船舶碳捕集與封存技術的應用分析

劉成波

船舶碳捕集與封存技術的應用分析

劉成波

(山東海運散貨運輸有限公司安技部，山東青島 266034)

航運產生的二氧化碳的大量排放會加劇全球變暖問題，為減少其排放量，研究船舶碳捕集與封存技術。首先對二氧化碳捕集與封存技術在陸地上的應用現狀進行了研究，再對船舶上碳捕集與封存類型進行了對比分析。基于二氧化碳捕集與封存技術的特點，提出了其在船舶上應用所面臨的問題。

CCS技術 船舶 碳捕集 封存

0 引言

2007～2015年，全球航運業每年排放約10億噸溫室氣體，約占全球溫室氣體排放的3%[1]。國際海事組織（IMO）在2018年制定了溫室氣體減排初步戰略，計劃到2030年國際航運業碳排放量較2008年降低40%，2050年碳排放量減少50%，并持續朝著零碳的目標邁進[2]，但2019年航運業在全球的碳排放中所占的比例仍達到2.89%[3]，因此解決航運業碳排放的問題迫在眉睫。

為了解決這一問題，各國紛紛尋找新的可替代能源和加大對船舶低碳技術的研究，但是目前航運業依賴傳統燃料的現狀無法快速改變，為了控制和降低大氣中CO2的濃度，全世界越來越多的國家關注CO2捕集與封存技術（CCS），CCS技術是指將CO2從燃燒的排放源中通過一定的方式進行捕獲分離然后加以利用或輸送到一個與空氣隔絕的地方進行封存的技術[4]。CCS技術是實現從源頭減排的有效措施，可以將CO2的排放量減少65%[5～6]，因此CCS技術或將成為實現航運業大規模碳減排的可行方法[7]，積極推動CCS技術在船舶上得到應用對航運業的節能減排具有重大意義。

1 CCS技術的應用現狀

目前關于CCS技術的應用主要集中在陸上，據統計，截至2019年1月大規模的國際CCS項目一共有43個，其中北美地區共有12個正在運行，歐洲有2個正在建設的大規模CCS項目，其他國家的大型CCS項目則發展比較滯后[8]。

CCS技術主要應用在油田開發、化工、發電等行業。在北非地區，In Salah項目將生產的天然氣中的CO2分離出來，然后重新把分離出的CO2注入生產油氣的藏區；美國實現了利用科氏氮氣將工業生產化肥過程中產生的CO2進行捕集，然后進行運輸，提高了石油的采收率（EOR）[9]；在對發電站產生的CO2進行處理時，加拿大和美國都應用了CCS項目，通過管道對CO2進行輸送，美國采用富氧燃燒捕集方法對CO2進行捕集，加拿大選擇強化采油對CO2進行封存。

對于國內而言，CCS技術在中國的一些企業中也開始得到使用。2008年7月，中國建成并投入使用了第一個燃煤電廠CO2捕集示范工程成功捕集出高純度的CO2，回收率可以達到85%以上，一年可回收3000噸的CO2[4]。圖1為該項目工藝流程圖，此工藝可以對燃煤電廠產生的CO2進行捕集，但是此系統設備較多，且工作時能耗較大，在船舶上不適用。2011年神華集團建成了第一個深部鹽/咸水層的地質封存試驗項目，其CO2捕集示范項目工藝流程圖如圖2。該系統可以達到對CO2進行分離和提純的目的，通過提純后的CO2可以儲存在儲罐中，然后通過汽車輸送到陸地上封存CO2的區域。但是在船舶上不適用該方法，因為CO2在船舶上儲存需要大型儲罐，會占用大量船舶的空間，且輸送到陸地上進行儲存不容易實現。

圖1 華能集團CO2捕集工藝流程圖

圖2 神華集團CO2捕集工藝流程圖

目前CCS技術在陸用領域技術較成熟，形成了CO2的捕集、分離、封存的完整流程，但是CCS技術存在系統復雜，投入成本較高等問題，在船舶領域的應用還處于初步研究階段。

2 CCS技術在船舶上的應用

隨著IMO對船舶尾氣排放要求的越來越嚴格，實現船舶的零碳排放符合節能減排的大趨勢，沿用陸地CCS技術，船舶CCS技術也包括CO2的捕獲、分離、封存。其中CO2的捕集與分離是關鍵環節，與此相關的技術也是業內研究的重點和難點，因此尋找最合理的捕集與分離CO2的方法顯得尤為重要。

2.1 碳捕集與分離

CCS技術中CO2的捕集主要分為三種類型，分別是燃燒前碳捕集法、富氧燃燒碳捕集法、燃燒后碳捕集法。燃燒前碳捕集法是指在燃料燃燒之前對燃料進行處理，除去其中的CO2，需要對船舶整個動力系統進行改造，成本較高，應用技術也不成熟，不適合在船舶上使用，富氧燃燒碳捕集法是指使燃料在純氧中進行燃燒。得到高濃度的CO2，因此捕集與分離成本較低，但是純氧的制取成本很高，并且需要對發動機進行改造，因此富氧燃燒碳捕集法在經濟性上并沒有太大的優勢。燃燒后碳捕集法只需要對船舶尾氣處理裝置進行輕微改動即可，不需要對發動機進行進改造，投入成本相較于前面兩種方法也較低。因此船舶CCS技術的碳捕集環節采用燃燒后碳捕集法是一種十分可行的方案。

燃燒后碳捕集法主要包括吸收法、膜分離法、吸附法等方法[10]。膜分離法是利用聚合高分子材料制成的薄膜對不同氣體的滲透率不同來進行氣體的分離。聚合高分子材料對CO2等酸性氣體選擇性不高，因此不適用于對含有大量CO2的混合氣體進行分離。由于船舶燃燒燃料排放的氣體中CO2含量較多，所以船舶上不宜采用膜分離法進行CO2捕集與分離。吸附法是利用固態吸附劑對船舶尾氣中的CO2進行吸附，然后在一定條件下將CO2釋放出來，由于船舶尾氣排量較大，吸附劑吸附能力有限，為了保證船舶尾氣中的CO2可以被完全吸附，一般需要安裝多個吸附塔，投入成本較大，不適用于船舶。

吸收法分為物理吸收和化學吸收[11]。相比較上述提到的兩種方法，化學吸收法吸收效率更高，反應條件更加簡單，操作更便捷[12]，因此目前工業上多采用化學吸收法。目前常見的吸收劑主要有：氨水、離子液體、碳酸鉀溶液、醇胺溶液等，但是吸收劑大多價格高昂，并且CO2的釋放需要很大的能耗、吸收劑也會對吸收設備造成腐蝕，因此吸收劑的選擇問題需要得到進一步的優化。

氨水可以作為吸收劑具有耗能低、腐蝕性小的優點，但是氨水易揮發，在使用時會發生氨逃逸現象，容易對環境造成二次污染；碳酸鉀溶液作為吸收劑是指與CO2反應生成碳酸氫鉀溶液，然后經過高溫進行加熱，使碳酸氫鉀溶液分解，釋放出CO2，此外吸收液可以得到循環利用，反應成本較低，但是碳酸鉀溶液與CO2反應速度很慢，因此在實際應用過程中需要加入促反應劑，并且所需的運行設備也比較龐大。另外離子液體和有機醇胺溶液的混合液也可作為CO2的吸收劑，可以有效提高對CO2氣體的吸收性能，比普通的醇胺溶液和離子溶液反應速度更快，耗能更少，CO2的釋放條件也比較容易實現。

因此在船舶CCS技術中，為了更好地實現對CO2的捕集和分離可以采用化學吸收法，吸收劑可以采用離子液體和有機胺醇溶液的混合液。船舶CCS技術碳捕集與分離流程圖如圖3所示。

圖3 船舶碳捕集與分離流程圖

2.2 CO2封存

目前船舶上對于CO2的封存技術主要岸上資源化利用、液化海底封存、制干冰投放海底等方案，具體處理方式如表1所示。

表1 CO2不同處理方式對比

船舶在航行過程中產生的CO2經過處理后可以在船舶靠港時運輸到陸地供工業制堿或其他所需，但是有些港口經濟比較落后不具備接收和使用CO2的條件，因此投放海底成為船舶上封存CO2的便捷方式。不過在200～300年后，CO2會重新釋放出來，所以海底封存不能實現對CO2的永久封存，只能減緩溫室效應的進程。

2.3 基于LNG冷能的CCS技術

為了符合IMO提出的船舶排放要求，液化天然氣（LNG）被越來越多的應用在船舶上，因此LNG動力船的數量不斷增多。LNG燃料在供給船舶主機燃用之前要進行汽化，在此過程中，1 kg的LNG釋放出850 kJ的冷能，加之在LNG動力船上，主機功率較大，LNG燃料消耗量多，因此在使用LNG燃料過程中會釋放出大量的冷能，當前已有學者已經提出將這部分冷能用于船舶的空調、冷庫，但是這種方法僅能消耗少部分冷能，仍有大部分冷能沒有得到利用，因此LNG動力船上存在冷能過剩的問題。

此外，LNG的主要成分是甲烷，甲烷燃燒也會產生CO2，上述已經提出船舶上CO2的捕集與分離方法，表1中列舉了船舶上的CO2的封存方式，其中液化海底封存與制干冰投放在液化CO2和制取干冰時需要很多冷能，如果可以利用LNG動力船上的大量冷能對CO2進行處理，既減少了CO2處理過程中制冷設備的電力消耗，又使得LNG冷能得到充分利用，解決LNG動力船上冷能過剩的問題，具體工作流程如圖4所示。

圖4 利用LNG冷能的CCS技術系統圖

2.4 潛在問題

1）船舶CCS技術在應用時需要安裝CO2捕集與分離設備，船舶空間有限，如果設備的體積過大會影響船舶的一些正常操作，并且在CO2的捕集環節使用的吸收劑價格比較昂貴，還會對吸收設備造成一定的腐蝕。

2）CO2在進行封存前的處理需要消耗大量的電能，會加大船舶電網的負荷，造成燃料的大量消耗，增大船舶的運營成本。

3）如果采用投放海底封存的方式對CO2進行封存，在200～300年后CO2會釋放出來，不能從根本上解決CO2封存的問題，只能延緩溫室效應的進程。

4）法律法規不健全。目前很多國家已經提出關于CCS技術的一些法律規范，但這些法律法規還不是很完善，比較模糊，這對CCS技術的發展是不利的。

4 結語

IMO提出航運業應該減少CO2的排放量，CCS技術可以對船舶排放的CO2進行捕集與封存，避免直接排放大氣造成溫室效應，因此，該技術的研究和推廣能夠順應全球節能減排大趨勢，具有較好的實際應用價值和應用前景。但是，目前CCS技術在船舶上的應用還不太成熟，主要面臨脫碳設備體積較大、運營成本過高，脫碳能耗較大等問題。另外中國海事局應該盡快推動CCS技術在船舶上的應用，解決技術難題，制定相關的法律規范，力求在不遠的將來可以將CCS技術廣泛應用于船舶領域。

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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

劉成波（1974-），高級工程師，研究方向：船舶安全管理與節能減排技術。E-mail：liucb@sdshipping.cn