屈紫懿，孔存金，印洪浩，張德榮，杜敏

重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院

全球溫室效應(yīng)逐年加劇，二氧化碳（CO2）占溫室氣體總量的72%，其溫室效應(yīng)當(dāng)量占總溫室效應(yīng)的55%[1-3]。2015 年，包括中美在內(nèi)的近200 個(gè)締約方聯(lián)合簽署《巴黎協(xié)定》，并制定2020 年后適用于所有國家的碳減排機(jī)制框架[4]。航運(yùn)業(yè)承擔(dān)了全球約90%的貿(mào)易運(yùn)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(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，國際貿(mào)易不斷深入，船舶數(shù)量快速上升，航運(yùn)業(yè)產(chǎn)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(shù)據(jù)顯示[7]，航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生的碳排放約占全球碳排放總量的3%。IMO 預(yù)測隨著國際貿(mào)易的增長，如不采取有效措施，航運(yùn)業(yè)在21 世紀(jì)中葉產(chǎn)生的CO2排放量將增至16 億t/a（圖1）[8]。為了遏制航運(yùn)CO2的過度排放，IMO 于2018 年4 月通過國際航運(yùn)溫室氣體排放初步戰(zhàn)略（Initial GHG Strategy），要求2050 年將國際航運(yùn)業(yè)每單位運(yùn)輸量產(chǎn)生的CO2較2008 年減排70%；同年10 月，中國船級社發(fā)布《船舶CO2排放監(jiān)測、報(bào)告和驗(yàn)證實(shí)施指南》[9]。為了推動(dòng)航運(yùn)業(yè)盡快實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，IMO 不斷制定出臺節(jié)能減排的強(qiáng)制性規(guī)定，提高碳減排標(biāo)準(zhǔn)[10]，其中，營運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)（CII）已于2023年1 月1 日正式生效[11]。隨著一系列減排措施進(jìn)入強(qiáng)制執(zhí)行階段，開展航運(yùn)業(yè)碳減排工作已刻不容緩。

圖1 國際航運(yùn)業(yè)CO2 排放趨勢[8]Fig.1 Trends in CO2 emissions from international shipping industry [8]

1 碳捕集技術(shù)概述

根據(jù)國際能源署（International Energy Agency，IEA）在2019 年的保守預(yù)測，2040 年全世界占主導(dǎo)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(shù)作為實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的重要技術(shù)，得到了全球的廣泛關(guān)注，在陸上工業(yè)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)較為成熟的應(yīng)用[13-14]。根據(jù)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(shù)、化學(xué)鏈燃燒技術(shù)）、燃燒后碳捕集[2]，各碳捕集技術(shù)的基本特性如表1 所示。

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

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

2 船用碳捕集技術(shù)

當(dāng)前航運(yùn)業(yè)的碳減排壓力已日益凸顯，2021 年6 月，國際海事組織環(huán)境保護(hù)委員會(huì)對所有5 000 總t及以上適用于能效指數(shù)（EEDI）的國際航行船舶（無論交船時(shí)間先后）提出強(qiáng)制要求：在2023 年及之后的每個(gè)日歷年結(jié)合IMO 燃油消耗數(shù)據(jù)收集（DCS）進(jìn)行船舶的CII 計(jì)算和評級（A～E 級），對此后年度CII 評級為E 或者連續(xù)三年評級為D 的船舶，需制定能效改進(jìn)計(jì)劃并納入船舶能效管理（SEEMP）中。船舶低碳減排技術(shù)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(shù)[15]，其中尾氣碳捕集技術(shù)是應(yīng)對當(dāng)前船舶減排最直接有效的方法[29]。從工業(yè)碳捕集技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，在沒有徹底改變化石燃料在航運(yùn)界的主導(dǎo)地位前，船用碳捕集技術(shù)是唯一能有效降低全球航運(yùn)碳排放的實(shí)用技術(shù)。遠(yuǎn)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(yùn)碳排放法規(guī)，舊船改造的體量也不容忽視。2022 年美國船級社（ABS）發(fā)布《船用碳捕集和儲(chǔ)存要求》，為安裝燃燒后船用碳捕集與存儲(chǔ)設(shè)備的船舶提供入級標(biāo)準(zhǔn)。船舶不同于陸上工業(yè)，有其運(yùn)營環(huán)境的特殊性和局限性，因此需要更具針對性的技術(shù)方案。

2.1 船用碳捕集技術(shù)研究現(xiàn)狀

近幾年，各研究機(jī)構(gòu)正積極開展船用碳捕集技術(shù)的探索，主要研究結(jié)果如表2 所示。2021 年以后，各國機(jī)構(gòu)加快了船用碳捕集技術(shù)的研究進(jìn)程，燃燒后碳捕集技術(shù)由于較高的碳捕集效率和較好的適應(yīng)性成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。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(yīng)用，但在現(xiàn)有技術(shù)條件下，化學(xué)吸收法在捕集效率、安裝成本等方面仍有較大優(yōu)勢。各機(jī)構(gòu)多采用模擬仿真研究方法，亟需大量有針對性的試驗(yàn)研究。

表2 全球代表性機(jī)構(gòu)船用碳捕集技術(shù)研究現(xiàn)狀Table 2 Current status of research on marine carbon capture technologies by global representative institutions

為了在低碳航運(yùn)市場搶占先機(jī)，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(shù)的實(shí)船驗(yàn)證[43-44]，以滿足各項(xiàng)嚴(yán)格的船舶碳排放法規(guī)要求。主要應(yīng)用案例如圖2 所示。當(dāng)前業(yè)界主要基于成熟的船舶廢氣脫硫技術(shù)，開展相關(guān)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(shè)計(jì)了一種基于船舶脫硫裝置的碳捕集系統(tǒng)，并成功應(yīng)用在一艘21 000 m3乙烯運(yùn)輸船上。中船集團(tuán)七一一所使用醇胺溶液作為吸收劑，獲得了國內(nèi)首個(gè)船載CO2捕集與封存系統(tǒng)（CCS）原理性認(rèn)可證書。各國實(shí)船應(yīng)用中大多采用傳統(tǒng)的吸收劑，可達(dá)到極佳的碳捕集效果，但在船舶尾氣中捕集的CO2質(zhì)量比捕集系統(tǒng)消耗的燃料質(zhì)量更大，需要消耗更多的能源將其運(yùn)到港口進(jìn)一步處理。因此，需針對遠(yuǎn)洋船舶的運(yùn)行特點(diǎn)，對船用碳捕集技術(shù)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化及創(chuàng)新。

圖2 各國船用碳捕集技術(shù)實(shí)船應(yīng)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(dāng)下各研究機(jī)構(gòu)及各船企的實(shí)船驗(yàn)證的現(xiàn)狀來看，船用碳捕集技術(shù)仍處于起步階段，目前缺乏對不同船型運(yùn)行工況、運(yùn)行參數(shù)等全方位深入的試驗(yàn)研究和實(shí)船驗(yàn)證。由于不同船型的尾氣特性和運(yùn)行工況不同，如何根據(jù)具體情況選擇合適的碳捕集技術(shù)方案，以達(dá)到較高的碳捕集效率并降低能耗，是實(shí)際應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。特別是遠(yuǎn)洋船舶的碳捕集技術(shù)方案，由于其運(yùn)行工況的復(fù)雜和特殊性，需要探索更加高效的吸收劑，研發(fā)高捕集效率、低能耗、無二次污染的船用碳捕集系統(tǒng)。此外，碳捕集系統(tǒng)的運(yùn)行成本，捕集后的碳儲(chǔ)存及利用也是有效促進(jìn)遠(yuǎn)洋船舶碳捕集技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

2.2 船用碳捕集技術(shù)的要求

遠(yuǎn)洋船舶以貨運(yùn)為主，貨艙以外的空間有限。遠(yuǎn)洋船舶尾氣成分十分復(fù)雜，含有CO2、SOx、NOx等氣態(tài)物，以及炭粒、煙塵等顆粒物[45-46]。正常負(fù)荷下的遠(yuǎn)洋船舶排氣總管溫度在500 ℃以上，經(jīng)余熱回收系統(tǒng)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(shù)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?；谝陨线h(yuǎn)洋船舶的尾氣排放特性，其尾氣碳捕集系統(tǒng)需符合以下要求：1）對低壓、低CO2濃度、高溫、成分復(fù)雜的氣源有良好的適應(yīng)性，以保證高效穩(wěn)定的碳捕集效果；2）具有經(jīng)濟(jì)性，包括碳捕集能耗、系統(tǒng)投資及運(yùn)行成本，保證經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行；3）碳捕集產(chǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，盡可能少占用船舶空間，保證船型適用性廣；5）設(shè)備抗震性好，遠(yuǎn)洋船舶長時(shí)間在海上受風(fēng)浪沖擊，須保證捕集設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 船用碳捕集適用技術(shù)

以一艘遠(yuǎn)洋航行的集裝箱船為例，根據(jù)該船的相關(guān)數(shù)據(jù)（表3），基于MARPOL 公約附則Ⅵ修正案中CII 評級的規(guī)定[48]，按照該船2023 年和2026 年度碳強(qiáng)度指標(biāo)各級別的邊界，在不改變油品的前提下以類似參數(shù)的航線保持營運(yùn)，若想在相關(guān)年份達(dá)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(guān)參數(shù)Table 3 Relevant parameters of ship carbon capture

化學(xué)吸收法是一種適用于遠(yuǎn)洋船舶上的碳捕集方法，目前化學(xué)吸收法所使用的吸收劑主要有有機(jī)胺類、氨水、熱鉀堿、強(qiáng)堿，各種吸收劑的特點(diǎn)對比如表4 所示[49-52]。

表4 不同化學(xué)吸收劑對比Table 4 Comparison of different chemical absorbents

各化學(xué)吸收劑已實(shí)現(xiàn)較為成熟的工業(yè)應(yīng)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(diǎn)，胺類吸收劑和強(qiáng)堿類吸收劑較為適合船舶上的應(yīng)用。有機(jī)胺類吸收劑技術(shù)最為成熟，可以與船舶余熱回收系統(tǒng)相結(jié)合，解決解吸能耗高的問題，實(shí)現(xiàn)在船舶上的應(yīng)用，但同時(shí)應(yīng)考慮胺類吸收劑易降解的問題。相較于胺類吸收劑，NaOH 等強(qiáng)堿類吸收劑具有反應(yīng)穩(wěn)定、吸收速率快、設(shè)備體積小、操作簡單的特點(diǎn)，一些研究者[39]已經(jīng)嘗試使用CaO 實(shí)現(xiàn)NaOH 的再生，并完成CO2的固態(tài)封存，解決了強(qiáng)堿類吸收劑無法重復(fù)使用的問題，尚需要考慮的是強(qiáng)堿的潮解。因此，胺類吸收劑和強(qiáng)堿類吸收劑可作為船舶碳捕集吸收劑。

3 船用碳捕集技術(shù)發(fā)展趨勢

在“雙碳”目標(biāo)的倒逼下，碳捕集技術(shù)作為一種行之有效的減碳措施，已逐漸獲得了行業(yè)認(rèn)可。以化學(xué)吸收法為代表的燃燒后捕集技術(shù)在陸上已實(shí)現(xiàn)成功的商業(yè)示范，但其碳捕集能耗、碳捕集成本一直是工程應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。船舶碳捕集不同于陸上工業(yè)環(huán)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(yè)系統(tǒng)及方案。船用碳捕集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，還有大量問題亟需解決。

3.1 面臨問題

3.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶的主要功能是運(yùn)輸貨物，空間相對局促，尤其是船舶的機(jī)艙，可分給碳捕集系統(tǒng)的空間極其有限。除捕集系統(tǒng)外，大部分燃燒后捕集方法在吸收系統(tǒng)后還要加裝解吸系統(tǒng)。此外，若需要將捕集后的CO2加以利用，還需要加裝壓縮機(jī)、冷凝器以及一定的儲(chǔ)存空間，因船舶空間有限，實(shí)現(xiàn)起來會(huì)有一定的困難。

3.1.2 捕集成本

碳捕集系統(tǒng)必然加大船舶初始投資成本，在實(shí)際運(yùn)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(dǎo)致捕集產(chǎn)物在進(jìn)行解吸時(shí)存在再生能耗較高、溶劑損失較大等問題；捕集系統(tǒng)的動(dòng)力裝置需要與原有船舶動(dòng)力裝置進(jìn)行集成，這會(huì)降低原有船舶動(dòng)力系統(tǒng)的效率；CO2的儲(chǔ)存會(huì)占用部分貨艙，降低船舶的運(yùn)輸能力；目前CO2的封存與利用技術(shù)尚不完善，尤其是對于長時(shí)間在海面移動(dòng)的遠(yuǎn)洋船舶。此外，船舶碳捕集及儲(chǔ)存的成本高于當(dāng)前碳交易市場碳價(jià)，船舶合法持有者對于船舶改裝碳捕集系統(tǒng)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(huì)導(dǎo)致CO2重新進(jìn)入大氣。無論高壓氣態(tài)儲(chǔ)存還是液態(tài)儲(chǔ)存都存在一定的安全隱患：高壓氣態(tài)CO2在惡劣海況下可能會(huì)發(fā)生爆炸，造成人員窒息或設(shè)備損壞；液態(tài)CO2若發(fā)生泄漏，驟冷的低溫會(huì)對船體結(jié)構(gòu)或船員造成危害。此外，液態(tài)CO2高溫下會(huì)氣化，造成儲(chǔ)存罐內(nèi)壓力升高，有爆炸風(fēng)險(xiǎn)?？梢?，CO2船上儲(chǔ)存會(huì)對船舶的安全性和穩(wěn)定性造成一定的影響，目前的航運(yùn)界尚無專門的CO2儲(chǔ)運(yùn)規(guī)范指南。

3.1.4 二次污染

目前對于化學(xué)吸收法捕集CO2系統(tǒng)對環(huán)境的影響評價(jià)，主要以模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為評價(jià)基礎(chǔ)，尚未與實(shí)際的項(xiàng)目結(jié)合。另外，化學(xué)吸收法捕集CO2需要消耗大量的淡水資源，這一點(diǎn)也鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。化學(xué)吸收法所使用的化學(xué)吸收劑在捕集過程中會(huì)產(chǎn)生某種排放（溶劑蒸汽、NH3、醛類等），化學(xué)吸收劑的降解也會(huì)產(chǎn)生固體廢物，這些都會(huì)對環(huán)境造成危害。

3.2 解決途徑

解決船舶碳捕集技術(shù)所面臨的各種問題，應(yīng)針對船舶尾氣特性，開展碳吸收劑、吸收塔結(jié)構(gòu)等碳捕集技術(shù)的深入研究，探索更高效的運(yùn)行模式。優(yōu)化捕集工藝、研發(fā)更為環(huán)保高效的吸收劑既能降低捕集成本，又可使系統(tǒng)更為緊湊。對船舶空間進(jìn)行統(tǒng)籌布局，做到合理利用，與船舶已有的尾氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行耦合也是一個(gè)值得探究的方向，船舶尾氣一體化的處理系統(tǒng)既可以同時(shí)進(jìn)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(chǔ)運(yùn)安全，積極研發(fā)船用新型CO2儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)，制定CO2運(yùn)輸指南及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范海事監(jiān)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(yè)，從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。此外，近年來CO2驅(qū)油與碳捕集系統(tǒng)結(jié)合而成的CO2-EOR 技術(shù)取得了重大進(jìn)展，已被證明CO2具有較大的驅(qū)油潛力[53]。

4 結(jié)語

尾氣碳捕集技術(shù)是應(yīng)對全球氣候變化最直接有效的技術(shù)之一，是當(dāng)前唯一能夠不改變現(xiàn)有能源格局的有效減碳技術(shù)，在航運(yùn)業(yè)中具有廣泛應(yīng)用的巨大潛力。各研究機(jī)構(gòu)及各國船企經(jīng)過分析論證，均表明燃燒后碳捕集技術(shù)因其適用于低CO2分壓、排氣量大的氣源，且對原有系統(tǒng)改造小、投資少，是最有可能在船舶上廣泛應(yīng)用的碳捕集技術(shù)。目前該方法存在捕集能耗高的缺點(diǎn)，且不同船型排放的尾氣特性存在巨大差異性，特別是遠(yuǎn)洋船舶，缺乏各船型不同工況下的具體數(shù)據(jù)，大規(guī)模推廣使用碳捕集技術(shù)還需要進(jìn)一步深入探索和研究?？蓮奈談┑母牧?、捕集工藝優(yōu)化兩方面降低捕集能耗，同時(shí)可以考慮船舶尾氣余熱回收，彌補(bǔ)碳捕集過程中的高能耗。捕集后的CO2可利用船舶在海上運(yùn)行的便利性進(jìn)行海洋封存，也可利用捕集后的CO2產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，彌補(bǔ)碳捕集系統(tǒng)在安裝、使用過程中產(chǎn)生的成本。

針對船舶碳捕集技術(shù)所面臨的各種問題，需要繼續(xù)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(jì)算向試驗(yàn)研究、示范驗(yàn)證過渡，積極探索碳捕集技術(shù)優(yōu)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(gè)方面進(jìn)行全生命周期的碳減排評價(jià)，研究適用于遠(yuǎn)洋船舶的碳捕集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、利用四位一體的全鏈遠(yuǎn)洋船舶碳捕集技術(shù)，以推進(jìn)船舶碳捕集技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。