船用甲醇发动机油的发展趋势与性能需求

韩旭，闫洪振，付代良，陆海迪，牛志坚

(1.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116023；2.中国石油润滑油公司特种油事业部，上海 201800；3.淄柴动力有限公司，山东 淄博 255086)

0 引言

在《中美联合气候变化声明》和《巴黎协定》中，中国承诺碳排放将在2030年前后达峰，达峰时的碳排放强度较2005年下降60%～65%。非化石能源占一次能源消费比重提升至20%左右。多数研究都表明中国在2030年具备碳排放达峰条件，能顺利实现承诺。何建坤[1-2]和柴麒敏、徐华清[3]认为，中国2030年左右可以实现碳排放达峰，并且是实现达峰较好的机会。将甲醇作为燃料推广应用，替代石油以降低对外依存度，实现环境友好，最终实现碳中和的能源发展目标。此外，发展甲醇燃料，降低对石油依赖，有利于缓解我国目前石油紧缺现状，保证国民经济的持续发展[4]。

随着经济社会发展和国际经济贸易往来活动频次提高，航运业迎来了快速发展，船舶发动机作为国际航运船舶的主要动力，其规模和数量也快速增长，由此带来的发动机尾气排放对大气环境造成的污染问题也越趋严重，如何降低船舶柴油机的尾气排放量，提高发动机燃料的性能，减少全球温室气体排放，满足国际海事组织的要求，正引起国际社会的密切关注，因此，航运业也面临着寻找和获取低碳替代燃料的重大挑战。

2018年4月13日，IMO第72届海上环境保护委员会在英国伦敦通过了国际海运温室气体减排初步战略，要求分三个阶段目标逐步实施，争取到2050年全球温室气体年度总排放量与2008年相比至少减少50%，并努力按照与《巴黎协定》温控目标一致的减排路径，逐步消除海运温室气体排放。使用更清洁的发动机燃料，总体上提高船舶发动机的排放水平[5-6]。

由于发动机结构及船舶燃料的改变，发动机润滑需求发生了改变。为满足发动机的润滑需求需要开发适用于船舶甲醇发动机及甲醇双燃料发动机的润滑油。该油品需要在抗氧化性能、分水性能、抗磨性能等方面适应新的润滑需求[7]。

1 国际海事组织减排方案

2018年4月，国际海事组织采取了减少船舶温室气体(GHG)排放的初步战略。该战略将由IMO进一步审查，并设定2050年温室气体工作的方向。

该战略的重点是降低二氧化碳和甲烷等主要温室气体的排放量。战略设定了三个目标[8]。

(1)通过更严格的能效设计指数(EEDI)要求，减少单个船舶的温室气体排放；

(2)到2030年，每个运输船舶的平均二氧化碳排放量至少减少30%，在2050年努力达到70%(与2008年相比)；

(3)在2050年之前将年度温室气体排放量至少减少50%(与2008年相比)。

该战略还提出了短期，中期和长期候选措施。

短期：2018-2023年。

(1)改进现有的能效框架(EEDI和船舶能效管理计划(SEEMP))；

(2)为新船和现有船舶制定技术和运营能效措施，考虑和分析速度优化/减少；

(3)考虑和分析减少甲烷排放的措施；

(4)研究和开发替代低碳和零碳燃料；

(5)为所有类型的燃料制定生命周期温室气体强度指南。

中期：2023-2030年。

(1)有效更新替代低碳和零碳燃料的实施计划；

(2)实施节能运营措施；

(3)利用市场工具调节燃料方案。

长期：2030年以后。

(1)继续开发零碳和无化石燃料；

(2)其他新的/创新的减排机制。

国际海事组织的初始温室气体战略针对所有悬挂防止船舶污染国际公约(MARPOL)船旗的船舶。但是，该战略还包括一些例外的条款，此类条款特别针对小岛屿发展中国家和最不发达国家[5]。

2 替代燃料——甲醇

航运产生的废气造成空气污染和环境问题，因此，航运业根据新的环保条约的要求，需要大幅度减少温室气体的排放。例如，在指定的SOx排放控制区，如北海/波罗的海地区，到2015年将使船舶燃料中允许的最大硫含量降低到0.1%。氮氧化物(NOx)排放将需要从2016年开始在指定的NOx排放控制区减少。

甲醇是一种很有前途的替代燃料，甲醇可以成为满足硫排放控制区指南的竞争性替代品。甲醇可以从可再生和不可再生原料中生产，也可以通过在烟气中捕获和回收大气中的CO2来生产。随着 “绿色”甲醇变得更加广泛，它将有助于实现航运温室气体减排目标，并转向无化石燃料和低碳未来[9]。甲醇特性见表1。

表1 甲醇特性

甲醇燃料的特点[10-11]。

(1)以甲醇为燃料可降低有毒有害的温室气体的排放：有效降低NOx、CO、CO2、SOx等气体的排放；

(2)燃烧充分，延长发送机的使用寿命：因为甲醇燃料的充分燃烧特性，能有效地消除燃烧系统各部位的积炭，避免了因积炭的形成而引起动力下降、燃烧不充分等现象，且可降低各工况排气温度，有利于降低零部件热负荷，延长发动机部件的使用寿命；

(3)来源清洁：可通过煤制合成气合成甲醇、通过天然气合成甲醇、通过捕捉CO2合成甲醇，实现碳的零排放，生产成本低；

(4)与LNG对比：依靠 LNG 燃烧实现的小幅 CO2减排效果(最大20%)很容易就会被发动机甲烷泄露和配送环节中的流失所抵消。作为一种温室气体，甲烷温室效应是 CO2的 20～30 倍，这就导致甲烷排放物成为全球变暖的一个重要因素，甲醇加注及运输可采用与船用柴油相同的设备，储存设备安装简单，成本仅为LNG的二分之一。

甲醇燃料的缺点及解决方案[11]。甲醇燃料存在动力性不足、易产生气阻、有毒、有腐蚀等问题。为改善甲醇动力性不足的问题，可通过添加助燃剂(有机过氧化物、金属有机化合物)加以解决；为解决气阻问题，可通过添加抗阻沉积剂，促进甲醇的充分燃烧，减少气阻的发生；通过添加腐蚀抑制剂可以解决甲醇的腐蚀性问题。

3 发动机改造

船舶使用的柴油发动机类型有两冲程发动机或四冲程发动机。目前，两冲程发动机和四冲程发动机均可改装为可以在双燃料模式下使用甲醇的发动机[9，12]。在这些改装中，将对发动机燃料喷射器进行改动，以便获得更高的喷射压力，这样才能引燃甲醇。与常规 HFO 和柴油相比，甲醇的黏度很低，所以需要对密封件采取特殊的防泄漏措施。燃料供应系统还必须保证执行维护或维修工作的技术工人的安全，在实际情况下，这就意味着需要避免直接接触甲醇。因此，甲醇发动机装有双层燃料输送系统。此外，发动机系统具有脱氮净化功能，可确保操作人员可以安全操作发动机。与HFO恰恰相反，甲醇无需对燃料进行加热，相反，有时需要在喷射前对燃料进行降温。

甲醇与LNG的十六烷值都比较低，所以发动机将需要一种十六烷增强剂，以便点火。双燃料发动机使用少量的柴油作为一种引燃燃料。为了对现有发动机进行改装，使用了气体-柴油技术。气体双燃料发动机的不同之处在于，天然气使用的气体压缩机更换为高压甲醇泵，以增加燃料压力。在改装船只中，常规燃料系统可以作为一个独立系统保留运行功能。甲醇喷射通过高压共轨系统执行。所有甲醇管道均采用双层设计。所有甲醇高压管道系统可通过氮气净化处理，以便操作员在不接触甲醇的情况下进行维护。

“Stena Germanica”号滚装船于2016年初将该船的所有4台发动机都改装成甲醇燃料动力，该船的改装包括双体船中的一个甲醇燃料舱、一个气体压缩泵房和发动机控制系统，改装工作均在波兰Remontowa船厂进行。

第1台瓦锡兰发动机改装已在2015年初进行，目前这台双燃料甲醇发动机已可正常运行(图1)，瓦锡兰的检测已确认可以进行第2台发动机的改装安装。目前该船满负荷运行时的燃料中，95%为甲醇，5%为传统船用燃料；半负荷运营时的燃料中，10%为传统船用燃料，90%为甲醇。

图1 改装后的瓦锡兰甲醇发动机

4 甲醇发动机油

由于发动机改造及甲醇燃料的燃烧特点，甲醇作为燃料时,发动机润滑系统会产生一系列的技术问题。例如：发动机出现锈蚀、磨损、发动机冷启动困难时部分缸内甲醇流入曲轴箱，进而使润滑油和甲醇直接接触，不但使润滑油受到污染，而且使润滑油有效成分被萃取，即造成润滑油功能的丧失。同时，甲醇燃料燃烧[13-15]后衍生的水、甲酸等成分容易进入曲轴箱使润滑油出现碱丢失、乳化等现象。因此现有的市售润滑油不能适用于甲醇做燃料的发动机，由此使得研制和开发适用于甲醇燃料发动机的新的润滑油成为了一种迫切的需求[7]。美孚、雪佛龙等公司均已针对甲醇发动机开展润滑油研发[16-18]。

甲醇发动机油特点[19-20]。

(1)低碱值：甲醇、LNG等清洁能源不含硫，燃烧产物对机油碱值要求不高，实验证明机油碱值过高，会引起异常磨损；

(2)低灰分：灰分过高会引起积炭，筛选无灰分散剂；

(3)高抗磨性能：实验表明对于双燃料发动机，机油需要提供较高的抗磨性能，否则将导致异常磨损；

(4)高分水性能：甲醇燃料燃烧产生水分，水分导致润滑油乳化，需要筛选全新的破乳剂；

(5)预防甲醇不完全燃烧产生的甲酸对机油添加剂的萃取作用：筛选全新的无灰分散剂、清净剂等；

(6)引燃阶段的润滑：船用柴油做引燃剂，满足发动机的润滑要求；

(7)抗氧化性能：良好的抗氧化性能。

5 总结

(1)为实现IMO制定的温室气体减排方案，甲醇因其可降低温室气体的排放成为潜在的替代燃料；

(2)甲醇燃料来源广泛，可在全过程实现温室气体的低排放，甲醇燃料的缺点可通过添加相应的添加剂予以解决；

(3)甲醇发动机的改造相对简便可行，需对管路、喷射、储存等环节进行改造，甲醇燃料发动机“Stena Germanica”号滚装船已在运营中；

(4)甲醇燃料发动机油需要具有低碱值、高分水性、体系稳定性好、抗磨性高等特点。