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船舶碳捕集与存储(OCCS)研究进展及应用可行性

赵汶彬 ,  曹凯 ,  周海涛 ,  张灿

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 83 -88.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 83-88. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.016
技术进展

船舶碳捕集与存储(OCCS)研究进展及应用可行性

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Research progress and application feasibility of onboard carbon capture and storage (OCCS)

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摘要

系统梳理了OCCS技术的研发现状,重点对比了燃烧前捕集、富氧燃烧捕集及燃烧后捕集3大主流技术路径。研究表明,燃烧后捕集技术因改造便捷、成本可控等优势,在海运领域更具应用潜力,其细分技术包括膜分离、物理吸收、化学吸收及低温分离等。尽管部分技术已在船舶场景完成初步验证,但捕集效率、能耗优化及规模化应用等问题仍需突破。进一步探讨了OCCS技术面临的设备成本高、碳储运设施不足等现实挑战,并展望了未来发展方向,以期为航运业低碳转型提供理论支撑。

Abstract

This paper reviews systematically the current research and development situation of OCCS technology,with particular emphasis on comparative analysis of three primary approaches,such as pre-combustion capture,oxygen-enriched combustion capture,and post-combustion capture.It is demonstrated that post-combustion capture technology exhibits greater application potential in the maritime transportation field due to its retrofit compatibility and controllable cost.Its sub-technologies encompass membrane separation,physical absorption,chemical absorption,and cryogenic separation.Although preliminary validations have been conducted for certain technologies in onboard environment,the challenges such as capture efficiency optimization,energy consumption reduction,and large-scale implementation need to be addressed.Furthermore,this paper examines practical constraints of OCCS technology,including high equipment cost and insufficient carbon transport and storage infrastructure.It also prospects the development directions in the future to facilitate the shipping industry’s low-carbon transition.

Graphical abstract

关键词

碳中和 / 技术瓶颈 / 航运减排 / 船舶碳捕集与存储(OCCS)

Key words

carbon neutrality / technical bottleneck / maritime emission reduction / onboard carbon capture and storage

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赵汶彬,曹凯,周海涛,张灿. 船舶碳捕集与存储(OCCS)研究进展及应用可行性[J]. , 2025, 45(S2): 83-88 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.016

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全球变暖作为21世纪人类面临的重大环境挑战,深刻影响着地球生态系统的平衡与人类文明的可持续发展进程。自工业革命以来,化石能源的大规模使用导致二氧化碳浓度呈现指数级增长,成为气候变化的根本驱动力[1]。世界气象组织数据显示[2],2016年全球大气二氧化碳体积分数已达403.3×10-6,较工业化前水平飙升145%。这一增长趋势持续加剧,至2018年浓度突破407.8×10-6,创历史新高。研究表明,人类活动产生的化石燃料燃烧贡献了全球二氧化碳浓度的75%以上,其中燃煤占比达41.3%[3]。
面对严峻的气候形势,《2019年全球碳预算》揭示了显著的碳排放格局:全球年均二氧化碳排放量稳定在9.5±0.5 Gt/a其中能源领域贡献率达92.6%[4]。从地域分布看,中国、美国、欧盟和印度构成全球碳排放“四极”,分别占据28%、15%、9%和7%的份额[5]。为扭转这一趋势,2015年巴黎气候大会达成的《巴黎协定》确立了雄心勃勃的目标体系:将温升控制在工业化前水平2℃以内,并力争在本世纪末实现碳中和。根据协定要求,全球碳排放需在2030年前下降约45%,2050年较1990年至少削减50%[6]。
为实现工业源二氧化碳减排,目前国际公认的技术方向主要集中在5个方面[7]:一是开发可再生能源替代传统化石燃料,如水力发电、风能、太阳能、地热能和潮汐能等,以完全消除二氧化碳排放;二是开发二氧化碳捕集技术,并储存捕集的二氧化碳,即所谓的CCS(碳捕集与封存)技术;三是进行燃料转换以减少二氧化碳排放;四是提高能源利用效率以减少二氧化碳排放;五是开发利用核能。根据国际能源署的研究报告,为实现将全球平均气温升幅控制在2℃内的目标,从2013年到2050年,累计二氧化碳减排动力主要来自提高终端使用的燃料和电力效率(38%)、开发可再生能源(32%)、CCS技术(12%)以及利用核能(7%)[7-8]。其中,CCS技术将成为全球第三大碳排放削减技术。
航运业是全球货物运输的主要方式,在国际和国内运输中发挥着至关重要的作用。根据克拉克森研究数据库的统计,船舶每年排放12亿t二氧化碳,约占全球碳排放量的6%。船舶总数已达10万艘,总运力增至21亿t[9-10]。以2008年为基准预测,到2050年,贸易量和碳排放量将同步增长3.46倍[11]。船舶燃料燃烧产生的二氧化碳排放对全球生态环境造成了不可逆转的破坏,由此产生的温室效应严重威胁着人类的生产生活[12]。早在2018年,国际海事组织(IMO)就在海洋环境保护委员会会议上确定了温室气体减排初步战略,并于2023年7月通过了《2023年国际海事组织船舶温室气体减排战略》,确立了新的温室气体减排目标和阶段性措施,即2030年开始减排20%,10年后将年减排量提高到70%,到2050年实现近零排放目标[13]。相应地,欧盟“Fit for 55”计划也建议将航运业纳入欧盟排放交易体系[14]。因此,减少船舶污染物排放已成为船舶绿色低碳转型过程中亟待解决的技术难题。
在短期内,为实现有效的二氧化碳减排并达到全球碳中和目标,在所有讨论的碳中和技术路线中,碳捕集被视为实现碳中和的“最后一公里”。根据国际能源署的分析报告,若碳捕集技术得到充分应用,通常可减少14%的碳排放,显示出一定的减排潜力。因此,在二氧化碳去除技术中具有可持续发展潜力的二氧化碳捕集技术受到了广泛关注。
然而,目前在碳中和环境下的整体CCUS(碳捕集、利用与封存)部署蓝图仍不清晰,相关研究仍处于早期阶段,尤其是在航运业领域。因此,该领域有很大的改进空间,值得重点关注。本文中旨在综述船舶碳捕集与封存(OCCS)技术的发展现状,探索船舶运输业实现碳中和的OCCS部署路径,并分析可能改变预期路径的相关风险,这对于推动船舶绿色转型、发展OCCS技术以满足排放法规升级具有重要价值。

1 碳捕集技术现状

二氧化碳捕集是指将发电、化工等生产活动集中排放的二氧化碳,以及分散排放到大气中的二氧化碳进行分离和收集的过程。二氧化碳捕集技术分支众多,成熟度存在显著差异。根据集中排放源的分离过程,捕集方法主要分为3个方向:燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集。
燃烧后捕集技术可进一步细分为4类:吸收技术、吸附技术、低温分离技术和膜分离技术。该技术实施相对容易,只需在现有燃煤电厂末端增加二氧化碳捕集装置,即可实现二氧化碳捕集。因此,该技术的二氧化碳捕集成本较低,被认为是最可行的二氧化碳捕集技术,也是目前船舶碳捕集技术中应用的主流方法。表1展示了3种捕集方法的比较及适用范围。基于不同二氧化碳排放源的差异,应选择不同的捕集技术进行研究。因此,以下将详细介绍主要的碳捕集技术,尤其是燃烧后捕集技术。

1.1 燃烧前捕集技术

燃烧前捕集也称为燃料脱碳。在燃烧前,燃料已完成脱碳处理。通过气化反应,将其转化为二氧化碳、一氧化碳和氢气的混合物。然后,从混合气体中分离出二氧化碳,生成高浓度二氧化碳,从而完成燃料脱碳处理。
最常用的燃烧前捕集技术是热催化裂化(TCD)技术,该技术主要利用催化剂在高温下将甲烷分解为氢和碳。优点是TCD技术没有直接的二氧化碳排放,生成的氢气可用作船舶燃料,副产品固体碳粉易于储存,体积小且附加值高。然而,TCD技术需要开发船舶氢燃料发动机,解决船舶氢燃料发动机应用、氢气泄漏及安全技术等问题。还需要对动力系统进行整体设计和改造,并安装一些必要的反应罐和系统。改造工程量和投资成本巨大。目前,该技术已由挪威公司ROTOBOOST开发,并获得了美国船级社(ABS)、英国劳氏船级社(LR)、法国船级社(BV)和意大利船级社(RINA)的原则性认可(AiP)证书。2024年完成了全面功能测试,并开展了氢气掺混比高达25%的船舶应用示范项目。
现有公开报告对比了在IGCC系统中使用传统化学吸收法和膜分离法进行二氧化碳捕集的能耗水平[15]。认为膜分离法可降低二氧化碳捕集的能耗,但获得的二氧化碳纯度仍无法满足要求。该技术的进展取决于更高性能膜的开发,这条技术路线存在较大的不确定性。可以看出,基于IGCC的燃烧前二氧化碳脱除技术研究仍不完善。影响系统效率的关键因素尚未得到充分研究和分析,目前在国内也没有实际应用和示范。

1.2 燃烧后捕集技术

1.2.1 膜分离法

膜分离捕集二氧化碳是利用膜两侧的压力差作为驱动力,根据各组分在膜中的渗透速率不同来实现气体分离的过程。膜主要分为聚合物膜和无机膜。其中,聚合物膜,也称为有机膜,通常表现出较高的二氧化碳渗透性,但选择性渗透性较低。无机膜进一步分为沸石膜、陶瓷膜和金属膜。一般来说,膜分离装置布局紧凑,占地面积小,操作简便。具有较强的抗化学污染能力、耐高温性和良好的机械稳定性,易于组装且占地面积小。然而,缺点也很明显。使用寿命相对较短,尾气中的颗粒物和水分也会阻碍二氧化碳通过膜。目前,膜分离法主要分为2类:低温膜分离工艺和气体膜分离工艺。
低温膜分离二氧化碳捕集工艺如图1所示。整个过程由一个低温单元、一个膜单元和另一个低温单元组成。在这个过程中,低温和深冷装置所需的冷却负荷由液化天然气(LNG)提供。首先,将烟气引入低温单元。原料气冷却后送入膜组件,以便气体渗透。由于烟气已被压缩,在截留侧形成高压,导致渗透侧压力相对较低。烟气中的二氧化碳可以透过膜,富氮气体在截留侧出口积累[16]。经过膜组件后,低温废气被泵入前端热交换器,冷却后续的烟气。同时,富二氧化碳气流被泵入低温装置。在这个过程中,二氧化碳可以升华成固态(干冰),而剩余的气体(氮气)不会发生相变并直接通过。
气体膜分离过程的机理是根据不同的渗透速率,从进料侧选择性地分离出所需的组分二氧化碳。驱动力是截留侧和渗透侧之间的分压差。分离过程示意图如图2所示。当膜两侧存在压力差时,烟气中的二氧化碳可以透过膜并在渗透侧积累,而富氮气体由于较低的渗透速率在截留侧出口积累。在气体膜分离过程中,膜材料的物理和化学性质是决定气体渗透速率的主要因素。在分离过程中,气体分离膜材料的分离因子和渗透速率共同决定了膜的分离效果。
国际学术机构也有许多关于膜分离法的报道。上海理工大学的研究团队[17]模拟了含有二氧化碳和氮气的烟气过程,并通过实验验证了PI中空纤维膜在不同温度和压力下对二氧化碳分离效果的影响。韩国汉阳大学的研究团队[18]对仅含有二氧化碳和氮气的烟气膜分离过程进行了数值模拟。以最小化投资成本为目标,利用遗传算法(GA)优化了膜材料性能的选择。韩国仁川国立大学的研究团队[19]对煤层气的膜分离过程进行了建模。以总收益最大化为目标,并以甲烷回收率和捕集率为约束条件,通过建立和求解非线性规划模型优化了捕集过程。然而,目前缺乏对实际烟气成分的建模和技术经济分析。

1.2.2 物理吸收法

物理吸收法是指使用甲醇、水、碳酸二甲酯等不与二氧化碳发生反应的物理溶剂,仅通过二氧化碳在这些溶液中的溶解度随温度和压力的变化来完成吸收或解吸过程。该方法对二氧化碳的吸收效果好,操作灵活性大,且吸收剂再生时无需加热,因此能耗较低。物理吸收法通常在低温高压条件下进行二氧化碳吸收,在高温或降压条件下进行解吸。常见的工艺主要包括低温甲醇洗法(Rectisol)、碳酸二甲酯法(DMC)和变压吸附法(PSA)等。
目前,在船舶碳捕集工程示范应用领域,出现了基于钙循环的化学吸附法尝试。伦敦的气候技术初创公司Seabound在一艘3 200标准箱的集装箱船上完成了钙循环船舶碳捕集试点项目。该设备集成在一个集装箱内,每捕集1 t二氧化碳的能耗为7.33 kWh。

1.2.3 化学吸收法

化学吸收是利用化学溶剂(工业上通常为弱碱性溶液)与二氧化碳发生反应形成化合物,然后通过改变外部条件(压力和温度)实现二氧化碳的解吸,使吸收剂得以循环利用的方法。其关键设备主要包括二氧化碳吸收模块、再生模块、压缩制冷模块和存储模块。与其他船舶碳捕集技术相比,化学吸收法成熟度高、原理简单,对技术和设备的要求较低。
一般来说,用于化学吸收的溶剂可分为2类。第一类是有机胺溶剂,主要包括单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和三乙醇胺(TEA)。第二类是无机溶剂,主要有氧化钙(CaO)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、氢氧化钠(NaOH)和氨水等。其中,碳酸钾的应用最为广泛。无机溶剂稳定性好、价格低廉,对环境的影响较小。
由于有机胺溶液出色的捕集能力和分离效率,国内外专家对有机胺溶液吸收二氧化碳进行了大量研究。胺基溶剂的化学吸收法可能是最具前景的燃烧后二氧化碳捕集技术,其中单乙醇胺水溶液的研究最为广泛,被视为参考溶剂。单乙醇胺是最常用的二氧化碳分离化学吸收剂。这种吸收剂的主要优点是溶剂成本低、吸收效率高(二氧化碳体积比达90%)、能在高压低温下高容量运行,且溶剂可热再生,是一种可生物降解的化学物质。吸收1个二氧化碳分子需要2个单乙醇胺分子,会生成氨基甲酸盐(MEACOO-)和质子化单乙醇胺(MEAH+)。单乙醇胺吸收二氧化碳主要有两步反应机制:单乙醇胺是伯胺,首先与二氧化碳反应生成两性离子MEAH+COO-,然后两性离子再与单乙醇胺反应生成氨基甲酸盐(MEACOO-)和质子化单乙醇胺。反应方程式如下[20]:
尽管有机胺溶液具有出色的二氧化碳吸收能力,但其解吸过程需要消耗大量能量。所以,解决有机胺溶液的解吸能耗问题是二氧化碳捕集技术未来发展的关键一步。丹麦技术大学的研究团队[21]测试了3种基于单乙醇胺(MEA/水、MEA/乙醇、MEA/乙醇/水)的吸收剂体系的吸收和解吸性能。结果表明,添加乙醇的单乙醇胺解吸效果更好,解吸温度更低,再生能力更强。与MEA/水体系相比,MEA/乙醇体系的解吸温度降低了20℃,前20 min的平均解吸速率提高了41.72%,再生效率提高了5.52%。因此,在原MEA/水吸收体系中添加有机溶剂,有利于降低胺溶液的解吸能耗和解吸温度,促进胺溶液对二氧化碳的吸收。
相变溶剂(PCS)二氧化碳捕集技术是在MEA技术的基础上提出的。溶剂吸收二氧化碳后,富液和贫液可以分离。大量的水和相分离剂进入贫液相,而二氧化碳和吸收剂进入富液相。富液随后进入解吸塔进行二氧化碳再生。由于富液中的含水量很低,大大减少了解吸过程中的处理量,降低了水气化消耗的潜热,从而降低了解吸能耗。浙江大学的研究团队[22]针对传统MEA化学吸收法能耗高的问题,使用由50%二乙氨基乙醇(DEEA)和25%羟乙基乙二胺(AEEA)组成的相变溶剂捕集烟气中的二氧化碳。与30% MEA溶剂吸收相比,DEEA-AEEA相变溶剂吸收二氧化碳的再生能耗从4.8 GJ/t降至2.58 GJ/t。主要的相变吸收体系总结在表2中。

1.2.4 低温分离法

低温分离法实际上是一种气体液化技术,指通过直接冷却和物理相变的方法分离二氧化碳,可以是气液分离、气固分离,或者两者结合。低温分离法在处理高浓度二氧化碳的情况时更为经济合理。不过,由于设备成本高、工艺复杂,一般会与其他工艺结合使用。该方法无需使用化学试剂,能够直接生产纯度高达99.99%的液态或固态二氧化碳。同时,还能分离尾气中的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和颗粒物成分。
目前,提到低温分离法时,大多数指的是低温冷凝法。即可以采用节流膨胀或绝热膨胀等机械方法对气体进行压缩,使气态二氧化碳变为液态,从而实现分离。同样,该方法也能利用不同气体沸点的差异来分离不同气体。所以,当气源冷却时,沸点较高的气体成分会更快液化。
然而,除了较为常见的冷凝分离,二氧化碳还可以通过低温升华法以固态形式分离。在一定的二氧化碳浓度范围内,理论上低温升华法在碳捕集方面具有一定优势,如图3[23]所示。
由于二氧化碳的临界温度和压力点分别为31℃和7.385 MPa,即在温度和压力不超过临界点时,二氧化碳可以通过加压或冷却液化。正是因为这个原因,该分离过程需要在高压环境下进行,且冷却塔内的温度需要大幅调整。因此,这也是一种高能耗的二氧化碳捕集方法。在三相点压力下,二氧化碳气体可以直接升华为固体。例如,当升华温度为195 K时,升华压力可维持在常压0.1 MPa左右,这对设备的承压能力和安全性较为友好。

2 船舶碳捕集技术的主要障碍

如前所述,综合考虑捕集效率、技术成熟度、成本能耗以及设备紧凑性等因素,目前国际上公认的船舶碳捕集技术主要采用化学吸收法。设备制造商对二氧化碳捕集和吸收过程进行了实验验证,碳捕集效率高达90%以上,并采用了集成脱硫脱碳系统设计。根据船舶使用空间形成模块化、集装箱式布局方案,以尽量减少货舱容量损失。通过对油轮、散货船和集装箱船在不同碳捕集比例下的货物损失和对船体纵向强度的影响进行计算可知,碳捕集设备在大型船舶上更具可行性。图4展示了二氧化碳运输全链条,对于较小且分散的排放源而言,这是一种很有前景的替代管道运输的方式[24]。
目前,船舶碳捕集系统正处于从技术研究、经验测试向示范项目发展的阶段,技术应用水平不断提高。自2021年全球首次对船舶二氧化碳捕集系统进行经验测试以来,已在集装箱船、散货船和液化天然气船等多种船型上开展了示范测试。然而,目前船舶碳捕集技术面临设备投资和后期维护成本高、盈利模式不确定等问题。由于安装船舶碳捕集系统需要船东投入大量资金,包括设备采购、运营维护和卸载成本等,能否盈利取决于吸收剂性能、碳交易市场价格和生物燃料价格等多种因素的相互作用。根据挪威船级社(DNV)的计算,当生物燃料价格高、化石燃料价格低时,使用碳捕集系统可节省约7%的成本(表3)。然而,当生物燃料价格低时,成本降低并不明显,对船东的吸引力也会下降。
此外,目前港口的二氧化碳卸载设施相对不完善,这也是制约船舶碳捕集系统市场发展的瓶颈之一。目前,全球能够处理二氧化碳装卸的港口主要是为处理食品级二氧化碳而设立的,这在一定程度上限制了二氧化碳的卸载效率。全球正在开发的港区碳捕集项目还需要解决二氧化碳装卸、加工和储存的安全问题,以满足未来大规模处理船端二氧化碳卸载的需求。
最后,二氧化碳的存储也存在很大问题。特别是对于远洋船舶,单次航行往往需要数周甚至数月时间。即使采用二氧化碳液化存储方式,所需的储罐体积也相对较大。一方面,安装空间有限,增加了安装难度;另一方面,占用了船舶的载货空间/载重能力,影响船舶运营的经济效益。

3 结论

航运业纳入碳交易体系已成定局,在现有技术条件下,传统化石燃料仍难完全替代,船舶碳排放问题愈发紧迫。船舶碳捕集系统(OCCS)为传统燃料船舶减排提供了可行路径,其技术迭代将开拓广阔应用前景。
(1)陆地成熟的碳捕集技术已移植至船舶领域,但能源效率提升仅能作为短期减排手段,中长期仍需依赖碳捕集或低碳能源技术。因初始投资与技术门槛较高,多数项目仍处技术积累与示范阶段。
(2)化学吸收法凭借捕集效率(超90%)、技术成熟度等综合优势,成为船舶碳捕集的主流方案。通过集成脱硫脱碳系统与模块化设计,可最大限度减少货舱损失。研究表明,大型船舶安装碳捕集设备的可行性更高。
(3)当前船舶碳捕集技术仍处联合研发阶段,尚未形成规模化市场。现有OCCS装置因空间限制与后处理难题,实际捕集率不足50%,技术仍处实验阶段。经济可行性受制于吸收剂性能、碳价与生物燃料成本,系统功耗占比偏高,亟待优化。
(4)行业标准、技术开发与市场需求均处起步期,技术成本高企,加之捕集后二氧化碳的运输与封存问题待解,短期内将制约市场发展。

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