聚焦 Focus
中国船级社 金 鼎
船上碳捕捉与封存尚未到商业应用阶段，但部分关键技术已有突破。 聚焦 Focus 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CCS 技术的发展以及对CCS 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。CO 2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CO 2，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，因此需要配备充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CO
2
或者采用膜分离法
分离尾气提纯CO
2
，
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CO
2
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CO
2
运送到岸基接收与处理终端。船舶需要设有一套CO
2
卸载系统将船载CO
2
转移
至港口岸基或海洋平台上的接收设
施，以便将CO
2
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CO
2
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
CO
2
，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CO
2
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CO
2外接头
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CO
2
驱油提高石油
采收率（CO
2
-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。
CO
2
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CO
2
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CO
2
的
方式，如为CO
2
灭火系统提供CO
2
、
利用于超临界CO
2
涡轮发电技术等
则由于CO
2
需求量太少，暂时没有
实船应用的价值。
船用DDVT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CO
2
捕捉
装置，采用化学吸收法或者膜分离
法回收CO
2
，将回收的CO
2
压缩或
液化后储存，压缩或液化后的CO
2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、CO
2
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CO
2
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
光通维持率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、CO
印第安笛2
储存
如何储存所捕捉的CO
2
也是
在船上应用 CCS技术的关注重点
之一。若以压缩气体的方式储存
CO
2视觉定位系统
，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
CO
2
，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CO
2
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CO
2
运输船的相关
规范指南，也缺少船用大型CO
2
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CO
2
的技术要求。
3、CO
2
封存
通常，CO
2
保持液相和密相的
条件区间很大，不同船舶储存CO
2
的压强和温度可能会存在较大差
异。而不同封存地需要的CO
2
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CO
2
能与
注入口的需求状态相匹配是船运
无心磨床自动上料机
CO
2
在船端卸载时需要解决的技术难点之一。
船舶卸载CO
2
可以选择两种不同的方式，第一种为船端先卸
载CO
2
然后在（半）永久装置上处
理CO
2
；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CO
2
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
CO
2
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、
CO
2卸载频率和CO
2
管储罐体积之间
的平衡问题、CO
2的泄露和腐蚀问
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CO
2
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CO
2
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CO
2
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。
在破冰船护送下，俄罗斯能源巨头Novatek的破冰型LNG船“Christophe de Margerie”号沿北海航线（NSR）顺利返回俄罗斯，
首次在2月完成北海航线通航。
“Christophe de Margerie”号是一艘172600立方米Arc7破冰型LNG船，由俄罗斯航运公司Sovcomflot所有，租赁给Novatek，负责为Novatek的北极Yamal LNG项目运输LNG货物。今年1月5日，这艘LNG船从从亚马尔半岛的萨贝塔出发，沿北海航线东段航行，在11天内穿过楚科奇海，于1月16日抵达作为欧亚大陆最东端的杰日尼奥夫角，进入了白令海峡。这是史上首次在1月份完成的北海航线东段航行。1月27日，在江苏卸下LNG货物后，“Christophe de Margerie”号开始返程。该船于2月7日进入北海航行东端的杰日尼奥夫角，与破冰船“50 Let Pobedy”号（建于2007年）相遇，由“50 Let Pobedy”号护送沿北海航线返回萨贝塔，在2月19日抵达。
俄罗斯MOH船首次完成3月完成北海航线通航
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