摘 要：在船舶溫室氣體減排的背景下，由于船載碳捕集系統(tǒng)可以將航運過程中的碳排放進行捕集、分離和再利用，對于船舶能效指數(shù)（EEDI、EEXI）、營運碳強度（CII）和燃料全生命周期碳強度評價（LCA）將帶來重要影響，已成為了國際海事立法機構、航運界和工業(yè)界關注的焦點。本文梳理了碳捕集系統(tǒng)的主要技術路線、船上系統(tǒng)的特殊要求以及國際范圍內(nèi)的工程試點項目，明確了船載碳捕集技術的應用前景和重點研究方向，結合標準化的作用機制，分析得出短中期內(nèi)標準化主要作用場景和潛在項目清單，嘗試給出標準建設的重點方向。

關鍵詞：船載碳捕集，標準化，溫室氣體減排，碳移除

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.20.008

0 引 言

隨著船舶溫室氣體減排要求不斷提高，碳捕集與封存技術（Carbon Capture and Storage， CCS）的船上應用已成為當前研究熱點，其旨在通過化學和物理方法捕集較高濃度的二氧化碳，并進行分離、處理、轉(zhuǎn)運和封存，實現(xiàn)碳排放移除[1]。船載碳捕集通常與封存或再利用共同形成上下游技術，其中包括的主要環(huán)節(jié)還有：液化、存儲、加注和轉(zhuǎn)運等。陸上CCS于1996年首次大規(guī)模應用在韋伯恩油田[2]，至今已成為了重要的碳移除技術。由于碳捕集具有成本高、技術路線多、應用場景復雜且對于船舶空間布置影響大的特點，CCS的船上應用仍然面臨諸多障礙。在此背景下，本文將從技術路線、主要困難和標準應用場景的分析出發(fā)，探索標準化建設對于該技術的應用發(fā)展的支撐渠道，并嘗試給出標準建設的重點方向。

1 船載碳捕集技術

碳捕集與封存技術涵蓋內(nèi)容不斷拓展，除了作用于化石燃料電廠和工業(yè)過程中，同時覆蓋了生物質(zhì)利用過程和直接空氣捕集[3]。船舶營運過程中尾氣二氧化碳氣體濃度體積占比為3%～7%[4]，二氧化碳濃度較低，且伴有大量硫氮氧化物和顆粒物，同時由于船舶營運空間要求高，因此CCS的船上應用應當具備占用空間小、對船舶動力系統(tǒng)改造程度小、低濃度二氧化碳氣源適用、復雜成分氣源適用的特點，同時因具備較好的抗震性能。在此背景下，應針對現(xiàn)有技術路線進行適用性分析。

根據(jù)燃燒過程和燃燒方式劃分，CCS可以分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒[5]。燃燒前捕集應用于一氧化碳與氫氣合成氣與蒸汽反應生成的二氧化碳捕集中，合成氣通常來自化石燃料的氣化，船舶在使用該技術的前提是采用氫燃料發(fā)動機，還需配備相關的氫燃料儲存裝置，目前在船上應用不成熟。富氧燃燒工藝廣泛應用于鍋爐、冶金爐中，其是通過高濃度氧氣代替空氣參與燃燒，以獲得易于捕集的高濃度二氧化碳，船上應用同樣需要改造動力系統(tǒng)，并難以適應船上動態(tài)的動力需求。燃燒后捕集是指在化石燃料燃燒之后進行碳移除，普遍應用于發(fā)電行業(yè)，目前是研究最為深入的捕集形式，其船上應用對主機系統(tǒng)改造僅限于尾氣處理系統(tǒng)，并較為安全。下面重點探討該技術路徑下的技術發(fā)展現(xiàn)狀。

1.1 化學吸收法

化學吸收法是一種利用堿性吸收劑與煙氣接觸并與CO2發(fā)生反應，形成不穩(wěn)定的鹽類，而鹽類在加熱或減壓的條件下會逆向分解釋放CO2并再生吸收劑，從而將CO2從煙氣中分離的方法[6]，主要的工作流程如圖1所示。堿性吸收劑通常包括乙醇胺（MEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、混合胺、胺基兩相、少水胺及離子液體[7]等。以MEA為例，其主要的化學反應如式（1）所示。

低溫下，有利于反應從左向右進行，在吸收塔內(nèi)將CO2從原料氣中吸收、脫除；高溫下，有利于反應從右向左進行，在再生塔內(nèi)將CO2從吸收劑中解吸出來，使吸收劑得以再生，并循環(huán)使用。該技術是應用最廣的技術路線，對于船上應用其煙氣適應性好的優(yōu)點較好地滿足了船舶主機尾氣的特點。

1.2 化學與物理吸附法

化學和物理吸附法分別是利用CO2分子與吸附材料表面分子的化學鍵結合和分子引力，產(chǎn)生吸附作用，進而實現(xiàn)CO2捕集。主要的工作流程如圖2所示?；瘜W吸附材料主要包括：醇胺類吸附材料、固體胺、堿金屬碳酸鹽類低溫吸附材料，以及氧化鈣、正硅酸鋰等高溫吸附材料[ 8 ]。物理吸附的主要材料包括：活性炭、沸石、金屬有機框架（MOF）等。兩者的吸附和解吸的條件通常是變溫和變壓。

目前，船載碳捕集的工程示范應用領域，已經(jīng)出現(xiàn)了基于鈣循環(huán)的化學吸附法嘗試，來自倫敦的氣候技術初創(chuàng)企業(yè)Seabound，在鈣循環(huán)船載碳捕集上完成了3200TEU集裝箱船的試點，設備集成于集裝箱內(nèi)（如圖3所示），能耗為7.33 kWh每噸CO2捕集，借由利比里亞代表團，以上嘗試已經(jīng)以信息提案的方式向國際海事組織環(huán)保會第81次會進行了提案遞交。

1.3 膜分離法

CO2膜分離法是指根據(jù)CO2分子在膜材料中的滲透率的不同，在滲透層和滯留層實現(xiàn)對煙氣的分離技術，如果膜是多孔膜，分子的通過機制一般為努森擴散、表面擴散、毛細管冷凝和分子篩分擴散[9]等，如不是多孔膜，通過機制一般為溶解擴散。其具有設備簡單、占地面積小、操作方便、分離效率高、能耗低、環(huán)境友好且便于和其他方法集成等優(yōu)點[10]。主要的工作流程如圖4所示。根據(jù)膜材料分離膜主要分為三大類：無機膜、有機聚合物膜和混合基質(zhì)膜[11]。

船舶尾氣在排氣管（未經(jīng)過余熱回收系統(tǒng)）處的溫度約為50 0度左右，經(jīng)過余熱回收后約為100-200度之間，在此環(huán)境下，無機膜可以無需加熱/冷卻直接應用，有機膜則需要進行必要的冷卻，但無機膜本身成本較高且選擇性較差，因此具有較好的熱穩(wěn)定性和可塑性且成本較低的復合基質(zhì)膜更適用于船載環(huán)境，其主要通過將納米金屬、金屬氧化物等無機材料和聚合物、纖維等有機材料進行混合或空間上的組合，在船上移動且空間緊湊環(huán)境下，膜分離具備得天獨厚的優(yōu)勢，但目前仍主要應用于火力電廠、水泥廠等場景，船上應用仍需深入論證。

1.4 典型項目

表1匯總了目前國際市場上典型的船載碳捕集相關的有益嘗試，其中三菱重工2021年首次在Corona Utility散貨船應用的碳捕集測試，被普遍認為是世界首次實際海洋航行中的船載碳捕集試點，該項目名為“CC-Ocean”，是由日本國土交通省（MLIT）海事局支持，三菱造船、K-line和日本船級社共同合作完成，于當年獲得了日本海洋工程學會（JIME）頒發(fā)的“2021年度海洋工程”，目前已知該項目成功分離出純度大于99.9%的二氧化碳，達到了試點目標。Seabound在Lomar航運中試點的鈣循環(huán)化學吸附方法，為使碳捕集系統(tǒng)更加緊湊，將二氧化碳與氧化鈣結合后的分離工作轉(zhuǎn)移至岸上進行，在計算燃料全生命周期碳排放eoccs因子時需將岸上分離提純二氧化碳的能量消耗扣除。

由于碳捕集系統(tǒng)有機會通過改裝讓難以達到IMO排放規(guī)定的老舊船型重新運營，船東與租賃公司對于船載碳捕集的期望基本是積極的。目前項目的主要特點包括：（1）基于胺溶劑的化學吸收法應用程度較廣，各解決方案提供方的溶劑配方特異性較強，且設備龐大，耗能高；（2）采用化學吸附法將分離提純流程轉(zhuǎn)移至岸上的技術路徑，可能在緊湊性上更有優(yōu)勢；（3）目前全球市場仍處于技術的篩選階段，后續(xù)的技術發(fā)展方向和工程選擇可能與IMO監(jiān)管法規(guī)、船型或航線的特異性有關。

2 應用前景分析

事實上如前文所述，船舶并非碳捕集應用的最佳場景，但基于船舶溫室氣體減排日益迫近的壓力和IMO要求航運業(yè)完全不依賴其他行業(yè)實現(xiàn)凈零排放的限制，將碳捕集引入實船航運場景成為了研究熱點。目前化學吸收法的技術可行性已得到了驗證，但是該技術應用的前景仍然面臨以下三項風險，即：法規(guī)層面的爭論、經(jīng)濟性、燃料全生命周期碳評價的效能。其中經(jīng)濟性需要考慮包括系統(tǒng)本身成本、產(chǎn)業(yè)鏈運行成本、改裝費用（如有）、維護保養(yǎng)與培訓費用、增加燃料消耗費用以及占用空間的機會成本等因素。

2.1 法規(guī)進展與爭論

國際海事組織目前在兩個方面開展了CCS技術相關的討論或監(jiān)管，首先是碳捕集在船上應用的討論，在海洋環(huán)境保護委員會第79次會中國、ICS和利比里亞首次提出了將船載碳捕集納入監(jiān)管的議題，至今已有15項相關提案參與討論，并在ISWG-GHG16次溫室氣體減排會間工作組中明確著手建立監(jiān)管框架、并對現(xiàn)有項目信息和船舶案例進行收集和審查。第二是監(jiān)管CCS技術進行的相關封存作業(yè)，《倫敦公約》（LC）和《倫敦議定書》（LP）將封存作業(yè)作為“海底地質(zhì)構造”和“海洋地球工程”的關鍵環(huán)節(jié)進行了監(jiān)管，現(xiàn)已建立了封存評估的準則、風險評估和管理框架以及批準CO2國與國之間的出口。

各國對CCS技術或產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基本保持了支持態(tài)度。美國在《基礎設施投資和就業(yè)法案》中撥款34.77億美元用于碳捕集試點，五年內(nèi)為提供35億美元用于基礎設施建設。歐盟理事會和歐洲議會在2024年達成協(xié)議的《凈零工業(yè)法》[12]中將CCS納入凈零排放技術，計劃提高其競爭力，并將在年底公布CCS項目的申請程序。中國在《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》中明確提出了二氧化碳捕集、利用及封存技術創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向、創(chuàng)新目標和創(chuàng)新行動[13]。值得一提的是，由于CCS為使用傳統(tǒng)化石能源提供了一定程度的豁免，其也受到了一定的批評與爭論，主要包括鼓勵使用化石能源、經(jīng)濟性以及相對替代能源的減碳效能上。

2.2 產(chǎn)業(yè)鏈建設必要性

上文關于經(jīng)濟性分析中，與技術路線關聯(lián)性較低的因素即為產(chǎn)業(yè)鏈建設，其同樣是標準化建設領域的重點。如圖5所示，完善的產(chǎn)業(yè)鏈建設將有助于降低運行成本，相關環(huán)節(jié)包括卸載、離岸存儲、封存或再利用，再利用的場景主要包括合成甲醇、加注驅(qū)油、二氧化碳儲能、制冷、食品工業(yè)和混凝土建材。值得注意的是，如果該船燃料上船前并未考慮碳捕集二氧化碳合成的因素，那么將捕集的二氧化碳用于合成可再生燃料，將通過燃料全生命周期評價的ecccu排放信用額，降低最終計算的二氧化碳排放強度。如果遠洋船舶采用甲醇為燃料，將加氫合成甲醇的工藝環(huán)節(jié)在船上實現(xiàn)整合，可以進一步降低船上存儲液態(tài)二氧化碳儲罐所占的空間，間接降低成本。如果進行短途航運，選擇進行岸上碳捕集介質(zhì)的分離和提純，同樣可以實現(xiàn)成本的降低。

2.3 重點研究領域

面向安全、經(jīng)濟和減碳效能的目標，船載碳捕集的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要在以下重點領域加以考慮：（1）全流程的安全管理，涵蓋風險評估、安全設計、溶劑安全管理、二氧化碳防泄漏、管系安全管理以及LCO2存儲自由面對穩(wěn)性影響等。（2）捕集、分離與提純的降本增效。在捕集環(huán)節(jié)，進一步提升捕集率，開發(fā)低成本吸收溶劑/吸附材質(zhì)；以降低改造成本和減少空間占用為目標，緊湊化碳捕集系統(tǒng)（包括水洗塔、吸收塔、再生塔和分離器的緊湊化結構設計）；在短途航運可率先嘗試船上捕集、岸上分離的模式；同時，針對符合船舶應用場景的膜分離方法開展技術研究與試驗。（3）CO2轉(zhuǎn)化利用亟待實現(xiàn)路徑突破，圍繞LCA導則中關于船上碳捕集環(huán)節(jié)的強度因素，開發(fā)CO2生成合成燃料的合適的化學反應路徑，并通過催化劑研發(fā)，降低過程成本。（4）此外，智能與自動化控制將通過對碳捕集過程的高效控制，有效提升安全管理水平，并對捕集率提升和員工培訓成本降低帶來益處。

3 標準化發(fā)展分析

目前，船載碳捕集正處于商業(yè)化應用的起步階段，LCA導則中關于碳捕集系統(tǒng)碳強度計算尚不明確，標準的研制將有機會在安全、環(huán)境評價、捕集性能、基礎設施建設和人員培訓等領域提供有效的支撐。在此過程中，標準將以法規(guī)、工業(yè)界和船東視角發(fā)揮作用。

3.1 作用機制

（1）支撐法規(guī)監(jiān)管

2024年召開的第81次MEPC會議進一步明確了將船載碳捕集納入IMO監(jiān)管框架的決心，MEPC要求成立通訊組進一步審議船載碳捕集有關的問題，并制定將其納入監(jiān)管框架的行動計劃，但該計劃并未涵蓋船上捕獲的二氧化碳核算的事項。該小組的工作內(nèi)容預計將包括：碳捕集的核查和認證選項、陸上捕集相關法規(guī)適用性等內(nèi)容。在此背景下的標準，預計將通過工程經(jīng)驗，在核查與認證程序上對國際海事法規(guī)的制定提供必要的支撐。

（2）保障系統(tǒng)安全應用

由于船載碳捕集系統(tǒng)為船舶增加了有機胺、堿性熔劑、液態(tài)二氧化碳等新的風險點，相關安全設計、安全管理和安全作業(yè)與防護有了新的要求。安全管理類標準預計將會以系統(tǒng)設計、系統(tǒng)安裝調(diào)試、傳感器與報警、防泄漏、人員防護、人員培訓等為切入，支撐系統(tǒng)的安全應用。

（3）經(jīng)濟性評價

作為面向市場的商業(yè)化產(chǎn)品，船東與租賃公司的最終選擇是檢驗其市場應用的最重要因素。但由于船型、航線、選用燃料、改裝/新造成本、碳捕集效能、碳利用/封存價格/成本等多種因素交織，相關方對新造或改裝船載碳捕集系統(tǒng)開展科學的經(jīng)濟性評價的需求較高。相關經(jīng)濟性評價方法標準將為全球的利益相關方提供評價準則，且該準則是與LCA保證協(xié)調(diào)性與一致性的。

3.2 場景與潛在標準

結合關于未來船載碳捕集技術發(fā)展的重點領域和標準作用機制的分析，本文重點關注以下場景，并試圖要求在各應用場景中通過標準化實現(xiàn)對相關方的決策與技術支持。第一，立足于支撐國際海事法規(guī)，建立捕集CO2核查和認證程序標準，是IMO建立監(jiān)管框架的核心內(nèi)容，該項/系列標準應當涵蓋捕集CO2的認證程序、CO2終端的認證程序、船舶CO2管理計劃以及相關記錄簿等內(nèi)容，同時標準中的管理計劃與程序需要保證和上報DCS數(shù)據(jù)要求、EEDI、EEXI和CII的協(xié)調(diào)性。第二，船東/租賃公司選擇新造/改裝船舶場景下，經(jīng)濟性評估標準應當建立涵蓋碳定價機制、碳排放評估、成本核算等內(nèi)容，并整合形成一套可指導相關方選擇合適船用燃料以滿足EEDI或其他能效和碳強度要求的程序。第三，面向工業(yè)界對船載碳捕集系統(tǒng)的應用，應當以各界面為切入點，建立包括安全應用、性能評價、轉(zhuǎn)運卸載、設備測試、人員培訓等內(nèi)容的標準體系。表2匯總了目前具有較高必要性和可行性的潛在標準項目。

4 結 語

在當前，船載碳捕集技術正處于商業(yè)化運行的初期階段，國際海事法規(guī)是將碳捕集裝置引入船舶應用場景的最大動力。國際范圍內(nèi)，基于化學吸收法和化學吸附法的初步應用已經(jīng)展開，并在可行性上完成了初步驗證。由于船載碳捕集系統(tǒng)應用涉及的產(chǎn)業(yè)鏈較長，標準化可以在法規(guī)支撐、船東決策和工業(yè)界應用的維度，對碳捕集系統(tǒng)的安全應用、環(huán)境評價、捕集性能、基礎設施建設和人員培訓等方面提供必要幫助。結合IMO對將船載碳捕集納入監(jiān)管的迫切需求，本文認為船載碳捕集的標準化建設必要性較高，主要建設平臺優(yōu)先國際標準，特別在捕集CO2核查和認證程序，碳捕集系統(tǒng)的安全評估、設計和管理，新造/改裝系統(tǒng)經(jīng)濟性評價，液態(tài)CO2轉(zhuǎn)運卸載相關流程和裝備要求等方面目前存在較高需求。

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作者簡介

曾紅莉，碩士研究生，高級工程師，研究方向為船舶標準化。

王立志，通信作者，碩士研究生，助理工程師，研究方向為綠色低碳技術與裝備。

劉凱茜，碩士研究生，工程師，研究方向為船舶與海洋工程標準化。

（責任編輯：袁文靜）