Den daglige utfordringen – katalysatorpartikler og motorslitasje, Del 1

Et nytt regulatorisk regime, som trer i kraft ved begynnelsen av 2020, vil føre til omfattende endringer i variasjonen og tilgjengeligheten av maritime brensler rundt om i verden. For skipsoperatører vil pålitelig og sikkert drift av motorer nødvendigvis kreve større forståelse og mer sofistikerte drivstoffhåndteringsstrategier enn i dag. Omfanget av den kommende utfordringen er – selv nå – umulig å forutsi nøyaktig. Men i hvilken grad skipsoperatørene klarer å unngå problemer, vil i stor grad være avhengig av handlingene de gjør i de kommende månedene.

Drivstoff i endring

1. januar 2020 kommer den globale skipsfartsindustrien til å gå inn i lavsvovelepoken, noe som vil være industriens største regulatoriske omveltning siden MARPOL 73/78-konvensjonene, og en av de største operasjonelle endringene den noensinne har møtt. Fra den dagen vil alle i skipsfartsindustrien måtte overholde IMOs strenge 0,50 prosent (masse/masse)-grense for svovel i drivstoff.

Grensen på 0,50 prosent er betydelig lavere enn den nåværende 3,50-prosentgrensen som ble introdusert i 2012, og kommer i tillegg til grensen på 0,10 prosent i utslippskontrollområder (ECA). Mens IMO med rette beskriver den nye grensen som en seier for miljøet og menneskers helse, utgjør den for skipsfartsindustrien en stor hodepine. Dette fordi det å fjerne en miljøfare dessverre betyr å innføre en mekanisk en, nemlig CAT fines – ørsmå partikler som, hvis de ikke blir fanget, kan forårsake skade på motorene.

Marin brenselolje har aldri vært det man kunne beskrive som en glamorøs substans. Fra råolje destillerer raffineriene destillater og ekstraherer høyverdige produkter fra toppen av destillatkolonnen. Fra gasser og bensin, ned via flydrivstoff og diesel, og deretter smøroljer, til det som er igjen – et tykt, svart restprodukt – som brukes til å drive skip og lage asfalt. Det er ikke vakkert, men det har bokstavelig talt bidratt til å skape den moderne verden.

Problemet med svovel

Når motorer brenner fossilt drivstoff frigjør de svoveloksider (SOx), som i atmosfæren bidrar til en rekke helse- og miljøproblemer, som åndedrettssykdommer hos mennesker og dyr, og forsuring av jord og vann.

Svovel forekommer naturlig i all råolje og finnes i høyere konsentrasjoner i de høyestekokende restfraksjonene fra destillasjonsprosessen. Dette betyr at drivstoffproduksjonen fra begynnelsen av 2020 må endres for bedre å kunne takle dette svovelet, og skipsoperatørene vil stå overfor mer komplekse drivstoffvalg enn noen gang før.

Skip med flytende naturgass (LNG) har ingen problemer med å overholde kravene, men LNG-skip utgjør en liten brøkdel av den globale flåten. Det er forventet at det vil være slik i flere tiår, på grunn av høye investeringskostnader og mangel på forsyningsinfrastruktur. Mange andre skip vil fortsette å brenne høysvovelbrennstoffolje (HSFO), og være avhengig av scrubberteknologi for å rense eksosgassene til et kompatibelt nivå. Men for flertallet av flåten vil 2020 og utover bety at de må velge fra et voksende utvalg av lavsvoveldestillater, blandinger og, i noe mindre grad, nye drivstoffer laget av vegetabilske oljer.

2020 endrer alt

Hver ny type drivstoff vil introdusere en rekke operative og økonomiske variabler som må vurderes. Utforsking av alle disse variablene gjøres i en egen artikkel, men det er verdt å merke seg at variasjoner i viskositet, smøreevne og temperatur, har store implikasjoner for sikker, pålitelig drift av motorer, pumper og annet utstyr.

Søkelys på CAT fines

Men av alle variablene som er tilstede i lavsvovel-epoken, er forekomsten av CAT fines sannsynligvis den potensielt mest skadelige. Samtidig som CAT fines lenge har vært et kjent, men håndterbart faktum for skipsfartsindustrien, vil den kommende lavsvovelepoken sette et nytt søkelys på dem som en økenderisikofaktor for skipets motorer og operatørerens budsjetter.

Så, hva er de?

Hvordan dannes CAT fines?

Moderne raffinerier bruker først atmosfærisk destillasjon og vakuumdestillasjon for å fjerne de mest volatile, høyverdiproduktene fra toppen av destillasjonskolonnen. De "krakker" den resterende råoljen til sine forskjellige fraksjoner ved hjelp av termiske og katalytiske prosesser. Ved katalytisk krakking legger raffineriene til fysiske katalysatorer for å bryte oljemolekylene.

Katalysatorene som brukes er forskjellige former for syntetiske krystallinske zeolitter – mineralforbindelser av aluminium og silisium som er svært porøse og ekstremt harde.

Katalysatorer er dyre, og raffineriene gjenoppretter og gjenbruker det de kan. Men utover et visst punkt er det ikke lenger praktisk – og det er heller ikke noe økonomisk incitament – for raffineriene å prøve hardere. CAT fines er partiklene som blir igjen. De forblir i bunkersdrivstoffet. Og de blir pumpet inn i skipene dine.

Sette drivstoffstandarder

Maritime drivstoffspesifikasjoner er satt av internasjonal standard ISO 8217 som begrenser konsentrasjonen av CAT fines i bunkersdrivstoff. Drivstoff produsert under den gjeldende versjonen av standarden er begrenset til 60 deler per million (ppm). Denne grensen er i utgangspunktet et kompromiss – hvis den hadde blitt satt lavere, hadde vi ikke lenger vært sikret global levering av bunkersoljer. Men til og med på nivået 60 ppm, utgjør CAT fines et stort problem for motorer, og produsenter som for eksempel MAN og Wärtsilä, anbefaler at drivstoff som går inn i motorene skal ha en konsentrasjon av CAT fines på 15 ppm eller lavere.

Om fine katalysatorpartikler

Katalysatorpartiklene har fysisk en uregelmessig i form, og i bunkerbrennstoff varierer de fra under mikronstørrelse og opp til rundt 100 μm – omtrent det samme fra størrelsen av et støvkorn og opp til bredden av menneskehår. Tettheten varierer også, men er generelt litt høyere enn for tungolje (HFO). Større CAT fines vil sedimentere seg i olje, men små partikler med lav tetthet, vil ikke.

Av alle de fysiske egenskapene til CAT fines er imidlertid hardheten den mest problematiske for skipsfarten. katalysatorpartikler er ekstremt harde. De måler opp til 8,2 på Mohs skala, hvor diamant er 10, og er enkelt i stand til å skrape opp og integrere seg i stålflater.

Skaden de volder

Når CAT fines går gjennom en injektor, kan de bli fanget mellom sylinderforingen og stempelringen, et gap på rundt 3–5 μm. Enhver partikkel som er større enn dette kan forårsake slitasje. Ved hvert slag av stempelet blir CAT fines dratt over de glatte overflatene, og grave spor som bygges opp over tid. Drivstoffpumper, injektorer, ventiler og andre komponenter er også i fare. Og selv de mindre partiklene kan gjøre betydelig skade.

Det er fristende å tenke på denne typen sliteskader som vanlig langsiktig mekanisk slitasje. Og i mange tilfeller kan det være dette det dreier seg om. Men CAT fines i høye konsentrasjoner kan også forårsake akutte, katastrofale skader over en bemerkelsesverdig kort periode.

En rapport tilgjengelig på nettet beskriver et angrep fra CAT fines som satte en motor ut av funksjon etter bare 100 timers bruk. Når motoren ble demontert, fant ingeniørene at "alle stempler og sylinderforinger var helt ødelagte og måtte byttes".

Det sier seg selv at skader av denne art er ekstremt dyre, med rapporter om krav fra USD 300 000 til USD 1,5 millioner. Dette bidrar til at CAT fines ikke bare et problem for operatørene, men også en stor bekymring for forsikringsmarkedet.

Et sovende problem som våkner opp

CAT fines er ikke et nytt problem. Katalytisk krakking ble utbredt på 1970-tallet, da stigende oljepriser tvang raffineriene til å trekke ut flere verdifulle produkter fra råoljen. Som et resultat begynte de første rapportene om skader fra katalysatorpartikler å strømme inn på 1980-tallet. Selv om det alltid er en utfordring å fjerne CAT fines til sjøs, vil utstyret for å redusere forurensningsnivåer (som vi skal diskutere i del 2 i denne artikkelen, være basert på modne, godt forståtte teknologier.</p>

Dessverre har denne kjennskapen til problemet ført til et visst nivå av selvtilfredshet i bransjen. Hvis, som forventet, forurensning fraCAT fines blir mer utbredt etter 2020, kan denne selvtilfredsheten vise seg å bli ekstremt kostbar for operatører som ikke oppdaterer kunnskapen og praksisen sin.

En fersk artikkel i Marine Propulsion burde være nok til å vekke mange operatører til å vie denne utfordringen fornyet oppmerksomhet. Artikkelen viser til en ExxonMobil-analyse av mer enn 400 000 oljeprøver, noe som viste at 43 % av fartøyene har et problem med katalysatorpartikler som potensielt kan ha et katastrofalt utfall. Selv om bare en brøkdel av de potensielle problemene blir en realitet, kan dette føre til forstyrrelser som bidrar til at mye penger og tid går tapt.

Det har også blitt rapportert at MANs PrimeServ-team i en treårsperiode fant ut at CAT fines var involvert i 190 av 226 tilfeller (84 prosent) av skader på sylinderforinger.

Som beskrevet ovenfor er CAT fines et biprodukt av krakking og svovelfjerning. Jo mer olje som er krakket, og jo mer svovel som er fjernet, desto høyere er nivået av CAT fines. Som Paul Hill av Braemar tydelig uttrykte det: "Det er en fundamental avveining mellom motor og miljø. Du kan ikke ha lave nivåer av svovel og lave nivåer av CAT fines."

<Når OPEC World Oil Outlook 2040 anslår at 138 millioner tonn per år med ekstra krakkekapasitet vil bli lagt til mellom 2017-2022, kan vi være sikre på at betydelige flere CAT fines kommer inn i verdens bunkers.</p>

I tillegg til problemet med høyere nivåer av CAT fines, tyder beskrivende observasjoner på at nye katalysatorer som kommer i produksjon, vil produsere enda hardere CAT fines som vil finne sin vei til drivstoffet. Og som om dette ikke er ille nok, har drivstoff med lavt svovelinnhold også en tendens til å være mindre smørende enn tunge oljer, noe som betyr at slitasjen øker.</p>

En bivirkning av de nåværende svovelgrensene er at nivåene av CAT fines – og tilhørende skader – har økt betydelig. Oppgradering til 2020-samsvar kan skalere problemet til et helt nytt nivå. Lloyd's Registers Olje Bunkering Analyse og Advisory Service (FOBAS) ) overvåker bunkerskvalitet i havner over hele verden og utsteder varsler når problemer oppstår. Operatører bør selvfølgelig vie disse og andre rapporter, stor oppmerksomhet. Men det er viktig å merke seg at skader på grunn av CAT fines kan oppstå selv når drivstoffet er fullt i samsvar med ISO 8217.

Summen av dette er at et gammelt problem vil øke til nye dimensjoner. I del 2 av diskusjonen om CAT fines vil vi se på løsningene og diskutere hvordan operatører kan møte utfordringen for å unngå å pådra seg betydelige kostnader.