船舶碳捕集与封存技术的应用分析

刘成波

船舶碳捕集与封存技术的应用分析

刘成波

(山东海运散货运输有限公司安技部，山东青岛 266034)

航运产生的二氧化碳的大量排放会加剧全球变暖问题，为减少其排放量，研究船舶碳捕集与封存技术。首先对二氧化碳捕集与封存技术在陆地上的应用现状进行了研究，再对船舶上碳捕集与封存类型进行了对比分析。基于二氧化碳捕集与封存技术的特点，提出了其在船舶上应用所面临的问题。

CCS技术 船舶 碳捕集 封存

0 引言

2007～2015年，全球航运业每年排放约10亿吨温室气体，约占全球温室气体排放的3%[1]。国际海事组织（IMO）在2018年制定了温室气体减排初步战略，计划到2030年国际航运业碳排放量较2008年降低40%，2050年碳排放量减少50%，并持续朝着零碳的目标迈进[2]，但2019年航运业在全球的碳排放中所占的比例仍达到2.89%[3]，因此解决航运业碳排放的问题迫在眉睫。

为了解决这一问题，各国纷纷寻找新的可替代能源和加大对船舶低碳技术的研究，但是目前航运业依赖传统燃料的现状无法快速改变，为了控制和降低大气中CO2的浓度，全世界越来越多的国家关注CO2捕集与封存技术（CCS），CCS技术是指将CO2从燃烧的排放源中通过一定的方式进行捕获分离然后加以利用或输送到一个与空气隔绝的地方进行封存的技术[4]。CCS技术是实现从源头减排的有效措施，可以将CO2的排放量减少65%[5～6]，因此CCS技术或将成为实现航运业大规模碳减排的可行方法[7]，积极推动CCS技术在船舶上得到应用对航运业的节能减排具有重大意义。

1 CCS技术的应用现状

目前关于CCS技术的应用主要集中在陆上，据统计，截至2019年1月大规模的国际CCS项目一共有43个，其中北美地区共有12个正在运行，欧洲有2个正在建设的大规模CCS项目，其他国家的大型CCS项目则发展比较滞后[8]。

CCS技术主要应用在油田开发、化工、发电等行业。在北非地区，In Salah项目将生产的天然气中的CO2分离出来，然后重新把分离出的CO2注入生产油气的藏区；美国实现了利用科氏氮气将工业生产化肥过程中产生的CO2进行捕集，然后进行运输，提高了石油的采收率（EOR）[9]；在对发电站产生的CO2进行处理时，加拿大和美国都应用了CCS项目，通过管道对CO2进行输送，美国采用富氧燃烧捕集方法对CO2进行捕集，加拿大选择强化采油对CO2进行封存。

对于国内而言，CCS技术在中国的一些企业中也开始得到使用。2008年7月，中国建成并投入使用了第一个燃煤电厂CO2捕集示范工程成功捕集出高纯度的CO2，回收率可以达到85%以上，一年可回收3000吨的CO2[4]。图1为该项目工艺流程图，此工艺可以对燃煤电厂产生的CO2进行捕集，但是此系统设备较多，且工作时能耗较大，在船舶上不适用。2011年神华集团建成了第一个深部盐/咸水层的地质封存试验项目，其CO2捕集示范项目工艺流程图如图2。该系统可以达到对CO2进行分离和提纯的目的，通过提纯后的CO2可以储存在储罐中，然后通过汽车输送到陆地上封存CO2的区域。但是在船舶上不适用该方法，因为CO2在船舶上储存需要大型储罐，会占用大量船舶的空间，且输送到陆地上进行储存不容易实现。

图1 华能集团CO2捕集工艺流程图

图2 神华集团CO2捕集工艺流程图

目前CCS技术在陆用领域技术较成熟，形成了CO2的捕集、分离、封存的完整流程，但是CCS技术存在系统复杂，投入成本较高等问题，在船舶领域的应用还处于初步研究阶段。

2 CCS技术在船舶上的应用

随着IMO对船舶尾气排放要求的越来越严格，实现船舶的零碳排放符合节能减排的大趋势，沿用陆地CCS技术，船舶CCS技术也包括CO2的捕获、分离、封存。其中CO2的捕集与分离是关键环节，与此相关的技术也是业内研究的重点和难点，因此寻找最合理的捕集与分离CO2的方法显得尤为重要。

2.1 碳捕集与分离

CCS技术中CO2的捕集主要分为三种类型，分别是燃烧前碳捕集法、富氧燃烧碳捕集法、燃烧后碳捕集法。燃烧前碳捕集法是指在燃料燃烧之前对燃料进行处理，除去其中的CO2，需要对船舶整个动力系统进行改造，成本较高，应用技术也不成熟，不适合在船舶上使用，富氧燃烧碳捕集法是指使燃料在纯氧中进行燃烧。得到高浓度的CO2，因此捕集与分离成本较低，但是纯氧的制取成本很高，并且需要对发动机进行改造，因此富氧燃烧碳捕集法在经济性上并没有太大的优势。燃烧后碳捕集法只需要对船舶尾气处理装置进行轻微改动即可，不需要对发动机进行进改造，投入成本相较于前面两种方法也较低。因此船舶CCS技术的碳捕集环节采用燃烧后碳捕集法是一种十分可行的方案。

燃烧后碳捕集法主要包括吸收法、膜分离法、吸附法等方法[10]。膜分离法是利用聚合高分子材料制成的薄膜对不同气体的渗透率不同来进行气体的分离。聚合高分子材料对CO2等酸性气体选择性不高，因此不适用于对含有大量CO2的混合气体进行分离。由于船舶燃烧燃料排放的气体中CO2含量较多，所以船舶上不宜采用膜分离法进行CO2捕集与分离。吸附法是利用固态吸附剂对船舶尾气中的CO2进行吸附，然后在一定条件下将CO2释放出来，由于船舶尾气排量较大，吸附剂吸附能力有限，为了保证船舶尾气中的CO2可以被完全吸附，一般需要安装多个吸附塔，投入成本较大，不适用于船舶。

吸收法分为物理吸收和化学吸收[11]。相比较上述提到的两种方法，化学吸收法吸收效率更高，反应条件更加简单，操作更便捷[12]，因此目前工业上多采用化学吸收法。目前常见的吸收剂主要有：氨水、离子液体、碳酸钾溶液、醇胺溶液等，但是吸收剂大多价格高昂，并且CO2的释放需要很大的能耗、吸收剂也会对吸收设备造成腐蚀，因此吸收剂的选择问题需要得到进一步的优化。

氨水可以作为吸收剂具有耗能低、腐蚀性小的优点，但是氨水易挥发，在使用时会发生氨逃逸现象，容易对环境造成二次污染；碳酸钾溶液作为吸收剂是指与CO2反应生成碳酸氢钾溶液，然后经过高温进行加热，使碳酸氢钾溶液分解，释放出CO2，此外吸收液可以得到循环利用，反应成本较低，但是碳酸钾溶液与CO2反应速度很慢，因此在实际应用过程中需要加入促反应剂，并且所需的运行设备也比较庞大。另外离子液体和有机醇胺溶液的混合液也可作为CO2的吸收剂，可以有效提高对CO2气体的吸收性能，比普通的醇胺溶液和离子溶液反应速度更快，耗能更少，CO2的释放条件也比较容易实现。

因此在船舶CCS技术中，为了更好地实现对CO2的捕集和分离可以采用化学吸收法，吸收剂可以采用离子液体和有机胺醇溶液的混合液。船舶CCS技术碳捕集与分离流程图如图3所示。

图3 船舶碳捕集与分离流程图

2.2 CO2封存

目前船舶上对于CO2的封存技术主要岸上资源化利用、液化海底封存、制干冰投放海底等方案，具体处理方式如表1所示。

表1 CO2不同处理方式对比

船舶在航行过程中产生的CO2经过处理后可以在船舶靠港时运输到陆地供工业制碱或其他所需，但是有些港口经济比较落后不具备接收和使用CO2的条件，因此投放海底成为船舶上封存CO2的便捷方式。不过在200～300年后，CO2会重新释放出来，所以海底封存不能实现对CO2的永久封存，只能减缓温室效应的进程。

2.3 基于LNG冷能的CCS技术

为了符合IMO提出的船舶排放要求，液化天然气（LNG）被越来越多的应用在船舶上，因此LNG动力船的数量不断增多。LNG燃料在供给船舶主机燃用之前要进行汽化，在此过程中，1 kg的LNG释放出850 kJ的冷能，加之在LNG动力船上，主机功率较大，LNG燃料消耗量多，因此在使用LNG燃料过程中会释放出大量的冷能，当前已有学者已经提出将这部分冷能用于船舶的空调、冷库，但是这种方法仅能消耗少部分冷能，仍有大部分冷能没有得到利用，因此LNG动力船上存在冷能过剩的问题。

此外，LNG的主要成分是甲烷，甲烷燃烧也会产生CO2，上述已经提出船舶上CO2的捕集与分离方法，表1中列举了船舶上的CO2的封存方式，其中液化海底封存与制干冰投放在液化CO2和制取干冰时需要很多冷能，如果可以利用LNG动力船上的大量冷能对CO2进行处理，既减少了CO2处理过程中制冷设备的电力消耗，又使得LNG冷能得到充分利用，解决LNG动力船上冷能过剩的问题，具体工作流程如图4所示。

图4 利用LNG冷能的CCS技术系统图

2.4 潜在问题

1）船舶CCS技术在应用时需要安装CO2捕集与分离设备，船舶空间有限，如果设备的体积过大会影响船舶的一些正常操作，并且在CO2的捕集环节使用的吸收剂价格比较昂贵，还会对吸收设备造成一定的腐蚀。

2）CO2在进行封存前的处理需要消耗大量的电能，会加大船舶电网的负荷，造成燃料的大量消耗，增大船舶的运营成本。

3）如果采用投放海底封存的方式对CO2进行封存，在200～300年后CO2会释放出来，不能从根本上解决CO2封存的问题，只能延缓温室效应的进程。

4）法律法规不健全。目前很多国家已经提出关于CCS技术的一些法律规范，但这些法律法规还不是很完善，比较模糊，这对CCS技术的发展是不利的。

4 结语

IMO提出航运业应该减少CO2的排放量，CCS技术可以对船舶排放的CO2进行捕集与封存，避免直接排放大气造成温室效应，因此，该技术的研究和推广能够顺应全球节能减排大趋势，具有较好的实际应用价值和应用前景。但是，目前CCS技术在船舶上的应用还不太成熟，主要面临脱碳设备体积较大、运营成本过高，脱碳能耗较大等问题。另外中国海事局应该尽快推动CCS技术在船舶上的应用，解决技术难题，制定相关的法律规范，力求在不远的将来可以将CCS技术广泛应用于船舶领域。

[1] Greenhouse gas emissions from global shipping, 2013–2015.https://www.theicct.org/sites/default/files/publications/Global-shipping-GHG-emissions-2013-2015_ICCT-Report_17102017_vF.pdf, 2017.

[2] Feenstra M, Monteiro J, Van d A J T, et al. Ship-based carbon capture onboard of diesel or LNG-fuelled ships[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2019, 85: 1-10.

[3] 王立健, 曹林, 魏志威. 船舶碳捕集技术应用前景与展望[J]. 中国船检, 2020, 247(11): 67-72.

[4] 汤旺杰, 李鹤鸣, 金华标. CCS技术在船舶上应用研究[J]. 内燃机, 2019(3): 21-24.

[5] PSE Ltd., DNV and PSE report on ship carbon capture & storage, Accessed on 6th September 2016, https://www.psenterprise.com/news/news-pressreleases-dnv-pse-ccs-report.

[6] Goldthorpe S. IEAGHG information paper; 2013-IP20: maritime carbon capture and storage. http://ieaghg.org/publications/information-papers. accessed on 2017 January 9th.

[7] Fang S, Xu Y, Li Z, et al. Optimal sizing of shipboard carbon capture system for maritime greenhouse emission control[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(6): 5543-5553.

[8] 张妍, 池晓彤, 康蓉. 全球CCS技术的研究,发展与应用动态[J]. 中外能源, 2020, 25(04): 6-15.

[9] 高华. 全球碳捕捉与封存（CCS）技术现状及应用前景[J]. 煤炭经济研究, 2020, 40(05): 33-38.

[10] 杨支秀, 鲁博, 郭丁丁, 吉泽宇, 季长江, 张国杰. CO2捕集及分离方法研究现状与进展[J]. 山东化工, 2020, 49(18): 71-73.

[11] 王涛, 刘飞, 方梦祥, 夏芝香, 刘珍珍. 两相吸收剂捕集二氧化碳技术研究进展[J]. 中国电机工程学报, 2021, (2): 1-12.

[12] 罗双江, 白璐, 单玲珑, 张香平. 膜法二氧化碳分离技术研究进展及展望[J]. 中国电机工程学报, 2021, (2): 1-2.

Application Analysis of Ship Carbon Capture and Storage Technology

Liu Chengbo

(Shandong Shipping Bulk Co. Limited, Safety & Technic Department, Qingdao 266034, Shandong, China)

X701

A

1003-4862（2021）10-0006-04

2021-03-08

刘成波（1974-），高级工程师，研究方向：船舶安全管理与节能减排技术。E-mail：liucb@sdshipping.cn