革新海洋：生物燃料在船舶发动机中的挑战与机遇（一） - 海洋生物燃料技术

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特别免责声明：

本推文内容不作为船东决策依据。

集美航运交流编辑部 徐进老轨指导编写

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案例分享 Case Sharing

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大家能否猜想一下，顶部白色沉积物是什么？

润滑油碱性添加剂析出？

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0.5%S低硫油钙元素Ca偏高吗？

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根据以往柴油机管理经验，活塞头部白色或黑灰色沉积物多为润滑油碱性添加剂，在不完全燃烧状态下添加剂析出沉积所导致。

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其次，0.5%S低硫油往往钙元素含量（CA）偏高（俗称“工艺残留物”)，在不完全燃烧下形成活塞头部积碳。

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继续看下去，应该都不淡定了吧？

2021年2季度，珠海某船主、副机，四冲程机都使用润滑油为SAE40,TBN30产品。出现了缸头和活塞头部大量白色堆积物。船舶反馈信息，润滑油耗量不大。润滑油添加剂的碳酸钙还是来自燃料中的某种元素呢？左图，现场放取的油样。

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白灰固体物检测

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常规燃油套餐：IP501检测方法，无法检测到某些特定状态或形式的元素.

未来检测手段需更新。

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原因推断

纳米二氧化硅助燃剂残留物？

硅纳米添加剂对以大豆生物柴油为燃料的柴油发动机性能及排放特性的影响？

Influence of Silica Nano-Additives on Performance and Emission Characteristics of Soybean Biodiesel Fuelled Diesel Engine            energies-14-01489.

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为什么会遇见生物燃料？

过去：

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a)曾经生物燃料（FAME）价格远低于石化燃料，主要常见于船用重油（船用残渣油RM级）中。

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b）疫情三年，车油销量大幅度下降；外加“2020的0.5低硫油履约”需求；低硫油产能不足，某时刻或某地区高比例的生物柴油被调和到船用油（直馏油DM级或RM级）中。

现在：

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MEPC要求船舶年度营运CII折减率（Carbon Intensity Indicator）采用了分段计算的方法。2020-2030年时间段，以2019基准年。确定到2030年需要提高的比例。以往确定2020、2021和2022年折减率为1%、2%和3%，不做强制性审核,

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MEPC 80次经过讨论, 2023到2026年CII折减率分别5%、7%、9和11%,强制审核验证。2027-2030年,导则没有给出折减要求,可能维持2%的年折减量,也可能提高或降低,有待于2026年IMO对实施情况的评估。因此船舶不可能采用无限制的降速来符合CII每年递增的折减率。

MEPC80次会议，除了CII做了修改，还明确了近期、中期 和远期温室气体减排目标。

作为“指示性校核点”：年度国际海运温室气体排放总量2030年于比2008年至少降低20-30%，

到2040年，至少降低70%-80%。2050年碳中和。

综合归纳成分4步走：

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1）新造船需综合考虑新技术应用、新能源燃料、兼容性、脱碳潜力等；

2）现有船建议生物燃料掺混（生物燃料被关注和应用也就是这个所推动的）；或综合措施（如脱硫塔+碳收集器）。

3）中期计划考虑零碳燃料和单船履约（我们国家在争取船队总体履约）；

4）远期考虑区域解决方案/产业链协同部署。

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生物燃料特性 Bio-fuel Characteristics

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生物燃料的定义

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生物燃料是一种从生物质中提取的燃料油包括，但不限于：加工过的废食用油；脂肪酸甲酯(FAME)；脂肪酸乙基酯(FAEE)；纯（直）植物油（SVO）；氢化植物油（HVO）；甘油或其他生物质制锂产品；电子燃料等。

常见生物柴油：1、脂肪酸甲酯（FAME）；2、氢化植物油 （HVO），它们被按工艺区分，称为第一、二代生物燃料（以下简称生物柴油或生物燃料）。

根据欧盟规则（温室气体排放WtW），由生物质或有机废物生产来按代分类。现在常见的工艺制成FAME和HVO划成了第一代。市场上最多的是脂肪酸甲酯（FAME），FAME的工艺又分为化学法、超临界法和生物酶法。

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MEPC79次会议，允许生物燃料进入RM级残渣油。相关行业从以往的谨慎走向了高呼“easy and available” ，“so far,so good”。但市场上生物柴油FAME制成技术并没获得重大的突破。

应用生物燃料考虑的因素 Factors to consider in the application of biofuel

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1，生物燃料的可持续性（MEPC作了定论）

2，减少二氧化碳、硫排放量和NOx符合性

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3，燃料标准 / ISO 8217

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4，技术和操作所面临的挑战（第3部分）

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排放合规 Compliant Discharge

排放—硫氧化物（Sulphur oxide）、二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）。

硫氧化物排放量接近于零，低颗粒物排放；

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二氧化碳排放减少（从油井到油罐，WTT）；

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IMO MEPC 79通过了MARPOL附则VI第18.3条的统一解释(UI)，允许在不评估NOx排放的情况下使用生物燃料和生物燃料混合物。任何比例的生物燃料NOX均被接受。

生物柴油的氮氧化物排（NOX）放量的无显著增加。（生物油氮氧化物排放量测试略微高于传统石化燃料）。

OEM: 发动机可以在不改变NOx关键部件或发动机批准的技术文件规定的设置/运行值的情况下运行。

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参考：MEPC.1-Circ.795-Rev.7 - Unified Interpretations To Marpol Annex Vi (Secretariat)

MAN二冲程机各负荷下的NOx排放测试

图表基于FAME各比例测试。

B30表示生物燃料掺混30% v/v.

HVO（氢化植物油）被认为等同于DM级（馏分油）燃料的质量，预计与DM级燃料等级相似的NOx排放。

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应用生物燃料临时指南 (MEPC.1/Circ.905)的重点

生物混合燃料转换系数Cf（临时计算标准）：生物燃料的每兆焦耳（MJ）能量产生二氧化碳当量的排放量（单位：gCO2eq/MJ表示）乘以 其低热值(LCV，以MJ/g表示）。

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与石化燃料MGO的排放量比较至少需减少65%的温室气体排放，石化燃料MGO为94gCO2e/MJ，即至少不得超过33 gCO2e/MJ。

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CF 应基于能量划分的相应燃料量的CF值的加权平均来确定。

未被认证为“可持续”或未达到WTW排放系数标准（即排放强度超过33 gCO2e/MJ）的生物燃料，其CF值应被视为等效石化燃料的CF值（即无法享受生物燃料的减排效应）。

“IMO海运燃料全生命周期温室气体强度导则”的最新计算方法一旦生效，其自然失效。

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单位 gCO2eq/MJ 是指每兆焦耳（MJ）能量产生的二氧化碳当量（CO2eq）排放量。

每能量单位的温室气体排放量(gCO2e/MJ)来衡量

参考：MEPC.1/Circ.905 24 July 2023“INTERIM GUIDANCE ON THE USE OF BIOFUELS UNDER REGULATIONS 26, 27”

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燃油标准/ISO8217-2017 Fuel Standard/ISO 8217-2017

ISO 8217-2017没有更新。ISO和MEPC74次会议原声称2022年更新。预计在2024年一季度出台最新版。（ISO 8217：2017标准馏分油DM等级中含生物燃料不大于7%V/V）。

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生物燃料欧盟标准：FAME/EN 14214（或参考ASTM D6751）；汽车合成或加氢处理的石蜡柴油燃料/EN 15940:2016+A1:2018 (E)（分为两个等级，7%v/v HVO和FAME的标准）

可参考的标准还有：新加坡海洋生物燃料规范WA2-2022。

OEM：如果燃料的特性符合ISO 8217标准中表2“RM”等级的限制，但包含ISO 8217标准中未涵盖的生物成分，则不能声称符合ISO 8217标准。

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注：保险、担保和合同中，应包含ISO 8217的要求条款或除外。以及增加国际生物燃料Cf计算临时标准的内容。

生物柴油掺混比例

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现有实船试验都是与ISO 8217 DM或RM等级燃料掺混。掺混生物燃料有FAME（Fatty acid methyl esters） ，或类似FAME（Similar FAME-type fuels），或HVO（Hydro-treated vegetable oil ）；或FAME或HVO单一油品的·。

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生物柴油HVO与MD或MR(直馏油和残渣油)比FAME混合性得更好。

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通过试验，一般FAME与石油燃料混合掺混比例不大于30%v/v。

大于30%v/v，应满足防污公约附件六18.3.2规定的要求，做格外的评估，需船级社认可。

OEM认为高混合比的生物柴油对发动机有潜在的不利影响。

观察性指标 Observation Index

1，闪点：

生物燃料应该满足防污公约附件六18.3.1规定的要求。生物燃料最低闪点限制值为最小55 ℃ ，与SOLAS PART II和船级社“闪点”要求为最低60℃相比，存有一定船舶安全管理隐患。应注意到油舱、柜上部有空间，存在混合气体，避免在油舱柜或与其相连的透气管附近明火作业。

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参照标准:

   EN 14214：FAME闪点大于101℃。

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   EN15940:2016+A1:2018 (E)，将生物柴油FAME和HVO分为两个等级，闪点均为>55℃。

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2，粘度、密度、冷流动性和加热温度

FAME:  在40℃下粘度约为3-5 cSt，在15℃时密度约为860-900 kg/m3

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   HVO：在40℃时粘度约为2-3 cSt，在15℃时,密度约为780 kg/m3。

   欧盟标准EN 15940:2016+A1:2018 (E)， 7%v/v HVO和FAME的两个等级标准，粘度均为2.0 - 4.5cSt.

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冷流动性较石化产品差、倾点高。

加油前向燃料供应商询问有关粘度和温度关系的信息。如果没有，使用正常的石化粘温性曲线进行调整。舱柜温度必须足够高，至少在倾点以上10°C，保持燃油自由流动。

燃油分离处理加温高于石化粘温性曲线推荐值。它可能与等效的化石燃料不一样。应考虑蜡基石化产品的WDT和WAT。需要确定合适的燃油进机温度和粘度。

进机粘度仍然参照以往OEM要求：2-20 cSt。

3，水分、酸值

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水分mg/kg：<500。    水分会增加微生物活动的风险，酸值增加，发生氧化和老化。

铜腐蚀度  3小时/50 ℃：CLASS 1

与DM或RM混合，应该参考8217中酸值标准。生物柴油生产过程中酸性残留物；作为FAME降解的产物，游离脂肪酸可能会导致燃油泵以及喷射部件的腐蚀问题。

检测中，应注意到“一般燃油中的石油酸不会造成太大影响，但有时会出现炼化过程中产生的微量强酸”。但“燃油中不应该有无机酸，即使其含量不超标“。

FAME有良好的润滑性能。可以缓解低硫残渣油加氢工艺带来的极性物质减少，给运动偶件所带来的磨损。

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关注微量元素的变化。

4，低热值（LHV）

生物燃料的LHV（或叫柴油净热值LCV）比传统船用石化燃料低。

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FAME：欧盟的LHV最低控制标准35 MJ/kg （EN 14214）；市场上FAME的LHV可低至37-38 MJ/kg。

   国家石化柴油LHV标准不得低于43.5 MJ/kg（国际上：42.7 MJ/kg ）；市场上石化柴油LHV在45-50 MJ/kg左右。

HVO：质量接近DMA，有资料显示HVO的LHV高达44.5MJ/kg。

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低热值-使用测量方法(ASTM D240)。根据附则六18.3.2.2条的规定，以及ISO 8217的“附件H”，可接受适用偏差的允许量为10%。

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OEM：低热值不应明显低于传统船燃，正确的能量含量是调整发动机的关键依据。

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要求BDN必须提供低热值（LVH）数据（对照参考最新的ISO8217）。

5，十六烷值（ECN ）

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ISO8217（或GB17411）：

馏分油DM指标（表1）：“十六烷值（ECN），表示其着火性能的强弱。DMX DMA DMZ DMB 分别为不小于45，40，40，35。

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残渣油RM指标（表2）：芳香烃指数（CCAI），表示其滞燃性能。CCAI数值越高，后燃越严重；一般推荐范围820-870。

FAME的十六烷值（ECN）标准：>51（ EN 14214），一般ECN在50-60。

欧盟标准EN 15940:2016+A1:2018 (E)，生物燃料分为两个等级（参和7%v/v的HVO或FAME），十六烷值分别为：>70 和>51。有资料显示HVO的ECN甚至高达80。

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新加坡海洋生物燃料规范WA2-2022：“生物燃料规范应使用一种单独的测试方法来测量十六烷数（ECN），至少应报告馏分物海洋生物燃料的十六烷值”。

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