3.4 船舶碳封存方式分析

碳封存主要有陆地封存和海洋封存2种方式。陆地封存是目前最广泛的一种封存方式，将液态或超临界状态的CO2注入一定深度的特定地质条件的地层进行封存。陆地封存常用技术有咸水层封存、深层不可开采煤层封存及废气油气田封存等,陆地封存往往用于强化采气或强化采油。

海洋的固碳能力大约是陆地生物圈固碳能力的 20倍，更是大气固碳能力的50倍之多，其碳封存能力巨大。相较陆地封存可能面临CO2泄露引起地质活动的风险，CO2海洋封存对海洋环境的影响很小，更为安全高效。利用碳捕集装置将船舶运营产生的CO2就近用于海洋封存节省了运输环节,更具流程简洁、成本低廉等优势，因此CO2海洋封存被认为是处理船舶碳排放中兼顾成本效益及封存潜力的CO2处理方案。CO2海洋封存有海洋水柱封存、海洋沉积物封存、干冰海洋封存、海洋增肥等几种。船舶CCUS 最后的碳封存方式需考虑船舶存储、运输技术，目前液态CO2或干冰海洋封存的方式最具应用潜力。

液态CO₂海洋封存可以利用船舶管道或专用海洋平台将液态CO2注入海里，注入深度在3000m以下时，其密度大于海水，逐渐下沉全部溶解或在海底形成“碳湖”[89]。此时封存效果较好，但对管道提出了更高的要求，成本也更大。船舶管道或海洋装备进行CO2封存时,CO2的注

入速率及液滴大小等因素极大地影响着CO2的逃逸速率及溶解效果[90]。当注入速率较小且液滴较小时，CO2更易在逸出水面前与海水完全形成水合物，此时CO2封存对海洋环境的负担也较小。船舶良好的移动性也将进一步稀释CO2，以取得更好的封存效果。

将捕集的CO2制成干冰进行海洋封存的方式简便快捷，封存量大且长期稳定，理论上也具有一定的可行性。干冰的密度比海水大，能够直接沉降到海底沉积层进行长期封存。干冰因密度大、最为稳定不易分解而成为最好的封存相态,具有封存效果好、对环境影响小等显著优点，但因制备能耗高、固体成分流动性差等缺点而难以用管道运输，增大了船舶运营成本，且干冰海洋封存装备亟待开发研制。日本研究人员[2实测了4m见方的固态干冰以恒定速度沉降的过程，并通过照相机系统观察了干冰立方块的溶解情况，结合大气压下和25.5℃条件下干冰淡水实验的溶解率，提出了垂直方向的运动方程和溶解方程来计算干冰立方块的下降速度及溶解速率，其计算值与试验值吻合。基于试验数据和上述计算方法得出干冰沉降到3000m的深海中仍然能够保持一半的体积结构完整。研究还提出了将大量固态干冰立方块投入中国东海黑潮区的想法，但其数值模拟模型没有考虑到实际干冰溶解率受不同海深下不同压力和温度的影响。Guevel等]提出了完备的一体化固态CO2海洋封存系统的概念设计，该系统包括一种穿甲弹状的干冰制造装置，如图10所示，液态CO2从封存装置侧方注入,装置四周的盘管式换热器和双层墙换热器(容纳芯体)将芯体内的CO2制成外部干冰、内部液态CO2的结构。由于只冷凝外部一定厚度液态CO2为干冰，所以可以节省能耗。该装置头部装有铁鼻锥，以提升总体密度，并通过尾部吊

环吊起以方便运输。尾部有鳍状结构提高其下沉稳定性。可设计建造专用的干冰运输船舶，将大量干冰封存装置运输到适合封存的海边投入海洋封存。这种方式的缺点为封存装置不可回收，不够经济环保。

彭斯干提出了一种利用海水进行碳捕集封存的方法及装置，该方法首先通过海水对化工废气洗涤进行碳捕集，然后注入海洋实现CO2封存。该方法所需能量由风能、洋流能和太阳能等可再生资源来提供，实现了零能耗碳捕集及封存，同时突破了海域的限制，能够在各种海域进行安装投入运营，但该方案也存在着操作复杂及成本问题。

船舶直接将液态CO2通过管道进行海洋封存或将液态CO2制成干冰投入海底封存,节省了CO2运输船的建设及运营管理成本，减少了港口特有的接收液态CO₂的设施投入,同时避免了通过船舶或罐车转运CO,途中多余的碳排放产生。实现了船舶动力系统产生的CO2的及时处理,缓解了船舶上设置的CO2存储设备占据较大船舶运营空间的压力，进一步提高了船舶的可利用空间，进而提高船舶运营收益，但还存在固态CO2冷凝成本高、相关水域不符合封存条件等问题。船舶 CO,利用或封存技术优缺点总结如表4所示。

3.5 船舶CCUS系统技术路线研究

近海、内河等非远洋船舶航行距离及航行周期较短，船舶吨位、体积也较小。考虑到目前碳捕集装置的巨大体积及高昂投资,在非远洋船舶上进行碳捕集并不适宜。远洋船舶航行周期较长，产生的碳排放大，因此，开发碳捕集方案是必需的。远洋船舶吨位、体积大，也更能满足碳捕集装置占地空间大及运营投资成本高的要求，较为适宜进行船舶碳捕集装置的开发。

通过以上分析可知，燃烧后捕集法中的化学吸收法最可能应用于船舶上，然后将捕集的CO2进行液态存储。远洋船舶可以采用液态CO2回收利用的方式,考虑到远洋船舶具有远离人群聚集地、封存潜力广阔等条件，可以采用液态或干冰封存的方式及时处理船舶产生的CO2。由国内外的研究结果来看，LNG船舶具有碳排放量低、高品位可利用冷能大等优势，其气体燃料较为清洁，颗粒物及硫化物含量低，避免了脱硫装置的使用。由于尾气纯度高、杂质少等特点而更易脱除 CO₂，表现出良好的CCUS系统适用性，目前国内外多采用LNG船舶开展船舶CCUS系统研究。针对LNG燃料的远洋船舶CCUS 系统提出了技术路线，如图11所示[23,95]，主要包括CO2吸收分离单元、CO2压缩、液化、存储单元、CO2利用单元及CO2封存单元,同时联合了深远海绿色能源生产及运输基地[47]。抗台风型海上漂浮风电机组及超大型海上风电机组整体设计制造与安装试验技术的深入研究使得建立深远海绿色能源生产及运输基地的概念日渐成为现实，未来可将船舶未能完全利用的CO2通过自身船舶或CO2专用运输船运输到深远海绿色能源生产及运输基地，用于耦合氢气制甲醇等燃料，而制得的甲醇等燃料又可以加注到船舶上实现船舶能源补充。该发展模式点明了未来船舶CCUS系统的技术路线，畅想了未来船舶动力系统CO2排放的循环利用场景，将为深远海船舶提供燃料供给方案，还将促进海洋碳捕集设备、CO2存储设备、CO2运输船、CO2卸载装备及甲醇等绿色能源生产、加注技术产业链一体化发展。

4 问题及讨论

目前CCUS在船舶上的应用仍面临着较多难题，还需加快船舶CCUS技术的研究进程。

4.1 船舶 CCUS 技术面临的问题

(1)碳捕集技术经济性与空间紧凑性间的制约关系和船舶动力系统-碳捕集系统耦合特性研究空白，先进溶剂标准化研究弱。适用于船舶的化学醇胺溶液吸收法能耗及设备占用空间大，能耗、空间紧凑性、捕集率等多因素影响体系未建立。目前主要针对某一特定因素的优化研究多，但针对多因素互相制约及影响的研究较少。船舶动力系统-碳捕集系统耦合特性研究处于空白阶段，未能针对船舶实际工况及尾气组分变化开展碳捕集动态控制及耦合影响研究。适用于船用复杂环境的化学吸收溶剂在吸收速率、碳捕集量、降解量及腐蚀性等指标上所做的平衡研究弱,暂未形成考虑性能及成本等因素的统一可评价指标。

(2)船舶CO2存储安全性及经济性问题亟待解决，港口及海洋平台CO2转驳、接收基础设施规划建设慢,大型CO2运输船储运方式有待发展。随着船舶碳捕集技术的逐渐成熟,CO2运输、存储的基础设施亟需规划建设,完成由船舶移动碳源到陆上利用工厂或海洋油气利用平台的运输、存储。运输存储环节的安全性与经济性同样至关重要，亟需规避CO2泄露引起的人员窒息、船舶安全性失控及海水酸化风险。储罐内压力及温度的精准控制是目前的难点，船舶压缩制冷系统的开发、储罐空间布置、CO2蒸发问题及大型CO2运输船编队运输等还需要进一步研究。

(3)CO2利用技术在陆上驱油、驱气等行业已经取得了巨大的商业化成果，但在船舶上的探索广度及深度略有不足。船舶CO2利用量小，船舶运输CO2到海上油气平台进行利用或封存是主要的利用方式。至于发展前景大的CO2加氢制甲醇等作为循环燃料及淡化海水技术还未达到商业化应用阶段。加氢制甲醇技术在催化剂反应机理研究方面还存在不足,亟需开发选择性及稳定性好、活性高的催化剂:同时还需要进一步研究反应机理，提高甲醇转化率，降低生产装置投入成本。而CO2淡化海水刚刚处于研究阶段，理论体系亟待完善，能耗及成本巨大，CO2淡化海水的产业化进程还较缓慢。

(4)关于海洋封存的研究虽已有几十年的历史，但对封存海域要求严格，海洋封存的示范项目少，技术成熟度低。液态CO2或干冰封存需要研究换热、相变、传质及化学反应过程，使CO₂尽可能在沉降中损失最小。干冰封存还需要能够达到较大的沉降速度深埋入海洋沉积物,实现长期有效封存，面临着同时保持大沉降速度及小逃逸损失的技术难题，干冰封存效果及其对环境的影响会受时间及地质活动的影响，相关海洋封存装置开发领域还处于空白。海洋封存还处于实验室研究阶段，公众对于海洋封存的认知还很低，目前国内外还没有形成完善的法律法规指导CO2海洋封存。

(5)船舶CCUS系统方案实船验证进展慢，国际合作交流及知识共享体制弱。国内外逐渐开展船舶CCUS 系统方案实船验证研究,但具体进程及成果展现少，未能形成优势共享的行业合作交流及知识共享体制,使得船舶CCUS 技术发展缓慢。

4.2 发展方向及建议

(1)探索更加节能、高效的碳捕集方法是未来的研究重点。一方面需进一步进行成熟技术的深挖，开发更加高效、节能、绿色的化学吸收溶剂，研究性能更优、价格及维护成本更低的分离膜材料，进行船舶尾气余热、LNG或LPG船舶冷能的新型节能技术集成及系统工艺优化研究。充分考虑海上风光资源的利用，推动低能耗碳捕集技术发展，促进捕集装置的标准化及模块化发展。另一方面要探索更具革命性及颠覆性的新技术，推动直接空气捕集、生物质能捕集、燃料电池转换等新技术的成熟,尽早实现新技术的商业化应用。

(2)港口或海上油气平台需要加快设置统一的CO2接收规则、标准，规划布局港口或海洋油气平台的CO2卸载、存储基础设施建设。在CO:运输规范化、标准化的基础上探索更加经济高效的船舶编队运输方案。凭借LNG运输经验开展大型CO2运输船的设计开发，开展CO2运输船队的示范研究及建设工作,在CO2运输规范化、标准化的基础上探索更为高效、经济的组合运输方案。

(3)CO₂利用技术应该探索更加多元、成熟的CO2商业化利用方式。目前借助船舶运输CO2进行海上油气平台或陆上工厂利用是其中的重要发展方向，另外船舶上CO2的循环利用及淡化海水也是未来的重要研究热点，需要开展更多研究推动船舶CO2循环利用及淡化海水技术的成熟及商业化应用。

(4)封存方面应该加紧建立海洋封存的示范项目研究，尽快开发、扩展海洋封存潜力，推动利用与封存技术的结合发展。干冰海洋封存凭借极佳的封存效果、较长的封存时间与及时处理船舶碳排放的独特优势成为未来船舶极可能采取的封存方式，因此，探索更加节能、有效的干冰制取方法也是未来的重要发展方向，目前已经形成了建设LNG船舶利用LNG冷能制取干冰的发展趋势，未来应该继续完善验证利用LNG冷能制取干冰的新技术。还应该重视封存与利用技术的结合,如利用CO2推动海洋油气资源的高效开发，同时实现CO2的长期封存。

(5)船舶CCUS技术的发展需要各国政府部门的政策和财政支持、法律法规的构建和完善、航运和海工企业多方机构积极参与、多边机制合作及知识共享加强。建议各国颁布更多的CCUS 发展支持政策，财政补贴CCUS项目建设及运行成本。发挥碳交易市场及碳税主导体系，完善CCUS行业规范，形成科学合理的CCUS建设、运营、监管、终止体系标准。引导航运、海工企业优势互补，激活CCUS技术的创新活力。深化国际交流合作及知识共享体系改革，促进CCUS技术的商业化、产业化发展。

(6)在“双碳”大背景下，未来船舶运营需要探索出一整套标准化、系统化的碳排放管理模式,需要碳捕集、利用封与存技术的相互匹配、相互促进，构建完整、绿色高效的船舶CCUS产业链。倡导示范性项目的领导作用，加快实现船舶和港口全套CCUS产业链设计与应用。

5 结语

(1)随着IMO船舶温室气体减排及中国“双碳”战略的实施，船舶CCUS 技术正成为推动航运业绿色低碳转型的重点发展方向。

(2)CCUS技术在远洋船舶上应用前景广阔，结合LNG动力是实现当下及未来航运低碳转型的可行方案。

(3)CCUS实船测试与应用仍处于起步阶段，当务之急是发展紧凑、高效、经济、稳定的船舶CCUS 技术并开展实船示范应用研究。

(4)CO2利用技术是推动船舶CCUS产业化发展的关键切入点，亟需推动政府、企业、公众多位一体的保障体系建设。