Het dagelijkse werk - Fijne katalysatordeeltjes en motorslijtage, Deel 1

Een nieuw regelgevingskader, dat begin 2020 van kracht wordt, zal de variëteit en beschikbaarheid van scheepsbrandstoffen over de hele wereld ingrijpend veranderen. Voor scheepsexploitanten zal het betrouwbaar en veilig laten draaien van motoren onvermijdelijk meer kennis en geavanceerde brandstofbehandelingsstrategieën vereisen dan tot nu toe. Het is onmogelijk om de omvang van de komende uitdaging - zelfs nu nog - goed te voorspellen. Maar het succes dat scheepsexploitanten hebben in het vermijden van problemen zal grotendeels te danken zijn aan de acties die ze de komende maanden zullen ondernemen.

Brandstoffenin beweging

Op 1 januari 2020 zal de wereldwijde scheepvaartindustrie het laagzwavelige tijdperk ingaan. Dit is de grootste regelgevende omwenteling in de industrie sinds de conventies van MARPOL 73/78 en is een van de grootste operationele veranderingen ooit. Vanaf die dag moet alle scheepvaart zich houden aan de strikte limiet van de Internationale Maritieme Organisatie (IMO) van 0,50 % (massa / massa) op zwavel in brandstoffen.

De limiet van 0,50 % is aanzienlijk lager dan de huidige limiet van 3,50 % die in 2012 werd ingevoerd en wordt toegevoegd aan de al bestaande grens van 0,10 % in emissiecontrolegebieden (ECA). Hoewel de IMO de nieuwe limiet terecht beschrijft als een overwinning voor het milieu en de menselijke gezondheid is het voor de scheepvaartindustrie een immens probleem. Het verwijderen van een gevaar voor het milieu betekent helaas dat er een mechanisch gevaar moet worden geïntroduceerd, namelijk fijne katalysatordeeltjes. Dit zijn kleine deeltjes die, als ze niet worden aangepakt, schade kunnen aanrichten aan motoren.

Stookolie voor de scheepvaart is nooit een glamoureuze substantie geweest. Raffinaderijen beginnen met ruwe olie en destilleren en winnen daaruit hoogwaardige producten uit het bovenste deel van de distilleerkolom. Daarna volgen gassen en benzine, vliegtuigbrandstof en diesel, dan smeeroliën, tot wat er overblijft - een dik, zwart residu. Dit overblijfsel wordt gebruikt om schepen aan te drijven en asfalt te maken. Het is niet mooi, maar het heeft letterlijk bijgedragen aan het creëren van de moderne wereld.

Het probleem met zwavel

Bij de verbranding van fossiele brandstoffen in motoren komen zwaveloxiden (SOx) vrij, die in de atmosfeer bijdragen aan een reeks gezondheids- en milieuproblemen, zoals ademhalingsaandoeningen bij mensen en dieren en bodem- en waterverzuring.

Zwavel komt van nature voor in alle ruwe olie en wordt in hogere concentraties aangetroffen in de hoogkokende restfracties van het destillatieproces. Dit betekent dat vanaf het begin van 2020 de brandstofproductie zal moeten veranderen om beter met die zwavel te kunnen omgaan. Scheepsexploitanten zullen te maken krijgen met complexere brandstofkeuzes dan ooit tevoren.

Schepen met vloeibaar aardgas (LNG) zullen geen moeite hebben om aan de limiet te voldoen. Ze vormen echter een klein deel van de wereldwijde vloot. Dit zal naar verwachting nog tientallen jaren zo blijven, vanwege de hoge investeringskosten en het gebrek aan toeleveringsinfrastructuur. Veel andere schepen zullen hoogzwavelige stookolie (HSFO) blijven verbranden en vertrouwen op scrubbertechnologie om hun uitlaatgassen tot een conform niveau te reinigen. Maar voor de meerderheid van de vloot betekent 2020 en dat er moet worden gekozen uit een groeiend assortiment van laagzwavelige destillaten, mengsels en - in mindere mate - nieuwe brandstoffen gemaakt van plantaardige oliën.

2020 verandert alles

Elk nieuw type brandstof zal een reeks operationele en economische variabelen introduceren die overwogen moeten worden. Het onderzoeken van al deze variabelen is het onderwerp van een ander artikel, hoewel het de moeite waard is om te vermelden dat variaties in viscositeit, smering en temperatuur verstrekkende gevolgen hebben voor de veilige, betrouwbare werking van de motoren, pompen en andere apparatuur.

Spotlightop fijne katalysatordeeltjes

Maar van alle variabelen in het laagzwavelige tijdperk kunnen de fijne katalysatordeeltjes de meeste schade aanrichten. Hoewel fijne katalysatordeeltjes al lang een bekend maar hanteerbaar feit zijn in de scheepvaart, zal het komende laagzwavelige tijdperk hen in de schijnwerpers zetten als een toenemende risicofactor voor scheepsmotoren en budgetten van exploitanten.

Wat zijn ze dan?

Hoefijne katalysatordeeltjes worden gevormd

Moderne raffinaderijen gebruiken eerst atmosferische en vacuümdestillatie om de meest volatiele producten van hogere waarde uit het bovenste deel van de distilleerkolom te verwijderen. Vervolgens "breken" ze de resterende ruwe olie in verschillende delen met behulp van thermische en katalytische processen. Bij katalytisch breken voegt de raffinaderij fysieke katalysatoren toe om de oliemoleculen te breken.

De gebruikte katalysatoren zijn verschillende vormen van synthetische, kristalachtige zeolieten - minerale verbindingen van aluminium en silicium die zeer poreus en extreem hard zijn.

Katalysatoren zijn duur en raffinaderijen herstellen en hergebruiken wat ze kunnen. Maar er is een punt waarop het voor de raffinaderij niet langer praktisch is - en ook geen economisch nut meer heeft - om nog meer te proberen. Fijne katalysatordeeltjes zijn de deeltjes die achterblijven. Ze blijven achter in de bunkerbrandstof. En ze worden de schepen ingepompt.

Brandstofnormen vaststellen

De specificaties voor scheepsbrandstoffen zijn vastgelegd in de internationale norm ISO 8217, die de concentratie van fijne katalysatordeeltjes in de bunkerbrandstof beperkt. Brandstof die wordt geproduceerd onder de huidige versie van de norm is beperkt tot 60 delen per miljoen (ppm). Deze limiet is feitelijk een compromis - als er een lagere limiet zou worden vastgesteld kan de wereldwijde voorraad van bunkeroliën niet langer worden gegarandeerd. Maar zelfs bij 60 ppm vormen fijne katalysatordeeltjes een groot probleem voor motoren. Fabrikanten, zoals MAN en Wärtsilä, adviseren dat brandstof die de motoren binnenkomt concentraties van fijne katalysatordeeltjes van 15 ppm of minder heeft.

De kenmerken van fijne katalysatordeeltjes

Fysiek gezien zijn fijne katalysatordeeltjes onregelmatig van vorm en in bunkerbrandstof variëren ze van submicrongrootte tot ongeveer 100 μm - ruwweg van de grootte van een stofje tot de breedte van menselijk haar. Hun dichtheid varieert ook, maar is over het algemeen iets hoger dan die van zware stookolie (HFO). Grotere katalysatordeeltjes zullen in olie bezinken, maar kleinere deeltjes met een lage dichtheid zullen dat niet doen.

Van alle fysieke kenmerken van de fijne katalysatordeeltjes hebben schepen het meest moeite met de hardheid. Fijne katalysatordeeltjes zijn extreem hard - tot 8,2 op de schaal van Moh, waarbij diamant 10 is. Ze kunnen makkelijk krassen veroorzaken en worden ingebed in stalen oppervlakken.

De schade die ze veroorzaken

Wanneer fijne katalysatordeeltjes door een injector dringen, kunnen ze vast komen te zitten tussen de cilindervoering en de zuigerveer, een opening van ongeveer 3-5 μm. Elk deeltje dat groter is dan dat kan slijtage veroorzaken. Met elke slag van de zuiger, zullen de fijne katalysatordeeltjes door de gladde oppervlakken worden gemalen, waardoor er door de tijd heen sporen ontstaan. Brandstofpompen, injectoren, kleppen en andere componenten lopen ook risico. En zelfs de kleinere deeltjes kunnen aanzienlijke schade aanrichten.

Het is verleidelijk om te denken dat deze slijtageschade gewoon normale, lange-termijn mechanische slijtage is. En in veel gevallen kan dat alles zijn. Maar fijne katalysatordeeltjes in hoge concentraties kunnen in een opmerkelijk korte periode ook acute, catastrofale schade veroorzaken.

Een rapport dat online beschikbaar is, beschrijft een geval waarin fijne katalysatordeeltjes in slechts 100 uur gebruik een motor volledig verlamde. Toen de motor uit elkaar werd gehaald, ontdekten ingenieurs dat "alle zuigers en voeringen volledig waren vernietigd en vervangen moesten worden".

Vanzelfsprekend zijn de kosten van deze schade extreem hoog. Rapporten melden claims van USD 300.000 tot USD 1,5 miljoen. Dit zorgt ervoor dat fijne katalysatordeeltjes niet alleen een probleem zijn voor de exploitanten, maar ook een grote zorg zijn voor de verzekeringsmarkt.

Eenslapend probleem dat wakker wordt

Fijne katalysatordeeltjes zijn geen nieuw probleem. Katalytisch breken werd wijdverspreid in de jaren '70, toen de stijgende olieprijs raffinaderijen dwong om meer waardevolle producten uit hun ruwe olie te halen. Als gevolg daarvan verschenen in de jaren '80 de eerste rapporten van schade door fijne katalysatordeeltjes. Hoewel het altijd een uitdaging is om fijne katalysatordeeltjes op zee te verwijderen, is de apparatuur aan boord voor het verlagen van contaminatiegehaltes (wat we in deel 2 van dit artikel bespreken  gebaseerd op volwaardige en bekende technologieën.

Helaas heeft deze bekendheid geleid tot een zekere mate van gemakzucht in de industrie. Als fijne katalysatordeeltjes zoals verwacht na 2020 meer voorkomen, zou deze gemakzucht extreem duur kunnen uitvallen voor exploitanten die hun kennis en praktijken niet bijwerken.

Een recent artikel in Marine Propulsion zou genoeg moeten zijn om veel exploitanten aan te zetten tot hernieuwde aandacht. Het artikel citeerde een ExxonMobil-analyse van meer dan 400.000 oliemonsters, waaruit bleek dat 43% van de schepen een mogelijk catastrofaal probleem met fijne katalysatordeeltjes heeft. Zelfs als slechts een fractie van die potentiële problemen werkelijkheid wordt, staat er nog steeds veel geld, tijd en ontregeling op het spel.

MAN's PrimeServ-team rapporteerde ook dat in een periode van drie jaar fijne katalysatordeeltjes in 190 van de 226 gevallen (84 %) als oorzaak werden aangewezen van schade aan de cilindervoering.

Zoals we hierboven beschreven, zijn fijne katalysatordeeltjes een bijproduct van breken en zwavelverwijdering. Hoe meer olie er wordt gebroken en hoe meer zwavel er wordt verwijderd, hoe hoger het gehalte aan fijne katalysatordeeltjes. Zoals Paul Hill van Braemar kort en bondig heeft uitgedrukt: "Het is een fundamentele wisselwerking tussen de motor en de omgeving. Je kunt geen lage zwavel- en lage gehaltes fijne katalysatordeeltjes hebben."

De OPEC voorspelt in World Oil Outlook 2040 dat er 138 miljoen ton per jaar aan extra kraakcapaciteit zal worden toegevoegd tussen 2017 - 2022. Dit zorgt zeker voor aanzienlijk meer fijne katalysatordeeltjes die de bunkers van de wereld binnenkomen.

Ter aanvulling op het probleem van hogere gehaltes aan fijne katalysatordeeltjes, stellen anekdotische observaties dat nieuwe katalysatoren die in productie komen nog hardere fijne katalysatordeeltjes produceren en hun weg naar brandstof vinden. En alsof dat niet erg genoeg is, hebben brandstoffen met een laag zwavelgehalte ook de neiging minder smeerbaar te zijn dan zware oliën, wat de slijtage verergert.

Een neveneffect van de huidige zwavellimieten is dat de gehaltes aan fijne katalysatordeeltjes - en bijbehorende schade - aanzienlijk zijn toegenomen. De stap naar de limiet van 2020 kan het probleem naar een geheel nieuw niveau tillen. De Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service (FOBAS) van Lloyd's Register bewaakt de bunkerkwaliteit in havens over de hele wereld en waarschuwt wanneer er zich problemen voordoen. Exploitanten moeten natuurlijk goed letten op deze en andere rapporten. Maar het is van vitaal belang om te weten dat schade door fijne katalysatordeeltjes kan optreden, zelfs wanneer brandstof volledig conform is met ISO 8217.

Het komt erop neer dat een oud probleem nieuwe dimensies krijgt. In Part 2 Deel 2 van onze bespreking van fijne katalysatordeeltjes bekijken we de oplossingen en aanpassingen die exploitanten moeten maken om aanzienlijke kosten te voorkomen.