船載碳捕集系統應用及安全監管

船載碳捕集技術作為一項有望實現化石能源大規模低碳利用的戰略性技術，是未來減少二氧化碳(CO2)、保障能源安全、構建生態文明和實現可持續發展的重要手段。據估計，船舶配備碳捕集系統后可減少75%～80%的碳排放，未來越來越多的船舶將會安裝碳捕集系統，但是在航運業廣泛推廣碳捕集技術的同時，船載碳捕集系統的應用也面臨著諸多問題和挑戰。

船載碳捕集與封存技術簡介

國際能源署(IEA)和經濟合作與發展組織(DECD)指出在船載碳捕集與封存(CCS)技術的協助下，預計到2050年歐盟國家能捕集和封存約300億噸CO2，全球范圍內能捕集2400億噸CO2。當前，國內在火力發電、煤化工等領域的碳捕集與儲存試點應用已經取得了不小的進展，隨著陸上應用技術的逐漸成熟，航運業也開始積極探索船舶應用的實現路徑。目前國內外關于船舶領域的CO2捕集與封存技術均處于前期研究階段，根據陸用CCS技術現狀及發展趨勢，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，因此在碳捕集技術上可選擇化學吸收法。其工作原理如圖1所示。

圖1 基于化學吸收法的船載CO2捕集系統圖

經過除塵處理后的煙氣進入CO2吸收塔，煙氣自下往上流動，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生反應被吸收，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，吸收劑變為貧液。解吸出的CO2由塔頂排出，經過干燥脫水處理后進行壓縮，可用于后續的利用和儲存，而再生得到的吸收劑貧液經過換熱器冷卻后重新送回吸收塔，進行CO2循環吸收。

在船上可選擇的吸收劑主要為有機胺溶液和氨水。兩者不僅可以作為CO2的吸收劑，還可以與二氧化硫(SO2)發生反應，因此對于使用重油的船舶，在碳捕集系統與燃燒系統之間需要安裝脫硫設備。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多選用有機胺溶液作為吸收劑。

2、船載CO2封存方案

CO2的封存技術主要依賴于對陸地和海上碳封存基地的勘測和國家政策的扶持，目前針對船舶領域還沒有完善的CO2封存系統，有可能在未來10年內實現的封存方法主要有以下三種：

(1)船舶負責對尾氣中的CO2進行捕集并儲存在船上，到達港口后將CO2儲存罐卸下，可在陸上運輸到已建好的地下封存地點進行封存，或運輸到工廠合成其他產品。

(2)在沿海已建好多個海下封存基地，船舶不僅負責對尾氣中的CO2進行捕集，還要定期到距離最近的海下封存基地對CO2進行封存。

(3)將CO2冷卻成干冰運往海底。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。此項技術雖還未得到國際海事組織(IMO)批準，但已獲得多家公司的認可，很可能成為未來發展的一個方向。

船載碳捕集系統在實船上的應用

以現行加裝涵蓋吸收、解吸、壓縮、液化和存儲等全工藝流程碳捕集系統的超大型集裝箱船為例，對碳捕集系統在實船上的應用進行分析。該輪全長368米，寬51米，總噸151362，裝箱數量15000TEU，主機功率為41780kW,脫碳塔與脫硫塔設備均放于塔房區域，其他設備放置于9號設備間，體積較小的100m³儲罐也存放于設備間。通過在船尾處加裝脫硫和脫碳兩套防污染設備，串聯運行，相輔相成，共同凈化船舶尾氣，達到減少船舶尾氣中CO2排放的目的，預計通過加裝碳捕集設備能達到減少約40%的CO2排放，能有效滿足未來即將生效的碳排放法規要求。

該套船載碳捕集系統是全球首個涵蓋吸收、解吸、壓縮、液化和存儲等全工藝流程的CO2捕集系統實船項目，對推動行業標準建設、支撐國際海事組織溫室氣體減排戰略決策具有重要意義。

根據船載設備初步試驗數據顯示，船載碳捕集系統綜合捕集率達80%以上、CO2液化率99%以上、液態CO2純度99.5%以 上。同時，該系統通過運用新型吸附劑、分區工藝參數控制等核心技術，系統能耗大幅降低，各項指標均達到國際領先水平。

該套基于傳統能源動力系統的船載碳捕集系統采用化學吸收法對排放尾氣進行碳捕捉，其原理為通過吸收液的溫度變化來實現CO2的吸收和釋放，從而實現將CO2從尾氣中分離捕獲。碳捕集包括CO2捕捉、分離、壓縮液化與存儲卸載4個過程，如圖2所示。船舶尾氣進入吸收塔后，吸收劑貧液吸收CO2變為富液，富液在解吸塔中被加熱，解吸出CO2，對分離出的CO2氣體進行壓縮液化提純，液化后的CO2被輸送到存儲容器。對于捕集儲存的液態CO2可以在港口直接過駁給CO2運輸船，或在專業港口進行卸載，提供給處理工廠用于堿、醇等化工品的原料或地質、生物利用，也可以制成干冰投入指定海域進行海底封存。

圖2 船載碳捕集系統結構流程圖

船載碳捕集系統在應用中產生的影響

CO2捕集系統在船舶上的應用不同于在陸地環境中的應用，通過在實船試航中對船載碳捕集系統的試驗表明，船載碳捕集系統在實船應用還有一些問題亟需解決。

1、CO2的處理

碳捕集設備在運行過程中易發生局部高壓和CO2泄漏，存在一定的安全隱患。由于碳捕集系統涉及的管路繁雜，法蘭、接頭較多，CO2可能會發生泄漏，密閉的空間會造成人員窒息，液態CO2如果發生了泄漏，極低的溫度會對船體結構或船員造成危害；高壓的氣態CO2在惡劣海況下可能會發生爆炸，造成人員傷亡或設備損壞；由于液態CO2在高溫下會產生氣化，造成CO2儲存罐內壓力升高，存在爆炸風險；儲存罐內CO2的存儲運輸會對船舶的安全性和穩定性造成影響；船舶捕集的CO2目前還沒有完善的封存、轉運方案。

2、對環境的影響

目前針對船舶領域還沒有相對完善的CO2封存、轉運方案，對于實船捕集的CO2采用部分儲存送岸回收，部分放入大氣中，這會對大氣產生污染；另外，采用化學吸收法捕集CO2所使用的化學吸收劑在捕集過程中會產生廢氣、廢液的排放(如溶劑蒸汽、胺液等)，同時化學吸收劑的降解也會產生固體廢物，這都會對周邊的環境造成危害。

3、相關法規的缺失

目前針對船載碳捕集系統的技術法規仍處于初始研究階段，也無關于CO2存儲運輸的規范指南，缺乏統一的國際監管框架。作為一項新的前沿技術，需要明確船載碳捕集系統的減排效果與評估驗證標準，探索制定出符合國情的船載碳捕集系統政策，進一步完善相關法律法規，制定出科學合理的規范標準體系，減少船舶在加裝碳捕集系統后帶來的安全隱患問題。

4、改裝船舶的結構和穩定性的改變

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

5、改裝船舶的證書和文件的更新

由于加裝CO2捕集和存儲系統，導致船舶圖紙文件的改變，需要更新并且部分需要船級社認可的文件有：總布置圖、艙容圖、防火控制圖、分段結構圖紙、管系圖、電力計算書、裝載手冊、穩性手冊、破艙穩性手冊、水下檢驗手冊、營運船能效技術文件、壓載艙的艙容和壓載水管理計劃等。船舶管理體系文件要增加關于CO2捕集和存儲的相關風險評估、船舶保安計劃、船舶勞工組織Part I和Part II等。需要重新換發的證書主要涉及到：船舶注冊證書、電臺執照、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、載重量等參數變化的相關證書。

6、安全防護的改變

根據相關船級社規范要求，所有與有機胺溶液相連接的管路要求1類管，而且除了貼近存儲罐處允許有法蘭，其他位置的連接盡量用焊接形式。所有儲罐應配備手動關閉閥，如果此閥位置位于罐體中下部，應該配備遠程氣動關閉。在有機胺加注和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備，船舶應額外配備不能少于兩套的個人防護服，用于防止有機胺溶液泄漏等。CO2設備間要配備CO2泄漏報警裝置，CO2捕集和存儲設備的每個階段都要配備遙控閥、溫度監控、壓力監控、旁通等功能。

安全監管相關建議

1、安全監管方面

(1)由于CO2捕集和存儲系統的加裝，導致船舶空船重量的增加，載重量減少，總噸增加，凈噸減少，同時導致船舶圖紙文件和相關證書的改變，需要更新并且部分需要船級社認可。安全監管中要重點關注船舶在結構和穩性上的變化，船舶注冊證書、噸位證書、防火布置圖等是否及時更新，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、載重量等參數變化的相關證書是否更新。

(2)由于碳捕集設備間空間大，設備、管道復雜，存在發生CO2泄漏的風險，監管中要重點檢查各個報警設備是否能正常運行，如CO2儲罐處所是否設置CO2、氧氣濃度監測與報警裝置，CO2儲存罐是否設置高液位報警，報警裝置是否正常工作等。

(3)船員作為船舶設備的操作人員，應熟悉碳捕集設備的操作流程，了解其原理以及維護方式，監管中應注重檢查相關船員在碳捕集設備發生緊急情況時的應急反應能力，船上是否定期開展相關的應急演習，船公司是否對船員進行碳捕集系統相關內容的培訓。

(4)改裝船舶由于空間的增加，導致CO2固定滅火系統鋼瓶容量不夠，監管過程中應注意檢查碳捕集設備間的消防布置情況，CO2固定滅火系統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等。

(5)安全防護方面，船舶是否額外配備一定數量的個人防護服，用于防止有機胺溶液泄漏等；檢查CO2管系及接頭連接處，液態CO2管系是否進行隔熱絕緣，低溫CO2泄漏可能會對船體結構和人員造成損傷等。

2、法規更新方面

建議相關部門根據船舶儲存CO2的技術要求，參考《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則(IGC規則)》，部分相關要求可以參考液化石油氣運輸船的技術要求或CO2儲罐相關技術標準，明確船載碳捕集系統的減排效果與評估驗證標準，制定針對船載碳捕集系統相關的技術法規和CO2存儲運輸的相關規范指南。

3、回收利用

一是建議考慮船載碳捕集系統產生的廢棄物及吸收溶劑的排放回收問題，避免造成環境的污染；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冷卻成液態或者固態，替代原本的冷卻裝置，不僅可以改善船上碳捕集系統的能耗問題，也能在一定程度上節約成本，減少環境污染；三是建議在船舶領域方面制定完善的CO2封存、轉運方案，建設充足的陸上封存、卸載和排放設施滿足船舶的接收需求。

未來二氧化碳捕集技術將會應用到更多的船舶上，越來越多的船舶將會安裝碳捕集系統，針對船載碳捕集系統應用中面臨的各種問題，需要繼續深入開展大量有針對性地研究，持續跟進船載碳捕集系統的技術發展，深入探析應用中面臨的各種問題，不斷積累對新技術、新設備的安全監管經驗，完善船舶新型技術設備的安全監管要求，才能更好地做好此類船舶的安全監管，助力我國綠色低碳事業高質量可持續發展。

作者：崇明海事局 胡漢強 趙林

中國船舶集團第711所 杜明賽 李明