聚焦 Focus
中國船級社 金 鼎
CCUS 技術(shù)在船上的應(yīng)用前景
船上碳捕捉與封存尚未到商業(yè)應(yīng)用階段，但部分關(guān)鍵技術(shù)已有突破。 聚焦 Focus 二
氧化碳捕捉、利用與封存
（CCUS）是指將二氧化碳從
排放源中分離后直接加以利用或封存，以實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的工業(yè)過程。CCUS 在二氧化碳捕捉與封存（CCS）的基礎(chǔ)上增加了“ 利用（Utilization）”，這一理念是隨著CCS 技術(shù)的發(fā)展以及對CCS 技術(shù)的認(rèn)識深化而逐步形成的。
當(dāng)前CCUS 技術(shù)主要在火力發(fā)電、煤化工、水泥生產(chǎn)等領(lǐng)域進(jìn)行了一些試點(diǎn)應(yīng)用，暫時(shí)還未發(fā)展到商業(yè)應(yīng)用階段。對于船上碳捕捉與封存，還未出現(xiàn)工業(yè)試點(diǎn)，僅有幾項(xiàng)國外的船上CCUS 解決方案項(xiàng)目在近些年啟動。
碳捕捉方式
在船上應(yīng)用CCUS 技術(shù)首要關(guān)注的是如何進(jìn)行碳捕捉。CO 2的捕捉方式主要有3種：燃燒前捕捉、富氧燃燒捕捉和燃燒后捕捉。燃燒前捕捉的主要原理是在燃燒之前從化石燃料中除去CO 2，因此需要設(shè)
置重整裝置對燃料進(jìn)行處理。富氧
燃燒捕捉技術(shù)是在純氧氣中燃燒化石燃料而不是在空氣中燃燒，因此需要配備充分裝置將氧氣從空氣中分離出來。燃燒后捕捉常用的方法是采用化學(xué)吸附劑吸收化石燃料燃燒廢氣中的CO
2
或者采用膜分離法
分離尾氣提純CO
2
，
其中化學(xué)吸收法提純濃度較高，但成本也高，膜分離法經(jīng)濟(jì)性好，但回收量低而且純度不高。通常，采用燃燒后碳捕捉法需要對發(fā)動機(jī)廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，但改動量較小。相較于前兩種方法，燃燒后捕捉法是最成熟的方法，且不需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改造，對應(yīng)用于船舶的適應(yīng)性更好。
在船用方面，國外相關(guān)機(jī)構(gòu)對船上應(yīng)用燃燒后化學(xué)吸收法的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行了評估，研究結(jié)果表明，根據(jù)捕捉介質(zhì)和捕捉工藝的不同，捕捉率可達(dá)到 60%～90%，而且在使用相同化學(xué)吸收劑的情況下，發(fā)動機(jī)功率大的
船舶捕捉CO
2
的成本明顯低于發(fā)動機(jī)功率較小的船舶。
碳封存方式
碳封存階段實(shí)際上涉及到運(yùn)輸和封存兩個(gè)環(huán)節(jié)。對于陸上固定式排放源而言，碳運(yùn)輸環(huán)節(jié)有三種主要方式：管道、船舶、增壓罐車，而對于船舶而言，運(yùn)輸階段主要關(guān)
注如何將船上儲存的CO
2
運(yùn)送到岸基接收與處理終端。船舶需要設(shè)有一套CO
2
卸載系統(tǒng)將船載CO
2
轉(zhuǎn)移
至港口岸基或海洋平臺上的接收設(shè)
施，以便將CO
2
進(jìn)行處理和封存。
碳封存技術(shù)主要有地質(zhì)封存和
海洋封存兩種類別，其中地質(zhì)封存是
指將捕捉的CO
2
儲存于地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)
中，實(shí)現(xiàn)與大氣的長期隔絕的過程，
目前主要有咸水層、油氣層、煤層和
頁巖氣封存四種方式，由于技術(shù)和成
本原因，也考慮到封存技術(shù)對環(huán)境的
影響，地質(zhì)封存以采用油氣層封存
方式為主；對于船舶儲存和運(yùn)輸?shù)?/span>
CO
2
，未來的封存方式更可能是通過
在指定地點(diǎn)接上與海底連接的管道，
然后輸送至海底封存。
海洋封存主要包括海洋水柱封
存和海洋沉積物封存兩種形式。其
中對于海洋水柱封存而言，由于海
洋循環(huán)的存在，注入深海的CO
2
在
經(jīng)歷一系列漫長的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化之后最
終將重返海洋表層或離開海洋水體
和大氣建立新的平衡。海洋沉積物
封存對環(huán)境影響相對更小，但同時(shí)
也可以預(yù)見，封存的成本非常高，
大規(guī)模的實(shí)施應(yīng)用仍然需要做很多
細(xì)節(jié)性的研究工作。
碳利用方式
對于運(yùn)輸?shù)浇K端的CO
2
而言，
除了將其封存于枯竭的油田或者其
他安全的地下場所，還可以將二氧
化碳進(jìn)行資源化利用，相比較于封
存，碳利用能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，更具
有現(xiàn)實(shí)操作性。目前最常見的碳
利用方式為利用CO
2
驅(qū)油提高石油
采收率（CO
2
-EOR），也稱為驅(qū)油
封存技術(shù), 該技術(shù)的使用使最初
采出的石油量增加了15％至20％，
目前已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用初期階段。
CO
2
驅(qū)油封存技術(shù)，可以有效補(bǔ)償
CCUS的成本，據(jù)測算，以當(dāng)前的
技術(shù)水平，當(dāng)原油價(jià)格在70美元/
桶的水平時(shí)，基本就可以平衡驅(qū)油
封存成本。
除了地質(zhì)利用以外，化學(xué)利用
和生物利用也有一些實(shí)際的應(yīng)用。
在化工合成方面，利用二氧化碳作
為碳源，通過加氫可以還原合成甲
烷、甲醇、二甲醚、甲酸和低碳烷
烴等氣體或液體燃料，既可以減少
對化石燃料的依賴，也不會產(chǎn)生更
多的二氧化碳。生物利用方面，主
要產(chǎn)品有食品和飼料、生物肥料、
生物燃料等。目前CO
2
在化學(xué)利用
和生物利用方面的應(yīng)用較少。
對于船上可以直接利用CO
2
的
方式，如為CO
2
滅火系統(tǒng)提供CO
2
、
利用于超臨界CO
2
渦輪發(fā)電技術(shù)等
則由于CO
2
需求量太少，暫時(shí)沒有
實(shí)船應(yīng)用的價(jià)值。
船用DDVT的關(guān)鍵技術(shù)
在目前國內(nèi)外已有的船用
CCUS技術(shù)研究項(xiàng)目或解決方案
中，船上應(yīng)用CCUS技術(shù)需要設(shè)計(jì)
并在船上安裝一套緊湊型CO
2
捕捉
裝置，采用化學(xué)吸收法或者膜分離
法回收CO
2
，將回收的CO
2
壓縮或
液化后儲存，壓縮或液化后的CO
2可用于強(qiáng)化石油開采、作為合成燃料的原料，或者利用成熟的海上技術(shù)將干冰運(yùn)輸?shù)胶５壮练e物中封存。在整個(gè)過程中，碳捕捉和船上碳儲存是船用CCUS技術(shù)最主要的關(guān)注點(diǎn)。對于碳封存，由于船舶本身無法進(jìn)行大容量的封存，因此能考慮部分的僅包括與外部相連接相關(guān)的裝置或系統(tǒng)。對于碳利用，船舶與陸上利用方式基本一致。
1、CO
2
捕捉
如何緊湊地在船上布置碳捕捉裝置或者縮小裝置體積是實(shí)現(xiàn)船上碳捕捉應(yīng)用的關(guān)鍵。目前陸地上電廠使用的碳捕捉系統(tǒng)規(guī)模較大，通常占地面積高達(dá)幾十平方米，若要將其布置在船舶上面，則需要大幅減小整個(gè)捕捉裝置的體積。除此之外，碳捕捉的能耗和經(jīng)濟(jì)性也是需要關(guān)注的因素。在碳捕捉的過程中，
通常需要另設(shè)裝置來進(jìn)行冷卻或者
加熱，若能利用廢氣中的熱能替代
蒸汽加熱裝置提供的熱能，或者使
用低溫燃料將CO
2
冷卻成液態(tài)或者
固態(tài)，替代原本的冷卻裝置，不僅
可以改善船上碳捕捉的能耗問題，
提高經(jīng)濟(jì)性，也能在一定程度上減
小碳捕捉裝置的體積。
不少研究成果表明，在CCUS
技術(shù)應(yīng)用最廣泛的電廠中，碳捕捉
的加入會使整體能效下降，因此在
進(jìn)行碳捕捉系統(tǒng)集成優(yōu)化的同時(shí)，
還應(yīng)考慮到該方式對船舶原有動力
系統(tǒng)或廢熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。
2、CO
2
儲存
如何儲存所捕捉的CO
2
也是
在船上應(yīng)用 CCS技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)
之一。若以壓縮氣體的方式儲存
CO
2
，壓縮機(jī)和壓縮氣瓶會占用船
上大量空間；若以液態(tài)形式儲存
CO
2
，則冷卻與液化工藝過程需要
極高的能耗。
除了儲存空間和能耗問題之
外，考慮到低溫CO
2
泄漏可能會對
船體結(jié)構(gòu)和人員造成損傷，儲存過
程中的安全問題也需要重點(diǎn)關(guān)注。
目前航運(yùn)業(yè)缺乏CO
2
運(yùn)輸船的相關(guān)
規(guī)范指南，也缺少船用大型CO
2
壓
縮機(jī)或液化裝置的規(guī)程條款，還需
要在已有液化氣體規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)
上做進(jìn)一步的研究，制定保障船舶
安全儲存CO
2
的技術(shù)要求。
3、CO
2
封存
通常，CO
2
保持液相和密相的
條件區(qū)間很大，不同船舶儲存CO
2
的壓強(qiáng)和溫度可能會存在較大差
異。而不同封存地需要的CO
2
注入
狀態(tài)也會因地質(zhì)和海洋環(huán)境的不同
而不同，因此保證輸出的CO
2
能與
注入口的需求狀態(tài)相匹配是船運(yùn)
CO
2
在船端卸載時(shí)需要解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。
船舶卸載CO
2
可以選擇兩種不同的方式，第一種為船端先卸
載CO
2
然后在（半）永久裝置上處
理CO
2
；另一種方式為在船上處理完成后再卸載至外部接收端。若采
用第一種方式，由于卸載的CO
2
為低溫液體或低溫壓縮氣體，在卸載方案的設(shè)計(jì)上會有較大的限制；若采用第二種方式，則需要重點(diǎn)關(guān)注
CO
2
處理裝置在船上的布置。
除了上述船舶應(yīng)用CCUS技術(shù)的關(guān)鍵問題之外，實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮CCUS技術(shù)在各行業(yè)廣泛存在的一些問題，如碳捕捉系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物及吸收溶劑的排放問題、
CO
2卸載頻率和CO
2
儲罐體積之間
的平衡問題、CO
2的泄露和腐蝕問
題等。
船舶應(yīng)用前景分析
當(dāng)前船用CCUS的關(guān)鍵技術(shù)主
要集中在船舶布置、安全保障以及能
耗三個(gè)方面。其中在船舶布置方面，
國外已有相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行了船用CCUS
技術(shù)的可行性研究與解決方案研究，
也有不少期刊文獻(xiàn)提出了具體的緊
湊型布置方案，這些研究表明，碳捕
捉與儲存裝置在船舶布置方面是可
以實(shí)現(xiàn)的，但考慮到安全及能耗等其
他因素，實(shí)際投入應(yīng)用還需要進(jìn)一步
縮減布置空間；在安全保障方面，船
舶儲存CO
2
的技術(shù)要求可主要參考
IGC規(guī)則，部分針對性要求可以參考
LPG運(yùn)輸船的技術(shù)要求或CO
2
儲罐
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出，在船用碳捕捉技術(shù)安
全方面，目前還欠缺系統(tǒng)深入的研
究；在能耗方面，碳捕捉與儲存系統(tǒng)
的能耗將直接影響到船舶應(yīng)用碳捕
捉與儲存的成本，受限于技術(shù)的成熟
度和船舶捕捉CO
2
的體量，當(dāng)前船舶
應(yīng)用碳捕捉的成本遠(yuǎn)高于碳交易市
場的碳價(jià)，難以形成船舶應(yīng)用碳捕捉
與儲存技術(shù)的市場動力。
就應(yīng)對方案而言，技術(shù)的革新
可以有效改善碳捕捉和儲存系統(tǒng)在
船舶上的布置問題以及能耗問題；
相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定可以減
少安全隱患問題或者將安全隱患集
中控制；政策的扶持補(bǔ)貼和碳交易
系統(tǒng)的加入則可以在一定程度上弱
化高能耗對船舶應(yīng)用推廣的限制。
總的來說，當(dāng)前船舶應(yīng)用
CCUS技術(shù)還有不少技術(shù)難點(diǎn)需要
攻克，雖然部分關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)有了
一定的研究基礎(chǔ)或發(fā)展方向，但仍
然存在著或多或少的問題等待進(jìn)一
步研究和解決。另外，無論是在技
術(shù)層面還是經(jīng)濟(jì)層面上，大型船舶
應(yīng)用碳捕捉與封存技術(shù)都明顯優(yōu)于
中小型船舶，具有更好的適用性。
在破冰船護(hù)送下，俄羅斯能源巨頭Novatek的破冰型LNG船“Christophe de Margerie”號沿北海航線（NSR）順利返回俄羅斯，
首次在2月完成北海航線通航。
“Christophe de Margerie”號是一艘172600立方米Arc7破冰型LNG船，由俄羅斯航運(yùn)公司Sovcomflot所有，租賃給Novatek，負(fù)責(zé)為Novatek的北極Yamal LNG項(xiàng)目運(yùn)輸LNG貨物。今年1月5日，這艘LNG船從從亞馬爾半島的薩貝塔出發(fā)，沿北海航線東段航行，在11天內(nèi)穿過楚科奇海，于1月16日抵達(dá)作為歐亞大陸最東端的杰日尼奧夫角，進(jìn)入了白令海峽。這是史上首次在1月份完成的北海航線東段航行。1月27日，在江蘇卸下LNG貨物后，“Christophe de Margerie”號開始返程。該船于2月7日進(jìn)入北海航行東端的杰日尼奧夫角，與破冰船“50 Let Pobedy”號（建于2007年）相遇，由“50 Let Pobedy”號護(hù)送沿北海航線返回薩貝塔，在2月19日抵達(dá)。
俄羅斯MOH船首次完成3月完成北海航線通航
