遠洋船舶尾氣碳捕集技術及發展趨勢研究

屈紫懿，孔存金，印洪浩，張德榮，杜敏

重慶交通大學航運與船舶工程學院

全球溫室效應逐年加劇，二氧化碳（CO2）占溫室氣體總量的72%，其溫室效應當量占總溫室效應的55%[1-3]。2015 年，包括中美在內的近200 個締約方聯合簽署《巴黎協定》，并制定2020 年后適用于所有國家的碳減排機制框架[4]。航運業承擔了全球約90%的貿易運輸量，主要使用含碳量87%的船用柴油和含碳量85%的重燃料油[5-6]。隨著世界經濟迅速發展，國際貿易不斷深入，船舶數量快速上升，航運業產生的溫室氣體排放量隨之大幅增加。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）2020 年的數據顯示[7]，航運業產生的碳排放約占全球碳排放總量的3%。IMO 預測隨著國際貿易的增長，如不采取有效措施，航運業在21 世紀中葉產生的CO2排放量將增至16 億t/a（圖1）[8]。為了遏制航運CO2的過度排放，IMO 于2018 年4 月通過國際航運溫室氣體排放初步戰略（Initial GHG Strategy），要求2050 年將國際航運業每單位運輸量產生的CO2較2008 年減排70%；同年10 月，中國船級社發布《船舶CO2排放監測、報告和驗證實施指南》[9]。為了推動航運業盡快實現碳減排目標，IMO 不斷制定出臺節能減排的強制性規定，提高碳減排標準[10]，其中，營運碳強度指標（CII）已于2023年1 月1 日正式生效[11]。隨著一系列減排措施進入強制執行階段，開展航運業碳減排工作已刻不容緩。

圖1 國際航運業CO2 排放趨勢[8]Fig.1 Trends in CO2 emissions from international shipping industry [8]

1 碳捕集技術概述

根據國際能源署（International Energy Agency，IEA）在2019 年的保守預測，2040 年全世界占主導地位的能源仍是以石油、天然氣、煤為主的化石燃料[12]。碳捕集技術作為實現化石能源大規模低碳利用的重要技術，得到了全球的廣泛關注，在陸上工業領域已實現較為成熟的應用[13-14]。根據碳捕集工藝所處燃燒流程的位置，分為燃燒前碳捕集、燃燒中碳捕集（包括富氧燃燒技術、化學鏈燃燒技術）、燃燒后碳捕集[2]，各碳捕集技術的基本特性如表1 所示。

表1 碳捕集技術基本特性Table 1 Basic characteristics of carbon capture technology

綜上所述，燃燒后碳捕集技術是兼容性最好的碳捕集技術，也是目前最成熟、適應工況最廣的碳捕集技術，能夠在當前的能源系統中快速部署。

2 船用碳捕集技術

當前航運業的碳減排壓力已日益凸顯，2021 年6 月，國際海事組織環境保護委員會對所有5 000 總t及以上適用于能效指數（EEDI）的國際航行船舶（無論交船時間先后）提出強制要求：在2023 年及之后的每個日歷年結合IMO 燃油消耗數據收集（DCS）進行船舶的CII 計算和評級（A～E 級），對此后年度CII 評級為E 或者連續三年評級為D 的船舶，需制定能效改進計劃并納入船舶能效管理（SEEMP）中。船舶低碳減排技術主要有3 種途徑，包括提高能源利用效率、使用低碳和可再生零碳能源以及尾氣碳捕集技術[15]，其中尾氣碳捕集技術是應對當前船舶減排最直接有效的方法[29]。從工業碳捕集技術發展經驗來看，在沒有徹底改變化石燃料在航運界的主導地位前，船用碳捕集技術是唯一能有效降低全球航運碳排放的實用技術。遠洋船舶的壽命一般在30 年左右，相比于建造新船來滿足航運碳排放法規，舊船改造的體量也不容忽視。2022 年美國船級社（ABS）發布《船用碳捕集和儲存要求》，為安裝燃燒后船用碳捕集與存儲設備的船舶提供入級標準。船舶不同于陸上工業，有其運營環境的特殊性和局限性，因此需要更具針對性的技術方案。

2.1 船用碳捕集技術研究現狀

近幾年，各研究機構正積極開展船用碳捕集技術的探索，主要研究結果如表2 所示。2021 年以后，各國機構加快了船用碳捕集技術的研究進程，燃燒后碳捕集技術由于較高的碳捕集效率和較好的適應性成為當下的研究熱點。雖然部分研究者開始探索膜分離法、碳基吸附法等燃燒后碳捕集方法在船上的應用，但在現有技術條件下，化學吸收法在捕集效率、安裝成本等方面仍有較大優勢。各機構多采用模擬仿真研究方法，亟需大量有針對性的試驗研究。

表2 全球代表性機構船用碳捕集技術研究現狀Table 2 Current status of research on marine carbon capture technologies by global representative institutions

為了在低碳航運市場搶占先機，2021 年以后，全球各船級社和船企在特定船型上開展了船用碳捕集技術的實船驗證[43-44]，以滿足各項嚴格的船舶碳排放法規要求。主要應用案例如圖2 所示。當前業界主要基于成熟的船舶廢氣脫硫技術，開展相關的碳捕集研究。如芬蘭的瓦錫蘭廢氣凈化部門與挪威Solvang ASA 公司合作設計了一種基于船舶脫硫裝置的碳捕集系統，并成功應用在一艘21 000 m3乙烯運輸船上。中船集團七一一所使用醇胺溶液作為吸收劑，獲得了國內首個船載CO2捕集與封存系統（CCS）原理性認可證書。各國實船應用中大多采用傳統的吸收劑，可達到極佳的碳捕集效果，但在船舶尾氣中捕集的CO2質量比捕集系統消耗的燃料質量更大，需要消耗更多的能源將其運到港口進一步處理。因此，需針對遠洋船舶的運行特點，對船用碳捕集技術進行技術優化及創新。

圖2 各國船用碳捕集技術實船應用代表性研究成果Fig.2 Representative research achievements on the application of marine carbon capture technologies in various countries

從當下各研究機構及各船企的實船驗證的現狀來看，船用碳捕集技術仍處于起步階段，目前缺乏對不同船型運行工況、運行參數等全方位深入的試驗研究和實船驗證。由于不同船型的尾氣特性和運行工況不同，如何根據具體情況選擇合適的碳捕集技術方案，以達到較高的碳捕集效率并降低能耗，是實際應用中需要解決的關鍵問題。特別是遠洋船舶的碳捕集技術方案，由于其運行工況的復雜和特殊性，需要探索更加高效的吸收劑，研發高捕集效率、低能耗、無二次污染的船用碳捕集系統。此外，碳捕集系統的運行成本，捕集后的碳儲存及利用也是有效促進遠洋船舶碳捕集技術發展的關鍵。

2.2 船用碳捕集技術的要求

遠洋船舶以貨運為主，貨艙以外的空間有限。遠洋船舶尾氣成分十分復雜，含有CO2、SOx、NOx等氣態物，以及炭粒、煙塵等顆粒物[45-46]。正常負荷下的遠洋船舶排氣總管溫度在500 ℃以上，經余熱回收系統后尾氣溫度仍在150 ℃以上，排氣壓力一般為0.1～0.2 MPa[47]。排氣總量大，CO2氣體分壓低，多數船型的CO2體積占比為3%～7%，理論最高體積占比不超過15%，尾氣中含有大量的N2（＞70%）以及其他氣體。基于以上遠洋船舶的尾氣排放特性，其尾氣碳捕集系統需符合以下要求：1）對低壓、低CO2濃度、高溫、成分復雜的氣源有良好的適應性，以保證高效穩定的碳捕集效果；2）具有經濟性，包括碳捕集能耗、系統投資及運行成本，保證經濟性運行；3）碳捕集產物要無毒、無腐，便于保存，或可以直接排放，保證無二次污染；4）碳捕集系統結構緊湊，盡可能少占用船舶空間，保證船型適用性廣；5）設備抗震性好，遠洋船舶長時間在海上受風浪沖擊，須保證捕集設備安全穩定運行。

2.3 船用碳捕集適用技術

以一艘遠洋航行的集裝箱船為例，根據該船的相關數據（表3），基于MARPOL 公約附則Ⅵ修正案中CII 評級的規定[48]，按照該船2023 年和2026 年度碳強度指標各級別的邊界，在不改變油品的前提下以類似參數的航線保持營運，若想在相關年份達到C 以上的評級，2023 年碳捕集效率最低要求為19.84%，在2026 年快速上升至49.17%。

表3 船舶碳捕集相關參數Table 3 Relevant parameters of ship carbon capture

化學吸收法是一種適用于遠洋船舶上的碳捕集方法，目前化學吸收法所使用的吸收劑主要有有機胺類、氨水、熱鉀堿、強堿，各種吸收劑的特點對比如表4 所示[49-52]。

表4 不同化學吸收劑對比Table 4 Comparison of different chemical absorbents

各化學吸收劑已實現較為成熟的工業應用，各有利弊。針對船舶尾氣煙氣量大、煙氣壓力低、CO2的濃度低（大部分在10%以下，不超過15%）等特點，胺類吸收劑和強堿類吸收劑較為適合船舶上的應用。有機胺類吸收劑技術最為成熟，可以與船舶余熱回收系統相結合，解決解吸能耗高的問題，實現在船舶上的應用，但同時應考慮胺類吸收劑易降解的問題。相較于胺類吸收劑，NaOH 等強堿類吸收劑具有反應穩定、吸收速率快、設備體積小、操作簡單的特點，一些研究者[39]已經嘗試使用CaO 實現NaOH 的再生，并完成CO2的固態封存，解決了強堿類吸收劑無法重復使用的問題，尚需要考慮的是強堿的潮解。因此，胺類吸收劑和強堿類吸收劑可作為船舶碳捕集吸收劑。

3 船用碳捕集技術發展趨勢

在“雙碳”目標的倒逼下，碳捕集技術作為一種行之有效的減碳措施，已逐漸獲得了行業認可。以化學吸收法為代表的燃燒后捕集技術在陸上已實現成功的商業示范，但其碳捕集能耗、碳捕集成本一直是工程應用中需要解決的關鍵問題。船舶碳捕集不同于陸上工業環境，受到工況、場地等因素的影響和制約，不能直接搬用陸上的工業系統及方案。船用碳捕集技術的廣泛應用，還有大量問題亟需解決。

3.1 面臨問題

3.1.1 系統結構

船舶的主要功能是運輸貨物，空間相對局促，尤其是船舶的機艙，可分給碳捕集系統的空間極其有限。除捕集系統外，大部分燃燒后捕集方法在吸收系統后還要加裝解吸系統。此外，若需要將捕集后的CO2加以利用，還需要加裝壓縮機、冷凝器以及一定的儲存空間，因船舶空間有限，實現起來會有一定的困難。

3.1.2 捕集成本

碳捕集系統必然加大船舶初始投資成本，在實際運行過程中又增加了船舶能耗，造成捕集成本過高，主要原因如下：船舶尾氣中的CO2濃度（3%～7%）較低，導致捕集產物在進行解吸時存在再生能耗較高、溶劑損失較大等問題；捕集系統的動力裝置需要與原有船舶動力裝置進行集成，這會降低原有船舶動力系統的效率；CO2的儲存會占用部分貨艙，降低船舶的運輸能力；目前CO2的封存與利用技術尚不完善，尤其是對于長時間在海面移動的遠洋船舶。此外，船舶碳捕集及儲存的成本高于當前碳交易市場碳價，船舶合法持有者對于船舶改裝碳捕集系統的積極性不高。

3.1.3 CO2后處理

捕集后的CO2若不能合理處理，會導致CO2重新進入大氣。無論高壓氣態儲存還是液態儲存都存在一定的安全隱患：高壓氣態CO2在惡劣海況下可能會發生爆炸，造成人員窒息或設備損壞；液態CO2若發生泄漏，驟冷的低溫會對船體結構或船員造成危害。此外，液態CO2高溫下會氣化，造成儲存罐內壓力升高，有爆炸風險。可見，CO2船上儲存會對船舶的安全性和穩定性造成一定的影響，目前的航運界尚無專門的CO2儲運規范指南。

3.1.4 二次污染

目前對于化學吸收法捕集CO2系統對環境的影響評價，主要以模擬和試驗數據作為評價基礎，尚未與實際的項目結合。另外，化學吸收法捕集CO2需要消耗大量的淡水資源，這一點也鮮有文獻報道。化學吸收法所使用的化學吸收劑在捕集過程中會產生某種排放（溶劑蒸汽、NH3、醛類等），化學吸收劑的降解也會產生固體廢物，這些都會對環境造成危害。

3.2 解決途徑

解決船舶碳捕集技術所面臨的各種問題，應針對船舶尾氣特性，開展碳吸收劑、吸收塔結構等碳捕集技術的深入研究，探索更高效的運行模式。優化捕集工藝、研發更為環保高效的吸收劑既能降低捕集成本，又可使系統更為緊湊。對船舶空間進行統籌布局，做到合理利用，與船舶已有的尾氣脫硫系統進行耦合也是一個值得探究的方向，船舶尾氣一體化的處理系統既可以同時進行脫硫和碳捕集，又避免對船舶空間的過多占用。要充分重視CO2的儲運安全，積極研發船用新型CO2儲存、運輸技術，制定CO2運輸指南及技術標準，規范海事監管。捕集后的CO2可便利地直接海洋封存，也可作為重要原料用于飲料碳酸化、物品干燥、建筑材料等行業，從而產生經濟效益。此外，近年來CO2驅油與碳捕集系統結合而成的CO2-EOR 技術取得了重大進展，已被證明CO2具有較大的驅油潛力[53]。

4 結語

尾氣碳捕集技術是應對全球氣候變化最直接有效的技術之一，是當前唯一能夠不改變現有能源格局的有效減碳技術，在航運業中具有廣泛應用的巨大潛力。各研究機構及各國船企經過分析論證，均表明燃燒后碳捕集技術因其適用于低CO2分壓、排氣量大的氣源，且對原有系統改造小、投資少，是最有可能在船舶上廣泛應用的碳捕集技術。目前該方法存在捕集能耗高的缺點，且不同船型排放的尾氣特性存在巨大差異性，特別是遠洋船舶，缺乏各船型不同工況下的具體數據，大規模推廣使用碳捕集技術還需要進一步深入探索和研究。可從吸收劑的改良、捕集工藝優化兩方面降低捕集能耗，同時可以考慮船舶尾氣余熱回收，彌補碳捕集過程中的高能耗。捕集后的CO2可利用船舶在海上運行的便利性進行海洋封存，也可利用捕集后的CO2產生經濟效益，彌補碳捕集系統在安裝、使用過程中產生的成本。

針對船舶碳捕集技術所面臨的各種問題，需要繼續開展大量有針對性的深入探索，從理論研究、潛力評估、仿真計算向試驗研究、示范驗證過渡，積極探索碳捕集技術優化路徑；從捕集效率、捕集成本、捕集過程中造成的CO2排放、捕集后CO2處理方式、總能耗等多個方面進行全生命周期的碳減排評價，研究適用于遠洋船舶的碳捕集、儲存、運輸、利用四位一體的全鏈遠洋船舶碳捕集技術，以推進船舶碳捕集技術的工業化應用進程。