CCUS技术在船上的应用前景

二氧化碳捕捉、利用与封存(CCUS)是指将二氧化碳从排放源中分离后直接加以利用或封存，以实现二氧化碳减排的工业过程。CCUS在二氧化碳捕捉与封存(CCS)的基础上增加了“ 利用(Utilization)”，这一理念是随着二氧化碳捕捉与封存技术的发展以及对该技术的认识深化而逐步形成的。

当前CCUS技术主要在火力发电、煤化工、水泥生产等领域进行了一些试点应用，暂时还未发展到商业应用阶段。对于船上碳捕捉与封存，还未出现工业试点，仅有几项国外的船上CCUS解决方案项目在近些年启动。

碳捕捉方式

在船上应用CCUS技术首要关注的是如何进行碳捕捉。CO2的捕捉方式主要有3种：燃烧前捕捉、富氧燃烧捕捉和燃烧后捕捉。燃烧前捕捉的主要原理是在燃烧之前从化石燃料中除去CO2，因此需要设置重整装置对燃料进行处理。富氧燃烧捕捉技术是在纯氧气中燃烧化石燃料而不是在空气中燃烧，因此需要配备空分装置将氧气从空气中分离出来。燃烧后捕捉常用的方法是采用化学吸附剂吸收化石燃料燃烧废气中的CO2或者采用膜分离法分离尾气提纯CO2，其中化学吸收法提纯浓度较高，但成本也高，膜分离法经济性好，但回收量低而且纯度不高。通常，采用燃烧后碳捕捉法需要对发动机废气处理系统进行改造，但改动量较小。相较于前两种方法，燃烧后捕捉法是最成熟的方法，且不需要对发动机进行改造，对应用于船舶的适应性更好。

在船用方面，国外相关机构对船上应用燃烧后化学吸收法的技术性和经济性两方面进行了评估，研究结果表明，根据捕捉介质和捕捉工艺的不同，捕捉率可达到 60%-90%，而且在使用相同化学吸收剂的情况下，发动机功率大的船舶捕捉CO2的成本明显低于发动机功率较小的船舶。

碳封存方式

碳封存阶段实际上涉及到运输和封存两个环节。对于陆上固定式排放源而言，碳运输环节有三种主要方式：管道、船舶、增压罐车，而对于船舶而言，运输阶段主要关注如何将船上储存的CO2运送到岸基接收与处理终端。船舶需要设有一套CO2卸载系统将船载CO2转移至港口岸基或海洋平台上的接收设施，以便将CO2进行处理和封存。

碳封存技术主要有地质封存和海洋封存两种类别，其中地质封存是指将捕捉的CO2储存于地质构造当中，实现与大气的长期隔绝的过程，目前主要有咸水层、油气层、煤层和页岩气封存四种方式，由于技术和成本原因，也考虑到封存技术对环境的影响，地质封存以采用油气层封存方式为主；对于船舶储存和运输的CO2，未来的封存方式更可能是通过在指定地点接上与海底连接的管道，然后输送至海底封存。

海洋封存主要包括海洋水柱封存和海洋沉积物封存两种形式。其中对于海洋水柱封存而言，由于海洋循环的存在，注入深海的CO2在经历一系列漫长的转移转化之后最终将重返海洋表层或离开海洋水体和大气建立新的平衡。海洋沉积物封存对环境影响相对更小，但同时也可以预见，封存的成本非常高，大规模的实施应用仍然需要做很多细节性的研究工作。

碳利用方式

对于运输到终端的CO2而言，除了将其封存于枯竭的油田或者其他安全的地下场所，还可以将二氧化碳进行资源化利用，相比较于封存，碳利用能产生经济效益，更具有现实操作性。目前最常见的碳利用方式为利用CO2驱油提高石油采收率(CO2-EOR)，也称为驱油封存技术, 该技术的使用使最初采出的石油量增加了15％至20％，目前已进入商业化应用初期阶段。CO2驱油封存技术，可以有效补偿CCUS的成本，据测算，以当前的技术水平，当原油价格在70美元/桶的水平时，基本就可以平衡驱油封存成本。

除了地质利用以外，化学利用和生物利用也有一些实际的应用。在化工合成方面，利用二氧化碳作为碳源，通过加氢可以还原合成甲烷、甲醇、二甲醚、甲酸和低碳烷烃等气体或液体燃料，既可以减少对化石燃料的依赖，也不会产生更多的二氧化碳。生物利用方面，主要产品有食品和饲料、生物肥料、生物燃料等。目前CO2在化学利用和生物利用方面的应用较少。

对于船上可以直接利用CO2的方式，如为CO2灭火系统提供CO2、利用于超临界CO2涡轮发电技术等则由于CO2需求量太少，暂时没有实船应用的价值。

船用CCUS的关键技术

在目前国内外已有的船用CCUS技术研究项目或解决方案中，船上应用CCUS技术需要设计并在船上安装一套紧凑型CO2捕捉装置，采用化学吸收法或者膜分离法回收CO2，将回收的CO2压缩或液化后储存，压缩或液化后的CO2可用于强化石油开采、作为合成燃料的原料，或者利用成熟的海上技术将干冰运输到海底沉积物中封存。在整个过程中，碳捕捉和船上碳储存是船用CCUS技术最主要的关注点。对于碳封存，由于船舶本身无法进行大容量的封存，因此能考虑部分的仅包括与外部相连接相关的装置或系统。对于碳利用，船舶与陆上利用方式基本一致。

1、CO2捕捉

如何紧凑地在船上布置碳捕捉装置或者缩小装置体积是实现船上碳捕捉应用的关键。目前陆地上电厂使用的碳捕捉系统规模较大，通常占地面积高达几十平方米，若要将其布置在船舶上面，则需要大幅减小整个捕捉装置的体积。除此之外，碳捕捉的能耗和经济性也是需要关注的因素。在碳捕捉的过程中，通常需要另设装置来进行冷却或者加热，若能利用废气中的热能替代蒸汽加热装置提供的热能，或者使用低温燃料将CO2冷却成液态或者固态，替代原本的冷却装置，不仅可以改善船上碳捕捉的能耗问题，提高经济性，也能在一定程度上减小碳捕捉装置的体积。

不少研究成果表明，在CCUS技术应用最广泛的电厂中，碳捕捉的加入会使整体能效下降，因此在进行碳捕捉系统集成优化的同时，还应考虑到该方式对船舶原有动力系统或废热回收系统产生的影响。

2、CO2储存

如何储存所捕捉的CO2也是在船上应用二氧化碳捕捉与封存技术的关注重点之一。若以压缩气体的方式储存CO2，压缩机和压缩气瓶会占用船上大量空间；若以液态形式储存CO2，则冷却与液化工艺过程需要极高的能耗。

除了储存空间和能耗问题之外，考虑到低温CO2泄漏可能会对船体结构和人员造成损伤，储存过程中的安全问题也需要重点关注。目前航运业缺乏CO2运输船的相关规范指南，也缺少船用大型CO2压缩机或液化装置的规程条款，还需要在已有液化气体规范标准的基础上做进一步的研究，制定保障船舶安全储存CO2的技术要求。

3、CO2封存

通常，CO2保持液相和密相的条件区间很大，不同船舶储存CO2的压强和温度可能会存在较大差异。而不同封存地需要的CO2注入状态也会因地质和海洋环境的不同而不同，因此保证输出的CO2能与注入口的需求状态相匹配是船运CO2在船端卸载时需要解决的技术难点之一。

船舶卸载CO2可以选择两种不同的方式，第一种为船端先卸载CO2然后在(半)永久装置上处理CO2；另一种方式为在船上处理完成后再卸载至外部接收端。若采用第一种方式，由于卸载的CO2为低温液体或低温压缩气体，在卸载方案的设计上会有较大的限制；若采用第二种方式，则需要重点关注CO2处理装置在船上的布置。

除了上述船舶应用CCUS技术的关键问题之外，实际应用中还需要考虑CCUS技术在各行业广泛存在的一些问题，如碳捕捉系统产生的废弃物及吸收溶剂的排放问题、CO2卸载频率和CO2储罐体积之间的平衡问题、CO2的泄露和腐蚀问题问题等。

船舶应用前景分析

当前船用CCUS的关键技术主要集中在船舶布置、安全保障以及能耗三个方面。其中在船舶布置方面，国外已有相关项目进行了船用CCUS技术的可行性研究与解决方案研究，也有不少期刊文献提出了具体的紧凑型布置方案，这些研究表明，碳捕捉与储存装置在船舶布置方面是可以实现的，但考虑到安全及能耗等其他因素，实际投入应用还需要进一步缩减布置空间；在安全保障方面，船舶储存CO2的技术要求可主要参考IGC规则，部分针对性要求可以参考LPG运输船的技术要求或CO2储罐相关标准提出，在船用碳捕捉技术安全方面，目前还欠缺系统深入的研究；在能耗方面，碳捕捉与储存系统的能耗将直接影响到船舶应用碳捕捉与储存的成本，受限于技术的成熟度和船舶捕捉CO2的体量，当前船舶应用碳捕捉的成本远高于碳交易市场的碳价，难以形成船舶应用碳捕捉与储存技术的市场动力。

就应对方案而言，技术的革新可以有效改善碳捕捉和储存系统在船舶上的布置问题以及能耗问题；相关技术标准的研究和制定可以减少安全隐患问题或者将安全隐患集中控制；政策的扶持补贴和碳交易系统的加入则可以在一定程度上弱化高能耗对船舶应用推广的限制。

总的来说，当前船舶应用CCUS技术还有不少技术难点需要攻克，虽然部分关键技术已经有了一定的研究基础或发展方向，但仍然存在着或多或少的问题等待进一步研究和解决。另外，无论是在技术层面还是经济层面上，大型船舶应用碳捕捉与封存技术都明显优于中小型船舶，具有更好的适用性。