Den daglige drift – Katalysatorpartikler og motorslitage, Del 1

Som industri er vi vant til at tænke stort. Skibe bærer produktionen fra alverdens gårde, fabrikker og miner til alle lande med en havn. Uvejr, som kan ses helt fra rummet, bølger så høje som højhuse – de findes alle i det daglige arbejde. En af ​​de største udfordringer, industrien står over for, handler om de helt små ting. Og den trussel, de udgør for sikker drift af hele verdens skibsflåde, kan blive betydeligt værre.

Et nyt lovkrav, som træder i kraft i starten af 2020, vil medføre omfattende ændringer i udvalget og tilgængeligheden af skibsbrændstoffer over hele verden. For skibsoperatører vil pålidelig og sikker drift af motorer uundgåeligt kræve større forståelse og mere sofistikerede strategier for brændstofhåndteringen end i dag. Omfanget af den kommende udfordring er – allerede nu – umulig at forudsige i detaljer. Men den succes, som skibsoperatørerne har haft med at forebygge problemer, vil i vid udstrækning afhænge af deres tiltag i de kommende måneder.

Brændstof i flux

Den 1. januar 2020 træder den globale skibsindustri ind i æraen for lavt svovlindhold i brændstoffer. Dette vil udgøre industriens største lovbestemte forandring siden MARPOL 73/78-konventionerne og vil foranledige en af de største ændringer af driften, som industrien nogensinde har oplevet. Fra den dag skal al skibsfart overholde International Maritime Organization's (IMO) strenge grænse på 0,50 procent (masse/masse) for svovl i brændstoffer.

Grænsen på 0,50 procent er betydeligt lavere end den nuværende grænse på 3,50 procent, som blev indført i 2012, og udgør en tilføjelse til grænsen på 0,10 procent i emissionskontrolområderne (ECA). Selv om IMO med rette beskriver den nye grænse som en sejr for miljøet og menneskenes sundhed, er den en kæmpe udfordring for skibsindustrien. Desværre indebærer denne håndtering af miljøtrusler en mekanisk udfordring i håndteringen af katalysatorpartiklerne, dvs. små partikler, der skal opfanges for ikke at sætte motorernes drift overstyr.

Brændselsolie til skibe har aldrig været et produkt, der har krævet særlig opmærksomhed. Råolien destilleres på raffinaderier, hvor et produkt af meget høj værdi udtages fra toppen af destillationskolonnen. Fra gasser og benzin, over flybrændstof, diesel, smørolier og det, der så er tilbage – et tykt, sort stof – bruges til at drive skibe og fremstille asfalt. Det ser ikke så kønt ud, men det har i den grad bidraget til udviklingen af den moderne verden.

Problemet med svovl

Når motorer forbrænder fossile brændstoffer, frigiver de svovloxider (SOx), som i atmosfæren bidrager til en række sundheds- og miljøproblemer såsom luftvejslidelser hos mennesker og dyr samt forsuring af jord og vand.

Svovl forekommer naturligt i al råolie og findes i højere koncentrationer i de højtkogende fraktioner af destillationsprocessen. Det betyder, at brændstofproduktionen fra begyndelsen af 2020 skal håndtere svovlindholdet bedre, og skibsoperatørerne står over for mere komplekse brændstofvalg end nogensinde før.

Skibe med flydende naturgas (LNG) vil ikke have nogen problemer med at overholde kravet – men LNG-skibe udgør kun en lille del af den globale flåde og forventes at forblive det i årtier fremover på grund af høje investeringsomkostninger og manglende infrastruktur til gasforsyningen. Mange andre skibe vil fortsætte med at forbrænde brændselsolie med højt svovlindhold (HSFO), som er baseret på skrubberteknologien til rensning af udstødningsgasserne ned til et accepteret niveau. Men for flertallet af flåden vil 2020 og derefter betyde, at der skal vælges brændstof fra et voksende udvalg af næsten svovlfrie destillater, blandinger og – i mindre grad – helt nye brændstoffer fremstillet af vegetabilske olier.

2020 ændrer alt

Hver ny brændstoftype vil kræve, at der skal tages stilling til en række driftsmæssige og økonomiske variabler. Undersøgelsen af alle disse variabler er beskrevet i en særskilt artikel, men det er værd at notere sig, at variationerne i viskositet, smøring og temperatur generelt har omfattende konsekvenser for sikker, pålidelig drift af motorer, pumper og andet udstyr.

Fokus på katalysatorpartikler

Men af alle de variabler, der gælder for den nye æra med lavt svovlindhold i brændstofferne, er måske den potentielt mest skadelige forekomsten af katalysatorpartikler. Katalysatorpartikler har længe været et kendt, men overkommeligt fænomen, men de kommende krav om lavt svovlindhold vil sætte nyt fokus på dem som en voksende risikofaktor for skibenes motorer og operatørernes budgetter.

Så hvad er de?

Hvordan katalysatorpartikler dannes

Moderne raffinaderier bruger først atmosfærisk og vakuumdestillation til at fjerne de mest flygtige produkter af højere værdi fra toppen af destillationskolonnen. De "krakker" den resterende råolie op i sine forskellige fraktioner ved hjælp af termiske og katalytiske processer. Ved katalytisk krakning tilføjer raffinøren fysiske katalysatorer for at bryde oliemolekylerne.

De anvendte katalysatorer er forskellige former for syntetiske krystallinske zeolitter – mineralforbindelser af aluminium og silicium, der er meget porøse og ekstremt hårde.

Katalysatorer er dyre, og raffinaderierne genindvinder og genbruger dem, så meget de kan. Men ud over et bestemt punkt er det hverken praktisk muligt eller økonomisk rentabelt for raffinaderiet at blive ved at forsøge af forfine denne proces. Katalysatorpartikler er de partikler, der bliver tilbage. De forbliver i brændselsolien. Og de bliver pumpet ind i dine skibe.

Fastsættelse af brændstofstandarder

Specifikationerne for skibsbrændstof fastlægges ud fra den internationale standard ISO 8217, som begrænser koncentrationen af katalysatorpartikler i brændselsolie til skibe. Brændstof, der er produceret under den nuværende standard, er begrænset til 60 dele pr. million (ppm). Denne grænse er grundlæggende et kompromis – hvis den blev sat lavere, ville det ikke længere være muligt at sikre en god forsyning af brændselsolie til skibe på verdensplan. Men selv ved 60 ppm udgør katalysatorpartikler et stort problem for motorer, og producenter som f.eks. MAN og Wärtsilä anbefaler, at brændstof, der føres ind i motoren, har en koncentration af katalysatorpartikler på 15 ppm eller derunder.

Katalysatorpartiklernes egenskaber

Fysisk er katalysatorpartikler uregelmæssige i deres form, og i skibsbrændstof varierer de fra submikronstørrelse op til omkring 100 μm – groft sagt fra størrelsen på et støvkorn og op til bredden på et menneskehår. Deres tæthed varierer også, men er generelt lidt højere end for tung brændselsolie (HFO). Større katalysatorpartikler bundfælder sig i olien, mens de små partikler med lav densitet ikke gør det.

Af alle katalysatorpartiklernes fysiske egenskaber er det mest problematiske for skibene dog hårdheden. Katalysatorpartikler er ekstremt hårde – ligger op til 8,2 på Mohs-skalaen, hvor diamant er 10 – og de kan let lave ridser og lejre sig på ståloverflader.

Den skade, de forvolder

Når katalysatorpartikler føres gennem en injektor, kan de sætte sig fast mellem cylinderbeklædningen og stempelringen, dvs. en afstand på 3-5 μm. Enhver partikel, der er større end det, der kan forårsage slitage. Med hvert stempelslag bliver katalysatorpartiklen mast ned i de glatte overflader, hvor den skærer spor, der bliver større over tid. Brændstofpumper, injektorer, ventiler og andre komponenter er også i fare. Og selv de mindre partikler kan gøre betydelig skade.

Det er fristende at betragte denne form for slidskader som almindelig mekanisk slitage over tid. Og i mange tilfælde er det ikke mere end det. Men katalysatorpartikler i høje koncentrationer kan også forårsage akut og katastrofal skade inden for meget kort tid.

En tilgængelig online rapport beskriver et angreb af katalysatorpartikler, som lammede en motor efter kun 100 timers brug. Da motoren blev afmonteret, så ingeniørerne, at "alle stempler og foringer var fuldstændigt ødelagte og måtte udskiftes".

Det siger sig selv, at skader af denne art er ekstremt dyre. Der nævnes erstatningskrav fra U SD 300.000 helt op til USD 1,5 million. Det betyder, at katalysatorpartikler ikke kun er et problem for operatørerne, men også er årsag til stor bekymring på forsikringsmarkedet.

Et skjult problem, der bliver synligt

Katalysatorpartikler er ikke et nyt problem. Katalytisk krakning blev udbredt i 1970'erne, da de stigende oliepriser tvang raffinaderier til at udnytte den værdifulde råolie mest muligt. Som resultat begynder de første rapporter om katalysatorpartikler at komme ind i 1980'erne. Selvom det altid er en udfordring at fjerne katalysatorpartikler til søs, er det udstyr, der skal bruges til at reducere forureningsniveauerne (som vi beskriver i del 2 af denne artikel, baseret på gennemprøvede og kendte teknologier.

Det høje kendskab har desværre ført til en vis grad af selvtilfredshed i industrien. Hvis kontamineringen med katalysatorpartikler som forventet bliver mere udbredt efter 2020, kan denne selvtilfredshed vise sig at blive en meget dyr affære for de operatører, der ikke opdaterer deres viden og praksisser.

En nylig artikel i Marine Propulsion bør være nok til at chokere mange operatører til at blive opmærksomme. Artiklen omtaler en ExxonMobil-analyse af mere end 400.000 olieprøver, som viste, at 43 % af skibene potentielt har et katastrofalt problem med katalysatorpartikler. Selvom kun en brøkdel af de potentielle problemer bliver til virkelighed, er der stadig tale om pengebeløb, tidsforbrug og driftsforstyrrelser i alvorligt omfang.

Det er også blevet rapporteret, at MAN's PrimeServ-team over en treårig periode fandt, at katalysatorpartikler var impliceret i 190 ud af 226 tilfælde (84 procent) af beskadiget cylinderforing.

Som beskrevet ovenfor er katalysatorpartikler et biprodukt af krakning og fjernelsen af svovl. Jo mere olierne bliver krakket og svovlindholdet reduceret, desto højere bliver niveauet af katalysatorpartikler. Som Paul Hill fra Braemar har udtrykt det direkte: "Det er grundlæggende et kompromis mellem motoren og miljøet. Du kan ikke have lavt svovlindhold og lav forekomst af katalysatorpartikler samtidigt."

I OPEC World Oil Outlook 2040 forudsiges det, at krakningskapaciteten vil blive øget med 138 mio. ton pr. år fra 2017 til 2022, så vi kan være sikre på, at der trænger betydeligt flere katalysatorpartikler ind i verdens skibe.

Ifølge tidligere erfaringer synes problemet med højere indhold af katalysatorpartikler at kunne blive endnu større, fordi fremtidens produktion af nye katalysatorer har en tendens til at medføre endnu hårdere katalysatorpartikler, som også finder vej til brændstoffet. So om det ikke var slemt nok, har brændstof med lavt svovlindhold også en tendens til at være mindre smørende end tunge olier, hvilket betyder, at slitagen forværres.

En bivirkning af de nuværende svovludledningsbegrænsninger er, at niveauet for katalysatorpartikler – og de relaterede skader – er steget markant. Stramningerne i 2020-kravene kan forværre problemet til et helt nyt niveau. Lloyd’s Register’s Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service (FOBAS) overvåger brændselsoliens kvalitet i havne over hele verden og udsender advarsler, når der opstår problemer. Operatører bør selvfølgelig være meget opmærksomme på disse og andre rapporter. Men det er vigtigt at bemærke, at katalysatorpartikler kan forårsage skader, selv om brændstoffet er fuldt ud kompatibelt med ISO 8217.

Når alt kommer til alt, er dette et gammelt problem, der antager nye dimensioner. I Del 2 af beskrivelsen af katalysatorpartikler vil vi se på løsningerne og debatterer, hvordan operatører skal lægge en større indsats eller acceptere betydelige omkostninger.

Download Alfa Laval Adaptive Fuel Line Blue Book

Hvordan kan vi hjælpe dig?

Kontakt os venligst ved spørgsmål og serviceanmodninger.

Kontakt os

For maritime nødsituationer, ring +47 905 24 620