劉成波

船舶碳捕集與封存技術(shù)的應(yīng)用分析

劉成波

(山東海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司安技部，山東青島 266034)

航運(yùn)產(chǎn)生的二氧化碳的大量排放會(huì)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(shù)。首先對二氧化碳捕集與封存技術(shù)在陸地上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，再對船舶上碳捕集與封存類型進(jìn)行了對比分析?；诙趸疾都c封存技術(shù)的特點(diǎn)，提出了其在船舶上應(yīng)用所面臨的問題。

CCS技術(shù) 船舶 碳捕集 封存

0 引言

2007～2015年，全球航運(yùn)業(yè)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(zhàn)略，計(jì)劃到2030年國際航運(yùn)業(yè)碳排放量較2008年降低40%，2050年碳排放量減少50%，并持續(xù)朝著零碳的目標(biāo)邁進(jìn)[2]，但2019年航運(yùn)業(yè)在全球的碳排放中所占的比例仍達(dá)到2.89%[3]，因此解決航運(yùn)業(yè)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(shù)的研究，但是目前航運(yùn)業(yè)依賴傳統(tǒng)燃料的現(xiàn)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(guān)注CO2捕集與封存技術(shù)（CCS），CCS技術(shù)是指將CO2從燃燒的排放源中通過一定的方式進(jìn)行捕獲分離然后加以利用或輸送到一個(gè)與空氣隔絕的地方進(jìn)行封存的技術(shù)[4]。CCS技術(shù)是實(shí)現(xiàn)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(shù)或?qū)⒊蔀閷?shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)大規(guī)模碳減排的可行方法[7]，積極推動(dòng)CCS技術(shù)在船舶上得到應(yīng)用對航運(yùn)業(yè)的節(jié)能減排具有重大意義。

1 CCS技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前關(guān)于CCS技術(shù)的應(yīng)用主要集中在陸上，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年1月大規(guī)模的國際CCS項(xiàng)目一共有43個(gè)，其中北美地區(qū)共有12個(gè)正在運(yùn)行，歐洲有2個(gè)正在建設(shè)的大規(guī)模CCS項(xiàng)目，其他國家的大型CCS項(xiàng)目則發(fā)展比較滯后[8]。

CCS技術(shù)主要應(yīng)用在油田開發(fā)、化工、發(fā)電等行業(yè)。在北非地區(qū)，In Salah項(xiàng)目將生產(chǎn)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(chǎn)油氣的藏區(qū)；美國實(shí)現(xiàn)了利用科氏氮?dú)鈱⒐I(yè)生產(chǎn)化肥過程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕集，然后進(jìn)行運(yùn)輸，提高了石油的采收率（EOR）[9]；在對發(fā)電站產(chǎn)生的CO2進(jìn)行處理時(shí)，加拿大和美國都應(yīng)用了CCS項(xiàng)目，通過管道對CO2進(jìn)行輸送，美國采用富氧燃燒捕集方法對CO2進(jìn)行捕集，加拿大選擇強(qiáng)化采油對CO2進(jìn)行封存。

對于國內(nèi)而言，CCS技術(shù)在中國的一些企業(yè)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(gè)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(dá)到85%以上，一年可回收3000噸的CO2[4]。圖1為該項(xiàng)目工藝流程圖，此工藝可以對燃煤電廠產(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕集，但是此系統(tǒng)設(shè)備較多，且工作時(shí)能耗較大，在船舶上不適用。2011年神華集團(tuán)建成了第一個(gè)深部鹽/咸水層的地質(zhì)封存試驗(yàn)項(xiàng)目，其CO2捕集示范項(xiàng)目工藝流程圖如圖2。該系統(tǒng)可以達(dá)到對CO2進(jìn)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(qū)域。但是在船舶上不適用該方法，因?yàn)镃O2在船舶上儲存需要大型儲罐，會(huì)占用大量船舶的空間，且輸送到陸地上進(jìn)行儲存不容易實(shí)現(xiàn)。

圖1 華能集團(tuán)CO2捕集工藝流程圖

圖2 神華集團(tuán)CO2捕集工藝流程圖

目前CCS技術(shù)在陸用領(lǐng)域技術(shù)較成熟，形成了CO2的捕集、分離、封存的完整流程，但是CCS技術(shù)存在系統(tǒng)復(fù)雜，投入成本較高等問題，在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初步研究階段。

2 CCS技術(shù)在船舶上的應(yīng)用

隨著IMO對船舶尾氣排放要求的越來越嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)船舶的零碳排放符合節(jié)能減排的大趨勢，沿用陸地CCS技術(shù)，船舶CCS技術(shù)也包括CO2的捕獲、分離、封存。其中CO2的捕集與分離是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與此相關(guān)的技術(shù)也是業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，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(shù)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(jìn)行處理，除去其中的CO2，需要對船舶整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造，成本較高，應(yīng)用技術(shù)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(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，因此富氧燃燒碳捕集法在經(jīng)濟(jì)性上并沒有太大的優(yōu)勢。燃燒后碳捕集法只需要對船舶尾氣處理裝置進(jìn)行輕微改動(dòng)即可，不需要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)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(shù)的碳捕集環(huán)節(jié)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行CO2捕集與分離。吸附法是利用固態(tài)吸附劑對船舶尾氣中的CO2進(jìn)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(gè)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(xué)吸收[11]。相比較上述提到的兩種方法，化學(xué)吸收法吸收效率更高，反應(yīng)條件更加簡單，操作更便捷[12]，因此目前工業(yè)上多采用化學(xué)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(jià)格高昂，并且CO2的釋放需要很大的能耗、吸收劑也會(huì)對吸收設(shè)備造成腐蝕，因此吸收劑的選擇問題需要得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

氨水可以作為吸收劑具有耗能低、腐蝕性小的優(yōu)點(diǎn)，但是氨水易揮發(fā)，在使用時(shí)會(huì)發(fā)生氨逃逸現(xiàn)象，容易對環(huán)境造成二次污染；碳酸鉀溶液作為吸收劑是指與CO2反應(yīng)生成碳酸氫鉀溶液，然后經(jīng)過高溫進(jìn)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(huán)利用，反應(yīng)成本較低，但是碳酸鉀溶液與CO2反應(yīng)速度很慢，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中需要加入促反應(yīng)劑，并且所需的運(yùn)行設(shè)備也比較龐大。另外離子液體和有機(jī)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(yīng)速度更快，耗能更少，CO2的釋放條件也比較容易實(shí)現(xiàn)。

因此在船舶CCS技術(shù)中，為了更好地實(shí)現(xiàn)對CO2的捕集和分離可以采用化學(xué)吸收法，吸收劑可以采用離子液體和有機(jī)胺醇溶液的混合液。船舶CCS技術(shù)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(shù)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(chǎn)生的CO2經(jīng)過處理后可以在船舶靠港時(shí)運(yùn)輸?shù)疥懙毓┕I(yè)制堿或其他所需，但是有些港口經(jīng)濟(jì)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(huì)重新釋放出來，所以海底封存不能實(shí)現(xiàn)對CO2的永久封存，只能減緩溫室效應(yīng)的進(jìn)程。

2.3 基于LNG冷能的CCS技術(shù)

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(yīng)用在船舶上，因此LNG動(dòng)力船的數(shù)量不斷增多。LNG燃料在供給船舶主機(jī)燃用之前要進(jìn)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(dòng)力船上，主機(jī)功率較大，LNG燃料消耗量多，因此在使用LNG燃料過程中會(huì)釋放出大量的冷能，當(dāng)前已有學(xué)者已經(jīng)提出將這部分冷能用于船舶的空調(diào)、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(dòng)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(huì)產(chǎn)生CO2，上述已經(jīng)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(shí)需要很多冷能，如果可以利用LNG動(dòng)力船上的大量冷能對CO2進(jìn)行處理，既減少了CO2處理過程中制冷設(shè)備的電力消耗，又使得LNG冷能得到充分利用，解決LNG動(dòng)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(shù)系統(tǒng)圖

2.4 潛在問題

1）船舶CCS技術(shù)在應(yīng)用時(shí)需要安裝CO2捕集與分離設(shè)備，船舶空間有限，如果設(shè)備的體積過大會(huì)影響船舶的一些正常操作，并且在CO2的捕集環(huán)節(jié)使用的吸收劑價(jià)格比較昂貴，還會(huì)對吸收設(shè)備造成一定的腐蝕。

2）CO2在進(jìn)行封存前的處理需要消耗大量的電能，會(huì)加大船舶電網(wǎng)的負(fù)荷，造成燃料的大量消耗，增大船舶的運(yùn)營成本。

3）如果采用投放海底封存的方式對CO2進(jìn)行封存，在200～300年后CO2會(huì)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(yīng)的進(jìn)程。

4）法律法規(guī)不健全。目前很多國家已經(jīng)提出關(guān)于CCS技術(shù)的一些法律規(guī)范，但這些法律法規(guī)還不是很完善，比較模糊，這對CCS技術(shù)的發(fā)展是不利的。

4 結(jié)語

IMO提出航運(yùn)業(yè)應(yīng)該減少CO2的排放量，CCS技術(shù)可以對船舶排放的CO2進(jìn)行捕集與封存，避免直接排放大氣造成溫室效應(yīng)，因此，該技術(shù)的研究和推廣能夠順應(yīng)全球節(jié)能減排大趨勢，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。但是，目前CCS技術(shù)在船舶上的應(yīng)用還不太成熟，主要面臨脫碳設(shè)備體積較大、運(yùn)營成本過高，脫碳能耗較大等問題。另外中國海事局應(yīng)該盡快推動(dòng)CCS技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，解決技術(shù)難題，制定相關(guān)的法律規(guī)范，力求在不遠(yuǎn)的將來可以將CCS技術(shù)廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)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(jié)能減排技術(shù)。E-mail：liucb@sdshipping.cn