船用甲醇發動機油的發展趨勢與性能需求

韓旭，閆洪振，付代良，陸海迪，牛志堅

(1.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116023；2.中國石油潤滑油公司特種油事業部，上海 201800；3.淄柴動力有限公司，山東 淄博 255086)

0 引言

在《中美聯合氣候變化聲明》和《巴黎協定》中，中國承諾碳排放將在2030年前后達峰，達峰時的碳排放強度較2005年下降60%～65%。非化石能源占一次能源消費比重提升至20%左右。多數研究都表明中國在2030年具備碳排放達峰條件，能順利實現承諾。何建坤[1-2]和柴麒敏、徐華清[3]認為，中國2030年左右可以實現碳排放達峰，并且是實現達峰較好的機會。將甲醇作為燃料推廣應用，替代石油以降低對外依存度，實現環境友好，最終實現碳中和的能源發展目標。此外，發展甲醇燃料，降低對石油依賴，有利于緩解我國目前石油緊缺現狀，保證國民經濟的持續發展[4]。

隨著經濟社會發展和國際經濟貿易往來活動頻次提高，航運業迎來了快速發展，船舶發動機作為國際航運船舶的主要動力，其規模和數量也快速增長，由此帶來的發動機尾氣排放對大氣環境造成的污染問題也越趨嚴重，如何降低船舶柴油機的尾氣排放量，提高發動機燃料的性能，減少全球溫室氣體排放，滿足國際海事組織的要求，正引起國際社會的密切關注，因此，航運業也面臨著尋找和獲取低碳替代燃料的重大挑戰。

2018年4月13日，IMO第72屆海上環境保護委員會在英國倫敦通過了國際海運溫室氣體減排初步戰略，要求分三個階段目標逐步實施，爭取到2050年全球溫室氣體年度總排放量與2008年相比至少減少50%，并努力按照與《巴黎協定》溫控目標一致的減排路徑，逐步消除海運溫室氣體排放。使用更清潔的發動機燃料，總體上提高船舶發動機的排放水平[5-6]。

由于發動機結構及船舶燃料的改變，發動機潤滑需求發生了改變。為滿足發動機的潤滑需求需要開發適用于船舶甲醇發動機及甲醇雙燃料發動機的潤滑油。該油品需要在抗氧化性能、分水性能、抗磨性能等方面適應新的潤滑需求[7]。

1 國際海事組織減排方案

2018年4月，國際海事組織采取了減少船舶溫室氣體(GHG)排放的初步戰略。該戰略將由IMO進一步審查，并設定2050年溫室氣體工作的方向。

該戰略的重點是降低二氧化碳和甲烷等主要溫室氣體的排放量。戰略設定了三個目標[8]。

(1)通過更嚴格的能效設計指數(EEDI)要求，減少單個船舶的溫室氣體排放；

(2)到2030年，每個運輸船舶的平均二氧化碳排放量至少減少30%，在2050年努力達到70%(與2008年相比)；

(3)在2050年之前將年度溫室氣體排放量至少減少50%(與2008年相比)。

該戰略還提出了短期，中期和長期候選措施。

短期：2018-2023年。

(1)改進現有的能效框架(EEDI和船舶能效管理計劃(SEEMP))；

(2)為新船和現有船舶制定技術和運營能效措施，考慮和分析速度優化/減少；

(3)考慮和分析減少甲烷排放的措施；

(4)研究和開發替代低碳和零碳燃料；

(5)為所有類型的燃料制定生命周期溫室氣體強度指南。

中期：2023-2030年。

(1)有效更新替代低碳和零碳燃料的實施計劃；

(2)實施節能運營措施；

(3)利用市場工具調節燃料方案。

長期：2030年以后。

(1)繼續開發零碳和無化石燃料；

(2)其他新的/創新的減排機制。

國際海事組織的初始溫室氣體戰略針對所有懸掛防止船舶污染國際公約(MARPOL)船旗的船舶。但是，該戰略還包括一些例外的條款，此類條款特別針對小島嶼發展中國家和最不發達國家[5]。

2 替代燃料——甲醇

航運產生的廢氣造成空氣污染和環境問題，因此，航運業根據新的環保條約的要求，需要大幅度減少溫室氣體的排放。例如，在指定的SOx排放控制區，如北海/波羅的海地區，到2015年將使船舶燃料中允許的最大硫含量降低到0.1%。氮氧化物(NOx)排放將需要從2016年開始在指定的NOx排放控制區減少。

甲醇是一種很有前途的替代燃料，甲醇可以成為滿足硫排放控制區指南的競爭性替代品。甲醇可以從可再生和不可再生原料中生產，也可以通過在煙氣中捕獲和回收大氣中的CO2來生產。隨著 “綠色”甲醇變得更加廣泛，它將有助于實現航運溫室氣體減排目標，并轉向無化石燃料和低碳未來[9]。甲醇特性見表1。

表1 甲醇特性

甲醇燃料的特點[10-11]。

(1)以甲醇為燃料可降低有毒有害的溫室氣體的排放：有效降低NOx、CO、CO2、SOx等氣體的排放；

(2)燃燒充分，延長發送機的使用壽命：因為甲醇燃料的充分燃燒特性，能有效地消除燃燒系統各部位的積炭，避免了因積炭的形成而引起動力下降、燃燒不充分等現象，且可降低各工況排氣溫度，有利于降低零部件熱負荷，延長發動機部件的使用壽命；

(3)來源清潔：可通過煤制合成氣合成甲醇、通過天然氣合成甲醇、通過捕捉CO2合成甲醇，實現碳的零排放，生產成本低；

(4)與LNG對比：依靠 LNG 燃燒實現的小幅 CO2減排效果(最大20%)很容易就會被發動機甲烷泄露和配送環節中的流失所抵消。作為一種溫室氣體，甲烷溫室效應是 CO2的 20～30 倍，這就導致甲烷排放物成為全球變暖的一個重要因素，甲醇加注及運輸可采用與船用柴油相同的設備，儲存設備安裝簡單，成本僅為LNG的二分之一。

甲醇燃料的缺點及解決方案[11]。甲醇燃料存在動力性不足、易產生氣阻、有毒、有腐蝕等問題。為改善甲醇動力性不足的問題，可通過添加助燃劑(有機過氧化物、金屬有機化合物)加以解決；為解決氣阻問題，可通過添加抗阻沉積劑，促進甲醇的充分燃燒，減少氣阻的發生；通過添加腐蝕抑制劑可以解決甲醇的腐蝕性問題。

3 發動機改造

船舶使用的柴油發動機類型有兩沖程發動機或四沖程發動機。目前，兩沖程發動機和四沖程發動機均可改裝為可以在雙燃料模式下使用甲醇的發動機[9，12]。在這些改裝中，將對發動機燃料噴射器進行改動，以便獲得更高的噴射壓力，這樣才能引燃甲醇。與常規 HFO 和柴油相比，甲醇的黏度很低，所以需要對密封件采取特殊的防泄漏措施。燃料供應系統還必須保證執行維護或維修工作的技術工人的安全，在實際情況下，這就意味著需要避免直接接觸甲醇。因此，甲醇發動機裝有雙層燃料輸送系統。此外，發動機系統具有脫氮凈化功能，可確保操作人員可以安全操作發動機。與HFO恰恰相反，甲醇無需對燃料進行加熱，相反，有時需要在噴射前對燃料進行降溫。

甲醇與LNG的十六烷值都比較低，所以發動機將需要一種十六烷增強劑，以便點火。雙燃料發動機使用少量的柴油作為一種引燃燃料。為了對現有發動機進行改裝，使用了氣體-柴油技術。氣體雙燃料發動機的不同之處在于，天然氣使用的氣體壓縮機更換為高壓甲醇泵，以增加燃料壓力。在改裝船只中，常規燃料系統可以作為一個獨立系統保留運行功能。甲醇噴射通過高壓共軌系統執行。所有甲醇管道均采用雙層設計。所有甲醇高壓管道系統可通過氮氣凈化處理，以便操作員在不接觸甲醇的情況下進行維護。

“Stena Germanica”號滾裝船于2016年初將該船的所有4臺發動機都改裝成甲醇燃料動力，該船的改裝包括雙體船中的一個甲醇燃料艙、一個氣體壓縮泵房和發動機控制系統，改裝工作均在波蘭Remontowa船廠進行。

第1臺瓦錫蘭發動機改裝已在2015年初進行，目前這臺雙燃料甲醇發動機已可正常運行(圖1)，瓦錫蘭的檢測已確認可以進行第2臺發動機的改裝安裝。目前該船滿負荷運行時的燃料中，95%為甲醇，5%為傳統船用燃料；半負荷運營時的燃料中，10%為傳統船用燃料，90%為甲醇。

圖1 改裝后的瓦錫蘭甲醇發動機

4 甲醇發動機油

由于發動機改造及甲醇燃料的燃燒特點，甲醇作為燃料時,發動機潤滑系統會產生一系列的技術問題。例如：發動機出現銹蝕、磨損、發動機冷啟動困難時部分缸內甲醇流入曲軸箱，進而使潤滑油和甲醇直接接觸，不但使潤滑油受到污染，而且使潤滑油有效成分被萃取，即造成潤滑油功能的喪失。同時，甲醇燃料燃燒[13-15]后衍生的水、甲酸等成分容易進入曲軸箱使潤滑油出現堿丟失、乳化等現象。因此現有的市售潤滑油不能適用于甲醇做燃料的發動機，由此使得研制和開發適用于甲醇燃料發動機的新的潤滑油成為了一種迫切的需求[7]。美孚、雪佛龍等公司均已針對甲醇發動機開展潤滑油研發[16-18]。

甲醇發動機油特點[19-20]。

(1)低堿值：甲醇、LNG等清潔能源不含硫，燃燒產物對機油堿值要求不高，實驗證明機油堿值過高，會引起異常磨損；

(2)低灰分：灰分過高會引起積炭，篩選無灰分散劑；

(3)高抗磨性能：實驗表明對于雙燃料發動機，機油需要提供較高的抗磨性能，否則將導致異常磨損；

(4)高分水性能：甲醇燃料燃燒產生水分，水分導致潤滑油乳化，需要篩選全新的破乳劑；

(5)預防甲醇不完全燃燒產生的甲酸對機油添加劑的萃取作用：篩選全新的無灰分散劑、清凈劑等；

(6)引燃階段的潤滑：船用柴油做引燃劑，滿足發動機的潤滑要求；

(7)抗氧化性能：良好的抗氧化性能。

5 總結

(1)為實現IMO制定的溫室氣體減排方案，甲醇因其可降低溫室氣體的排放成為潛在的替代燃料；

(2)甲醇燃料來源廣泛，可在全過程實現溫室氣體的低排放，甲醇燃料的缺點可通過添加相應的添加劑予以解決；

(3)甲醇發動機的改造相對簡便可行，需對管路、噴射、儲存等環節進行改造，甲醇燃料發動機“Stena Germanica”號滾裝船已在運營中；

(4)甲醇燃料發動機油需要具有低堿值、高分水性、體系穩定性好、抗磨性高等特點。