低硫燃料油之衝擊-道達爾技術工程師 莊瑞仁
2007-10-05
低硫燃料油之衝擊
道達爾技術工程師 莊瑞仁
前言
石化燃料所造成的污染議題，如溫室效應；空氣污染等一直困擾著生活在地球上的每一個人，甚至影響其他物種的生存。雖然綠色能源一直在研發與推廣，但就成本考量，畢竟繼續使用石化燃料還是各企業目前的選項。海運界使用高黏度且劣質的燃料油是營運成本上不得已的選擇，然而為兼顧環保與企業經營的永續發展，2007年8月11日歐盟（EU）已通過部份區域（SECA）限用低硫燃料油（Low Sulphur Fuel, LSF)即為此環保的考量。
SECA（SOx Emission Control Area）指的就是任何船舶航行於此區域，必須此採用低硫燃料油或增設排硫設備以降低硫化物的排放。本文將介紹各主機製造商針對此環保要求的看法與建議；同時也要探討在主機汽缸油方面如何因應此一最新的改變與衝擊。
IMO – MARPO 73/78 - ANNEX VI 規則
IMO（Internal Maritime Organization）–MARPOL 73/78 – ANNEX VI是針對船舶空氣污染的管制條文，其主要內容要求為：
1. 定義SECA區。
2. 全球海運使用燃料油含硫量上限最高為4.5% (ISO 8217, 2005) 。
3. 以及燃料油油樣追蹤與紀錄（BDN ; Bunker Delivery Note）。
目前SECA區皆設定在歐洲，第一階段SECA區為波羅的海（BALTIC SEA），已於2006年5月19日強制實施；第二階段SECA區為整個北海（NORTH SEA）與英吉利海峽（ENGLISG CHANNEL），也於2007年8月11日宣布生效。同日，法國港口檢查（PSC）也要開始對燃料油更換紀錄及船舶除硫設備的安裝與運轉情況等進行監督檢查。
所有在SECA區航行的船隻，不論國籍，都必須使用含硫量不高於1.5%的燃料油；如果船舶不使用低硫燃料油，則船上必須安裝有廢氣除硫設備，或採用其他技術來降低硫化物的排放。黑海，地中海，美國，日本與香港正進行討論，未來可能也會納入SECA區的規範內。
雖然IMO規定海運燃料油含硫量上限為4.5%，但根據統計，一般重油（Heavy Fuel Oil）含硫量約在2.6% ~2.8%佔大多數；船用柴油(MDO)含硫量通常低於1.5%。若為降低含硫量而參配此兩種油，需特別注意相容性與燃燒特性的改變。在之前”燃料油與潤滑油”一篇文章中提到 : “改變樹脂的結構，進而造成瀝青處於不穩定狀態。當燃料油來源不同，或煉油廠以不同油品摻配時，瀝青處不穩定的結構會使得油槽底部產生油泥，分油機油泥量增加”。圖一為不相容的燃料油經分油機（Separator）處理出的硬塊。
圖一、分油機取出的不相容硬塊
汽缸油與燃料油之搭配應用
在船運業，基本的空氣污染種類可分為6大類；NOX, CO2, CO, HC, Particles and SOX。除SOX外，其他五種污染物都是燃燒的產物，每一種污染物形成的多寡與燃燒條件有關，如溫度，熱效能，含氧量等參數，抑制某一種污染物形成，可能引發另一種污染物排放更多，所以控制的方式與程度只有引擎製造商可決定。唯獨硫化物的排放多寡是由燃料油中的含硫量來決定，故降低含硫量即可直接降低硫化物的排放。
燃料油中的硫份經過燃燒過程後，並在適當的溫度與壓力下即會產生具腐蝕性的酸性物質，典型的反應過程如圖二所示。
圖二、典型酸性產生反應過程
目前市售二衝程引擎（2 Stroke Engine）主要製造廠商為MHI，MAN B&W以及Wartsila。根據引擎製造廠商的推薦，高含硫燃油（High Sulpuur Fuel, HSF）必須選用高鹼質（Base Number, BN）汽缸油，以中和燃燒過程所產生的酸性物質，目前皆採用BN 70的汽缸油（如TOTAL Lubmarine TALUSIA HR 70）。
汽缸油中的BN主要成分為碳酸鈣（calcium carbonate（limestone - CaCO3）） ，經與酸反應後會形成硫酸鈣（calcium sulphate（gypsum –CaSO4））生成物，此生成物與過量未反應之碳酸鈣大部分皆會隨排氣過程排放，但部份會形成硬質積碳囤積於活塞冠（Piston crown）與活塞頂邊（Piston top land），圖三是活塞頂邊的積碳狀況。此現象如同砂紙往復作用於汽缸壁上，會造成汽缸壁拋光現象，進一步則會造成汽缸壁的油膜破壞與磨損，圖四是汽缸壁拋光現象。
圖三、活塞頂邊的積碳狀況
圖四、汽缸壁拋光現象
相對HSF，當使用LSF時，若選用BN 70的汽缸油，則過多未反應的碳酸鈣會有如上述之問題發生，故引擎製造廠商建議長期使用LSF時，應選用BN 40的汽缸油（如TOTAL Lubmarine TALUSIA LS 40）搭配應用。故燃料油與汽缸油的搭配應用如下：
HSF高硫燃料油（1.5 < S% < 4.5）： BN 70 汽缸油
LSF低硫燃料油（0.5 < S% < 1.5）： BN 40 汽缸油
汽缸油注油率（Cylinder oil feed rate）的多寡會決定積碳現象的嚴重程度。且若有裝置電子控制注油器（Lubricator）則更可節省約 20%的汽缸油消耗量，在此高油價的現在，加裝此設備不外乎是一種睿智的選擇，圖五是最新型注油器 Alpah ACC的注油率設定。不論使用HSF搭配BN 70汽缸油或LSF搭配BN 40汽缸油，各引擎製造廠商都有一定的注油率推薦值，輪機長只要按照推薦值設定注油率即可，最好不要因為要加大運轉安全係數，而加大太高注油率，因為太多的汽缸油非旦不會保護引擎，反而會造成汽缸的磨損。
圖五、最新型注油器 Alpah ACC的注油率設定
HSF與LSF交互使用
LSF僅在SECA區使用，除此之外各船東因為營運成本考量皆會使用HSF。若該船航行會進入SECA區，則該船必須同時準備HSF與LSF，以及BN 70與BN 40兩種汽缸油搭配應用（註：廠家建議若於SECA區航行未超過一星期，則可繼續使用原本BN 70的汽缸油，但須時常由掃氣室檢查缸套與活塞的磨損狀況，若需要可適時調節注油率）。準備兩套燃料油與汽缸油雖可解決海事法規的要求，但衍生更多的問題：
1. 兩套汽缸油儲油槽。
2. 管路系統修改。
3. 訓練船員切換汽缸油時機。
4. 更多的汽缸油存放於船上。
5. 更多儲存與管理花費。
雖然近幾年的新造船，部分船隻會預留兩套設備，但相對會佔用載貨空間，故並非所有船隻皆會有此類的設計。而對於更早些設計的船隻，因沒有足夠的油槽設計，相對而言會面臨更嚴峻的挑戰與抉擇。為協助船東面臨此實際的問題，TOTAL Lubmarine已於數年前開始研究解決方案，經過多次配方研究與床台試驗，終於於2006年11月取得配方專利，並向引擎製造廠商取得初步認同。目前正進行實際運轉試驗；引擎類型包括MAN B&W K98MC-C 與 Wartsila RTA 96C的船隻，以及澳門電廠試驗（MAN B&W 12K80MC-S），預計2008年初即可完成6,000小時的測試。TOTAL Lubmarine對此新產品的命名為TALUSIA UNIVERSAL(黏度為SAE 50, BN為55)，顧名思義為通用汽缸油，不論是HSF或LSF皆可適用。圖六是汽缸油BN 40 （Talusia LS 40）與Talusia Universal同時使用LSF後600小時的測試結果對照。
圖六、Talusia LS40 與Talusia Universal同時使用LSF
結論
雖然TALUSIA UNIVERSAL的BN僅為55，比現今BN 70（TALUSIA HR 70）的汽缸油更低，但此新產品的配方是以提高BN酸鹼中和效能為設計概念 - 酸鹼中和過程會有化學反應熱產生，反應熱釋放越多表示反應效能越高，並保持熱穩定性與抗氧化等性能與TALUSIA HR 70汽缸油相同。圖七是酸鹼中和效能提升的設計概念，故即使BN只有55亦可適用於高硫燃料油。同時，TALUSIA UNIVERSAL不像目前廣泛使用BN 70的汽缸油擁有如此高的碳酸鈣成分，故當與低硫燃油一同使用時，過剩未反應的碳酸鈣形成積碳的現象會較少。
所以，TALUSIA UNIVERSAL可適用於低硫燃油和高硫燃油，不需要增設儲油槽與修改管路，也不需要浪費錢儲存不同的汽缸油，更不需要擔心船員因操作錯誤而造成引擎磨損。
圖七、酸鹼中和效能提升的設計概念
參考資料
1. Port Inspection Report – TALUSIA UNIVERSAL TESTING in Macau Power Plant.
2. TOTAL LUBMARINE Research Center report.
3. IMPACT OF LOW SULPHUR FUEL ON LUBRICATION OF MARINE ENGINES – CIMAC NUMBER 26, 2007.
4. CLASSIFICATION NEWS – Lloyd’s Register Group.