劣质船用燃料油的使用与控制.docx

劣质船用燃料油的使用与控制胡晓微（中国船舶燃料有限责任公司，北京 100020）摘 要：文中针对国内经营的船舶燃料油，普遍存在为追求低价，不能够诚信使用符合国家标准要求的原料，调合出可保证船东用户放心使用的合格品种。而这些掺入煤焦油负面原料的油品，虽然表面指标漂亮，但给内贸船用油 用户带来了六大方面的使用危害，同时介绍了针对出现危害方面问题，对船东用户使用时的建议。关键词：质量现状；相容性；沉渣；着火性；性价比中图分类号：U677文献标识码：A文章编号：1006-7973（2014）06-0008-04一般来讲，石油科学实质上是实验科学，具体讲，柴油机燃料油品的质量控制因素就是来源于实践中的通过各方面 仿真、模拟进而归纳出的各项指标性质控制值和控制方法， 也就是产品标准。所以，掌握燃料对柴油机影响的关键点就是要牢牢地、真实地掌握燃料的每一项产品标准中规定的指标值是否合乎要求。 下面，介绍一下国内船用燃油市场的质量情况、劣质船用燃油对柴油机的危害、船用燃油的性价分析以及船用燃油的使用建议。一、国内船用燃油市场的质量情况国际船用残渣型燃料油的发展趋势和国内政策引导的船 用残 渣型燃 料油 的发 展趋势 的用意 非常好 ， 在 ISO8217-2012 和 GB17411-2012 的标准中，明确指出“燃料应该是由石油炼制获取的烃类均匀混合物”然而，国内为追求经营成本的降低，目前市场上船用残渣型燃料油的大部 分都不完全是以传统的直溜、减压蒸馏的渣油为基础原料，与生产线上重质柴油馏分进行调合而成的，形成较稳定组分，而多数是以油浆、页岩油组分作为主要调料调而出，甚至 在调合过程中大量使用溶剂油、煤焦油组分、轮胎油组分、乙烯焦油等组分，所以，内贸船用残渣型燃料油的调合原料趋于恶化。给船舶的安全带来了危害，也给船公司带来经济 损失。下表 1 列举了调合船用残渣型燃料油的原料变化趋势。表 1 调合船用残渣型燃料油的原料变化趋势主要是由五大方面性质组成的，即：A：燃烧性及经济性，代表性指标：热值、CCAI 值（着 火性）、粘度、密度。B：洁净性，分高温洁净性和低温洁净性， 高温洁净性 的代表性指标：残炭（5002）、灰分（77525）、硫含量、硫化氢、钒、钠、铝+硅、钙和鋅、钙和磷；低温洁净性 代表性指标：沉淀物、水分。C：流动性，代表性指标：倾点、粘度。D：腐蚀性和氧化安定性，代表性指标：酸值。 E：安全性，代表性指标：闪点。如果以柴油机运行的角度来看指标的影响，可以简单的划分为，对燃烧前和燃烧后有直接影响的控制指标。 对燃烧后有直接影响的控制指标，包括热值、 CCAI 值（着火性）、粘度、密度、残炭（5002）、灰分（77525）、硫含量、硫化氢、钒、钠、铝+硅、钙和鋅、钙和磷、 水分、酸值。对燃烧前有直接影响的控制指标，包括：倾点、粘度、密度、沉淀物、水分、闪点。下图 1 为柴油机燃料运行示意图。2000 年代以前原料2000 年2008 年目前直溜渣油、减压后渣油、逐渐以油浆、轻重循环油、页岩较大程度增加有煤焦重柴油组分等，少量油 油为主，个别有溶剂油、生物柴油、化工废料，甚至有图 1 柴油机燃料运行示意图如果最低限度地遵守“燃料应该是由石油炼制获取的烃 类均匀混合物。”的话，调合油的成本一般要高出市场普通价 格的 350500 元。由于如此，调油商普遍没有诚信地遵守这个原则，而用户面对纷乱的市场，往往因为追求降低成本要求的驱使，一 般选择低价成品，因此说，低质原料的成品成为中国市场上的主流。应该说，在不出现危害柴油机使用的情况下，这种浆兑入油的组分兑入乙烯焦油兑入比较难以把握的是，以上恶化的原料经过巧妙的调合在指标上完全能够达到国家标准指标要求。但由于调合用的原 料基础变了，再完全依赖国家标准指标卡质量就不适应了。现在出现的典型现象就是内贸燃料油的溶解平衡体系变恶劣了，现有指标已不能反映出来。二、劣质船用燃油对柴油机的危害在 GB17411 表 2 中的 17 项指标对柴油机的使用影响收稿日期：2014-04-11作者简介：胡晓微（1962-），男，中国船舶燃料有限责任公司安全技术部高级工程师。第6 期胡晓微：劣质船用燃料油的使用与控制9选择也无可非议。1非石油炼制产物调合的低价船用残渣型燃料油主要危 害当然，虽然使用低价原料，但如果做到对调合用料组分 的充分选择，调合后经过有效的控制检查，使柴油机顺利安全使用还是可以做到的（尽管比较而言，调合产物的使用价 值不可能是优越的）。然而，事实上，目前市场上多数调油商的努力是不够的。那么，究竟使用非石油炼制产物调出的船用残渣型燃料油 主要带来哪方面的使用风险呢？经过研究和归纳，例举如下：（1）调合原料的组分性质及其原料的不稳定性，造成油品相容性出问题几率变大，这在 2008 年前几乎是没有的现 象，。因而无论国际标准的指标控制和国家标准的指标控制均没有设置对相容性的考察。（2）调合原料的组分性质及其原料的不稳定性，造成因 煤焦油等带来的一些不良组分如碱性氮、噻吩、苯酚等有机料会和油浆等含有环烷酸的渣油料发生沉渣性的反应，在不确定的温度、不确定的油品流通位置生成的沉淀物夹带局部 因溶解平衡破坏析出的沥青质粘死在柴油机流通的沿途。这种问题，使用现在的国标指标控制不起作用。国标中测试和限制沉淀物来阻止不良的堵塞现象，但事实上，煤焦油系列 调出的成品，沉淀物测试指标非常漂亮。却阻挡不了使用中照样到处粘死或堵塞。我们对某集团安监部最近在集团所辖的五个单位柴油机使用中故障的不完全统计如下表 2。表 2 柴油机使用中故障统计油品的经济性将会下降。（6）煤焦油系列调合原料进入产品，尤其其携带的杂类 化合物，或以不明确的状态混入调合成品中，会在油品喷入 燃烧室后，加大磨损、增加腐蚀。这个因素目前没有得到很好的验证，某船东的总老轨 W 先生给供油商提出了关于在氧化后测酸值的问题，SGS 检测公司研发了一种至今保密的在 氧化后测沉淀物含量的控制方法。其有效性，应该投入研究，找出有效的数据对应方式。由于，目前中国流行的是使用煤焦油的各种切割组分为 代表的调合船用残渣型燃料油，如果没有解决好以上问题，油品的石油安全问题就会必然存在，调合油商调出的油品仅按国家标准的指标检查的话，指标再漂亮，也不能确保安全 使用。必须增加控制手段。就上面所列问题举几个典型的例子：2劣质油对柴油机使用危害例举（1）CCAI 值、高温粘度超标造成柴油机危害 我们知道，船用柴油机在着火时需要柴油机进气行程初始匹配一个很好的滞燃期与油品对应的十六烷值关系，才能 很好的压燃着火。使用柴油对应的是十六烷值指标要求，对应于船用残渣型燃料油，国际上推荐的是 CCAI 值（即着火性）值要求，实际上等同于柴油的十六烷值要求。由于船用 残渣型燃料油要求比较低，加上 2008 年以前船用残渣型燃料油调合组分劣质成分较少，一般不用担心 CCAI 值不达要求，即不担心着火困难。但如今，煤焦油等系列组分调入船 用残渣型燃料油后，一个明显的变化就是密度高，粘度低，进而造成着火不良。我们来看 2011 年的一个实例，由于之前按照 GB/T17411 检查没有发现问题，疏忽了仔细了解油 品的实际质量，结果造成了加该种油品两条船的实际损失约67 万元。具体明细如下表 3。 表 3 两条船损失明细表 总故障次堵塞+混凝磨损燃烧后故障占比占比占比数次数次数次数81061375.68%394.81%15619.26%由此可见，75%以上的故障是由以上分析的两种因素所致，即使占比 19.26%燃烧后事故，如果细分的话，恐怕有 一大部分也是因为前期的脏堵等因素造成的燃烧不畅或燃烧恶化（此处，我们把停机事故全部归类成燃烧后事故）。（3）煤焦油系列调合原料进入产品，会出现因该系列原 料的进入，整体粘温特性变坏，往往是 50粘度很低，到进机温度时（一般 115120）粘度极低，高压油泵柱塞因失去润滑性而干摩擦，进而造成损伤。国家标准指标中没有这 样的考察，是因为如果老老实实采用石油炼制获得的烃类均匀混合物调合船用残渣型燃料油，粘温特性自然适当，不用操心这样的磨损。（4）煤焦油系列调合原料作为低粘组分与高密度组分的 重质渣油调合船用燃料油时，如果忽略了对 C 芳香度指数即CCAI 值的控制，即出现低粘度、高密度的产品，会直接影 响柴油机发火的质量。这点即使国家标准已有具体要求，但因传统操作的惯性，用户甚至调油商往往忽略这点。以前不用担心是因为纯石油烃调出的成品，基本着火性能不用担心。 现在则决不能掉以轻心。（5）煤焦油系列调合原料进入产品，因其原本芳烃、稠环芳烃多的缘故，势必降低调合成品的热值，即使调配到使 用安全有保证的程度，但随着煤焦油系列调合原料的增加， A 轮设备损失情况 B 轮设备损失情况 栓塞出油阀密封圈 8 套*800 元/套栓塞出油阀密封圈 6 套*15,000 元/套=6,400 元；=90,000 元；油头 8 个*600 元/个=4,800 元；油头 6 个*3,500 元/个=21,000 元；缸套 8 个*9,500 元/个=76,000 元；气缸套 6 个*13,000 元/个=78,000 元；1 活塞环 8 副*750 元/副=6,000 元；活塞环 6 副*5,800 元/副=34,800 元；活塞 8 个*17,000 元/个=136,000 元；修理费及其他辅助配件款约 50,000 元；修理费及其他配件款为 40,000 元；船期损失 4d*23,330 元/d=93,320 元船期损失 4d*8,300 元/d=33,200 元（该船每月利润为 70 万）（该船每月利润为 25 万）2合计损失：302,400 元合计损失：367,120 元3总计损失：669520 元事后 从化 验单 看 ， 该油 标称 180# ， 50 粘度 仅 为16.45，测算后 CCAI 值为 886.42，严重地超过了 180#船 用燃料油 CCAI 值最高为 860 的要求，着火性能严重不良， 从而造成整个燃烧状况不良。此外，由于 50 粘度仅为16.45，那么一般在进机温度情况下，几乎没有粘度膜的形成，高压油泵柱塞的润滑性几乎丧失，磨损加大，直接损失 柱塞及偶件。10中 国 水 运 第 14 卷（2）煤焦油等不确定组分的调入，造成分油机功能失效煤焦油的典型性质 99%都是由芳烃构成，其中 65%以 上是稠环芳烃组分。虽然调合原料使用的是煤焦油切割出的 稍偏好的组分，但由于市场上各种各样的调料的不确定，使之往往带有碱性氮、噻吩、苯酚等有机料，在适宜的条件下与油浆等含有环烷酸的渣油料发生沉淀性的反应，严重者堵 塞流通各通道，塞死分油机排渣口，带动沥青质一起粘死分油机隔层分离片。这种状况的形成，使用现有的国家标 准GB/T 17411 的全部 17 项指标根本卡不住。原因就是由于 原料没有执行国标所强调的“由石油炼制获取的烃类均匀混合物”调合的产品，原料基础变了，再完全依赖国家标准指标卡质量就不适应了。见下图 3。检查发生本图事故的化验单发现，按 GB/T 17411 的17 项指标检查全部合格，而且沉淀物等洁净性指标非常漂 亮。但经过深入检查发现，是两批次加油，是由不明成分混 合后絮凝所致，见如下数据表 4。表 4 Turbiscan 试验20140116油样测试分离指数备注编号“1#”：9月 24 日供 A 轮 编号“2#”：8月 22 日供 A 轮1#混 10% 2#1.0581.5275.864分离指数超过 5 判断为会造成堵塞。上图数据的采集，系采用 ASTM D7601 试验方法测得。三、船用燃油的性价分析1从十六烷值看经济效益柴油十六烷值表示柴油在柴油机中的发火性能，即在柴油 喷入燃烧室后，迅速氧化、过氧化，进一步迅速自燃平稳燃烧 的性质。其值是通过发动机模拟试验，与标准燃料用正十六 烷（定值为 100），甲基萘（定值为 0）混合配置而成同 期闪火而确定的。十六烷值只是方便表达发火性能的指标，真 正影响发火性能的是芳烃的含量或者柴油组份的碳氢比。对柴油，十六烷值低，不适应相应的柴油机转速，后燃 现象严重，不能及时燃烧放出热量，即使有好的热值，发出 的热量不能及时做功，化学能未被利用，反而成了污染物。 所以，除了燃烧粗暴和熄火等表观现象外，实际功效大大降 低，耗油率增加，造成直接经济损失。我们有如下实验性的数据：图 2 煤焦油堵塞示意图（3）不确定组分的的调入，造成供油输送单元的不确定堵塞由于系列煤焦油、轮胎油等不确定组分的调入，虽然在形成的船用残渣型燃料油中具有成本低廉的优势（低于优质 原料 500 元左右），甚至调合商还在实船上进行了试用。但是，依然摆脱不了由于没有采用“由石油炼制获取的烃类均 匀混合物”调合的产品所带来的弊病。其带来的最多的影响 是在输送单元流通时，由于溶解平衡和溶解平衡组分比例的变化，往往是单独本体系（同类调合油）尚可，一旦遭遇其 他调合组分形成的产品，马上呈现絮凝甚至严重絮凝的现象， 直接阻止了发动机的使用。某集团对航运公司在 20122013年期间用油故障情况进行了统计，结果 70 次用油故障均发 生在沉淀柜的严重絮凝现象。可见市场上，由于原料的低劣 是造成柴油机燃油输送单元堵塞的主要因素。见下图 3。表 5十六烷相关数据十六烷值604436耗油率g/kw h187194.2201.2由于正规公司所供油品，来源渠道比较正规，加上严格的保障制度，收发存都有对十六烷值的测算和跟踪。因此， 能够保证柴油十六烷值在 44 以上。而一些小的油商和个体户是无法保证的，由于其油源很杂，有时使用一些化工的剩 余物或小炼厂的非标产物调合柴油，在柴油十六烷值上基本没有手段保障，所以柴油十六烷值在 36 以下甚至于 30 以下的都普遍存在。这里说明的是，对于一般转数在 1,000 转/ 分以下的柴油机，十六烷值是匹配的，但不代表性价比最好。但近年内河出现高转数 1,500 转/分以上的小型柴油机，则明显不匹配，出现典型的冒黑烟现象。我们以柴油十六烷值 44 为基准进行简单测算如下表 6。表 6十六烷值 44 为基准测算内容正常较差十六烷值耗油率g/kw h44194.236201.2耗油增加率折算为每耗油一吨多耗油kg以柴油7,650元/吨折算增加金额0%（设为基准）0（设为基准）03.6%36275.4元对船用柴油机燃料油（由于低转速）而言，要求较低，不必用十六烷值衡量，在国际上，一些船东已用芳香指数， CCAI值来衡量燃烧的品质，CCAI值高代表芳烃含量高，意味着十六烷值低，着火性差，燃油的滞燃期长，后燃现象越图 3 堵塞示意图第6 期胡晓微：劣质船用燃料油的使用与控制11重，耗油率肯定增加。2从热值看经济效益燃料的热值有高热值和低热值之分。高热值是燃料完全 燃烧后发出的热量加上燃烧产物之一的水蒸气冷凝后放出的 热量的总和。它是燃料完全燃烧后发出的总热量。低热值是 高热值中减去水蒸气冷凝后放出的热量后的热值。内燃机排 气中的水蒸气所含的冷凝热，实际上是难于收回的。所以我 们在比较燃料油时采用的是低热值的概念。根据中国石化出版社内燃机燃料总结柴油机试验数 据统计关系，柴油机指示油耗率 bi 与柴油低热值 Hl，成反 比关系，bi=3.6/（iHl）。也就是说，柴油的低热值越高， 耗油率越低。船用残渣型燃料油在使用性质上应遵循雷同的 统计规律。于是有以下测算。表7 柴油机热转化率i不变时的测算值般要求 50%馏出量时温度低于 300。反过来看，300时馏出量要大于 50%。只有这样油耗可能在合理的范筹内。如 果馏分过重，则会在平均蒸发性上差，燃烧将会滞后或后燃 现象严重，不完全燃烧几率加大，从而油耗加大。我们有如下的数据说明了这个问题。表9 柴油在300馏出量低于40%与油耗之间试验规律300馏出量38%30%低于20%油耗变化g/kw h每吨基准消耗增加 消耗，KG设为基准增加油耗23%增加油耗大于30%0（设为基准）230大于300 增加费用，元 0 1,760 大于2,295 折算起来金额惊人！4从机械杂质看经济效益燃油的机械杂质是不溶于溶剂油或苯等强溶剂的不良组 分，多为无机盐类。燃油中的机械杂质易造成油路的堵塞、 滤器的堵塞，除此以外流经高压油泵和喷油嘴时，在压力作用下会造成严重磨损。对于燃油机械杂质，多部分可以通过油路中的粗滤器、细滤器和分油机除掉。机械杂质过大给滤 器、分油机造成负担，增加了工作量和滤器损坏几率，从而会增加如维修费用和人员的劳务费。四、船用燃油的的使用建议鉴于目前国内船用燃料油市场的现状，从油品控制的角 度，建议船东注意以下油品质量控制问题：（1）应该不局限于使用 GB/T 17411 的 17 项指标考 察油品质量，前面已提到，由于中国市场调合原料普遍违背了 GB/T 17411“由石油炼制获取的烃类均匀混合物”的调合原则，原料基础变了，供油方和受油方又都不舍得对低成 本的追求，在非纯石油烃调合产物面前，再完全依赖国家标准指标卡质量就不适应了。尤其是低温洁净性只依靠沉淀物指标的测量，显然有欺骗性，必须使用负责任的供应商目前 采取的脱离掉任何溶剂，只依靠温度和压力关系，模仿现场使用的状况进行的模拟过滤，只有这样，才能真正剔除各种不确定组分可能带来的影响。（2）建议船东注意多次购买使用油品之间的相容性，这在 中国目前有其必要。要么在同批、同原料产品内形成用油循环，减少商家没有彻底考察各组分的相容性而造成的不同批次油品 不相容的现象。具体可了解正规供油商采取的内控具体做法。（3）建议船东在采购油品的同时要综合思考热值、CCAI值的指标，确保燃烧性水平的基础上，再比较价格关系。同 时也要考虑供应商公司在油品数量上能给与的保证，避免计量所带来的损失。（4）建议船东将内部燃料成本考核机制与机损、船舶零 件寿命等经济状况统一起来考核用油的经济性。（5）建议船东在使用问题总结的基础上，建立属于船东的采购标准，使质量价格有机结合，可以借助供油商公司的 实验室力量完成对船东用油质量的监控，进而彻底达到价格适当，应用安全，明白消费。参考文献1 何学良，詹永厚，李疏松编著.内燃机燃料M.北京：中 国石化出版社，1999.2 陈其谔编著.燃油应用技术M.北京：人民交通出版社，1987. 内容 正常好油品 掺生物柴油5% 不正常油品 热值，MJ/KG 45.98（11,000kcal/kg）41.8（10,000kcal/kg） 37.62（9,000kcal/kg）3.6/（热转化率45.98）0%（设为基准）3.6/（热转化率4