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)”，這一理念是隨著二氧化碳捕捉與封存技術(shù)的發(fā)展以及對該技術(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。CO2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CO2，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，因此需要配備空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CO2或者采用膜分離法分離尾氣提純CO2，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CO2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CO2運(yùn)送到岸基接收與處理終端。船舶需要設(shè)有一套CO2卸載系統(tǒng)將船載CO2轉(zhuǎn)移至港口岸基或海洋平臺上的接收設(shè)施，以便將CO2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CO2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)腃O2，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CO2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CO2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CO2驅(qū)油提高石油采收率(CO2-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。CO2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)原油價格在70美元/桶的水平時，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CO2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CO2的方式，如為CO2滅火系統(tǒng)提供CO2、利用于超臨界CO2渦輪發(fā)電技術(shù)等則由于CO2需求量太少，暫時沒有實(shí)船應(yīng)用的價值。

船用CCUS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)計并在船上安裝一套緊湊型CO2捕捉裝置，采用化學(xué)吸收法或者膜分離法回收CO2，將回收的CO2壓縮或液化后儲存，壓縮或液化后的CO2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、CO2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，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、CO2儲存

如何儲存所捕捉的CO2也是在船上應(yīng)用二氧化碳捕捉與封存技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)之一。若以壓縮氣體的方式儲存CO2，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CO2，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CO2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CO2運(yùn)輸船的相關(guān)規(guī)范指南，也缺少船用大型CO2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CO2的技術(shù)要求。

3、CO2封存

通常，CO2保持液相和密相的條件區(qū)間很大，不同船舶儲存CO2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CO2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CO2能與注入口的需求狀態(tài)相匹配是船運(yùn)CO2在船端卸載時需要解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。

船舶卸載CO2可以選擇兩種不同的方式，第一種為船端先卸載CO2然后在(半)永久裝置上處理CO2；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CO2為低溫液體或低溫壓縮氣體，在卸載方案的設(shè)計上會有較大的限制；若采用第二種方式，則需要重點(diǎn)關(guān)注CO2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、CO2卸載頻率和CO2儲罐體積之間的平衡問題、CO2的泄露和腐蝕問題問題等。

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CO2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CO2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CO2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，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。