Alfa Laval - The daily grind – Cat fines and engine wear, Part 1

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日常磨損 - 殘留催化顆粒和引擎磨損,第 1 部分

身為一家企業,我們習慣於從大局著想。 船舶將世界各地農場、工廠和礦山的產出帶到每一塊有港口的土地上。從太空中可以看到的風暴、如高樓般洶湧的巨浪,都是它們在一天之中會經歷的挑戰。 但是,該產業面臨的最大挑戰之一,來自一些最微不足道的事情。 它們對全球船隊安全營運所構成的威脅可能會更加嚴重。

將於 2020 年初生效的全新監管制度,將徹底改變世界各地海運燃料的類型和可用性。 對於船舶操作人員而言,若要可靠和安全地操作引擎,必定需要比今日更深入的知識和更複雜的燃料處理策略。 無法準確預測即將到來的挑戰有多麼廣泛,即便目前也是如此。 但船舶運營商能否成功避免問題,很大程度上取決於他們在未來幾個月將採取的行動。

燃料 in flux

2020 年 1 月 1 日,全球航運業將進入低硫時代,這將是自 MARPOL 73/78 公約以來業界最劇烈的監管動盪,也是有史以來最大的營運變革之一。 從那天起,所有航運都必須遵守國際海事組織 (IMO) 對燃料含硫量不超過 0.50% (m/m) 的嚴格限制。

0.50% 的限制遠低於 2012 年實行的 3.50% 限制,另外,排放控制區域 (ECA) 更有燃料含硫量不得高於 0.10% 的限制。 雖然 IMO 正確表示新規定是環境和人類健康的勝利,但對航運業而言,這逐漸成為令人頭痛的問題。 因為不幸的是,消除環境危害意味著引入一種從機械中生成的細小分子,也就是殘留催化顆粒,如果未加以去除,可能會嚴重損壞引擎。

船用燃料油從來就不是迷人的物質。 煉油設備從原油開始處理,從最高餾分的油品中蒸餾和提煉出高價值產品。 從天然氣和汽油、航空燃料和柴油、潤滑油,再到剩餘燃料,也就是濃稠的黑色油渣,都可用於發動船舶並製造瀝青。 這些燃料並不可人,但有助於創造現代世界。

硫的問題

引擎燃燒化石燃料時,會釋放硫氧化物 (SOx),這些硫氧化物在大氣中會導致各種健康和環境問題,例如人和動物的呼吸道疾病及土壤和水的酸化。

所有原油都會自然產生硫,而且在蒸餾過程的最高沸點殘餘餾分中會有比較高的濃度。 這意味著從 2020 年起,燃料生產將需要改變以更妥善地處理硫,船舶營運商也將面臨比以往更複雜的燃料選擇。

使用液化天然氣 (LNG) 的船舶符合法規,但 LNG 船隻只佔全球船隊的一小部分,而且由於高投資成本和欠缺供應基礎設施,預計現狀將繼續維持數十年。 許多其他船舶將繼續使用高硫燃料油 (HSFO),仰賴脫硫器技術以確保廢氣含硫量符合規定。 但對於大多數的船隊而言,2020 年之後,就必須從日益多樣化的低硫餾分油、混合物及以蔬菜油製成比例較少的新燃料中做選擇。

2020 改變了一切

每種新類型燃料都會帶來各種有待考量的操作和經濟變數。 對於所有這些變數的研究是可以單獨提出來討論的議題,但值得注意的是,粘度、潤滑性和溫度的變化,對引擎、幫浦和其他設備安全和可靠的運行影響深遠。

值得關注的殘留催化顆粒

但在低硫時代出現的所有變數中,最可能造成危害的或許是殘留催化顆粒。 儘管殘留催化顆粒一直以來是航運業可控制的已知事實,但即將到來的低硫時代將引起業界對它的關注,將其視為日益威脅船舶引擎和營運商預算的風險因素。

那麼,殘留催化顆粒是什麼?

殘留催化顆粒如何形成

現代煉油廠首先使用常壓和真空蒸餾法將最容易揮發、價值最高的產品從最高餾分的油品中去除。 接著,透過熱力和催化過程將剩餘的原油「裂解」成各種餾分。 在催化裂化中,精煉設備會添加物理催化劑以破壞油分子。

使用的催化劑是各種形式的合成結晶沸石,即鋁和矽的礦物化合物,高度滲水且十分堅硬。

催化劑價格昂貴,因此煉油廠盡可能回收和重複使用。但超出一定程度之後,煉油廠即使再努力回收利用,也不符合實際效益,此外也沒有經濟誘因。 殘留催化顆粒是殘餘的微粒。 目前依然存在船用燃料中。 而且經幫浦抽吸到船舶中。

制定燃料標準

船用燃料規格由國際標準 ISO 8217 設定,限制了船用燃料中殘留催化顆粒的濃度。 根據目前版本的標準所生產的燃料,殘留催化顆粒濃度不得超過百萬分之 60 (ppm)。 此限制在根本上是一種妥協,如果設定得更寬鬆,全球的船用燃料供應將失去保障。 但即使濃度控制在 60 ppm,殘留催化顆粒仍會嚴重損害引擎,而 MAN 和 Wärtsilä 等製造商則建議,引擎燃油的殘留催化顆粒濃度應限於 15 ppm 以下。

殘留催化顆粒的性質

物質上,殘留催化顆粒的形狀是不規則的,而在船用燃料中的尺寸從次微米尺寸到大約 100 微米不等,概略來說,相當於一團灰塵的大小到人類頭髮的寬度。 其密度也各不相同,但一般略高於重燃油 (HFO)。 較大的殘留催化顆粒會沉澱在油中,低密度的小型顆粒則不然。

然而,在所有殘留催化顆粒的物理性質中,硬度對船舶的危害最大。 殘留催化顆粒非常堅硬,以莫氏硬度而言高達 8.2,鑽石為 10,而且很容易刮傷並嵌入鋼鐵的表面。

它們造成的危害

殘留催化顆粒通過注入器時,會卡在氣缸套和活塞環之間,其間隙約為 3 至 5 微米。 任何大於這個間隙尺寸的顆粒都會導致磨損。 活塞每移動一次,殘留催化顆粒就會刮過平滑的表面,隨著時間逐漸留下刻痕。 燃油泵、注入器、閥門和其他部件也有可能受損。 甚至較小的顆粒也會造成嚴重損害。

這種類型的損傷很容易視為是正常的長期機械磨損。 在許多情況下,設備有可能真的受損。 但是,高濃度的殘留催化顆粒也會在極短時間內造成嚴重的災難性破壞。

一份網路上的報告指出,在僅僅 100 個小時的運作期間,殘留催化顆粒就能損害引擎。 拆除引擎時,工程師發現「所有活塞和襯套都損耗殆盡而且必須更換。」

毫無疑問,這種性質的損耗成本不斐,有報導指出,索賠從30 萬到 150 萬美元不等。 這轉而使殘留催化顆粒不僅成為營運商的問題,也是保險市場的主要隱憂。

一個日益顯著的潛在問題

殘留催化顆粒是已知的問題。 催化裂解在 20 世紀 70 年代逐漸普遍,因為油價上漲迫使煉油業者從原油中提煉更多有價值的產品。 因此,關於殘留催化顆粒損害的首批報告在 20 世紀 80 年代問世。 雖然在海上去除殘留催化顆粒一向困難,但降低污染程度的船載設備(我們將在本文第 2 部分討論)建立在成熟、易於理解的技術之上。

不幸的是,這種熟悉感導致該產業具有某種程度的自滿。 如果殘留催化顆粒一如預期在 2020 年後日益普遍,那麼這種自滿情緒有可能使那些不學習新知和採取新做法的營運商付出極為昂貴的代價。

最近一篇關於船舶推進的文章應足以令許多營運商感到震驚,開始關注相關問題。 這篇文章引用了 ExxonMobil 對 40 多萬份油樣的分析,結果顯示,43% 的船舶面臨殘留催化顆粒的潛在災難性危機。 這些潛在問題即使只有一小部分成真,仍然會造成大量資金和時間的損耗及營運的中斷。

據報導,在三年的時間裡,MAN 的 PrimeServ 團隊發現,在 226 例 (84%) 氣缸襯套損壞案件中,有 190 件可能與殘留催化顆粒有關。

如上所述,殘留催化顆粒是裂解和脫硫的副產物。 油被裂解的程度越高、硫去除的量越多,殘留催化顆粒的濃度就越高。 正如 Braemar 的保羅.希爾 (Paul Hill) 簡要表達的,「這是引擎和環境之間的基本權衡。 低硫和低濃度的殘留催化顆粒不能並存。」

隨著石油輸出國組織 (OPEC) 發布的《2040 年世界石油展望》(World Oil Outlook 2040) 預測 2017 至 2022 年間,每年將增加 1.38 億噸額外的裂解效能,我們可以肯定會有更多的殘留催化顆粒進入全球各地的燃料庫。

除了殘留催化顆粒濃度較高的問題之外,非正式觀察顯示,即將生產的新催化劑會產生質地更堅硬的殘留催化顆粒,而這些產品正進入燃料市場。 如果這還不夠糟糕的話,低硫燃油的潤滑性往往比重油低,這代表磨損的情況會更嚴重。

目前含硫量限制的副作用是殘留催化顆粒的濃度與相關危害顯著增加。 為了符合 2020 年法規所做的努力,有可能使問題的嚴重程度提升至全新的境界。 Lloyd Register 燃油裝貯分析和諮詢服務 (FOBAS) 監控世界各地港口的燃油質量,並在出現問題時發出警示。 當然,營運商應該密切關注相關報告。 但是,值得注意的是,即使燃料完全符 ISO 8217 的規定,殘留催化顆粒仍有可能造成危害。

所有這一切使得存在已久的問題正在發展新的面向。 在殘留催化顆粒討論的第 2 部分中,我們將研究解決方案並討論營運商需要如何改善現況或面對龐大的成本。

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