控制区执行标准越来越严，在新老船设计建造及改造过程中，应该根据上文提到的探讨应对措施进行考虑，船舶柴油机可以采用合适的碱值的润滑油、在燃油系统中安装冷却器、改进低硫燃油添加剂和采用阿尔法自适应缸油控制系统等方法降低低硫燃油使用的不利影响，这将使所有船舶在ECAs上航行时遵守新规则具有重要意义。