均质机在船用重质燃油系统中的应用

摘要：文章根据现代重质燃料油的特点及可能带来的危害，指出了现有船用重质燃油系统在处理现代劣质重质燃料油过程中所存在的问题，通过对均质机原理的阐述，分析其在燃油系统中解决所存在问题的可行性，并提出了有效的解决方案。

关键词：均质机；重质燃料；油船用燃油系统

中图分类号：U677 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）34-0041-04

重质燃料油（以下简称重油）具有高发热值、储运稳定、成本低、使用范围广等特点，已成为冶金、建材、化工、轻纺、电力、航运等行业的主要能源之一，特别是随着国际原油价格的不断攀升和航运业的激烈竞争，为降低能耗成本，重油在船舶中的使用越来越广泛，已成为大马力、中、低速船舶柴油机的主要燃料。

与此同时，随着炼油技术的日益进步，船用重质燃料油的质量越来越差，给重质燃料的使用带来的问题越来越多。目前船舶燃料油的质量问题日益严峻，此问题处理不好，不仅会大大增加运输成本，还关系到船舶的航行安全。这样不仅给柴油机厂家不断提出挑战，也给燃油净化供应系统及辅机厂家提出新的课题。然而有关的研究和著述并不多。因此，分析现有船用重质燃料油使用过程中存在的问题，并寻求解决方案，保证船舶在使用重油的过程中，真正达到安全、节能、环保、自动化的目的具有现实意义。

1 船用重质燃油净化供应系统

1.1 燃油系统的基本构成

船用燃油系统的作用是将一定规格的燃油进行系列处理，按照柴油机使用要求连续地以一定的温度（粘度）、流量、压力输送到喷油泵入口端。因重质燃料油成本相对较低，中低速柴油机通常设置成使用重质燃料油工作，同时在机动操纵时也能使用柴油。因此整个燃油系统具体分为两个几乎完全独立的系统，一个是柴油系统，另一个是高黏度燃料油系统。系统通常由三大环节组成：燃油的加装、储存和驳运；燃油的净化处理；燃油的供给使用。

在典型的现代船舶柴油机燃油系统中，一般设有独立的柴油及重质燃油净化子系统和供应子系统。燃油净化子系统和供应子系统中一般都分别设有预处理油箱。随着现代造船业的发展，一个总体趋势是设备的模块化。除油箱外，燃油净化子系统和供应子系统中所有功能部件一般都由厂家设计组装成为两个独立的模块，即燃油净化模块（又称分油机单元）和燃油供应模块（又称供油单元）。

1.2 燃油净化子系统

典型的现代燃油净化处理系统中一般配置有预处理沉淀油箱、加热器、供油泵、离心分离机、控制系统及管

系等。

燃油净化处理系统中预处理主要包括设置沉淀箱进行燃油沉降分离与配置加热器进行预热温度控制。

离心分离机的作用主要是通过离心力的原理，将密度大于油的固体颗粒、水等组分进行分离去除。影响燃油离心分离的因素主要有密度、粘度、流率、温度等，除此之外，固相颗粒大小、分布、几何形状、固相含量浓度及颗粒与油介质表面效应作用等也将影响到燃油的分离效果。

燃油净化子系统除沉淀箱外，一般由设备厂家将分离机、加热器以及电控等组装成模（即分油机单元）提供给船厂，不仅提高造船效率，也利于安装、操作和维护。

1.3 燃油供应子系统

典型的现代燃油供应系统中一般配置有日用油箱、供油泵、循环泵（又称增压泵）、流量计、加热器、温度、粘度控制系统及精密滤器等。

日用油箱实际上是一个中间缓冲箱，具有一定的沉降分离净化再处理作用。对沉淀箱中的重油进行分离净化后，净油输送到重油日用箱供柴油机使用。日用油箱中一般设有蒸汽（或电）加热盘管，通过蒸汽调节阀（或电控）将燃油出口温度控制在85℃左右，视不同规格燃油有所不同，主要是为了保证泵送及后续处理的需要。

经燃油净化系统离心分离等处理后的净油贮存于日用油箱，再经燃油系统对燃油的温度、粘度、压力、流量和精度等进行系列处理后，供柴油机使用，又称增压系统。

日用油箱中的重油经双联粗滤器后，由燃油低压供应泵经精滤器和加热器加热后送至柴油机喷油泵。回油经调压阀返回集油箱（又称回油桶）中以便重新使用，燃油黏度调节器通过控制燃油温度，提供合适黏度的燃油以供

燃烧。

喷油泵在作用时提高燃油压力，根据柴油机工况的要求，将适量的清洁燃油，在一定的时间内，以适当的雾化状态喷入柴油机燃烧室，形成混合气，有利于燃烧并推动活塞做功。

集油箱的作用是收集回油，保证回油经过时不断排除燃油中的气体；有些系统还将其用作量油柜，以测定主机的耗油量。

由于高黏度劣质燃料油的使用，燃油预热温度大大提高。为避免在使用高黏度重质燃料油时因预热温度过高而汽化，常常采用一种加压式燃油系统。在日用燃油柜与燃油循环油路之间增设一台输送泵，防止燃油系统在高预热温度（如150℃）时发生汽化和空泡现象。

一般在燃油供应系统中配置燃油精密滤器，用于进一步清除未被净化的杂质，以确保柴油机的安全。

以上燃油供应子系统除日用油箱外，一般由设备厂家将供油泵、流量计、加热器、温度、粘度控制系统及精密滤器等等组装成模块（即供油单元）提供给船厂，不仅提高造船效率，也利于安装、操作和维护。

2 现代重质燃油特点及影响

2.1 现代重质燃油特点

重质燃料油对柴油机及相关辅机的影响的质量指标较多，一般主要考虑粘度、硅铝等机械杂质含量以及储存稳定性等主要指标。船用现代燃油的品质变化主要决定于炼油技术的进步。传统燃油来自于常压蒸馏与真空减压蒸馏的产物，相对于炼制原油总量约为35%～55%，现代炼油采用催化裂化与减粘裂化技术所得的最终残留物和馏出产物，相对于炼制原油总量仅为8%～25%。现代燃油品质呈普遍下降的趋势，是一种性质完全不同于传统燃油的油品。现代燃油具有高密度、高粘度、高铝硅量（催化微粒）、高含渣量、不稳定性等性质，也就是说现代重质燃料油的主要质量指标较传统燃油出现了重大变化，其中铝硅量等有害杂质含量增加及不稳定性增强又是影响其使用的主要因素。

催化裂化是最重要的重油烃质化过程之一。催化裂化产生品包括气体、汽油、柴油、重质油及焦炭。深度裂化将渣油中含氢较丰富的部分进一步提炼出去，增加成品油中轻镏分油的数量，使剩余渣油的碳/氢比（C/H）提高，从而降低了油的燃烧性能，增加了有害杂质的含量。特别是在原油加工过程中，经过催化裂化流程后，加进去的催化剂微粒为硅和铝的化合物，经循环使用，大部分回收后，约有5%左右的微粘残留在渣油中。

重油中催化剂颗粒（主要为硅Si及铝Al的化合物）引起的磨损是近年来新发生的问题，对远洋船舶的影响非常重要。残留在油品中的这些催化剂微粒细小，既硬又脆，过多的硅和铝对高压油泵柱塞和套筒造成异常磨损或咬死；喷油器异常磨损和粘住，造成喷雾不良；缸套异常磨损划伤；活塞烧损；活塞环异常磨损和折断；排气阀异常磨损；增压器喘振等不良后果。在实际使用过程中发现，一旦发生磨损，可能是破坏性的，造成汽缸拉缸停车事故。更为严重的是，在海上的船只由于失去动力成为自由漂浮的孤岛，当遇到风暴时就不能避险，造成船毁人亡的重大事故。

重油是一种十分复杂的碳氢组分的混合体，沥青质是已知的絮凝物质，一般认为是引起燃料油不稳定性问题的主要原因。由于现代重油的高含渣量、沥青质加重，燃料油在储存过程中，由于温度的变化和重力作用，沥青质与周围油状介质的平衡易于受到破坏，产生沥青质聚沉现象（俗称“二次结渣”）明显加剧，易造成滤器的堵塞等，对其使用造成困难。再者，现代重油的高密度、高粘度也给净化处理带来接近极限分离的操作条件，增加了净化处理的困难。

2.2 现代重质燃油给燃油系统所带来的问题

船用重质燃料油预处理与净化处理系统主要通过沉降、离心分离和过滤等方法脱除燃油中的水分和固态杂质。但随着炼油技术的日益进步，特别是经催化裂化（FCC）所产生的重油，FCC硅铝等有害颗粒大大增加，重油不稳定性增强，原有处理系统存在的问题也日益显露出来，主要表现在以下四个方面：

2.2.1 设备故障率和维护成本增加。现代燃油的劣质化、难分离、不稳定等特性给离心分离机的净化分离操作及系统控制带来越来越多的困难。不仅使杂质、淤渣未有效分离，还大大提高燃油泵和分离机的故障率，增加滤器负担。

2.2.2 不该分离的有效成分被分离，造成浪费。由于离心分离机是根据密度差进行分离，在密度相近时分离无选择性，导致燃油软性淤渣团被分离造成浪费。如果不被分离，则会堵塞滤器以及导致不正常雾化和恶劣燃烧。

2.2.3 该分离的有害颗粒未被分离，造成损害。离心分离机是根据密度差原理进行分离，以机械杂质为结晶核心的软性油渣团，由于其整体密度与重油比较接近，在实际状况下很多有害机械杂质难以分离。由于有害杂质的含量增加又不能有效去除，尤其是残留在油品中的催化剂微粒细小，既硬又脆，进入燃油系统后会对高压油泵柱塞和套筒造成异常磨损甚至会咬死，还会使喷油器异常磨损，造成喷油雾化不良，同时也会造成缸套、活塞环、排气阀等异常磨损。

2.2.4 形成的“二次淤渣”未被有效处理，造成故障与浪费。由于燃油的不稳定性，日用箱中经分离机分离后的燃油产生的“二次淤渣”不仅会增加燃油系统中滤器等的负担，浪费燃油，也不利于其燃烧。

3 一种均质机及在现代燃油净化供应系统中的有效应用

3.1 TBG系列均质机原理

均质器是一种在重质净化供应处理系统中的辅助设备，随着重质燃料油劣质化的加剧，其作用日益突显出来。TBG系列均质机其主要工作原理是采用特殊设计的转子和定子在电机的高速驱动下，通过DS叶轮和HT叶轮的高速旋转，产生的高线速度和高频机械效应带来强劲动能，使重油在定子、转子的高速相对运动中，受到强烈的机械及液力剪切、离心挤压、液层摩擦、高速撞击撕裂和湍流等综合作用而分裂、破碎、分散，并在短时间内让物料承受几十万次的这种剪切作用，不仅使机械颗粒迅速从以其为结晶核心的淤渣团中剥离出来，而且使软性淤渣在瞬间充分均匀地分散、乳化、均质、溶解，并在密闭的腔体里形成上下左右立体紊流，经过高频的循环往复，最终得到稳定的高品质产品。

该机还利用超声波以及高速旋转机构的挤压与剪切作用，将离心分离后在日用柜中的“二次结渣”充分细化均质，还可以燃油中所剩余的水分与杂质充分均匀混和，使未被离心分离掉的燃油中水分（一般低于0.2%）经充分均质后变成对柴油机燃烧不影响的成分，保证柴油机可靠

工作。

TBG系列均质机的主要特点：

3.1.1 能有效将有害的硬质颗粒（FCC粒子）从以其为结晶核心的重质燃油软性淤渣团中剥离出来（而不是粉粹），使分油机更易分离出这些对发动机有害的硬质颗粒，减少发动机部件（尤其是燃烧室的部件）的磨损和故障，达到保护发动机的目的。

3.1.2 能有效将以沥青质颗粒为结晶核心的重质燃油软性淤渣团破碎、分散细化和溶解，使其恢复到可燃烧的油品状态，而避免分油机将其分离，从而不但可以降低分油机的排渣量，节省燃油，而且还可以减少分油机的故障（由于软性淤渣被破碎和溶解），使分油机更易清洗和

维护。

3.1.3 重油中的软性淤渣（包括油柜中产生的二次淤渣）被破碎、分散细化和溶解，不但可以使安装其后精密滤器不易堵塞，减少燃油的浪费，而且能够降低燃油表面张力，使燃油更加细微均匀，改善燃油品质，提高发动机中燃油的雾化效果，使燃油燃烧更加充分，同时降低发动机的维护成本。

3.1.4 进出口没有明显压降，无需单独配置增压泵；可长时间连续工作，不会发生堵塞故障，无需定期拆洗和维护。

3.1.5 电机与本体可选择刚性连接或磁性连接。

3.1.6 无机械接触磨损，使用寿命长，性能稳定；结构简单，易于安装、操作和维护。

3.1.7 一般在燃油净化供应系统中的安装有两种形式（见图1、图2），根据其在燃油净化供应系统中所装的位置不同，所起的作用也有所差别。

值得一提的是，还有一种结构的均质机是通过一对齿轮的相对运动进行研磨，应不适于对重油的处理，不仅对于粘度高的重油其易堵塞，难以清理维护，关键是其相对运动的齿轮研磨可能会带来机械颗粒被研碎，把油中的大颗粒研磨成很细微的粉末，不但不能去除利于有害颗粒，反而使其进入发动机，导致燃烧不好，长时间使用后，导致高压油泵等磨损加剧，问题更大。

3.2 均质机在燃油系统中的两种应用方案

重质燃料油的劣质化、难分离、不稳定等特性给离心分离机的净化分离操作及系统控制带来越来越多的困难，二次催化裂化（FCC）后重油的大量使用使这一现象加剧。虽然相关设备厂家在不断提高分离机的性能和分离后过滤设备的精度，但都不能从根本上解决以上存在的问题。

为了使燃油净化处理系统日趋完善，使整个系统对现代燃油具有更有效的分离效果和更大的适应性，在合适的位置加装均质机是一种有效的方法，会取得一举多得的

效果。

3.2.1 在净化系统中，加装在沉淀箱与离心分离机之间（见图1）。

图1

一是能有效将有害的硬质颗粒（FCC粒子）从以其为结晶核心的软性淤渣团中剥离出来，有效降低发动机零部件的磨损，达到保护发动机的目的。

重油中存在着一些对发动机的运转部件极为有害的硬质颗粒（FCC粒子），这些硬质颗粒一旦进入发动机，轻则增加零部件的磨损，重则可能造成零部件的拉伤。通常FCC粒子不以独立形态存在，而是以其作为核心聚结成淤渣团，淤渣团的整体比重较FCC粒子明显降低，与重油比重差不大，导致离心机很难分离。在分离机前安装均质机后，将硬质颗粒从包裹的淤渣团中有效剥离出来（注意：不是将硬质颗粒粉碎），FCC粒子基本出来后，大大提高了其与重油的比重差，使分离机容易将这些“该去除”的有害颗粒有效去除。

二是能有效将以沥青质颗粒为结晶核心的重质燃油软性淤渣团破碎、分散细化和溶解，使其恢复到可燃烧的油品状态。

重质燃油软性淤渣团是完全可燃烧成分，加装均质机后可有效将其分散细化而避免分油机将其分离，使这些可燃烧成分留下来，减少浪费，而且还可以降低分油机的排渣量，可以减少分油机的故障（由于软性淤渣被破碎和溶解），使分油机更易清洗和维护。

3.2.2 在供应系统中，加装在日用箱与柴油机之间（见图2）。

图2

经分离机分离后的燃油进入日用箱后，在使用储存过程中，由于燃油的不稳定性，会产生“二次淤渣”，这些软性“二次淤渣”不仅会被滤器过滤掉造成燃油浪费，还会增加燃油系统中滤器等的负担，加上未被分离干净的水的积聚，也不利于其燃烧。

在日用箱后加装均质机后，重油中的软性淤渣（主要是油柜中产生的二次淤渣）进一步被破碎、分散细化和溶解，避免安装其后精密滤器将其滤掉，减少燃油的浪费；可以减少精密滤器的负担，使其不易堵塞，降低故障率；能够降低燃油表面张力，使燃油更加细微均匀，改善燃油品质，提高发动机中燃油的雾化效果，使燃油燃烧更加充分，同时降低发动机的维护成本。

由于重（渣）油在常温下粘度很大，呈半塑性状态，具有分子间缔和力大、不易分散等特征，一般情况下，日用箱中的残留水与其乳化极为困难。但由于均质机的强力作用，使其乳化成为可能，形成的乳化油被喷到汽缸里，被燃油包裹的水滴在高温下沸腾，使外层包裹的燃油爆成更小的油滴，这种“二级雾化”使表面积比原来增大了200倍，大大地提高了燃油和氧气的混合，不仅能够提高燃油的燃烧效率，节约能源，同时由于燃烧完全，降低了NOX等有害气体的排放，减少了环境污染。

4 结语

随着燃油技术的不断进步，重质燃油品质不断下降，特别是铝硅量等有害杂质含量增加及不稳定性增强影响明显，不仅给柴油机等使用安全带来很多威胁，也给燃油净化供应系统带来更多困难。

在船用重质燃油净化系统中加装均质机不仅可以使有害机械杂质更有效地得以分离，还可防止可燃烧有效成分的浪费，降低成本，同时也可降低分离机的故障率和维护成本。

在船用重质燃油供应系统中加装均质机可以细化由于重油的不稳定性所产生的“二次淤渣”，减少燃油的浪费和滤器的负担，同时可提高燃油的燃烧效率，减少了环境污染。

以上改善方案经国内外几千条船的实际应用，效果明显，值得推广。

研磨式均质机由于机械颗粒等有害杂质易被研碎而进入柴油机，不利于有效燃烧，且有加剧对柴油机造成损害等副作用，不适于对柴油机使用重油的预处理。

参考文献

[1] 重质燃料油基础知识与应用[M].北京：中国石化出

版社，2009.