船用液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙選材探討

王曉亮,張曉平,解衛(wèi)闊,趙超,王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

隨著全球氣候變暖和極端氣候頻發(fā),氣候變化問(wèn)題已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn),而溫室氣體排放是造成長(zhǎng)期氣候變化的最主要因素。為應(yīng)對(duì)溫室氣體排放問(wèn)題,聯(lián)合國(guó)在近20年頒布了一系列的公約和協(xié)定。作為最為經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的運(yùn)輸方式,航運(yùn)業(yè)是全球貿(mào)易和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐,在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用,航運(yùn)業(yè)推出了一系列的減排政策努力減少溫室氣體排放。2018年4月,國(guó)際海事組織(IMO)通過(guò)一項(xiàng)溫室氣體減排戰(zhàn)略,提出到2050年將航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體總排放量與2008年相比至少減少70%的明確目標(biāo)[1],并朝零碳排放目標(biāo)逐步邁進(jìn)。2020年以來(lái),綠色環(huán)保型船舶的需求迎來(lái)高峰,提高能源轉(zhuǎn)化效率、創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)和引進(jìn)替代燃料等措施刻不容緩。

航運(yùn)業(yè)完全脫碳需要用新的零碳燃料取代化石燃料,綠氨、綠色甲醇和綠氫等一系列零碳燃料均在考慮之中。然而,零碳燃料投入使用仍需要時(shí)間,IMO已經(jīng)制定了在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)排放和碳強(qiáng)度降低的短期措施,要求船東和運(yùn)營(yíng)商滿足臨時(shí)排放法規(guī)。部分船舶可以通過(guò)多種能效管理手段,如營(yíng)運(yùn)優(yōu)化、提高船舶傳動(dòng)效率、船舶管理優(yōu)化和使用新型節(jié)能技術(shù)降低船舶能耗,從而達(dá)到降低二氧化碳排放量的目的。但是對(duì)于航速較低的散貨船和油輪等船舶,降速空間較少,難以滿足相關(guān)法律法規(guī)的要求。作為船舶尾氣后處理技術(shù),船用碳捕集和存儲(chǔ)(OCCS)技術(shù)適用于所有船舶,能夠填補(bǔ)船舶能效管理和替代燃料在碳減排領(lǐng)域不能覆蓋的空白區(qū)域,為實(shí)現(xiàn)未來(lái)船舶碳減排目標(biāo)提供更多的選擇。因此,使用船OCCS技術(shù)來(lái)減少船舶運(yùn)行過(guò)程中的碳排放引起了船東和運(yùn)營(yíng)商的廣泛關(guān)注。

1 船用碳捕集和存儲(chǔ)技術(shù)

根據(jù)捕集系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)用性,二氧化碳捕集系統(tǒng)通常分為三種:燃燒前捕集、燃燒中捕集(富氧燃燒)和燃燒后捕集[2],三種捕集系統(tǒng)的主要技術(shù)路線如圖1所示。二氧化碳燃燒后捕集是指將二氧化碳從含碳燃料燃燒生成的煙氣中分離、富集的一種技術(shù)。相較于燃燒前碳捕集技術(shù)和燃燒中碳捕集技術(shù),燃燒后捕集系統(tǒng)位于燃燒系統(tǒng)的下游。如果是改造工程,僅需要在現(xiàn)有的系統(tǒng)后增設(shè)二氧化碳捕集裝置,對(duì)原有系統(tǒng)的改變較少。

圖1 不同二氧化碳捕集技術(shù)路線圖

船用碳捕集與存儲(chǔ)系統(tǒng)(燃燒后捕集)是為對(duì)使用燃油等含碳存儲(chǔ)的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中去除二氧化碳的船舶配套系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)尾氣預(yù)處理,二氧化碳吸收,二氧化碳解吸,二氧化碳?jí)嚎s液化和液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)。目前,國(guó)內(nèi)僅有幾家船舶配套設(shè)備廠家研發(fā)的船用碳捕集系統(tǒng)獲得船級(jí)社的原理認(rèn)證,大多數(shù)船舶配套設(shè)備廠家正處于研發(fā)階段,尚未有實(shí)船應(yīng)用業(yè)績(jī),整體相關(guān)產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初步階段。國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家研發(fā)的船用碳捕集與存儲(chǔ)系統(tǒng)均采用了燃燒后捕集技術(shù),該技術(shù)采用方法主要有化學(xué)吸收、物理吸收、吸附法、膜分離法和低溫分離法等,化學(xué)吸收法作為目前應(yīng)用最為成熟的技術(shù),常作為首選方案。

化學(xué)吸收法船用碳捕集系統(tǒng)一般由預(yù)處理單元、二氧化碳吸收單元、二氧化碳解吸單元、二氧化碳增壓?jiǎn)卧⒍趸家夯瘑卧⒍趸即鎯?chǔ)單元、控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及安保及檢測(cè)系統(tǒng)等組成。存儲(chǔ)艙的成本與存儲(chǔ)艙的類(lèi)型、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和材料等因素相關(guān)。本文在3 000 m3設(shè)計(jì)容積下,對(duì)不同C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙材料成本進(jìn)行對(duì)比分析,得到更加合理的設(shè)計(jì)方案,為船用C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙的設(shè)計(jì)選材提供參考。

2 不同存儲(chǔ)方式下存儲(chǔ)艙材料成本分析

2.1 船用液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)方式

二氧化碳經(jīng)吸收-解吸后,需要經(jīng)過(guò)壓縮、干燥、液化后進(jìn)行存儲(chǔ),以降低二氧化碳存儲(chǔ)對(duì)船舶空間的需求。由圖2知,二氧化碳的三相點(diǎn)壓力為0.512 MPa,溫度為-56.55 ℃,所以以液態(tài)存儲(chǔ)的二氧化碳,其存儲(chǔ)壓力(絕對(duì)壓力)要高于0.512 MPa,存儲(chǔ)溫度要高于-56.55 ℃,又因?yàn)榕R界點(diǎn)溫度為30.98 ℃,臨界點(diǎn)壓力為7.37 MPa,所以其存儲(chǔ)壓力和溫度同時(shí)也不能超過(guò)其臨界點(diǎn),以免其發(fā)展成為超臨界流體。

圖2 二氧化碳三相圖

工業(yè)上,液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)通常采用常溫全壓、低溫中壓和低溫低壓三種方式:常溫全壓存儲(chǔ)方式下,二氧化碳存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為7.21 MPa和30 ℃,此狀態(tài)下二氧化碳的氣化潛熱為60 kJ/kg,密度為593.31 kg/m3;低溫中壓存儲(chǔ)方式下,二氧化碳存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為1.9 MPa和-20 ℃,氣化潛熱為303 kJ/kg,密度為1 075.7 kg/m3;低溫低壓存儲(chǔ)方式下,二氧化碳存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為0.9 MPa和-50 ℃,氣化潛熱為340 kJ/kg,密度為1 154.6 kg/m3。

對(duì)于船舶,采用常溫全壓存儲(chǔ)方式設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)的C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙質(zhì)量對(duì)于船舶是很大的負(fù)擔(dān),對(duì)船舶運(yùn)載能力的影響是不可接受的,因此,船用C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙,建議采用低溫中壓(-35 ℃,1.9 MPa)或者低溫低壓(-55 ℃,0.9 MPa)存儲(chǔ)方式。

2.2 液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)適用材料

根據(jù)GB 150《壓力容器》、GB 713《鍋爐和壓力容器用鋼鋼板》、GB 3531《低溫壓力容器用鋼板》、GB/T 24510《低溫壓力容器用鎳合金鋼板》、BS EN 10028-6:2017、CCS《材料與焊接規(guī)范2021》等規(guī)范以及《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IGC 規(guī)則)、DNV、LR和CCS等船級(jí)社規(guī)范,常用壓力容器用金屬材料,如碳鋼、碳錳鋼、鎳合金鋼、不銹鋼或鋁合金等,均可用于船用C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙[3-8]。其中,由于鋁合金的許用應(yīng)力較低,通常情況下只會(huì)采用鋁合金制作設(shè)計(jì)壓力較低的B型艙,而二氧化碳液態(tài)存儲(chǔ)的壓力較高,因此,鋁合金不適用于C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙。本文中主要選擇16MnDR[9]、15MnNiNbDR[10]、1.5Ni、5Ni、P355NL1/L2、P690QL1/L2作為研究對(duì)象,對(duì)不同材料的存儲(chǔ)艙成本進(jìn)行分析對(duì)比。上述材料許用應(yīng)力及最低許用溫度如表1所示。

表1 主要壓力容器用材許用應(yīng)力及最低許用溫度

2.3 材料適用的存儲(chǔ)方式

IGC規(guī)則第6章構(gòu)造材料和質(zhì)量控制第6.4節(jié)對(duì)金屬材料的要求中規(guī)定用于設(shè)計(jì)溫度低于0 ℃和至-55 ℃的存儲(chǔ)艙和存儲(chǔ)艙部件的碳錳鋼應(yīng)為全鎮(zhèn)靜、鋁處理的細(xì)晶粒鋼材料,如焊后熱應(yīng)力完全消除,可在比設(shè)計(jì)溫度低5 ℃或-20 ℃(取其低者)的溫度進(jìn)行試驗(yàn)。因?yàn)?6MnDR、15MnNiNbDR、P355NL1、P690QL1和P690QL2材質(zhì)的C型存儲(chǔ)艙需要進(jìn)行焊后熱處理,所以上述16MnDR、15MnNiNbDR、P355NL1和P690QL1材料均滿足設(shè)計(jì)溫度-35 ℃液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙設(shè)計(jì)要求,高強(qiáng)度低合金鋼P(yáng)355NL2、P690QL2和低溫鎳鋼09MnNiDR、1.5Ni 材料均滿足設(shè)計(jì)溫度-55 ℃液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙設(shè)計(jì)要求。

除上述材料,3.5Ni鋼、9Ni鋼和S30408不銹鋼等低溫壓力容器用鋼均滿足低溫中壓和低溫低壓存儲(chǔ)方式的設(shè)計(jì)條件,從GB/T 24510中來(lái)看,3.5Ni鋼和1.5Ni鋼相比,鎳含量由1.3%～1.7%提高到3.25%～3.75%,最低使用溫度由-65 ℃擴(kuò)展到-100 ℃,但力學(xué)性能尤其是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度上并沒(méi)有明顯的提高,而且3.5Ni鋼的價(jià)格高于1.5Ni鋼,而且-65 ℃已經(jīng)滿足低溫低壓存儲(chǔ)方式的設(shè)計(jì)溫度,因此,本文中不建議選擇3.5Ni鋼作為液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙材料。9Ni鋼和S30408不銹鋼的價(jià)格均為上述鋼材價(jià)格的數(shù)倍,導(dǎo)致其存儲(chǔ)艙成本也是上述材料存儲(chǔ)艙價(jià)格數(shù)倍,因此,從經(jīng)濟(jì)性方面考慮,本文也不建議選擇9Ni鋼和S30408不銹鋼作為液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙材料。

本文中,16MnDR、15MnNiNbDR、09MnNiDR、1.5Ni、P355NL1/L2和P690QL1/L2等低溫鋼適用的存儲(chǔ)方式及主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 低溫鋼材質(zhì)液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 存儲(chǔ)艙材料成本對(duì)比

基于市場(chǎng)調(diào)研的結(jié)果,得到近期各牌號(hào)鋼材近似單價(jià)如表3所示。

表3 各牌號(hào)鋼材單價(jià)

由于C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙需要進(jìn)行焊后熱處理,國(guó)內(nèi)主要船用存儲(chǔ)艙生產(chǎn)廠家整體焊后熱處理的C型液氨存儲(chǔ)艙容積生產(chǎn)能力可以達(dá)到3 000 m3左右。因此本文選擇設(shè)計(jì)容積3 000 m3的C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙為研究對(duì)象。

在存儲(chǔ)艙容積3 000 m3、不同存儲(chǔ)方式下,對(duì)不同材質(zhì)液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙質(zhì)量和材料成本進(jìn)行分析對(duì)比,得到更合理的設(shè)計(jì)方案。

圖3對(duì)比了低溫中壓存儲(chǔ)方式下不同材質(zhì)3 000 m3C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙質(zhì)量和材料成本,從圖中可以看出,16MnDR材料存儲(chǔ)艙最重,大約737 t,但成本最低,P690QL1材料存儲(chǔ)艙質(zhì)量最輕,大約460 t,15MnNiNrDR材料存儲(chǔ)艙成本最高。其原因在于,16MnDR的材料成本最低,雖然15MnNiNrDR的許用應(yīng)力比16MnDR高15%,但其價(jià)格卻是16MnDR 的約1.6倍,其成本遠(yuǎn)高于16MnDR材料的存儲(chǔ)艙。圖3表明,相對(duì)于16MnDR、P355NL1和15MnNiNrDR,P690QL1材料的存儲(chǔ)艙質(zhì)量分別降低了40.2%,37.1%和31%,而且,16MnDR、P355NL1和15MnNiNrDR材料的C型存儲(chǔ)艙筒體壁厚均達(dá)到70 mm以上,增加了存儲(chǔ)艙的制造難度。因此,低溫中壓存儲(chǔ)方式下3 000 m3C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙建議選擇P690QL1等低溫高強(qiáng)度鋼。

圖3 低溫中壓存儲(chǔ)方式下不同材質(zhì)二氧化碳

圖4對(duì)比了低溫低壓存儲(chǔ)方式下不同材質(zhì)3 000 m3C型液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙質(zhì)量和材料成本。

圖4 低溫低壓存儲(chǔ)方式下不同材質(zhì)二氧化碳

從圖4中可以看出,09MnNiDR材料存儲(chǔ)艙最重,P690QL2材料存儲(chǔ)艙質(zhì)量最輕,1.5Ni材料存儲(chǔ)艙成本最高。原因在于,5Ni鋼的許用應(yīng)力與P355NL2相同,僅比09MnNiDR高14%左右,但其單價(jià)分別是P355NL2和09MnNiDR的約2.1和1.9倍,因此其成本遠(yuǎn)高于1.5Ni和P355NL2。P690QL2材料存儲(chǔ)艙材料成本僅高于P355NL2,在于其材料價(jià)格大約為P355NL2的2倍,相對(duì)于09MnNiDR、1.5Ni和P355NL2,P690QL2材料的存儲(chǔ)艙質(zhì)量分別降低了36.8%,29.8%和29.8%。因此,在考慮到存儲(chǔ)艙質(zhì)量和存儲(chǔ)艙材料成本的情況下,本文建議船用液態(tài)二氧化碳低溫低壓存儲(chǔ)方式應(yīng)使用P690QL2等低溫高強(qiáng)度鋼。

3 結(jié)論

本文對(duì)船用碳捕集液態(tài)二氧化碳存儲(chǔ)艙適用的存儲(chǔ)方式和相應(yīng)的存儲(chǔ)艙材料進(jìn)行了分析研究,通過(guò)在存儲(chǔ)艙容積3 000 m3、不同存儲(chǔ)方式下,對(duì)不同材質(zhì)存儲(chǔ)艙材料成本進(jìn)行分析對(duì)比,得到更加合理的設(shè)計(jì)方案:

1)在低溫中壓和低溫低壓存儲(chǔ)方式下,由于材料成本最低,使用16MnDR/P355NL1等低溫碳鋼存儲(chǔ)艙材料成本最低;

2)在低溫中壓和低溫低壓存儲(chǔ)方式下,相較于其他材料,使用P690QL1/P690QL2低溫高強(qiáng)度鋼存儲(chǔ)艙可以大幅降存儲(chǔ)艙質(zhì)量,對(duì)船舶的運(yùn)載能力影響較小;

3)綜合考慮到存儲(chǔ)艙質(zhì)量和存儲(chǔ)艙材料成本的情況下,船用碳捕集系統(tǒng)液態(tài)二氧化碳低溫存儲(chǔ)應(yīng)使用P690QL1/P690QL2等低溫高強(qiáng)度鋼。