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再谈【低硫燃油那些事】

自第一篇介绍燃油的文章【低硫燃油那些事】发布至今已有半年时间,在后续几篇文章中陆续介绍了燃油的特点、参数、燃烧、测试等等。今天我们再聊聊2020前三季度对低硫燃油的一些新发现,希望给到大家一些参考和建议。

注:文中图表来自VeriFuel的统计结果。

关键词:稳定性,兼容性,低温流动性,粘度,化学成分,生物燃油

总体来说2020低硫燃油的三大趋势:

●更多的石蜡基/链烷烃类燃油被大量使用(paraffinic fuels)

粘度的差异化更大

地区间燃油参数的差异化

1. 再谈稳定性

稳定性的一些重点:

沥青烯在传统重质渣油中处于胶状悬浮状态

燃油的稳定性一般是指将沥青烯保持悬浮状态的能力,以防止燃油中的沥青烯沉淀并形成油泥

在燃油中,芳香烃成分将沥青烯分散开以防止沥青烯聚集并沉淀

不稳定的燃油形成油泥主要是因为沥青烯从溶解状态下析出

稳定性储备是衡量燃油将沥青烯保持悬浮状态的能力

稳定性会被下列因素所影响:

○热应力(不同温度下沥青烯悬浮能力有所不同)

添加了石蜡基/链烷烃成分,或减少了芳香烃成分,造成沥青烯悬浮能力下降

燃油的混合

调和燃油的主要成分:芳香烃和石蜡基/链烷烃

芳香烃成分(aromatics)

改善稳定性

保持沥青烯的分散、悬浮

石蜡基/链烷烃成分(paraffinic)

 蜡成分

不能改善稳定性

好的点火和燃烧性能

所以沥青烯、芳香烃、链烷烃之间的平衡是取得调和油稳定性的关键。

沉淀物测试我们在【船用燃油的测试】的3.11章节中做过相关讲解,有兴趣的朋友可以了解一下测试方法ISO10307-1(TSE)和ISO10307-2(TSP/TSA)的区别和对应的意义。

如果测试结果显示TSE=TSP=TSA,则说明燃油比较脏而不是不稳定。

当TSP结果比较高时,则可能会经历油泥以及过滤问题

这种情况下存储不会恶化燃油的情况

和其他燃油调和后可能会使得TSP下降

当然在混合前还是建议要进行兼容性测试

如果测试结果显示TSE<TSP<TSA,则说明燃油不稳定

会出现油泥和过滤问题

存储会恶化燃油状况,尤其是在高温情况下

不建议和其他燃油的混合

2. 稳定性和兼容性的关系

虽然稳定性和兼容性有关联性,但他们是不同的概念。

相同点:两者都是将沥青烯处于悬浮状态,不稳定和不兼容都会导致沥青烯的析出、沉淀

不同点:稳定性被ISO8217的表格2所覆盖,是供应商的职责;而兼容性是操作问题,是使用者的职责,没有供应商会保证油品的兼容性(最多能证明自家油品之间的兼容性),需要额外的测试来证明兼容性。

对于兼容性,还是强调要在船上用ASTM D4740方法检查一下燃油之间的兼容性,D4740被证明是可以在船实际操作的,具体方法和介绍可以参考【船用燃油的测试】第4.2章节“兼容性”。

在CIMAC2019年1月的指导文件中介绍过,有一些方法可以测试船用燃油的稳定性和兼容性,然而并不是所有方法在船用渣油的测试中都是足够有效的。具体测试方法和应用范围可以参考下表1:


表1:船用燃油稳定性和兼容性的测试方法

3. 低温流动性能

对于燃油的低温流动性,我们需要了解和掌握以下三个“点”:

倾点(pourpoint, PP):在【船用燃油的测试】第3.9章节有具体介绍。

冷滤点(coldfilter plugging point,CFPP),是指特定容量的液体在特定时间仍能通过标准滤器的最低温度,一般来说CFPP比PP要高3-5摄氏度。

雾点(cloudpoint, CP),当蜡晶体开始出现时的温度,一般来说CP比CFPP要高3-5摄氏度。

确保存放温度比PP高10摄氏度,处理过程中的温度比CFPP至少高1摄氏度。

4. 低硫燃油供应情况的统计分析

让我们来看一下今年1-9月份全球供应的燃油情况,从下表2中我们可以看出,VLSFO低硫燃油的差异化还是很大,特别是粘度、倾点、残碳值等参数。前面我们也介绍过,低硫燃油的趋势就是粘度差异化会比较大,而粘度决定着在船处理和使用的温度控制,需要特别注意。

表2:燃油各参数的范围

下表3也说明了不同粘度的低硫燃油的操作和处理温度的考量:


表3:不同低硫燃油的处理温度

我们一般参考BDN上的测量数值来进行在船操作,但是否可以完全依赖BDN上的粘度数值呢?实际上在很多情况下,BDN上的粘度数值往往与实验室测试结果大相径庭,如下图1所示,不同的柱状图是不同的供应商供应的燃油,绿色说明BDN和实验室测试结果相差在7.4%之内,而黄色为18.5%以内,红色是超过了18.5%。所以对于黄色来说,BDN上显示是100cSt,则测试结果可能在81.5-118.5cSt范围内。所以我们应该选择绿色百分比较高的供应商来购买燃油,可以尽可能的避免被BDN上的粘度所误导。

图1:2020上半年的统计结果

如下图所示,2020年前三季度全球各港口供应的低硫燃油状况,可以看出每个港口供应的燃油平均值都存在较大的差异,而且即使同一港口的每个季度供应的燃油也都不尽相同。

图2:各港口供应的燃油情况统计

目前来说,低硫燃油供应市场对于燃油参数的管控呈良性发展的趋势,从下图3可以看出,2020年1-9月的不合规燃油的比例整体呈下降趋势。

图3:2020年燃油参数合规情况统计

而对于不合规参数的分析来看,如下图4所示,左边是ARA地区供应的燃油,右图是全球其他地区供应的燃油。就第3季度而言,ARA地区不合规燃油占比为5%,而这5%不合规燃油中将近35%是由于硫含量超标,而50%为水含量超标。对于非ARA地区来说,硫含量超标仍然是个挑战。


图4:不合规燃油参数的分布统计

5. 低硫燃油遇到的主要问题

现在我们来聊聊2020年1-9月大家遇到的主要问题。

1.  不稳定的燃油影响了分油机和滤器的操作

a. 不兼容性

b. 不稳定性(供应时就不稳定,或是存储了过长时间造成)

2.  燃油太脏而影响了分油机和滤器的操作

3.  燃油其他问题

a. 高压油泵卡滞

b. 低粘度燃油的气化

c. 燃油切换时的粘温控制

4.  主机缸套问题

a. 催化磨料(cat fines)

b. 润滑(过度磨损和低温腐蚀的平衡),大家往往忽视过度润滑以及低硫燃油时代的低温腐蚀问题

c. 没有使用建议的陶瓷环(MAN的主机)

5.  不正常的气味(但不是硫化氢成分,从目前的案例来看对安全和使用没有太大问题)

而对于气缸拉缸问题,我们从下图5可以看出,2019年12月到2020年1季度是气缸问题的高发期,随后呈缓慢下降的趋势。证明了在高硫到低硫转换期间的问题比较突出,由于缺乏足够的信息,造成大家认识不够全面以及准备不够充分,尤其是粘温控制、润滑管理等方面,有兴趣的朋友可以参考【使用低硫燃油时的气缸油应用】

图5:气缸问题的变化趋势

6. 燃油中的化学成分

对于燃油中的化学分成,我们在介绍燃油的几篇文章中都有所介绍,有兴趣的朋友可以在4-5月份发布的几篇文章中参考相关内容。化学成分有上亿种,而在燃油中的化学成分也有数万种甚至更多,问题是没人能告诉我们哪些化学成分是无害的或是在哪种浓度下是无害的。

我们需要更加透明化来面对挑战:

供应商层面

供应链的透明化以及可溯源化

充分的流程管理

严格的质量管控

船舶操作层面

提供客观的反馈,是燃油问题还是在船处理问题,或是两者皆有

一旦燃油被使用,实时的在船使用经验非常重要

测试机构层面

被行业认可的标准测试方法对比内部的“机密”测试方法

参考样本需要被用来测试比较来衡量问题的原因和影响(大量测试涉及到成本问题)

测试数据和发动机厂商以及行业机构(如CIMAC)的分享

如下图6所示,不同化学成分含量造成问题的比例,我们可以看出,大部分问题的具体原因是无法确定问题是否由这些物质造成的,以及是否由几种成分共同作用产生的结果,需要我们不断的探索和研究。

图6:茚、脂肪酸C16-18、枯基苯酚的影响

特别是枯基苯酚(4-cumyl-phenols),化学结构如下图7所示,在2018年时某些燃油中就被发现,然而这些燃油并没有使用上的问题。在2020低硫燃油时代,枯基苯酚被经常发现(如在Fujairah地区) 。含量甚至可以高达到0.4%,然而大部分情况是使用这些燃油并没有发现什么问题,所以需要考量是否有其他成分参与了不良的反应。

图7:枯基苯酚

为了更好的认识和使用低硫燃油,我们可能需要摒弃一些传统上的偏见,而去关注一些事实。

传统的偏见如以下几点:

我们会遇到问题因为低硫燃油是调和的

问题是2020低硫油法规造成的

低硫燃油没有规格参数

2018年所发生过的燃油问题是对2020的警示

催化磨料(cat fines)对于低硫燃油会是一个大问题(事实证明低硫燃油时代的磨料含量相比高硫油没有太大变化,但我们往往忽视了在船处理以及处理方法的重要性)

我们需要关注的:

燃油的地理区域差异性

粘度的差异性非常大

更多的石蜡基/链烷烃类燃油被使用

准备非常重要,如油柜的清理,不同粘度的温度控制等

状态不稳定的燃油被时有发现(特别是在2020一季度)

7. 生物燃油

生物燃油有比较好的点火性能,好的润滑特性以及环保优势。然而,他们会有如下一些影响:

低温流动性不好

容易滋生微生物,有时需要添加抗微生物剂(通俗的讲就是杀虫剂)

容易氧化,不宜长期存储(注意:FAME脂肪酸甲酯含量需要满足规范要求)

热值相对比较低,需要更多数量的燃料

在燃油调和前,供应商必须要提供生物燃油的氧化稳定性测试结果,并承诺满足ISO8217的等级规范

当使用生物燃油时,船舶需要特别注意,并始终遵循操作建议和指南

 生物燃油的挑战

原料来源:市场比较机密;不能和食物竞争,不能影响生态

保险:符合ISO8217规范;或者购买额外昂贵的保险

存储:稳定性问题

混合:和在用燃油的兼容性;需要在在转换以及清理过程中始终保持稳定

发动机:漆膜的隐患;燃烧性能的挑战;以及操作参数的影响

如何面对这些挑战

原料来源:酯化了的烹饪油(通俗的讲就是地沟油);调和产品

保险:符合ISO8217规范,也就是FAME脂肪酸甲酯的含量控制

存储:需要供应商进行大规模的稳定性测试

混合:流程很重要;实验室的兼容性测试

发动机:调整燃油配方以满足发动机的要求

目前燃油供应商和大型船舶公司在生物燃油方面开展了很多合作测试项目,很多测试结果被证明生物燃油是可行的。 

生物燃油的在船实测是必须的,但整个测试过程比较缓慢。很多配方需要被测试。更多的技术问题浮出水面,如对氮氧化物NOx排放的影响等。这些测试需要船级社以及行业协会的参与。

8. 未来船用燃油的发展趋势 

未来船用燃油的发展趋势如下表4所示,随着排放法规的日趋严格以及船舶和船用发动机的设计发展趋势,船用燃油会随着时间推移而向着多元化、清洁化、低碳化方向发展。


表4:未来船用燃油的发展方向

为了应对气候变暖,减少航运业的温室气体排放,国际海事组织IMO于2018年4月通过了全球首份航运业温室气体减排战略,提出到2050年温室气体年度总排放量与2008年相比至少减少50%,并逐步实现零排放目标。选用清洁的新能源或新动力技术将是航运业实现最终减排目标的重要途径之一。

船用燃油已经向着多元化、清洁化、低碳化的方向发展:

1.LNG。LNG被视为一种清洁的替代船用燃料已经有许多年了,LNG动力船舶也有了成熟的商业化运用实例。尽管LNG作为船用燃料的份额正在不断扩大,但加注的基础设施有限,改装成本高的问题仍然突出。

2.LPG。LPG与LNG类似,目前MAN已开发出ME-LGIP低速机,可以以LPG为燃料。

3.乙烷。乙烷是全球贸易的重要化学品,MAN已经开发了ME-GIE系列发动机,可以采用乙烷作为燃料。

4.甲醇。甲醇和现有的液体船用燃料类似,操作简单,甲醇动力发动机的改装成本只有LNG的25%。甲醇也是目前限硫令合规燃油之中唯一能够从本质上达到氮氧化物排放Tier III标准要求的燃料。

5.生物燃料。如前文介绍目前有一些生物燃油的使用和测试项目在开展中。

6.氨气。研究显示氨气可以作为一种安全高效的船用燃料,未来有望成为海运业的绿色替代燃料。氨气具有许多优点,能量密度大,同等数量氨气中包含的能量比液化氢气高出了50%,更容易存储和运输。不过氨气易燃且有毒,在通风、温度和压力控制方面需要特殊的安全防御措施。

7.氢燃料。近年来越来越多的船厂、能源公司以及动力系统供应商开始加大氢燃料动力船舶的研发。国际能源署(IEA)报告指出,氢能源可能成为实现IMO2050航运业碳减排目标的一种燃料选项。氢能源发展过程中的一大挑战是生产成本高,此外,氢能源还具有储存运输困难、相比传统船舶燃油能量密度较低以及能量损失较大等问题。

DNV通过研究认为,到2050年,氢燃料和氨燃料将最有可能取代化石燃料,用于船舶发动机,完全满足2050年航运业的减排要求。

9. 结束语

作为【低硫燃油那些事】的后续,本文对一些低硫燃油的关键参数进行了阐述和分析,并将2020年前三季度全球低硫燃油状况的统计做了分享,以及对未来燃油的一些展望,希望可以对大家有所借鉴和帮助。


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