海洋環保法規的發展及其對船用燃料及潤滑油的影響

張　杰　高　輝

摘要：船舶排放造成的環境污染日益受到人們重視，嚴格的海洋環保法規在世界不同國家和地區制定并實施。使用低硫高質量船用燃料、替代燃料、開發節能型發動機以及配置廢氣凈化裝置是達到環保法規的重要途徑，同時也為船用潤滑油提出更高要求。跟蹤船用燃料與發動機技術以及船用潤滑油的發展對于我國排放法規的制定具有現實意義。

關鍵詞：排放法規；船用燃料；潤滑油；凈化技術

中圖分類號：TE626.3 文獻標識碼：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

遠洋船舶的動力來源從最初的蒸汽輪機發展到燃氣輪機，再到目前廣泛應用的內燃機，柴油發動機因其功率范圍大、效率高、能耗低、使用維修方便而在民用、商用船舶和中小型艦艇推進裝置中確立了主導地位，3萬t級以下的遠洋船舶大多以柴油機作為主機［1］。

柴油發動機通常燃燒的高硫劣質燃料對環境會產生較為嚴重的影響。1995年對美國各種船舶主機類型排放水平的調查結果表明，柴油機的排放是燃氣輪機蒸汽機的5~10倍。

據報道，到2007年，每年的船用燃料消耗量達2億t，以柴油機廢氣的平均排放量1000 mg/L（燃料）計算，每年僅遠洋船舶的廢氣排放量就在20萬t以上［2］。在美國加利福尼亞州，由船舶排放的SO_X和NO_X分別占全加州SO_X和NO_X排放總量的40%和12%；在航運業發達的挪威，大氣污染物中NO_X的排放有40%～50％來自船舶；特別是在港口和航線密集的海域，如英吉利海峽，船舶排放污染物成為最主要的污染來源?？傊诤竭\業發達的國家和地區，船舶排放已成為威脅環境質量的“第一殺手”，這些國家和地區也是率先意識到治理海洋污染的重要性，最早的海洋排放法規也是在這些國家和地區制定并實施的［3］。

1 海洋排放法規的發展

船用燃料的燃燒產物主要包括顆粒物和氣態物。顆粒物主要是碳粒和煙塵；氣態物主要是SO_X、NO_X、CO_X和HC等，其中SO_X和NO_X占有較大比例。用于遠洋運輸的低速十字頭發動機的NO_X排放更是高達17 g/kW?h。2001年美國環保局調查了各種交通工具的排放量在環境總污染物中的比例，指出大約6％的NO_X、超過10%的顆粒物和40％的SO_X排放來自船舶發動機；預計如果不采用控制手段，到2030年將有34％的NO_X、超過45%的顆粒物和94％的SO_X排放來自船舶發動機。

國際海事組織（IMO）首先對全球海洋和SO_X排放控制區域內(SO_XEmission Controlled Areas, SECA)的排放作出規定，其他海洋環保法規均在此基礎上對各自地區的排放制定法律約束。

1.1 MARPOL附則Ⅵ

在1995年9月召開的第37次環保會(MEPC37)上，國際海事組織在《MARPOL 73/78防污公約》原有的5個附則基礎上又增加了附則Ⅵ《防止船舶大氣污染規則》，用于限制船舶對海洋大氣的污染。該附則2005年5月19日始所有協議簽署國的船舶正式生效。

附則Ⅵ規定在全球范圍內船用燃料中的硫含量須低于4.5％。這項法規其實并沒有對船運業造成很大影響，因為絕大多數船用燃料的硫含量是低于4.5％的。從DNV報告可知：2005年在全球范圍內，僅有0.35％的船用燃料硫含量超過4.5％；而2005年船用燃料的平均硫含量為2.8％。

MARPOL附則Ⅵ對NO_X排放的規定為：2000年1月1日以后建成（或經重大改造）的、功率大于130 kW的不同轉速船用柴油機的具體排放控制標準如表1所示。

1.2 SECA法規

鑒于國際海事組織MARPOL 73/78附則Ⅵ對燃料硫含量4.5%的規定不能滿足英吉利海峽和波羅的海地區的環保要求而制訂了SECA法規并首先確定了“SO_X排放控制區域”的概念。2006年5月波羅的海劃為SO_X排放控制區，北海和英吉利海峽于2007年11月也成為SO_X排放控制區。法規規定行駛在此海域范圍內船舶燃用燃料的硫含量低于1.5％。SO_X排放控制區的地理位置是南緯62°以南和東經4°以東的北海區域、東經5°以東的英吉利海峽區域和波羅的海區域，包括挪威、瑞典和丹麥等船舶制造業和船運業發達的國家，他們率先意識到限制船舶排放的重要性，強制在SO_X排放控制區內使用低硫船用燃料。目前黑海、地中海、美國、日本和香港等國家和地區也紛紛要求加入SO_X排放控制區，執行使用低硫燃油的控制法規，SECA法規執行范圍正在不斷擴大。

1.3 其他海洋環保法規

除了國際海事組織頒布的法規，許多國家和地區在MARPOL附則Ⅵ的基礎之上，根據自身情況制定了更為嚴格的環保法規。2003年，美國環保局在MARPOL附則Ⅵ的基礎上，參考美國清潔空氣法案（US Clean Air Act），制定美國海洋環保法規Tier 1來限制NO_X排放，并將陸續在2011年和2016年實施Tier 2和Tier 3，到2016年將NO_X排放標準降低到目前的20％；德國制定了《萊因河（西歐境內）內陸河道船舶廢棄物排放規定》，不僅限制了SO_X和NO_X的排放，還對CO、HC和顆粒物（PM）的排放作出規定；世界環保法規最嚴格的地區——美國加利福尼亞州對行駛在加州海岸線38.62 km（24 mile）范圍內的遠洋船舶的主機、輔機和鍋爐中使用的燃料作出苛刻規定，要求使用低硫餾分燃料油取代重質燃油，到2012年柴油硫含量要求低于0.1％。

海洋環保法規是向著越來越嚴格的方向發展的。國際海事組織建議到2012年在全球范圍內將硫含量降到3.5％，到2020年降到0.5％；在硫化物排放控制區內（Secas）到2010年將燃料硫含量降到1.0％，2015年將降到0.1％。降低船舶排放，提高燃料質量和改進發動機技術是兩大主要途徑。降低硫含量和提高燃料質量可以降低SO_X和顆粒物的排放；改進發動機技術，采用機內凈化和機外凈化技術可以減少NO_X、CO₂和HC的排放。

2 環保法規對船用燃料的要求

據統計燃料油成本在總船運業運營成本中所占比例高達40％～65％，為了降低運營成本，在未來相當長的時期內，重質渣油將在船用燃料油中占有絕對比例。而隨著石油資源日益枯竭，人們更加注重石油產品的充分利用。世界各國煉油廠為了提高輕質餾分收率所采取的提高煉油加工深度的新工藝和新技術卻導致重油和渣油品質下降。

2.1 船用燃料的制備工藝

從上世紀80年代以來，隨著原油成本的上升，煉油廠紛紛采用新煉油工藝提高餾分油收率，但也降低了渣油質量。圖1為船用燃料（Bunker Fuel Oil，BFO）制備流程，如圖1所示。傳統的船用燃料制備工藝是：原油通過常壓蒸餾過程生成的常壓渣油經減壓蒸餾后，大部分產物（經過脫硫）將進行催化裂化反應，反應后餾分油中的輕質柴油和催化裂化渣油構成了船用燃料的主要組成部分，另外還包括一部分減壓蒸餾渣油。通常渣油的質量不足以達到船用燃料的出廠標準，同時也不能達到船舶排放法規對燃料的要求，所以船油公司往往是把催化裂化（FCC）過程中生成的低硫澄清油（Clarified Oil，CLO）與減壓渣油和催化裂化渣油進行混合調配，制成船用燃料。

2.2 船舶法規對船舶燃料的要求

同陸路交通工具相比，海洋船舶污染物排放程度要嚴重得多。例如目前在歐盟范圍內規定陸用燃料硫含量不超過10 μg/g，而在SECA范圍內的船用燃料硫含量僅要求不超過1.5％(合15000 μg/g)，是陸用燃料的1500倍之多，所以船用燃料硫含量的降低空間很大，使用低硫燃料也勢在必行。

將來使用輕質餾分油做船用燃料是降低SO_X排放的主要途徑，但是這樣勢必會大幅提高船運公司的運輸成本，這種情況是船東不愿接受的，適當利用政府補貼的方式是推廣低硫燃油的有效方法。

船用燃料的劣質化主要體現在硫含量高和燃燒性能不好兩個方面。而燃料中的硫含量高低直接影響著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。

燃料油的燃燒性能不佳是因為燃料供油商通常將殘渣油與不同側線的餾分油按一定比例混合，保證混合后的船用燃料油達到船東和某些國際法規對船用燃料油的要求。但是這種做法帶來的問題是燃油各組分的分散性不佳，瀝青質易于凝聚出來形成油泥，同時輕重組分的混合會導致燃油組成不穩定，影響燃油的燃燒性能。殘炭和瀝青質含量高也是重質劣質燃料的重要特點。瀝青質的熱值低，難于充分燃燒，加之渣油中含有各種無機有機金屬鹽和雜質燃油質量不高，一方面會降低發動機功率，另一方面會排放更多的煙塵和顆粒物［5］，給環境造成極大危害。

在現有質量條件下，加入適當添加劑能夠對劣質燃料起到明顯的改性作用，可以有效改善燃燒狀況，使燃油高效、清潔燃燒，并減少煙塵和顆粒物的排放。在燃料中加入分散性添加劑可以提高其儲存穩定性，阻止瀝青質的凝聚，起到清凈和分散作用，使燃油成為穩定的均一體系，有利于提高燃燒效率；加入助燃添加劑可以有效分散瀝青質并對瀝青中碳的燃燒起到催化作用，縮短滯燃期，提高了燃料利用率。

日益嚴格的環保法規對船用燃料的質量也提出更高要求，低硫和超低硫燃料成為未來船用燃料的發展方向。例如：美國加利福尼亞州已經確定在2012年使用硫含量小于0.1％的輕質餾分油。目前研究替代燃料的工作也取得了很大的成績，壓縮天然氣（CNG）和液化石油氣(LPG)成為柴油替代燃料中較好的選擇，Wartsila公司開發的針對壓縮天然氣和液化石油氣的發動機也已經在歐洲內河航道的輪船上正常使用。

3 環保法規對發動機的要求

目前，新型船用發動機無不具有大缸徑、長沖程和高平均有效壓力的特點，例如Wartsila公司的二沖程發動機RT-flex 96C缸徑近1 m，活塞行程2.5 m，平均有效壓力達到20個大氣壓，單缸輸出功率84 MW；而MAN B&W公司的ME型二沖程發動機缸徑超過1 m，單缸輸出功率可達100 MW。這使發動機的動力性能有所增強，大幅地提高了發動機的輸出功率和燃料的燃燒效率，從而間接起到節約燃油，降低排放的作用。因此，節能和降低排放是船用發動機技術發展的兩大推動力。發動機的機內凈化和機外凈化是降低排放的主要途徑。機內凈化技術應用在發動機上可以在根源上減少污染物的排放，但是考慮到成本和發動機運轉等因素，機外凈化也經常采用。另外使用替代燃料的船用發動機已經開始正常運行，將來推廣使用的前景廣闊。

3.1 排放凈化技術

3.1.1 發動機共軌技術

目前，基于電子控制的共軌技術替代傳統的機械式燃油噴射系統已經廣泛應用于船用發動機中。共軌技術采用電子傳感器來監測發動機轉速和曲軸的位置，將測得參數與預先設定參數進行比較，對燃油噴射、排氣閥啟閉和柴油機啟動等進行控制，并保證發動機在最佳工況下運行。

大型低速柴油機采用共軌技術始于20世紀90年代中后期才正式進入實用化階段，目前在二沖程低速十字頭發動機和四沖程中速發動機中普遍使用。 在瓦錫蘭公司生產的各種船用發動機中，中速發動機Wartsila 46F、Wartsila 32、Wartsila 38、Wartsila 46和二沖程低速發動機Wartsila RT-flex50-B、 RT-flex58T-B、RT-flex60C-B、RT-flex68-D、RT-flex82C、RT-flex82T、RT-flex84T-D和RT-flex96C 等型號采用共軌技術。采用共軌技術的船只能夠保證發動機在最佳工況下使燃料充分燃燒，提高發動機輸出功率，降低了油耗；并且可以有效降低發動機顆粒物的排放，使發動機在不同轉速，不同負載下實現“無煙排放”。

3.1.2 濕法凈化

降低發動機燃燒時氣缸內的峰值溫度是降低NO_X排放最有效的方法，它可以從根源上減少NO_X的生成。目前Wartsila公司最廣泛采用的霧化空氣法（Wetpac Humidification）是將壓縮空氣所產生的高溫將水霧化，空氣夾帶飽和水蒸氣進入氣缸參與燃燒，降低燃燒室溫度，可以減少至少50％的NO_X的生成。一般來說，此方法水的消耗量是燃油消耗量的兩倍。

另一種方法是三菱公司（Mitsubishi）采用的直接噴射法（Direct Water Injection）。該方法是將水通過特殊的噴嘴注入燃燒室中，與燃料混合形成乳化態混合物，通過降低燃燒室的峰值溫度來減少至少40％的NO_X排放。三菱公司的直接噴射法工作示意如圖2所示，從圖2可以看出兩個獨立的泵分別將燃料與水經過噴嘴打入氣缸中，水的加入量由電子共軌閥（Electronic Rail Valve）控制，并且保證乳化物中水/油比為0.8。

3.1.3 EGR技術

廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation-EGR)是通過回引部分發動機排氣與新鮮空氣混合，二次回到氣缸中作為工質參與燃燒，利用廢氣中含有大量化學惰性氣體（CO₂、O₂、H₂O等）具有很高的比熱容這一特點來抑制NO_X的生成。因為NO_X的生成條件是高溫和富氧，廢氣參與再循環以后造成相同量的混合區升高同樣溫度所需熱量增加，從而降低了氣缸燃燒的峰值溫度；另一方面廢氣對新鮮空氣的稀釋也降低了氧氣的濃度，使環境中的富氧程度降低，從而大大降低了NO_X的生成［7］。目前EGR技術廣泛應用在Wartsila和MAN B&W的船用二沖程和四沖程發動機上。

3.1.4 調整機械參數

調整發動機機械部件以及操作參數也可以實現機內凈化，如使用合適的噴油器并選擇最佳的噴油角度。文獻報道：不同的噴油器壓力室容積，不同噴油孔數目、孔徑以及長度都會大大影響到燃油消耗率以及排放污染物的數量［8］，Wartsila公司采用的一種新型噴油器（LIPS HR nozzle）在外觀和內部結構上與傳統噴油器有很大不同，可以減少20％～30％的NO_X排放。事實證明改變噴油器的設計可以有效降低NO_X等污染物的排放，該方法是目前減少船用發動機NO_X等排放的較好方法。

調整噴油器的噴油角也可以大幅度降低污染物的生成，采用延時噴射技術是減少NO_X排放較為簡單有效的方法。它是通過改變噴油器的噴油時機來降低燃燒過程中發動機氣缸內的峰值溫度和最大壓力，從而達到降低NO_X排放的目的。

3.1.5 機外凈化

（1）海水凈化技術

利用海水呈堿性的特點，吸收并中和排放物中的SO_X，達到降低SO_X排放的目的。實踐證明海水凈化技術可以除掉排放物中90％以上的SO_X，假設船舶使用硫含量為3.0％的燃料，則使用海水凈化裝置以后，即相當于使用硫含量為0.3％的燃料。但這項技術也存在很多問題：一是對水質有所影響；二是排氣經過清洗裝置時會導致柴油機排氣背壓增加，使柴油機功率下降并冒黑煙，可靠性變差，因此通常要選配更高效率的廢氣渦輪增壓器以補償清洗裝置和管道的壓力降［4］。

（2）催化還原裝置

在催化劑存在的情況下，NO_X與氨氣發生以下反應：

NO_X+NH₃→N₂+H₂O

催化還原裝置正是應用以上化學原理，對發動機排放的NO_X進行凈化。目前，Wartsila公司的6R32型中速柴油機便是采用含氨、無毒并易于保存的尿素作為還原劑，將濃度為40％的尿素溶液噴入催化還原系統，在350～450 ℃的排氣溫度下，利用催化劑對NO_X實施凈化效果顯著，NO_X能降低85％左右［9］。

（3）顆粒分離器

船用燃料的不充分燃燒造成排放物中含有較多顆粒物，生成的顆粒物一方面會降低環境空氣質量；另一方面對于采用廢氣再循環裝置的發動機，過多的顆粒物返回氣缸會阻塞機械管路并導致發動機活塞環與氣缸磨損增加。所以采取措施減少顆粒物排放是非常重要的。目前從機外凈化的角度考慮，旋風分離器是普遍使用的顆粒物凈化裝置，它可將顆粒物中粒徑大于0.5 μm的顆粒分離出去；另外還可以采用靜電沉淀分離器，可減少99％顆粒物的排放，但是設備造價較高。

3.2 雙燃料/三燃料發動機

按目前海洋排放法規的要求，船舶行駛在公海與排放特定地區對燃料的要求是不同的。通常船東在公海使用高硫劣質燃料，而在特定區域切換使用低硫優質燃油，因此要求船用發動機能夠交替使用重質柴油、輕質柴油；隨著海洋環保法規以及對用于陸上發電的四沖程發動機排放的日益嚴格要求，船運業也將較多使用壓縮天然氣（CNG）和液化石油氣(LPG)等替代燃料。所以適于雙燃料或者三燃料的發動機可以保證船東在遵守船舶排放法規與節省燃料成本之間作出最佳選擇。

近些年出現了很多可以燃燒不同燃料的發動機。早在1987年，天然氣－柴油技術（Gas－Diesel Technology）第一次應用于Wartsila 32GD發動機上，Wartsila 32GD與后來的Wartsila 34DF廣泛用于遠洋船舶和陸上電廠中，可以燃燒天然氣和輕質柴油，能夠保證發動機在高功率條件下排放有所降低；Wartsila 34SG是專門燃燒天然氣的四沖程中速發動機，該發動機轉速達到720～750 r/min，輸出功率3800～9000 kW，更是實現了高功率低排放；Wartsila 公司的50DF是最新型的三燃料發動機，可使用天然氣、輕質柴油和重質柴油，可以保證輸出功率不變前提下，在任意兩種燃料之間自由切換，該發動機在電子系統（共軌技術）的控制下可以保障各種燃料在不同發動機工況下處于最佳燃燒狀況；另外2006年MAN B&W公司問世了世界上首臺功率高達100 MW的遠洋雙燃料發動機。

4 船用燃料及發動機對潤滑油的影響

海洋環保法規推動著船用燃料和發動機技術的發展，而燃料和發動機的相關變化又對于船用潤滑油技術的發展提出了要求。

潤滑油的堿值提供了中和燃料燃燒生成酸性組分的能力，所以潤滑油的堿值與硫含量有一定的對應關系。日益低硫化的燃料以及重質柴油逐漸被輕質柴油替代將不再需要潤滑油提供過剩的堿值；另外天然氣甚至甲醇等通常都具有較好燃燒特性和較低的排放，隨著這些燃料替代船用重質燃料在船舶上加以使用，客觀上要求船用潤滑油的金屬含量較低，滿足較低灰分的要求，尤其是對用于二沖程發動機潤滑的氣缸油來說，還要具備較佳的燃燒性能，盡量避免不充分燃燒導致較多顆粒物的排放。

針對船用發動機大缸徑、長沖程、高評價有效壓力和高氣缸溫度等變化，船用潤滑油內在質量的提高顯得尤為重要。首先在注油率不變的條件下，增大缸徑和活塞行程便延長了氣缸油在缸壁上的停留時間，這要求潤滑油具有更高的熱穩定性；較高活塞運行速度要求潤滑油能夠迅速在缸壁上分布，這對潤滑油的擴散性提出很高要求；氣缸內高溫高壓的工況要求潤滑油能夠形成具備一定強度的穩定邊界潤滑油膜，并且油膜需要具有更高的抗磨損性能和高溫抗氧化性能；延長吊缸周期要求潤滑油有較強的堿值保持能力和抗衰變能力，能夠在較長的換油期內保持其潤滑性能。

如上所述，凈化技術雖然可以降低有害物質的排放，但同時也會對原有的潤滑環境造成一定程度的破壞。濕法凈化中的霧化空氣法和直接噴射法雖然都可以減少NO_X的生成，但是將水蒸氣引入燃燒室中，一方面燃燒過程產生的酸性物質在露點溫度以下易與水生成酸性溶液，對活塞及缸壁產生腐蝕磨損；另一方面水與油形成乳化液，會破壞潤滑油膜的穩定性，造成油膜破裂，導致活塞與缸壁之間產生刮擦和卡咬。這要求潤滑油具備較強的防銹能力和抗乳化性能。

廢氣再循環系統將具有較高比熱容的氣體帶回氣缸來抑制NO_X生成的同時，也帶入上一燃燒循環生成的煙塵、雜質和無機顆粒物。這些物質對氣缸形成嚴重污染，要求潤滑油具備更高的清凈分散性能，并且能夠形成一定強度和厚度的穩定油膜，抵御磨粒磨損的發生。

5 結束語

日益嚴格的國際海洋環保法規對于船用燃料油的變化和發動機技術的發展提出了要求，未來船用潤滑油技術的改進有了較為明確的方向。潤滑油技術的發展一定要把握海洋環保法規要求，緊跟船用燃料與發動機技術的發展方向，在現有潤滑油各項性能基礎之上，著重提高由于發動機改造和凈化裝置對潤滑油提出的高擴散性、分水抗乳化性和抗銹蝕等性能要求。船用潤滑油只有具備優異的綜合性能，才能滿足不同燃料和不同型號發動機的要求。

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收稿日期:2008-08-06。

作者簡介：張杰（1977－），男，碩士研究生，助理工程師，2006年畢業于天津大學化學工藝專業，現從事內燃機油與添加劑研究工作。