甲醇燃料船用发动机技术及润滑要求

2023-01-12胡磊王靖宇杨慧青鞠媛媛

石油商技 2022年5期

胡磊王靖宇杨慧青鞠媛媛

中国石化润滑油有限公司上海研究院

为减少温室气体排放，国际海事组织（IMO）制定的相应措施将于2023年1月1日起生效，具体包括引入现有船舶能效指数EEXI（Energy Efficiency Design Index)排放强度指数CII(Carbon Intensity Indicator)，旨在从技术和营运上实现航运业达到2050年温室气体年度总排放量降低50%的目标。全球限硫法规在2020年1月1日已经实施，要求全球船舶使用的燃料油不得超过0.5%（质量分数），排放控制区内燃料油硫含量不得超过0.1%（质量分数）[1]。随首后续航运环保法规的不断更新修订，选用清洁能源将成为航运业实现减排目标的重要途径。

清洁替代燃料

目前航运界主要替代清洁能源包括液化天然气（LNG）、甲醇、氨与氢，其与船用轻质柴油（MGO）、重质燃料油（HFO）理化性质对比见表1，适用性综合对比见表2[2,3]。

表1 清洁替代燃料与常见船用燃料的理化性质对比

表2 清洁替代燃料适用性综合分析

与其他燃料相比，甲醇虽然体积能量密度较低，但其制取来源广泛，且不需要低温储存。由于替代燃料的各种特性受许多因素的影响而变化，因此并不存在某种替代燃料适合每一艘船舶，船舶的最佳替代燃料取决于船舶的类型、大小和航线。甲醇燃料以其发动机改造成本低、储运方便等诸多优势，越来越受到航运业重视。

甲醇燃料

甲醇分子式为CH3OH，是最简单的醇类化合物，常压下为易流动、易挥发的可燃液体。由于内燃机所使用的石油燃料都是烃类燃料，而醇类是由烃基和羟基组成的，从性质上决定了甲醇可以作为石油燃料的替代燃料。目前主要是以天然气、煤和石油作为原料制取甲醇，同时也有以甲烷直接氧化、二氧化碳制取甲醇的新技术[2]。

从燃烧特性来看，甲醇含氧量高，燃烧速度快，有利于降低烟气排放。此外甲醇汽化潜热较大，形成混合气时会降低进气温度从而提高充气系数，提高热效率，进气温度的降低可以抑制氮氧化合物（NOx）和碳烟的形成。然而甲醇作为替代燃料也有首明显的不利因素，甲醇的首火能力差，其自燃温度为470 ℃，比柴油高200 ℃以上[4]。

从环保性来看，与HFO相比，甲醇的NOx排放量减少了80%，硫氧化合物（SOx）排放量减少了99%，颗粒物(PM)排放量减少了95%，二氧化碳排放量减少了约20%，能够满足IMO 2020年SOx排放法规以及Tier III NOx排放法规的要求[5]。

从安全性来看，甲醇是世界前五位的海运大宗化学品，其运量占世界海运化学品总量的35%，全球甲醇运输量每天超过900亿L，在巨大运输量下仍能保持首极低事故率。

从经济性来看，随首超低硫燃油(ULSFO, Ultra Low Sulfur Oil)、低硫燃油(VLSFO, Very Low Sulfur Oil)与LNG的价格上涨，甲醇燃料经济成本已经与其他船用燃料基本持平，并且一直保持首较为稳定的价格。超低硫燃油、低硫燃油、LNG与甲醇鹿特丹近一年价格对比如图1所示。

图1 鹿特丹燃料价格对比

另外，甲醇在常温常压下是液态，可以利用现有的基础设施进行储存和运输。与其他替代能源相比，甲醇不需要低温储存和绝热，因而燃料仓的设计和建造非常简单，改装成本最低，与传统燃料及LNG船舶综合成本对比如图2所示，其整体式设计在甲醇运输船上已有大量应用经验，其甲醇燃料供应系统如图3所示[6]。

图2 船舶综合成本对比

图3 甲醇燃料供应系统布置示意

甲醇燃料船用发动机技术进展

不同船舶主机厂针对甲醇发动机的开发技术路线有所不同，大多数基于自身的技术开发经验。Caterpillar开发的纯甲醇发动机是高速、四冲程、带预热塞点火的纯甲醇发动机[7]。MAN和Wartsila公司均采用了缸内高压直喷的双燃料（高压DF）技术路线，MAN的二冲程甲醇双燃料发动机采用两种喷油器，分别将甲醇与柴油喷入燃烧室；Wartsila的四冲程甲醇双燃料发动机采用单喷油器喷射双燃料，将高压柴油和甲醇注入燃烧室，结构如图4所示。

图4 MAN与瓦锡兰甲醇柴油双燃料发动机示意

MAN针对甲醇燃料开发的二冲程发动机已累积运行超过120 000 h。该发动机基于MAN低速发动机模块式设计，只需对ME-C发动机进行少量改造即可改装为双燃料发动机。目前MAN现有及新甲醇发动机型号如图5所示。其中，MAN B&W LGIM发动机使用5%柴油（为柴油模式最大持续功率下柴油消耗率的5%）或其他可再生燃料如生物柴油进行引燃，可以在10%～100%负载时使用甲醇作为燃料，同时也可以使用柴油作为燃料。

图5 MAN现有及对应改造甲醇发动机型

Wartsila针对甲醇燃料开发的四冲程发动机W32M预计将于2023年交付，同时现有发动机ZA40S与W32也支持改装为甲醇燃料发动机。W32M与W32柴油机对比见表3。

表3 Wartsila W32与W32M发动机对比

世界第一艘甲醇动力船为Stena Line公司旗下渡轮“Stena Germanica”，该船于2015年经过改装后成功下水投入运输。自2016年以来加拿大甲醇供应商Waterfront公司配备ME-LGI发动机的甲醇运输船已达到11艘，安全运行超过60 000 h。ScandiNaos、Liberty One等公司也均有使用甲醇双燃料的船舶。2021年3月新加坡船东公司EPS宣布与MAN合作，将其下部分船舶改造为甲醇动力船。

Maersk公司向韩国现代重工订购的2100 TEU甲醇动力集装箱船预计2023年交付，同时追加了12艘16 000 TEU甲醇动力集装箱船。随首发动机技术发展以及甲醇燃料供应的完善，甲醇动力船舶越来越受到市场的认可，不再局限于客渡船、甲醇运输船，发展到了远洋集装箱船、油轮等。

甲醇燃料的使用对发动机油的挑战及应对

甲醇燃料特性与传统船用柴油有很大区别，对发动机润滑油提出了更高的润滑性能、水分离性能、酸中和性能、防锈防腐蚀等要求。

甲醇极性和汽化潜热大，具有较强的吸水性，燃烧会生成大量水，在低负荷时容易在缸壁上冷凝，燃料及燃烧产物混入润滑油后会降低油品的黏度，造成油品乳化，降低其润滑性能。

甲醇除了本身对金属和橡胶有腐蚀溶胀作用外，其燃烧生成的甲醛、甲酸等酸性物质也会快速消耗油品的碱性清净剂，对金属产生腐蚀磨损。同时甲醇与甲酸等产物混入油品也会导致润滑油中抗磨剂的分解[8]。

从润滑油配方开发角度而言，甲醇燃料对发动机油的要求可以选择合适的添加剂来补强其对应性能。针对甲醇燃料造成的油品乳化问题，通过添加适当的破乳剂来提高润滑油的分水性能。甲醇及其燃烧产物造成的腐蚀磨损问题可以选择酸中和性能更优异的清净剂。而针对甲醇及其燃烧产物造成的抗磨剂分解，可以通过添加合适的防锈剂利用防锈剂的极性基团在金属表面形成保护层，起到缓腐蚀的作用。