船載碳捕集技術(shù)作為一項(xiàng)有望實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的戰(zhàn)略性技術(shù)，是未來減少二氧化碳(CO2)、保障能源安全、構(gòu)建生態(tài)文明和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。據(jù)估計(jì)，船舶配備碳捕集系統(tǒng)后可減少75%～80%的碳排放，未來越來越多的船舶將會(huì)安裝碳捕集系統(tǒng)，但是在航運(yùn)業(yè)廣泛推廣碳捕集技術(shù)的同時(shí)，船載碳捕集系統(tǒng)的應(yīng)用也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。

船載碳捕集與封存技術(shù)簡(jiǎn)介

國(guó)際能源署(IEA)和經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(DECD)指出在船載碳捕集與封存(CCS)技術(shù)的協(xié)助下，預(yù)計(jì)到2050年歐盟國(guó)家能捕集和封存約300億噸CO2，全球范圍內(nèi)能捕集2400億噸CO2。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)在火力發(fā)電、煤化工等領(lǐng)域的碳捕集與儲(chǔ)存試點(diǎn)應(yīng)用已經(jīng)取得了不小的進(jìn)展，隨著陸上應(yīng)用技術(shù)的逐漸成熟，航運(yùn)業(yè)也開始積極探索船舶應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)路徑。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于船舶領(lǐng)域的CO2捕集與封存技術(shù)均處于前期研究階段，根據(jù)陸用CCS技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，制定的船載CO2捕集與封存可行性方案如下所述。

1、船載CO2捕集方案

船舶排氣具有流量大、CO2濃度較低的特點(diǎn)，因此在碳捕集技術(shù)上可選擇化學(xué)吸收法。其工作原理如圖1所示。

圖1 基于化學(xué)吸收法的船載CO2捕集系統(tǒng)圖

經(jīng)過除塵處理后的煙氣進(jìn)入CO2吸收塔，煙氣自下往上流動(dòng)，吸收劑則由塔頂噴淋而下，兩者逆向接觸。CO2與吸收劑在吸收塔中發(fā)生反應(yīng)被吸收，脫除部分碳后的煙氣從塔頂排出。吸收CO2后，吸收劑由貧液變成富液流至塔底，由泵抽離吸收塔，隨后流經(jīng)換熱器被送至解吸塔。在解吸塔中，富液被加熱至一定溫度后釋放出CO2，吸收劑變?yōu)樨氁骸＝馕�出的CO2由塔頂排出，經(jīng)過干燥脫水處理后進(jìn)行壓縮，可用于后續(xù)的利用和儲(chǔ)存，而再生得到的吸收劑貧液經(jīng)過換熱器冷卻后重新送回吸收塔，進(jìn)行CO2循環(huán)吸收。

在船上可選擇的吸收劑主要為有機(jī)胺溶液和氨水。兩者不僅可以作為CO2的吸收劑，還可以與二氧化硫(SO2)發(fā)生反應(yīng)，因此對(duì)于使用重油的船舶，在碳捕集系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)之間需要安裝脫硫設(shè)備。由于氨水中的氨氣(NH3)逃逸問題難以解決，因此目前船載碳捕集系統(tǒng)多選用有機(jī)胺溶液作為吸收劑。

2、船載CO2封存方案

CO2的封存技術(shù)主要依賴于對(duì)陸地和海上碳封存基地的勘測(cè)和國(guó)家政策的扶持，目前針對(duì)船舶領(lǐng)域還沒有完善的CO2封存系統(tǒng)，有可能在未來10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)的封存方法主要有以下三種：

(1)船舶負(fù)責(zé)對(duì)尾氣中的CO2進(jìn)行捕集并儲(chǔ)存在船上，到達(dá)港口后將CO2儲(chǔ)存罐卸下，可在陸上運(yùn)輸?shù)揭呀ê玫牡叵路獯娴攸c(diǎn)進(jìn)行封存，或運(yùn)輸?shù)焦�廠合成其他產(chǎn)品。

(2)在沿海已建好多個(gè)海下封存基地，船舶不僅負(fù)責(zé)對(duì)尾氣中的CO2進(jìn)行捕集，還要定期到距離最近的海下封存基地對(duì)CO2進(jìn)行封存。

(3)將CO2冷卻成干冰運(yùn)往海底。初步方案是用低溫過程將CO2收集起來冷凍成干冰，放到海里去。此項(xiàng)技術(shù)雖還未得到國(guó)際海事組織(IMO)批準(zhǔn)，但已獲得多家公司的認(rèn)可，很可能成為未來發(fā)展的一個(gè)方向。

船載碳捕集系統(tǒng)在實(shí)船上的應(yīng)用

以現(xiàn)行加裝涵蓋吸收、解吸、壓縮、液化和存儲(chǔ)等全工藝流程碳捕集系統(tǒng)的超大型集裝箱船為例，對(duì)碳捕集系統(tǒng)在實(shí)船上的應(yīng)用進(jìn)行分析。該輪全長(zhǎng)368米，寬51米，總噸151362，裝箱數(shù)量15000TEU，主機(jī)功率為41780kW,脫碳塔與脫硫塔設(shè)備均放于塔房區(qū)域，其他設(shè)備放置于9號(hào)設(shè)備間，體積較小的100m³儲(chǔ)罐也存放于設(shè)備間。通過在船尾處加裝脫硫和脫碳兩套防污染設(shè)備，串聯(lián)運(yùn)行，相輔相成，共同凈化船舶尾氣，達(dá)到減少船舶尾氣中CO2排放的目的，預(yù)計(jì)通過加裝碳捕集設(shè)備能達(dá)到減少約40%的CO2排放，能有效滿足未來即將生效的碳排放法規(guī)要求。

該套船載碳捕集系統(tǒng)是全球首個(gè)涵蓋吸收、解吸、壓縮、液化和存儲(chǔ)等全工藝流程的CO2捕集系統(tǒng)實(shí)船項(xiàng)目，對(duì)推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、支撐國(guó)際海事組織溫室氣體減排戰(zhàn)略決策具有重要意義。

根據(jù)船載設(shè)備初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，船載碳捕集系統(tǒng)綜合捕集率達(dá)80%以上、CO2液化率99%以上、液態(tài)CO2純度99.5%以 上。同時(shí)，該系統(tǒng)通過運(yùn)用新型吸附劑、分區(qū)工藝參數(shù)控制等核心技術(shù)，系統(tǒng)能耗大幅降低，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

該套基于傳統(tǒng)能源動(dòng)力系統(tǒng)的船載碳捕集系統(tǒng)采用化學(xué)吸收法對(duì)排放尾氣進(jìn)行碳捕捉，其原理為通過吸收液的溫度變化來實(shí)現(xiàn)CO2的吸收和釋放，從而實(shí)現(xiàn)將CO2從尾氣中分離捕獲。碳捕集包括CO2捕捉、分離、壓縮液化與存儲(chǔ)卸載4個(gè)過程，如圖2所示。船舶尾氣進(jìn)入吸收塔后，吸收劑貧液吸收CO2變?yōu)楦灰海�富液在解吸塔中被加熱，解吸出CO2，對(duì)分離出的CO2氣體進(jìn)行壓縮液化提純，液化后的CO2被輸送到存儲(chǔ)容器。對(duì)于捕集儲(chǔ)存的液態(tài)CO2可以在港口直接過駁給CO2運(yùn)輸船，或在專業(yè)港口進(jìn)行卸載，提供給處理工廠用于堿、醇等化工品的原料或地質(zhì)、生物利用，也可以制成干冰投入指定海域進(jìn)行海底封存。

圖2 船載碳捕集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

船載碳捕集系統(tǒng)在應(yīng)用中產(chǎn)生的影響

CO2捕集系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用不同于在陸地環(huán)境中的應(yīng)用，通過在實(shí)船試航中對(duì)船載碳捕集系統(tǒng)的試驗(yàn)表明，船載碳捕集系統(tǒng)在實(shí)船應(yīng)用還有一些問題亟需解決。

1、CO2的處理

碳捕集設(shè)備在運(yùn)行過程中易發(fā)生局部高壓和CO2泄漏，存在一定的安全隱患。由于碳捕集系統(tǒng)涉及的管路繁雜，法蘭、接頭較多，CO2可能會(huì)發(fā)生泄漏，密閉的空間會(huì)造成人員窒息，液態(tài)CO2如果發(fā)生了泄漏，極低的溫度會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)或船員造成危害；高壓的氣態(tài)CO2在惡劣海況下可能會(huì)發(fā)生爆炸，造成人員傷亡或設(shè)備損壞；由于液態(tài)CO2在高溫下會(huì)產(chǎn)生氣化，造成CO2儲(chǔ)存罐內(nèi)壓力升高，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)；儲(chǔ)存罐內(nèi)CO2的存儲(chǔ)運(yùn)輸會(huì)對(duì)船舶的安全性和穩(wěn)定性造成影響；船舶捕集的CO2目前還沒有完善的封存、轉(zhuǎn)運(yùn)方案。

2、對(duì)環(huán)境的影響

目前針對(duì)船舶領(lǐng)域還沒有相對(duì)完善的CO2封存、轉(zhuǎn)運(yùn)方案，對(duì)于實(shí)船捕集的CO2采用部分儲(chǔ)存送岸回收，部分放入大氣中，這會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生污染；另外，采用化學(xué)吸收法捕集CO2所使用的化學(xué)吸收劑在捕集過程中會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢液的排放(如溶劑蒸汽、胺液等)，同時(shí)化學(xué)吸收劑的降解也會(huì)產(chǎn)生固體廢物，這都會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成危害。

3、相關(guān)法規(guī)的缺失

目前針對(duì)船載碳捕集系統(tǒng)的技術(shù)法規(guī)仍處于初始研究階段，也無關(guān)于CO2存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)囊?guī)范指南，缺乏統(tǒng)一的國(guó)際監(jiān)管框架。作為一項(xiàng)新的前沿技術(shù)，需要明確船載碳捕集系統(tǒng)的減排效果與評(píng)估驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，探索制定出符合國(guó)情的船載碳捕集系統(tǒng)政策，進(jìn)一步完善相關(guān)法律法規(guī)，制定出科學(xué)合理的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系，減少船舶在加裝碳捕集系統(tǒng)后帶來的安全隱患問題。

4、改裝船舶的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的改變

以這艘大型集裝箱船為例，由于加裝CO2捕集和存儲(chǔ)系統(tǒng)，9號(hào)貨艙后半部分變成了碳捕集設(shè)備間，增加了脫硫的洗滌塔和脫碳的吸收塔。改裝會(huì)直接導(dǎo)致船舶空船重量的增加，載重量減少，總噸增加，裝載箱數(shù)減少；貨艙空間的減少，導(dǎo)致凈噸減少；側(cè)面受風(fēng)面積的增加，導(dǎo)致舾裝數(shù)增加，也可能導(dǎo)致錨和錨鏈重量尺寸的增加；空間的增加，導(dǎo)致CO2固定滅火系統(tǒng)鋼瓶容量不足，需要增加鋼瓶的數(shù)量。

5、改裝船舶的證書和文件的更新

由于加裝CO2捕集和存儲(chǔ)系統(tǒng)，導(dǎo)致船舶圖紙文件的改變，需要更新并且部分需要船級(jí)社認(rèn)可的文件有：總布置圖、艙容圖、防火控制圖、分段結(jié)構(gòu)圖紙、管系圖、電力計(jì)算書、裝載手冊(cè)、穩(wěn)性手冊(cè)、破艙穩(wěn)性手冊(cè)、水下檢驗(yàn)手冊(cè)、營(yíng)運(yùn)船能效技術(shù)文件、壓載艙的艙容和壓載水管理計(jì)劃等。船舶管理體系文件要增加關(guān)于CO2捕集和存儲(chǔ)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、船舶保安計(jì)劃、船舶勞工組織Part I和Part II等。需要重新?lián)Q發(fā)的證書主要涉及到：船舶注冊(cè)證書、電臺(tái)執(zhí)照、噸位證書、船籍證書，所有船舶法定證書、船舶管理體系證書、安保證書、勞工證書等涉及總噸、凈噸、載重量等參數(shù)變化的相關(guān)證書。

6、安全防護(hù)的改變

根據(jù)相關(guān)船級(jí)社規(guī)范要求，所有與有機(jī)胺溶液相連接的管路要求1類管，而且除了貼近存儲(chǔ)罐處允許有法蘭，其他位置的連接盡量用焊接形式。所有儲(chǔ)罐應(yīng)配備手動(dòng)關(guān)閉閥，如果此閥位置位于罐體中下部，應(yīng)該配備遠(yuǎn)程氣動(dòng)關(guān)閉。在有機(jī)胺加注和CO2回收等左右兩舷甲板位置都要配備用于洗眼和淋浴的設(shè)備，船舶應(yīng)額外配備不能少于兩套的個(gè)人防護(hù)服，用于防止有機(jī)胺溶液泄漏等。CO2設(shè)備間要配備CO2泄漏報(bào)警裝置，CO2捕集和存儲(chǔ)設(shè)備的每個(gè)階段都要配備遙控閥、溫度監(jiān)控、壓力監(jiān)控、旁通等功能。

安全監(jiān)管相關(guān)建議

1、安全監(jiān)管方面

(1)由于CO2捕集和存儲(chǔ)系統(tǒng)的加裝，導(dǎo)致船舶空船重量的增加，載重量減少，總噸增加，凈噸減少，同時(shí)導(dǎo)致船舶圖紙文件和相關(guān)證書的改變，需要更新并且部分需要船級(jí)社認(rèn)可。安全監(jiān)管中要重點(diǎn)關(guān)注船舶在結(jié)構(gòu)和穩(wěn)性上的變化，船舶注冊(cè)證書、噸位證書、防火布置圖等是否及時(shí)更新，所有船舶法定證書、船舶管理體系證書、安保證書、勞工證書等涉及總噸、凈噸、載重量等參數(shù)變化的相關(guān)證書是否更新。

(2)由于碳捕集設(shè)備間空間大，設(shè)備、管道復(fù)雜，存在發(fā)生CO2泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)管中要重點(diǎn)檢查各個(gè)報(bào)警設(shè)備是否能正常運(yùn)行，如CO2儲(chǔ)罐處所是否設(shè)置CO2、氧氣濃度監(jiān)測(cè)與報(bào)警裝置，CO2儲(chǔ)存罐是否設(shè)置高液位報(bào)警，報(bào)警裝置是否正常工作等。

(3)船員作為船舶設(shè)備的操作人員，應(yīng)熟悉碳捕集設(shè)備的操作流程，了解其原理以及維護(hù)方式，監(jiān)管中應(yīng)注重檢查相關(guān)船員在碳捕集設(shè)備發(fā)生緊急情況時(shí)的應(yīng)急反應(yīng)能力，船上是否定期開展相關(guān)的應(yīng)急演習(xí)，船公司是否對(duì)船員進(jìn)行碳捕集系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容的培訓(xùn)。

(4)改裝船舶由于空間的增加，導(dǎo)致CO2固定滅火系統(tǒng)鋼瓶容量不夠，監(jiān)管過程中應(yīng)注意檢查碳捕集設(shè)備間的消防布置情況，CO2固定滅火系統(tǒng)鋼瓶容量是否滿足要求，消防器材的配備是否滿足要求且處于可用狀態(tài)等。

(5)安全防護(hù)方面，船舶是否額外配備一定數(shù)量的個(gè)人防護(hù)服，用于防止有機(jī)胺溶液泄漏等；檢查CO2管系及接頭連接處，液態(tài)CO2管系是否進(jìn)行隔熱絕緣，低溫CO2泄漏可能會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)和人員造成損傷等。

2、法規(guī)更新方面

建議相關(guān)部門根據(jù)船舶儲(chǔ)存CO2的技術(shù)要求，參考《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則(IGC規(guī)則)》，部分相關(guān)要求可以參考液化石油氣運(yùn)輸船的技術(shù)要求或CO2儲(chǔ)罐相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確船載碳捕集系統(tǒng)的減排效果與評(píng)估驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，制定針對(duì)船載碳捕集系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)法規(guī)和CO2存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)規(guī)范指南。

3、回收利用

一是建議考慮船載碳捕集系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物及吸收溶劑的排放回收問題，避免造成環(huán)境的污染；二是建議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CO2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集系統(tǒng)的能耗問題，也能在一定程度上節(jié)約成本，減少環(huán)境污染；三是建議在船舶領(lǐng)域方面制定完善的CO2封存、轉(zhuǎn)運(yùn)方案，建設(shè)充足的陸上封存、卸載和排放設(shè)施滿足船舶的接收需求。

未來二氧化碳捕集技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到更多的船舶上，越來越多的船舶將會(huì)安裝碳捕集系統(tǒng)，針對(duì)船載碳捕集系統(tǒng)應(yīng)用中面臨的各種問題，需要繼續(xù)深入開展大量有針對(duì)性地研究，持續(xù)跟進(jìn)船載碳捕集系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，深入探析應(yīng)用中面臨的各種問題，不斷積累對(duì)新技術(shù)、新設(shè)備的安全監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)，完善船舶新型技術(shù)設(shè)備的安全監(jiān)管要求，才能更好地做好此類船舶的安全監(jiān)管，助力我國(guó)綠色低碳事業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

作者：崇明海事局 胡漢強(qiáng) 趙林

中國(guó)船舶集團(tuán)第711所 杜明賽 李明