Moottoria kuluttavat katalyyttihiukkaset, osa 1

Uusi vuoden 2020 alussa voimaan tuleva sääntelyjärjestelmä tuo mukanaan laajat muutokset meriliikenteessä käytettävien polttoaineiden valikoimaan ja saatavuuteen eri puolilla maailmaa. Moottorien luotettava ja turvallinen käyttäminen vaatii laivojen operaattoreilta nykyistä parempaa ymmärrystä ja kehittyneempiä polttoaineen käsittelystrategioita. Tulevan haasteen laajuutta on mahdotonta ennustaa tarkasti. Se, miten hyvin laivojen operaattorit onnistuvat välttämään ongelmat, määräytyy pitkälti lähikuukausina tehtävien toimenpiteiden mukaan.

Polttoaineetmuuttuvat

Maailmanlaajuinen merenkulkuala siirtyy 1.1.2020 vähärikkiseen aikakauteen. Kyse on sääntelyn suurimmasta muutoksesta sitten MARPOL 73/78 -yleissopimusten ja yksi suurimmista operatiivisista muutoksista, joita ala on koskaan kohdannut. Tuosta päivästä alkaen kaikissa laivoissa käytettävän polttoaineen on täytettävä IMO:n (International Maritime Organization) tiukka vaatimus. Sen rikkipitoisuus saa olla enintään 0,50 painoprosettia.

0,50 prosentin raja on huomattavasti alhaisempi kuin nykyinen 3,50 prosentin raja, joka otettiin käyttöön vuonna 2012. Päästöjenrajoitusalueilla (ECA) raja 0,10 prosenttia. Vaikka IMO kuvailee sinänsä aivan oikein uutta rajaa ympäristön ja ihmisten terveyden voitoksi, se aiheuttaa hankaluuksia merenkululle. Valitettavasti ympäristön suojeleminen aiheuttaa mekaanisen riskin katalyyttihiukkasten muodossa. Jos niitä ei poisteta, ne voivat aiheuttaa tuhoa moottoreissa.

Meriliikenteessä käytettävä polttoöljy ei ole koskaan ollut erityisen kiehtovaa. Jalostamoissa raakaöljystä tislataan ja uutetaan korkean lisäarvon tuotteita. Niitä saadaan tislauskolonnien yläosista. Ne ovat kaasuja, bensiiniä, lentokoneissa käyttävää ja dieselpolttoainetta. Seuraavaksi saadaan voiteluöljyjä. Jäljelle jäävää paksua, mustaa ainetta käytetään laivojen polttoaineina ja bitumin valmistukseen. Se ei ole mieltäylentävää, mutta se on kirjaimellisesti auttanut luomaan modernin maailman.

Rikin aiheuttama ongelma

Kun moottoreissa poltetaan fossiilisia polttoaineita, vapautuu rikkidioksideja (SOx. Päästyään ilmakehään ne aiheuttavat useita terveys- ja ympäristöongelmia, kuten hengityselinten sairauksia ihmisille ja eläimille sekä maaperän ja veden happamoitumista.

Kaikki raakaöljyt sisältävät rikkiä. Sen pitoisuudet ovat korkeimmillaan tislattaessa muodostuvissa fraktioissa, joiden kiehumispisteet ovat korkeimmat. Tämä merkitsee sitä, että vuoden 2020 alusta lähtien polttoaineen tuotantoon on tehtävä muutoksia, jotta rikkiä voidaan käsitellä paremmin. Siksi polttoaineen valitseminen muuttuu laivojen operaattoreille vaativammaksi kuin ennen.

Nestemäistä maakaasua käyttävät laivat täyttävät vaatimukset helposti, mutta ne muodostavat vain pienen osan koko maailman kauppalaivastosta. Tilanteen odotetaan pysyvän tällaisena vuosikymmenien ajan suurten investointikustannusten ja polttoaineen jakeluinfrastruktuurin puutteiden vuoksi. Monissa laivoissa jatketaan runsaasti rikkiä sisältävän polttoöljyn (HSFO) käyttämistä luottaen kaasujen puhdistustekniikkaan, jotta pakokaasujen päästötasot täyttävät vaatimukset. Useimmissa laivoissa polttoaineeksi on vuodesta 2020 alkaen valittava jokin vähärikkinen polttoaine, seos tai jokin uusista kasviöljypohjaisista polttoaineista, joskin niiden määrä jäänee vähäiseksi.

Vuonna 2020 kaikki muuttuu

Jokainen uusi polttoainetyyppi tuo tullessaan erilaisia toimintamalleja ja taloudellisia muuttujia, jotka täytyy ottaa huomioon. Näiden muuttujien tutkiminen on erillisen artikkelin aihe, mutta on syytä huomata, että viskositeetin, voitelun ja lämpötilan vaihtelut vaikuttavat perusteellisesti moottoreiden, pumppujen sekä muiden laitteiden turvalliseen ja luotettavaan toimintaan.

Tarkastelussa katalyyttihiukkaset

Kaikista vähärikkisen aikakauden muuttujista vahingollisimpia lienevät katalyyttihiukkaset. Katalyyttihiukkaset on jo pitkään tunnettu laivoissa, mutta tämä ongelma on onnistuttu pitämään hallinnassa. Tulossa oleva vähärikkinen aikakausi pahentaa niiden haitallisia vaikutuksia laivojen moottoreille ja operaattoreiden budjeteille.

Mitä ne ovat?

Miten katalyyttihiukkaset muodostuvat?

Nykyaikaisissa öljynjalostamoissa helpoimmin haihtuvat ja samalla arvokkaimmat tuotteet otetaan talteen tislauskolonnin yläosasta ensin ilmakehän paineessa ja sen jälkeen tyhjiössä tapahtuvan tislaamisen avulla. Tämän jälkeen jäljellä oleva raakaöljy krakataan eri fraktioiksi käyttäen lämpö- ja katalyyttisiä prosesseja. Katalyyttistä krakkausta varten öljyn joukkoon lisätään fyysisiä katalyyttejä öljymolekyylien pilkkomiseksi.

Katalyytteinä käytetään erilaisia synteettisten zeoliittikiteitä. kuten alumiinin ja piin erittäin huokoisia ja kovia mineraaliyhdisteitä.

Katalyytit ovat kalliita, joten jalostamot ottavat niitä talteen ja käyttävät ne uudelleen mahdollisuuksien mukaan. Tietyn vaiheen jälkeen jalostamolle ei ole enää käytännöllistä eikä taloudellisesti kannattavaa jatkaa niiden talteenoton yrittämistä. Katalyyttihiukkaset ovat bunkkeripolttoaineen joukkoon jääviä hiukkasia. Ne pumpataan laivoihisi.

Polttoaineille asettavat vaatimukset

Laivoissa käytettävien polttoaineiden tekniset tiedot perustuvat kansainväliseen standardiin ISO 8217 Siinä rajoitetaan katalyyttihiukkasten pitoisuutta bunkkeripolttoaineessa. Nykyisen standardin vaatimusten mukaisesti tuotetussa polttoaineessa niiden pitoisuus on rajoitettu 60 miljoonasosaan (ppm). Tämä raja on pohjimmiltaan kompromissi. Jos se olisi asetettu alemmaksi, bunkkeriöljyjen maailmanlaajuista tarjontaa ei enää olisi voitu turvata. Mutta jopa 60 ppm:n pitoisuudella katalyyttihiukkaset aiheuttavat vakavia ongelmia moottoreille. MAN:in ja Wärtsilän kaltaiset valmistajat suosittelevat, että moottoreihin syötettävässä polttoaineessa katalyyttihiukkasten pitoisuus saa olla enintään 15 ppm.

Katalyyttihiukkasten olemus

Katalyyttihiukkasten fyysinen muoto on epäsäännöllinen. Niiden koko bunkkeripolttoaineessa vaihtelee mikronia pienemmästä noin 100 mikrometriin, eli pölyhiukkasesta hiuksen paksuuteen saakka. Myös niiden tiheys vaihtelee, mutta yleensä se on hieman suurempi kuin raskaan polttoöljyn (HFO). Suurimmat katalyyttihiukkaset laskeutuvat öljyn pohjalle, mutta pienet ja tiheydeltään alhaiset eivät.

Katalyyttihiukkasten laivoissa haitallisin fyysinen ominaisuus on kovuus. Katalyyttihiukkaset ovat erittäin kovia. Niiden kovuus Mohsin asteikolla jopa 8,2 (timantin kovuus tällä asteikolla on 10). Siksi ne pystyvät naarmuttamaan teräspintoja ja painumaan niihin helposti.

Niiden aikaansaamat vahingot

Kun katalyyttihiukkaset kulkeutuvat ruiskusuuttimen läpi, ne voivat jäädä kiinni sylinterivaipan ja männänrenkaan väliseen, kooltaan noin 3-5 μm:n rakoon. Mikä tahansa tätä suurempi hiukkanen voi aiheuttaa hankausta. Jokaisella männäniskulla katalyyttihiukkanen hankaa sileitä pintoja. Niihin kovertuvat urat laajenevat ajan myötä. Lisäksi polttoainepumput, ruiskutussuuttimet, venttiilit ja muut komponentit ovat vaarassa. Pienemmätkin hiukkaset voivat saada aikaan merkittäviä vahinkoja.

On helppoa sortua ajattelemaan, että tällaisia hankausvaurioita täytyy pitää tavanomaisena hitaasti tapahtuvana mekaanisena kulumisena. Sitä ne usein ovatkin. Suurina pitoisuuksina katalysaattorihiukkaset voivat aiheuttaa äkillisiä ja katastrofaalisia vahinkoja.

Verkossa julkaistussa raportissa kuvataan katalyyttihiukkasten aiheuttama vaurio, jonka seurauksena moottori lakkasi toimimasta jo sadan käyttötunnin jälkeen. Kun moottori purettiin, huomattiin, että "kaikki männät ja renkaat olivat tuhoutuneet kokonaan, joten ne piti vaihtaa".

Tällainen vaurio käy erittäin kalliiksi. Vahinkoilmoitusten loppusummat olivat alueella 300 000 - 1,5 miljoona dollaria. Siksi katalyyttihiukkaset aiheuttavat operaattoreiden lisäksi ongelmia myös vakuutusyhtiöille.

Orastava ongelma

Katalyyttihiukkaset eivät ole uusi ongelma. Katalyyttinen krakkaus yleistyi 1970-luvulla, sillä öljyn hinnannousu pakotti jalostamaan raaka-aineesta arvokkaita tuotteita enemmän. Siksi ensimmäisiä raportteja katalyyttihiukkasten aiheuttamista vahingoista alettiin julkaista 1980-luvulla. Vaikka katalyyttihiukkasten poistaminen merellä on aina ollut hankalaa, laivoissa käytettävät hiukkastenpoistolaitteistot (niitä käsitellään tämän artikkelin osassa 2) perustuvat tunnettuihin teknologioihin, joita on käytetty jo pitkään.

Valitettavasti tämä tuntemus on saanut alan tuudittautumaan turvallisuudentunteen valtaan. Jos katalyyttihiukkaset yleistyvät vuoden 2020 jälkeen odotetusti, tämä tyytyväisyys voi käydä erittäin kalliiksi operaattoreille, jotka eivät päivitä tietojaan ja käytäntöjään.

Äskettäin Marine Propulsion -lehdessä julkaistussa artikkelissa operaattoreita kehotetaan kiinnittämään huomiota näihin ongelmiin. Artikkelissa viitattiin ExxonMobilin tekemiin yli 400 000 öljynäytteen analyyseihin. Niistä kävi ilmi, että katalyyttihiukkaset uhkaavat aiheuttaa vakavia ongelmia 43 prosentille laivoista. Vaikka vain murto-osa tästä uhasta toteutuisi, odotettavissa on silti vakavia seurauksia, joista aiheutuu kustannuksia, aikatauluongelmia ja häiriöitä.

MAN PrimeServ -tiimin havaintojen mukaan katalyyttihiukkaset ovat aiheuttaneet 190 tapausta kolmen vuoden aikana raportoiduista 226 (eli 84 prosenttia) sylinteriputkien vaurioitumisista.

Kuten edellä on kuvattu, katalyyttihiukkasia aiheutuu krakkaamisen ja rikinpoiston seurauksena. Mitä enemmän raakaöljyä krakataan ja rikki poistetaan, sitä korkeammaksi katalyyttihiukkasten pitoisuus nousee. Kuten Paul Hill of Braemar on ytimekkäästi ilmaissut: "On kyse kompromissista moottorin kestävyyden ja ympäristön suojelemisen välillä. Mitä matalampi rikkipitoisuus, sitä korkeampi katalyyttihiukkaspitoisuus".

OPECin World Oil Outlook 2040 -katsauksessa ennustetaan, että vuosien 2017–2022 aikana krakkauskapasiteettia kasvatetaan 138 miljoonaa tonnia joka vuosi, joten on varmaa, että bunkkeriöljyjen katalyyttihiukkaspitoisuus kasvaa huomattavasti.

Katalyyttihiukkastasojen kasvun lisäksi edessä on toinenkin ongelma. Uudet katalyytit muodostavat entistä kovempia hiukkasia, ja ne päätyvät polttoaineeseen. Lisäksi vähärikkiset polttoaineet yleensä voitelevat huonommin kuin raskaat öljyt, joten hankautuminen pahenee.

Nykyisen rikkipitoisuusrajoitusten haittapuolena  katalyyttihiukkasten pitoisuudet ovat nousseet, ja näiden hiukkasten aiheuttamat vauriot ovat pahentuneet.. Vuonna 2020 voimaan tulevien vaatimusten noudattaminen saattaa nostaa ongelman kokonaan uudelle tasolle. Lloyd’s Registerin FOBAS (Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service) tarkkailee bunkkeri öljyn laatua satamissa eri puolilla maailmaa ja ilmoittaa ongelmista. Operaattoreiden tulisi tietenkin kiinnittää huomiota näihin ja muihin raportteihin. Mutta on tärkeää huomata, että katalyyttihiukkasia voi muodostua silloinkin, kun polttoaine täyttäät ISO 8217 -vaatimukset.

Eli vanha tuttu ongelma on saamassa uuden ulottuvuuden. Katalyyttihiukkaskeskustelun toisessa puheenvuorossa tarkastellaan ratkaisuja ja pohditaan, miten operaattorien on tehostettava toimintaansa tai varauduttava merkittäviin kustannuksiin.