新环保法规下国内航运业技术应对及对船用润滑油的新需求

冯涛，杨超，韩旭，马林君，王葆葳

(1.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116032；2.中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室，辽宁 大连 116032；3.中国石油润滑油公司，北京100028)

新环保法规下国内航运业技术应对及对船用润滑油的新需求

冯涛1,2，杨超1,2，韩旭1,2，马林君3，王葆葳3

(1.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116032；2.中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室，辽宁 大连 116032；3.中国石油润滑油公司，北京100028)

文章对现阶段国内环保法规的发展进行了叙述，并介绍了国外环保法规的相关情况。结合国内近期低迷的航运市场行情，讲述了在环保法规形式下，航运业对船用润滑油的新需求。 文章结合现阶段国内环保对船舶燃料硫含量的要求，指出了未来使用船用气缸油、船用中速机油等相应产品的碱值调整方向，并介绍了国外曼恩公司在气缸油领域应对环保法规所给出的处理方案。

环保法规；航运市场；船舶技术；船用燃料；船用润滑油

0 引言

中国海岸线长度将近1.8万公里，长江沿江航线长度6000多公里；广阔的海岸线及长江航道，造就了中国庞大的航运市场。

近年来，我国对环境保护的要求日益严格，一系列环保法规出台并实施[1]。而之前被严重忽视的海洋污染问题，最近也越来越多的被政府及整个社会所关注。江苏省海事局，在2016年4月份出台了针对长三角水域的“史上最严”的环保要求，对长三角区域船舶燃料硫含量进行了规定。除了对燃料硫含量有要求外，随着国内对环保要求的更加严格，预计在不久的将来，国内还会出台专门针对NOx、 CO、PM等排放物的规定。

近年来，国内航运市场受国内外经济低迷、以及环保法规限制，出现了一些新情况和新问题，这些都对整个船用润滑油行业提出了新的挑战。

1 国内环保法规实施情况

国内对船舶排放的规定制定，远远滞后于汽车等陆上交通工具和飞机等航天运输工具。中国从80年代开始制定汽车排放法规，20世纪末，参照欧盟法规，制定了自己的排放法规[2]，且目前已执行国五标准[3]。

2016年年初，在长三角区域内，江苏省海事局对核心区域内停靠的船舶燃料硫含量进行了规定。而依据交通运输部文件，国内珠三角区域、环渤海(京津冀)将同样会设立相应硫含量排放控制区域，见图1。

图1 长三角、珠三角及环渤海(京津冀)排放控制区

长三角硫含量控制要求如下：自2018年1月1日起，主要针对所有停港船舶，要求燃料改为<0.5%硫含量；自2019年1月1日起，则是进入核心港区时，需要切换为<0.5%硫含量。而自2019年12月31日起，则是对之前效果进行评估，如果前期效果较好，则在全区域推进更加严格的硫含量<0.1%的燃料[4]，见表1。

表1 长三角区域船舶燃料硫含量要求

注：其中第四阶段待前面评估后决定是否实施。

在文件中，还规定了内河船及江海直达船使用燃料的要求，要求其使用满足GB 252-2015标准的普通柴油，禁止燃烧渣油及重油。GB 252-2015对燃料硫含量的要求见表2。

表2 GB 252-2015中对燃料硫含量的要求

若按照江苏省海事局文件，未来船舶在内河及江海中行驶时，必须使用硫含量更低的普通柴油。而在其他区域，则必须使用硫含量满足GB 252-2015要求的船用燃料。

对于国际远洋航行船舶，我国作为国际海事组织(IMO)A类理事国，远洋船舶统一执行国际公约，在公海应遵守IMO其对硫含量、NOx排放所做出的规定。相关规定见表3、表4。

表3 IMO硫含量规定要求

表4 IMO对NOx排放规定 g/kW·h

表4(续)

2016年8月，由中国环境保护部及国家质量监督检验检疫总局共同出台的《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》(GB 15097-2016)的国家标准，正式规定了国内航行的船舶排气污染物排放限值及测量方法，将填补我国在国内航行船舶中对污染物控制的空白。其中对NOx、CO及PM要求见表5和6[11]。

表5 船机排放气污染物第Ⅰ阶段排放限值

注：*仅适用于NG(含双燃料)船机。

表6 船机排放气污染物第Ⅱ阶段排放限值

注：*仅适用于NG(含双燃料)船机。

并同时规定了两个阶段的执行日期，分别见表7。

表7 标准执行日期

与IMO所规定的NOx排放相比，国内主要依据船舶发动机的单缸排气量及额定净功率对其NOx排放进行限定。其中IMO对非排放区NOx限定值范围为7.7～14.4 g/kW·h；而国内第Ⅰ阶段NOx排放限定范围为7.2～11.0(HC+NOx)g/kW·h，比IMO规定更低一些，要求更加严格。

按照GB 15097-2016的相关要求，第Ⅰ阶段按计划应于2018年7月开始执行。而该标准中，对NOx及PM、CO等排放规定均做了明确限定。届时将会对船舶发动机的相关排放进行最直接的限定。

2 国外环保法规发展

国外主要为国际海事组织(IMO)对全球海域船舶排放进行相关规定，主要是1995年在伦敦签署的《防止船舶造成大气污染规则》，也即MARPOL73/38附则Ⅵ，对船舶排放的NOx、SOx进行了相关规定。并于2008年添加了一些附则，形成了IMO Tier Ⅲ排放规定。其中NOx排放要求见表4，对船舶燃料硫含量的要求见表8。

表8 IMO对船舶燃料硫含量的要求

美国EPA(Environmental Protection Agency)针对不同类型的船用发动机的污染物排放出台了一系列法案，该系列法案适用于美国海岸线200海里范围内(专属经济区)航行的船舶，并规定了排放控制区域的NOx、HC及PM排放限值和在用符合性的限值要求(37 kW以下的船用柴油机参照非道路机械法规的具体要求)。具体要求见表9、表10。

表9 EPA-C1 C2类船舶柴油机排放Tier 4标准

表10 EPA-C3类船舶柴油机排放标准

从表9、表10可以看出，EPA-C1、C2类船舶柴油机NOx控制要求更低，仅为1.8 g/kW·h，不论船机转速多少。而EPA-C3类标准，已开始执行Tier 3相关要求，该要求等同于IMO在硫含量排放控制区(SECA)内对NOx排放的要求。

欧盟区域排放要求主要依据IMO在硫含量排放控制区内的相关要求，其对硫含量的要求见表8；对NOx排放规定见表4。欧盟总体要求均严于世界其他区域。ECA区域目前已有的区域有波罗地海、北海区域、北美区域(美国与加拿大的港口区域)、加勒比海区域等。世界其他区域，新加入的区域有新加坡海域、日本东京、墨西哥区域。目前随着国际上对环境保护的加强，越来越多的区域将加进硫含量排放控制区。

3 国内航运市场的影响

受国际经济增长速度变缓影响，大宗商品如钢铁、矿石、水泥、煤炭等产品的运输受到较大波及。国内经济发展下行压力较大，各类大宗商品运输与国际市场类似，运量也呈现下降趋势，各较大航运公司在2015年的经营业绩也处于下降的状态。图2、图3为2015年主要干散货航运公司及集装箱船航运公司的营业收入情况。从图中可以看出，各主流航运公司的经营状况均较差，营业收入较前年均有大幅下滑。

图2 2015年干散货航运公司营收及利润变化

图3 2015年主流集装箱业务营收及利润变化

其中降幅最大的中国远洋在干散货市场与集装箱市场均出现大幅下滑。其干散货营业收入相比去年下滑达到28%，而集装箱业务下滑达到6.32%。其他主流运力公司营收也出现不同程度的下滑。

由于环保法规的严格，航运市场将必须要面对这一新挑战。对于国内航运企业来讲，主营内贸业务的航运公司，将会受到国内关于NOx、SOx排放的限定要求；而对于主营外贸业务的航运公司，将会受到IMO及其他ECA排放区内关于NOx、SOx的限定要求。

鉴于目前航运市场不景气，环保要求的严格化，将对航运企业提出新的要求，为满足排放要求，需对航运企业的船舶进行一定技术改造，会给航运业增加一定成本。因此选择合理的应对技术，在满足排放要求时，同时兼顾一定的经济效益，将非常有必要。

4 航运企业技术应对措施

为满足日益严格的排放要求，在欧洲及排放控制区域的航运企业有许多成熟经验可以借鉴。这些区域运用的技术，主要用以应对NOx、SOx排放要求。

船机NOx排放控制技术，主要为燃料处理、缸内处理及尾气后处理三种。其中对燃料预处理中，使用代用燃料为可行途径。而缸内处理技术，可行的为燃烧优化(推迟喷油、燃烧室优化、供油优化)、加水技术(进气加湿)、充量调节(EGR废气再循环技术)及尾气后处理技术(SCR技术)，各种技术优势见表11。

表11 各类技术对NOx降低效果

另一条有效途径是使用气体机或双燃料技术。其中双燃料技术，其最高燃烧温度明显低于柴油机，因此其排放比柴油机技术约减少85%的NOx，同时SOx相对柴油模式减少近100%，见图4。

图4 双燃料DF技术与传统HFO技术差异

两大主流OEM，曼恩及瓦锡兰公司，分别研发了相关技术，以应对NOx排放要求。各OEM技术更新见表12[5-8]。

表12 主流OEM应对NOx排放规定所发展的技术

12表(续)

通过主机OEM的技术更新，将能够对NOx排放控制在法规要求之内。而船机SOx排放控制，主要通过预先对燃料处理及对燃烧后尾气处理两部分。前处理即通过燃油炼制时脱硫技术达到要求；而后处理则通过对尾气吸收的方式，除掉尾气中的SOx物质。目前较为有效的途径为选择低硫含量的燃料，将能够满足对SOx排放的要求。

5 未来航运业对润滑油新的需求

目前柴油机排放物关注较多的是SOx与NOx+HC，同时还包括部分颗粒物。其中排放的颗粒物主要来源于柴油机，而国内通过加装粒物捕捉器(DPF)可以实现减排。而国外在处理排放问题上，已有成功的技术应对可供借鉴，现分别就SOx、NOx进行阐述如下。

对于SOx而言，在现阶段情况下，使用更清洁的燃料，将会有更好的效果。未来预计将会越来越多从高硫重质燃料转变为低硫轻质燃料，甚至新型环保型燃料，如甲醇、乙醇、LNG及其他液态挥发性有机物燃料(LVO)。满足ISO 8217燃料类别中DMA、DMB与RMA10、RMB30、RMD80将是未来船用燃料首选。其中DMA与DMB为ISO 8217馏分油类别，其硫含量要求较低，其中DMA要求硫含量小于1.5%；而DMB硫含量要求小于2.0%。RMA、RMB及RMD，均为ISO 8217中残渣油分类，其黏度相对较低，且硫含量依据不同阶段分别限制为小于3.5%、小于0.5%、小于0.1%。若船用燃料改变，其燃烧方式、最高爆发压力与温度均会改变。这样从设备润滑角度来看，其润滑需求会发生新的改变[9]，见图5。

图5 中速机油碱值与燃料硫含量关系

对于中高速四冲程发动机，当燃料硫含量长期处于1.0%时，推荐使用TBN30的中速机油，当燃料硫含量降低至0.1%～0.5%时，推荐使用TBN15中速机油。而当燃料硫含量小于0.1%时，推荐使用TBN12中速机油。

对于低速二冲程发动机，若燃料改为低硫含量燃料，则气缸油碱值可进行相应下调。按照OEM导则，当硫含量低于1.5%时，需要使用TBN40以下油品，而当硫含量进一步降低至0.5%时，最优先推荐TBN25碱值气缸油。当发动机以低速航行时，则需另外对待，应适当提高气缸油碱值以避免低温腐蚀，见图6。

图6 气缸油碱值与硫含量关系

在现阶段情况下，航运公司依旧可以使用原有的中速机油及气缸油产品。对于燃料的多变性，通常使用的还是TBN30的中速机油与TBN70的气缸油产品。

就目前国内情况来看，燃料类型可能较为复杂，低硫含量燃料与高硫含量燃料将同时存在。为应对燃料复杂性的问题，MAN公司给出了如下的解决方案，也可供国内航运企业选择，见图7。

图7 不同气缸油系统

使用ACOM(Automated Cylinder Oil Mixing)系统，可以依据燃料的差异，调制不同碱值的气缸油产品。该系统的优势是，对于不同燃料系统，硫含量0%～4.0%，均可以直接在线进行调合合适的碱值以供发动机使用[10]。这就需要润滑油供应商能够同时提供两种不同碱值的气缸油产品，且两种产品能够进行混合使用。

而对于NOx排放规定而言，则需要对现有发动机技术进行改造以满足排放要求，相关改造对润滑油的需求见表13。

表13 相关技术对润滑油的新需求

使用EGR技术，将发动机排放的废气重新引入到气缸中，但同时会引入一些烟炱颗粒物，对润滑油的清净分散性能和抗磨性能将有更高要求。而SCR技术主要为机外技术，对润滑油并无特殊要求。

气体机、双燃料技术，其燃烧相比HFO更加充分，因此其燃烧温度较高，对抗氧化性能要求较高，但为保护发动机缸头部位清洁，需要润滑油有较低的硫酸盐灰分。同时由于气体燃料通常不含硫，因此对润滑油碱值要求相对较低。

预计国内现有航运企业将会对发动机技术进行相关改造，而EGR技术的引入，将会对润滑油清净分散性能提出更高的要求。而气体机及双燃料等新式发动机的引入，将对润滑油的抗氧化性能、酸中和性能提出新的要求。

从市场发展角度，目前航运业正处于低迷期，除技术上满足航运公司使用需求外，提供更加优质的售后服务，具备齐全的供应网络，同时价格上能够具备非常强的竞争力，将会成为未来航运市场选择润滑油的重点考虑因素。

6 结论

国内将面临日益严格的排放要求，对燃料硫含量要求将会更低，同时对NOx排放将会更加严格。而国内航运市场的不景气，将会主导其选择较为“经济”的发动机改造技术路线。同时，面临排放法规，国内对低碱值润滑油需求将提升，而发动机新技术的引入，将对船用润滑油提出较高的清净分散性能及高温抗氧化性能。若使用双燃料及气体机技术，则同时要求润滑油具备较低的硫酸盐灰分。

[1] 交通运输部关于印发珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案的通知[EB/OL].[2015-12-02]. http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bzsdw/bhsj/201512/t20151204_1942434.html.

[2] GB 17691-2001车用压燃式发动机排气污染物[S].

[3] GB 18352.5-2013 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段) [S].

[4] 江苏省交通运输厅江苏海事局关于长三角水域江苏省实施船舶排放控制区的通告[EB/OL]. [2016-03-31]. http://www.jsmsa.gov.cn/art/2016/4/1/art_10719_1179539.html.

[5] Morten Vejlgaard-Laursen. Controlling Tier III Technologies[C]//CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[6] Sebastian Kunkel. The Next Generation of MDT's Large Bore Diesel Engines[C]// CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[7] Ulf Astrand. Wartsila 31-World's Most Efficient Fourstroke Engine[C]// CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[8] Grant Gassner. Experience from the World's First Ethane Powered Multi-Gas Carrier[C]//CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[9] GB 17411-2015 船用燃料油[S].

[10] ISO 8217 Petroleum Products - Fuels (Class F) -Specifications of Marine Fuels[S].

[11] Dorthe M S Jacobsen. Cylinder Lube Oil Experiences and New Development for the MAN B&W Two-Stroke Engines[C]//CIMAC Congress Helsinki, June 6-10,2016.

[12] GB 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)[S].

Technical Response to Domestic Shipping Industry under New Environmental Protection Regulations and New Demands for Marine Lubricants

FENG Tao1,2, YANG Chao1,2, HAN Xu1,2, MA Lin-jun3, WANG Bao-wei3

(1.PetroChina Dalian Lubricating Oil R&D Institute, Dalian 116032,China; 2.PetroChina Lubricant Key Lab, Dalian 116032,China; 3.PetroChina Lubricant Company, Beijing 100028, China)

This paper describes the development of domestic environmental protection regulations at the present stage, and describes relevant laws and regulations in foreign countries. Combined with the recent downturn in the domestic shipping industry, the new demands for marine lubricants under current new environmental regulations is described. Based on the domestic environmental regulations over the sulphur content in marine fuels, this article points out the future BN requirements of marine cylinder oil, trunk piston engine oil and other relevant products. An example of MAN B&W in the dealing with environmental regulations and laws in cylinder oil is explained.

environmental protection regulation; shipping industry; shipping technology; marine fuel; marine lubricant

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.03.001

1002-3119(2017)03-0001-07

TE626.3

A