海洋环保法规的发展及其对船用燃料及润滑油的影响

张　杰　高　辉

摘要：船舶排放造成的环境污染日益受到人们重视，严格的海洋环保法规在世界不同国家和地区制定并实施。使用低硫高质量船用燃料、替代燃料、开发节能型发动机以及配置废气净化装置是达到环保法规的重要途径，同时也为船用润滑油提出更高要求。跟踪船用燃料与发动机技术以及船用润滑油的发展对于我国排放法规的制定具有现实意义。

关键词：排放法规；船用燃料；润滑油；净化技术

中图分类号：TE626.3 文献标识码：A

The Development of Marine Emission Legislations and Its Influence on Marine Fuels and Lubricants

ZHANG Jie, GAO Hui

(PetroChina Dalian Lubricating Oil R&D Institute, Dalian 116032, China)

Abstract:The pollution emitted from ocean ships has made great infection on environment, which is attracting more and more regards from people. Therefore, rigid marine emission legislations have been established and implemented in many countries and areas in the world. Using high quality fuels or substitute fuels, developing new types of economical engines and installing exhaust cleaning equipments are all the effective methods which demand marine lubricants higher quality. So keeping up with the development of marine fuels, the technology of marine diesel engines and marine lubricants are important for the establishment of marine emission legislation of our country.

Key words:emission legislation; marine fuel; lubricant; cleaning technology

0 前言

远洋船舶的动力来源从最初的蒸汽轮机发展到燃气轮机，再到目前广泛应用的内燃机，柴油发动机因其功率范围大、效率高、能耗低、使用维修方便而在民用、商用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了主导地位，3万t级以下的远洋船舶大多以柴油机作为主机［1］。

柴油发动机通常燃烧的高硫劣质燃料对环境会产生较为严重的影响。1995年对美国各种船舶主机类型排放水平的调查结果表明，柴油机的排放是燃气轮机蒸汽机的5~10倍。

据报道，到2007年，每年的船用燃料消耗量达2亿t，以柴油机废气的平均排放量1000 mg/L（燃料）计算，每年仅远洋船舶的废气排放量就在20万t以上［2］。在美国加利福尼亚州，由船舶排放的SO_X和NO_X分别占全加州SO_X和NO_X排放总量的40%和12%；在航运业发达的挪威，大气污染物中NO_X的排放有40%～50％来自船舶；特别是在港口和航线密集的海域，如英吉利海峡，船舶排放污染物成为最主要的污染来源。总之在航运业发达的国家和地区，船舶排放已成为威胁环境质量的“第一杀手”，这些国家和地区也是率先意识到治理海洋污染的重要性，最早的海洋排放法规也是在这些国家和地区制定并实施的［3］。

1 海洋排放法规的发展

船用燃料的燃烧产物主要包括颗粒物和气态物。颗粒物主要是碳粒和烟尘；气态物主要是SO_X、NO_X、CO_X和HC等，其中SO_X和NO_X占有较大比例。用于远洋运输的低速十字头发动机的NO_X排放更是高达17 g/kW•h。2001年美国环保局调查了各种交通工具的排放量在环境总污染物中的比例，指出大约6％的NO_X、超过10%的颗粒物和40％的SO_X排放来自船舶发动机；预计如果不采用控制手段，到2030年将有34％的NO_X、超过45%的颗粒物和94％的SO_X排放来自船舶发动机。

国际海事组织（IMO）首先对全球海洋和SO_X排放控制区域内(SO_XEmission Controlled Areas, SECA)的排放作出规定，其他海洋环保法规均在此基础上对各自地区的排放制定法律约束。

1.1 MARPOL附则Ⅵ

在1995年9月召开的第37次环保会(MEPC37)上，国际海事组织在《MARPOL 73/78防污公约》原有的5个附则基础上又增加了附则Ⅵ《防止船舶大气污染规则》，用于限制船舶对海洋大气的污染。该附则2005年5月19日始所有协议签署国的船舶正式生效。

附则Ⅵ规定在全球范围内船用燃料中的硫含量须低于4.5％。这项法规其实并没有对船运业造成很大影响，因为绝大多数船用燃料的硫含量是低于4.5％的。从DNV报告可知：2005年在全球范围内，仅有0.35％的船用燃料硫含量超过4.5％；而2005年船用燃料的平均硫含量为2.8％。

MARPOL附则Ⅵ对NO_X排放的规定为：2000年1月1日以后建成（或经重大改造）的、功率大于130 kW的不同转速船用柴油机的具体排放控制标准如表1所示。

1.2 SECA法规

鉴于国际海事组织MARPOL 73/78附则Ⅵ对燃料硫含量4.5%的规定不能满足英吉利海峡和波罗的海地区的环保要求而制订了SECA法规并首先确定了“SO_X排放控制区域”的概念。2006年5月波罗的海划为SO_X排放控制区，北海和英吉利海峡于2007年11月也成为SO_X排放控制区。法规规定行驶在此海域范围内船舶燃用燃料的硫含量低于1.5％。SO_X排放控制区的地理位置是南纬62°以南和东经4°以东的北海区域、东经5°以东的英吉利海峡区域和波罗的海区域，包括挪威、瑞典和丹麦等船舶制造业和船运业发达的国家，他们率先意识到限制船舶排放的重要性，强制在SO_X排放控制区内使用低硫船用燃料。目前黑海、地中海、美国、日本和香港等国家和地区也纷纷要求加入SO_X排放控制区，执行使用低硫燃油的控制法规，SECA法规执行范围正在不断扩大。

1.3 其他海洋环保法规

除了国际海事组织颁布的法规，许多国家和地区在MARPOL附则Ⅵ的基础之上，根据自身情况制定了更为严格的环保法规。2003年，美国环保局在MARPOL附则Ⅵ的基础上，参考美国清洁空气法案（US Clean Air Act），制定美国海洋环保法规Tier 1来限制NO_X排放，并将陆续在2011年和2016年实施Tier 2和Tier 3，到2016年将NO_X排放标准降低到目前的20％；德国制定了《莱因河（西欧境内）内陆河道船舶废弃物排放规定》，不仅限制了SO_X和NO_X的排放，还对CO、HC和颗粒物（PM）的排放作出规定；世界环保法规最严格的地区——美国加利福尼亚州对行驶在加州海岸线38.62 km（24 mile）范围内的远洋船舶的主机、辅机和锅炉中使用的燃料作出苛刻规定，要求使用低硫馏分燃料油取代重质燃油，到2012年柴油硫含量要求低于0.1％。

海洋环保法规是向着越来越严格的方向发展的。国际海事组织建议到2012年在全球范围内将硫含量降到3.5％，到2020年降到0.5％；在硫化物排放控制区内（Secas）到2010年将燃料硫含量降到1.0％，2015年将降到0.1％。降低船舶排放，提高燃料质量和改进发动机技术是两大主要途径。降低硫含量和提高燃料质量可以降低SO_X和颗粒物的排放；改进发动机技术，采用机内净化和机外净化技术可以减少NO_X、CO₂和HC的排放。

2 环保法规对船用燃料的要求

据统计燃料油成本在总船运业运营成本中所占比例高达40％～65％，为了降低运营成本，在未来相当长的时期内，重质渣油将在船用燃料油中占有绝对比例。而随着石油资源日益枯竭，人们更加注重石油产品的充分利用。世界各国炼油厂为了提高轻质馏分收率所采取的提高炼油加工深度的新工艺和新技术却导致重油和渣油品质下降。

2.1 船用燃料的制备工艺

从上世纪80年代以来，随着原油成本的上升，炼油厂纷纷采用新炼油工艺提高馏分油收率，但也降低了渣油质量。图1为船用燃料（Bunker Fuel Oil，BFO）制备流程，如图1所示。传统的船用燃料制备工艺是：原油通过常压蒸馏过程生成的常压渣油经减压蒸馏后，大部分产物（经过脱硫）将进行催化裂化反应，反应后馏分油中的轻质柴油和催化裂化渣油构成了船用燃料的主要组成部分，另外还包括一部分减压蒸馏渣油。通常渣油的质量不足以达到船用燃料的出厂标准，同时也不能达到船舶排放法规对燃料的要求，所以船油公司往往是把催化裂化（FCC）过程中生成的低硫澄清油（Clarified Oil，CLO）与减压渣油和催化裂化渣油进行混合调配，制成船用燃料。

2.2 船舶法规对船舶燃料的要求

同陆路交通工具相比，海洋船舶污染物排放程度要严重得多。例如目前在欧盟范围内规定陆用燃料硫含量不超过10 μg/g，而在SECA范围内的船用燃料硫含量仅要求不超过1.5％(合15000 μg/g)，是陆用燃料的1500倍之多，所以船用燃料硫含量的降低空间很大，使用低硫燃料也势在必行。

将来使用轻质馏分油做船用燃料是降低SO_X排放的主要途径，但是这样势必会大幅提高船运公司的运输成本，这种情况是船东不愿接受的，适当利用政府补贴的方式是推广低硫燃油的有效方法。

船用燃料的劣质化主要体现在硫含量高和燃烧性能不好两个方面。而燃料中的硫含量高低直接影响着SO_X排放的多少。目前降低SO_X排放的最有效方法是降低燃料中的硫含量。

燃料油的燃烧性能不佳是因为燃料供油商通常将残渣油与不同侧线的馏分油按一定比例混合，保证混合后的船用燃料油达到船东和某些国际法规对船用燃料油的要求。但是这种做法带来的问题是燃油各组分的分散性不佳，沥青质易于凝聚出来形成油泥，同时轻重组分的混合会导致燃油组成不稳定，影响燃油的燃烧性能。残炭和沥青质含量高也是重质劣质燃料的重要特点。沥青质的热值低，难于充分燃烧，加之渣油中含有各种无机有机金属盐和杂质燃油质量不高，一方面会降低发动机功率，另一方面会排放更多的烟尘和颗粒物［5］，给环境造成极大危害。

在现有质量条件下，加入适当添加剂能够对劣质燃料起到明显的改性作用，可以有效改善燃烧状况，使燃油高效、清洁燃烧，并减少烟尘和颗粒物的排放。在燃料中加入分散性添加剂可以提高其储存稳定性，阻止沥青质的凝聚，起到清净和分散作用，使燃油成为稳定的均一体系，有利于提高燃烧效率；加入助燃添加剂可以有效分散沥青质并对沥青中碳的燃烧起到催化作用，缩短滞燃期，提高了燃料利用率。

日益严格的环保法规对船用燃料的质量也提出更高要求，低硫和超低硫燃料成为未来船用燃料的发展方向。例如：美国加利福尼亚州已经确定在2012年使用硫含量小于0.1％的轻质馏分油。目前研究替代燃料的工作也取得了很大的成绩，压缩天然气（CNG）和液化石油气(LPG)成为柴油替代燃料中较好的选择，Wartsila公司开发的针对压缩天然气和液化石油气的发动机也已经在欧洲内河航道的轮船上正常使用。

3 环保法规对发动机的要求

目前，新型船用发动机无不具有大缸径、长冲程和高平均有效压力的特点，例如Wartsila公司的二冲程发动机RT-flex 96C缸径近1 m，活塞行程2.5 m，平均有效压力达到20个大气压，单缸输出功率84 MW；而MAN B&W公司的ME型二冲程发动机缸径超过1 m，单缸输出功率可达100 MW。这使发动机的动力性能有所增强，大幅地提高了发动机的输出功率和燃料的燃烧效率，从而间接起到节约燃油，降低排放的作用。因此，节能和降低排放是船用发动机技术发展的两大推动力。发动机的机内净化和机外净化是降低排放的主要途径。机内净化技术应用在发动机上可以在根源上减少污染物的排放，但是考虑到成本和发动机运转等因素，机外净化也经常采用。另外使用替代燃料的船用发动机已经开始正常运行，将来推广使用的前景广阔。

3.1 排放净化技术

3.1.1 发动机共轨技术

目前，基于电子控制的共轨技术替代传统的机械式燃油喷射系统已经广泛应用于船用发动机中。共轨技术采用电子传感器来监测发动机转速和曲轴的位置，将测得参数与预先设定参数进行比较，对燃油喷射、排气阀启闭和柴油机启动等进行控制，并保证发动机在最佳工况下运行。

大型低速柴油机采用共轨技术始于20世纪90年代中后期才正式进入实用化阶段，目前在二冲程低速十字头发动机和四冲程中速发动机中普遍使用。 在瓦锡兰公司生产的各种船用发动机中，中速发动机Wartsila 46F、Wartsila 32、Wartsila 38、Wartsila 46和二冲程低速发动机Wartsila RT-flex50-B、 RT-flex58T-B、RT-flex60C-B、RT-flex68-D、RT-flex82C、RT-flex82T、RT-flex84T-D和RT-flex96C 等型号采用共轨技术。采用共轨技术的船只能够保证发动机在最佳工况下使燃料充分燃烧，提高发动机输出功率，降低了油耗；并且可以有效降低发动机颗粒物的排放，使发动机在不同转速，不同负载下实现“无烟排放”。

3.1.2 湿法净化

降低发动机燃烧时气缸内的峰值温度是降低NO_X排放最有效的方法，它可以从根源上减少NO_X的生成。目前Wartsila公司最广泛采用的雾化空气法（Wetpac Humidification）是将压缩空气所产生的高温将水雾化，空气夹带饱和水蒸气进入气缸参与燃烧，降低燃烧室温度，可以减少至少50％的NO_X的生成。一般来说，此方法水的消耗量是燃油消耗量的两倍。

另一种方法是三菱公司（Mitsubishi）采用的直接喷射法（Direct Water Injection）。该方法是将水通过特殊的喷嘴注入燃烧室中，与燃料混合形成乳化态混合物，通过降低燃烧室的峰值温度来减少至少40％的NO_X排放。三菱公司的直接喷射法工作示意如图2所示，从图2可以看出两个独立的泵分别将燃料与水经过喷嘴打入气缸中，水的加入量由电子共轨阀（Electronic Rail Valve）控制，并且保证乳化物中水/油比为0.8。

3.1.3 EGR技术

废气再循环(Exhaust Gas Recirculation-EGR)是通过回引部分发动机排气与新鲜空气混合，二次回到气缸中作为工质参与燃烧，利用废气中含有大量化学惰性气体（CO₂、O₂、H₂O等）具有很高的比热容这一特点来抑制NO_X的生成。因为NO_X的生成条件是高温和富氧，废气参与再循环以后造成相同量的混合区升高同样温度所需热量增加，从而降低了气缸燃烧的峰值温度；另一方面废气对新鲜空气的稀释也降低了氧气的浓度，使环境中的富氧程度降低，从而大大降低了NO_X的生成［7］。目前EGR技术广泛应用在Wartsila和MAN B&W的船用二冲程和四冲程发动机上。

3.1.4 调整机械参数

调整发动机机械部件以及操作参数也可以实现机内净化，如使用合适的喷油器并选择最佳的喷油角度。文献报道：不同的喷油器压力室容积，不同喷油孔数目、孔径以及长度都会大大影响到燃油消耗率以及排放污染物的数量［8］，Wartsila公司采用的一种新型喷油器（LIPS HR nozzle）在外观和内部结构上与传统喷油器有很大不同，可以减少20％～30％的NO_X排放。事实证明改变喷油器的设计可以有效降低NO_X等污染物的排放，该方法是目前减少船用发动机NO_X等排放的较好方法。

调整喷油器的喷油角也可以大幅度降低污染物的生成，采用延时喷射技术是减少NO_X排放较为简单有效的方法。它是通过改变喷油器的喷油时机来降低燃烧过程中发动机气缸内的峰值温度和最大压力，从而达到降低NO_X排放的目的。

3.1.5 机外净化

（1）海水净化技术

利用海水呈碱性的特点，吸收并中和排放物中的SO_X，达到降低SO_X排放的目的。实践证明海水净化技术可以除掉排放物中90％以上的SO_X，假设船舶使用硫含量为3.0％的燃料，则使用海水净化装置以后，即相当于使用硫含量为0.3％的燃料。但这项技术也存在很多问题：一是对水质有所影响；二是排气经过清洗装置时会导致柴油机排气背压增加，使柴油机功率下降并冒黑烟，可靠性变差，因此通常要选配更高效率的废气涡轮增压器以补偿清洗装置和管道的压力降［4］。

（2）催化还原装置

在催化剂存在的情况下，NO_X与氨气发生以下反应：

NO_X+NH₃→N₂+H₂O

催化还原装置正是应用以上化学原理，对发动机排放的NO_X进行净化。目前，Wartsila公司的6R32型中速柴油机便是采用含氨、无毒并易于保存的尿素作为还原剂，将浓度为40％的尿素溶液喷入催化还原系统，在350～450 ℃的排气温度下，利用催化剂对NO_X实施净化效果显著，NO_X能降低85％左右［9］。

（3）颗粒分离器

船用燃料的不充分燃烧造成排放物中含有较多颗粒物，生成的颗粒物一方面会降低环境空气质量；另一方面对于采用废气再循环装置的发动机，过多的颗粒物返回气缸会阻塞机械管路并导致发动机活塞环与气缸磨损增加。所以采取措施减少颗粒物排放是非常重要的。目前从机外净化的角度考虑，旋风分离器是普遍使用的颗粒物净化装置，它可将颗粒物中粒径大于0.5 μm的颗粒分离出去；另外还可以采用静电沉淀分离器，可减少99％颗粒物的排放，但是设备造价较高。

3.2 双燃料/三燃料发动机

按目前海洋排放法规的要求，船舶行驶在公海与排放特定地区对燃料的要求是不同的。通常船东在公海使用高硫劣质燃料，而在特定区域切换使用低硫优质燃油，因此要求船用发动机能够交替使用重质柴油、轻质柴油；随着海洋环保法规以及对用于陆上发电的四冲程发动机排放的日益严格要求，船运业也将较多使用压缩天然气（CNG）和液化石油气(LPG)等替代燃料。所以适于双燃料或者三燃料的发动机可以保证船东在遵守船舶排放法规与节省燃料成本之间作出最佳选择。

近些年出现了很多可以燃烧不同燃料的发动机。早在1987年，天然气－柴油技术（Gas－Diesel Technology）第一次应用于Wartsila 32GD发动机上，Wartsila 32GD与后来的Wartsila 34DF广泛用于远洋船舶和陆上电厂中，可以燃烧天然气和轻质柴油，能够保证发动机在高功率条件下排放有所降低；Wartsila 34SG是专门燃烧天然气的四冲程中速发动机，该发动机转速达到720～750 r/min，输出功率3800～9000 kW，更是实现了高功率低排放；Wartsila 公司的50DF是最新型的三燃料发动机，可使用天然气、轻质柴油和重质柴油，可以保证输出功率不变前提下，在任意两种燃料之间自由切换，该发动机在电子系统（共轨技术）的控制下可以保障各种燃料在不同发动机工况下处于最佳燃烧状况；另外2006年MAN B&W公司问世了世界上首台功率高达100 MW的远洋双燃料发动机。

4 船用燃料及发动机对润滑油的影响

海洋环保法规推动着船用燃料和发动机技术的发展，而燃料和发动机的相关变化又对于船用润滑油技术的发展提出了要求。

润滑油的碱值提供了中和燃料燃烧生成酸性组分的能力，所以润滑油的碱值与硫含量有一定的对应关系。日益低硫化的燃料以及重质柴油逐渐被轻质柴油替代将不再需要润滑油提供过剩的碱值；另外天然气甚至甲醇等通常都具有较好燃烧特性和较低的排放，随着这些燃料替代船用重质燃料在船舶上加以使用，客观上要求船用润滑油的金属含量较低，满足较低灰分的要求，尤其是对用于二冲程发动机润滑的气缸油来说，还要具备较佳的燃烧性能，尽量避免不充分燃烧导致较多颗粒物的排放。

针对船用发动机大缸径、长冲程、高评价有效压力和高气缸温度等变化，船用润滑油内在质量的提高显得尤为重要。首先在注油率不变的条件下，增大缸径和活塞行程便延长了气缸油在缸壁上的停留时间，这要求润滑油具有更高的热稳定性；较高活塞运行速度要求润滑油能够迅速在缸壁上分布，这对润滑油的扩散性提出很高要求；气缸内高温高压的工况要求润滑油能够形成具备一定强度的稳定边界润滑油膜，并且油膜需要具有更高的抗磨损性能和高温抗氧化性能；延长吊缸周期要求润滑油有较强的碱值保持能力和抗衰变能力，能够在较长的换油期内保持其润滑性能。

如上所述，净化技术虽然可以降低有害物质的排放，但同时也会对原有的润滑环境造成一定程度的破坏。湿法净化中的雾化空气法和直接喷射法虽然都可以减少NO_X的生成，但是将水蒸气引入燃烧室中，一方面燃烧过程产生的酸性物质在露点温度以下易与水生成酸性溶液，对活塞及缸壁产生腐蚀磨损；另一方面水与油形成乳化液，会破坏润滑油膜的稳定性，造成油膜破裂，导致活塞与缸壁之间产生刮擦和卡咬。这要求润滑油具备较强的防锈能力和抗乳化性能。

废气再循环系统将具有较高比热容的气体带回气缸来抑制NO_X生成的同时，也带入上一燃烧循环生成的烟尘、杂质和无机颗粒物。这些物质对气缸形成严重污染，要求润滑油具备更高的清净分散性能，并且能够形成一定强度和厚度的稳定油膜，抵御磨粒磨损的发生。

5 结束语

日益严格的国际海洋环保法规对于船用燃料油的变化和发动机技术的发展提出了要求，未来船用润滑油技术的改进有了较为明确的方向。润滑油技术的发展一定要把握海洋环保法规要求，紧跟船用燃料与发动机技术的发展方向，在现有润滑油各项性能基础之上，着重提高由于发动机改造和净化装置对润滑油提出的高扩散性、分水抗乳化性和抗锈蚀等性能要求。船用润滑油只有具备优异的综合性能，才能满足不同燃料和不同型号发动机的要求。

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收稿日期:2008-08-06。

作者简介：张杰（1977－），男，硕士研究生，助理工程师，2006年毕业于天津大学化学工艺专业，现从事内燃机油与添加剂研究工作。