韓旭，閆洪振，付代良，陸海迪，牛志堅(jiān)

(1.中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116023；2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司特種油事業(yè)部，上海 201800；3.淄柴動(dòng)力有限公司，山東 淄博 255086)

0 引言

在《中美聯(lián)合氣候變化聲明》和《巴黎協(xié)定》中，中國(guó)承諾碳排放將在2030年前后達(dá)峰，達(dá)峰時(shí)的碳排放強(qiáng)度較2005年下降60%～65%。非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提升至20%左右。多數(shù)研究都表明中國(guó)在2030年具備碳排放達(dá)峰條件，能順利實(shí)現(xiàn)承諾。何建坤[1-2]和柴麒敏、徐華清[3]認(rèn)為，中國(guó)2030年左右可以實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，并且是實(shí)現(xiàn)達(dá)峰較好的機(jī)會(huì)。將甲醇作為燃料推廣應(yīng)用，替代石油以降低對(duì)外依存度，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好，最終實(shí)現(xiàn)碳中和的能源發(fā)展目標(biāo)。此外，發(fā)展甲醇燃料，降低對(duì)石油依賴，有利于緩解我國(guó)目前石油緊缺現(xiàn)狀，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展[4]。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來(lái)活動(dòng)頻次提高，航運(yùn)業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)作為國(guó)際航運(yùn)船舶的主要?jiǎng)恿?，其?guī)模和數(shù)量也快速增長(zhǎng)，由此帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放對(duì)大氣環(huán)境造成的污染問題也越趨嚴(yán)重，如何降低船舶柴油機(jī)的尾氣排放量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的性能，減少全球溫室氣體排放，滿足國(guó)際海事組織的要求，正引起國(guó)際社會(huì)的密切關(guān)注，因此，航運(yùn)業(yè)也面臨著尋找和獲取低碳替代燃料的重大挑戰(zhàn)。

2018年4月13日，IMO第72屆海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)在英國(guó)倫敦通過了國(guó)際海運(yùn)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，要求分三個(gè)階段目標(biāo)逐步實(shí)施，爭(zhēng)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(xié)定》溫控目標(biāo)一致的減排路徑，逐步消除海運(yùn)溫室氣體排放。使用更清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，總體上提高船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平[5-6]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及船舶燃料的改變，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑需求發(fā)生了改變。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑需求需要開發(fā)適用于船舶甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)及甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)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(yīng)新的潤(rùn)滑需求[7]。

1 國(guó)際海事組織減排方案

2018年4月，國(guó)際海事組織采取了減少船舶溫室氣體(GHG)排放的初步戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略將由IMO進(jìn)一步審查，并設(shè)定2050年溫室氣體工作的方向。

該戰(zhàn)略的重點(diǎn)是降低二氧化碳和甲烷等主要溫室氣體的排放量。戰(zhàn)略設(shè)定了三個(gè)目標(biāo)[8]。

(1)通過更嚴(yán)格的能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)要求，減少單個(gè)船舶的溫室氣體排放；

(2)到2030年，每個(gè)運(yùn)輸船舶的平均二氧化碳排放量至少減少30%，在2050年努力達(dá)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(zhàn)略還提出了短期，中期和長(zhǎng)期候選措施。

短期：2018-2023年。

(1)改進(jìn)現(xiàn)有的能效框架(EEDI和船舶能效管理計(jì)劃(SEEMP))；

(2)為新船和現(xiàn)有船舶制定技術(shù)和運(yùn)營(yíng)能效措施，考慮和分析速度優(yōu)化/減少；

(3)考慮和分析減少甲烷排放的措施；

(4)研究和開發(fā)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(qiáng)度指南。

中期：2023-2030年。

(1)有效更新替代低碳和零碳燃料的實(shí)施計(jì)劃；

(2)實(shí)施節(jié)能運(yùn)營(yíng)措施；

(3)利用市場(chǎng)工具調(diào)節(jié)燃料方案。

長(zhǎng)期：2030年以后。

(1)繼續(xù)開發(fā)零碳和無(wú)化石燃料；

(2)其他新的/創(chuàng)新的減排機(jī)制。

國(guó)際海事組織的初始溫室氣體戰(zhàn)略針對(duì)所有懸掛防止船舶污染國(guó)際公約(MARPOL)船旗的船舶。但是，該戰(zhàn)略還包括一些例外的條款，此類條款特別針對(duì)小島嶼發(fā)展中國(guó)家和最不發(fā)達(dá)國(guó)家[5]。

2 替代燃料——甲醇

航運(yùn)產(chǎn)生的廢氣造成空氣污染和環(huán)境問題，因此，航運(yùn)業(yè)根據(jù)新的環(huán)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(qū)，如北海/波羅的海地區(qū)，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(qū)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(qū)指南的競(jìng)爭(zhēng)性替代品。甲醇可以從可再生和不可再生原料中生產(chǎn)，也可以通過在煙氣中捕獲和回收大氣中的CO2來(lái)生產(chǎn)。隨著 “綠色”甲醇變得更加廣泛，它將有助于實(shí)現(xiàn)航運(yùn)溫室氣體減排目標(biāo)，并轉(zhuǎn)向無(wú)化石燃料和低碳未來(lái)[9]。甲醇特性見表1。

表1 甲醇特性

甲醇燃料的特點(diǎn)[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(zhǎng)發(fā)送機(jī)的使用壽命：因?yàn)榧状既剂系某浞秩紵匦?，能有效地消除燃燒系統(tǒng)各部位的積炭，避免了因積炭的形成而引起動(dòng)力下降、燃燒不充分等現(xiàn)象，且可降低各工況排氣溫度，有利于降低零部件熱負(fù)荷，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的使用壽命；

(3)來(lái)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(shí)現(xiàn)碳的零排放，生產(chǎn)成本低；

(4)與LNG對(duì)比：依靠 LNG 燃燒實(shí)現(xiàn)的小幅 CO2減排效果(最大20%)很容易就會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)甲烷泄露和配送環(huán)節(jié)中的流失所抵消。作為一種溫室氣體，甲烷溫室效應(yīng)是 CO2的 20～30 倍，這就導(dǎo)致甲烷排放物成為全球變暖的一個(gè)重要因素，甲醇加注及運(yùn)輸可采用與船用柴油相同的設(shè)備，儲(chǔ)存設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，成本僅為L(zhǎng)NG的二分之一。

甲醇燃料的缺點(diǎn)及解決方案[11]。甲醇燃料存在動(dòng)力性不足、易產(chǎn)生氣阻、有毒、有腐蝕等問題。為改善甲醇動(dòng)力性不足的問題，可通過添加助燃劑(有機(jī)過氧化物、金屬有機(jī)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(jìn)甲醇的充分燃燒，減少氣阻的發(fā)生；通過添加腐蝕抑制劑可以解決甲醇的腐蝕性問題。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)改造

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

甲醇與LNG的十六烷值都比較低，所以發(fā)動(dòng)機(jī)將需要一種十六烷增強(qiáng)劑，以便點(diǎn)火。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)使用少量的柴油作為一種引燃燃料。為了對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，使用了氣體-柴油技術(shù)。氣體雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的不同之處在于，天然氣使用的氣體壓縮機(jī)更換為高壓甲醇泵，以增加燃料壓力。在改裝船只中，常規(guī)燃料系統(tǒng)可以作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)保留運(yùn)行功能。甲醇噴射通過高壓共軌系統(tǒng)執(zhí)行。所有甲醇管道均采用雙層設(shè)計(jì)。所有甲醇高壓管道系統(tǒng)可通過氮?dú)鈨艋幚?，以便操作員在不接觸甲醇的情況下進(jìn)行維護(hù)。

“Stena Germanica”號(hào)滾裝船于2016年初將該船的所有4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都改裝成甲醇燃料動(dòng)力，該船的改裝包括雙體船中的一個(gè)甲醇燃料艙、一個(gè)氣體壓縮泵房和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，改裝工作均在波蘭Remontowa船廠進(jìn)行。

第1臺(tái)瓦錫蘭發(fā)動(dòng)機(jī)改裝已在2015年初進(jìn)行，目前這臺(tái)雙燃料甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)已可正常運(yùn)行(圖1)，瓦錫蘭的檢測(cè)已確認(rèn)可以進(jìn)行第2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝安裝。目前該船滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的燃料中，95%為甲醇，5%為傳統(tǒng)船用燃料；半負(fù)荷運(yùn)營(yíng)時(shí)的燃料中，10%為傳統(tǒng)船用燃料，90%為甲醇。

圖1 改裝后的瓦錫蘭甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)

4 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)油

由于發(fā)動(dòng)機(jī)改造及甲醇燃料的燃燒特點(diǎn)，甲醇作為燃料時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一系列的技術(shù)問題。例如：發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)銹蝕、磨損、發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難時(shí)部分缸內(nèi)甲醇流入曲軸箱，進(jìn)而使?jié)櫥秃图状贾苯咏佑|，不但使?jié)櫥褪艿轿廴?，而且使?jié)櫥陀行С煞直惠腿。丛斐蓾?rùn)滑油功能的喪失。同時(shí)，甲醇燃料燃燒[13-15]后衍生的水、甲酸等成分容易進(jìn)入曲軸箱使?jié)櫥统霈F(xiàn)堿丟失、乳化等現(xiàn)象。因此現(xiàn)有的市售潤(rùn)滑油不能適用于甲醇做燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，由此使得研制和開發(fā)適用于甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的新的潤(rùn)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(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)開展?jié)櫥脱邪l(fā)[16-18]。

甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)油特點(diǎn)[19-20]。

(1)低堿值：甲醇、LNG等清潔能源不含硫，燃燒產(chǎn)物對(duì)機(jī)油堿值要求不高，實(shí)驗(yàn)證明機(jī)油堿值過高，會(huì)引起異常磨損；

(2)低灰分：灰分過高會(huì)引起積炭，篩選無(wú)灰分散劑；

(3)高抗磨性能：實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)油需要提供較高的抗磨性能，否則將導(dǎo)致異常磨損；

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

(5)預(yù)防甲醇不完全燃燒產(chǎn)生的甲酸對(duì)機(jī)油添加劑的萃取作用：篩選全新的無(wú)灰分散劑、清凈劑等；

(6)引燃階段的潤(rùn)滑：船用柴油做引燃劑，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑要求；

(7)抗氧化性能：良好的抗氧化性能。

5 總結(jié)

(1)為實(shí)現(xiàn)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(lái)源廣泛，可在全過程實(shí)現(xiàn)溫室氣體的低排放，甲醇燃料的缺點(diǎn)可通過添加相應(yīng)的添加劑予以解決；

(3)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的改造相對(duì)簡(jiǎn)便可行，需對(duì)管路、噴射、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)“Stena Germanica”號(hào)滾裝船已在運(yùn)營(yíng)中；

(4)甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)油需要具有低堿值、高分水性、體系穩(wěn)定性好、抗磨性高等特點(diǎn)。