船载碳捕集系统应用及安全监管

船载碳捕集技术作为一项有望实现化石能源大规模低碳利用的战略性技术，是未来减少二氧化碳(CO2)、保障能源安全、构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。据估计，船舶配备碳捕集系统后可减少75%～80%的碳排放，未来越来越多的船舶将会安装碳捕集系统，但是在航运业广泛推广碳捕集技术的同时，船载碳捕集系统的应用也面临着诸多问题和挑战。

船载碳捕集与封存技术简介

国际能源署(IEA)和经济合作与发展组织(DECD)指出在船载碳捕集与封存(CCS)技术的协助下，预计到2050年欧盟国家能捕集和封存约300亿吨CO2，全球范围内能捕集2400亿吨CO2。当前，国内在火力发电、煤化工等领域的碳捕集与储存试点应用已经取得了不小的进展，随着陆上应用技术的逐渐成熟，航运业也开始积极探索船舶应用的实现路径。目前国内外关于船舶领域的CO2捕集与封存技术均处于前期研究阶段，根据陆用CCS技术现状及发展趋势，制定的船载CO2捕集与封存可行性方案如下所述。

1、船载CO2捕集方案

船舶排气具有流量大、CO2浓度较低的特点，因此在碳捕集技术上可选择化学吸收法。其工作原理如图1所示。

图1基于化学吸收法的船载CO2捕集系统图

经过除尘处理后的烟气进入CO2吸收塔，烟气自下往上流动，吸收剂则由塔顶喷淋而下，两者逆向接触。CO2与吸收剂在吸收塔中发生反应被吸收，脱除部分碳后的烟气从塔顶排出。吸收CO2后，吸收剂由贫液变成富液流至塔底，由泵抽离吸收塔，随后流经换热器被送至解吸塔。在解吸塔中，富液被加热至一定温度后释放出CO2，吸收剂变为贫液。解吸出的CO2由塔顶排出，经过干燥脱水处理后进行压缩，可用于后续的利用和储存，而再生得到的吸收剂贫液经过换热器冷却后重新送回吸收塔，进行CO2循环吸收。

在船上可选择的吸收剂主要为有机胺溶液和氨水。两者不仅可以作为CO2的吸收剂，还可以与二氧化硫(SO2)发生反应，因此对于使用重油的船舶，在碳捕集系统与燃烧系统之间需要安装脱硫设备。由于氨水中的氨气(NH3)逃逸问题难以解决，因此目前船载碳捕集系统多选用有机胺溶液作为吸收剂。

2、船载CO2封存方案

CO2的封存技术主要依赖于对陆地和海上碳封存基地的勘测和国家政策的扶持，目前针对船舶领域还没有完善的CO2封存系统，有可能在未来10年内实现的封存方法主要有以下三种：

(1)船舶负责对尾气中的CO2进行捕集并储存在船上，到达港口后将CO2储存罐卸下，可在陆上运输到已建好的地下封存地点进行封存，或运输到工厂合成其他产品。

(2)在沿海已建好多个海下封存基地，船舶不仅负责对尾气中的CO2进行捕集，还要定期到距离最近的海下封存基地对CO2进行封存。

(3)将CO2冷却成干冰运往海底。初步方案是用低温过程将CO2收集起来冷冻成干冰，放到海里去。此项技术虽还未得到国际海事组织(IMO)批准，但已获得多家公司的认可，很可能成为未来发展的一个方向。

船载碳捕集系统在实船上的应用

以现行加装涵盖吸收、解吸、压缩、液化和存储等全工艺流程碳捕集系统的超大型集装箱船为例，对碳捕集系统在实船上的应用进行分析。该轮全长368米，宽51米，总吨151362，装箱数量15000TEU，主机功率为41780kW,脱碳塔与脱硫塔设备均放于塔房区域，其他设备放置于9号设备间，体积较小的100m³储罐也存放于设备间。通过在船尾处加装脱硫和脱碳两套防污染设备，串联运行，相辅相成，共同净化船舶尾气，达到减少船舶尾气中CO2排放的目的，预计通过加装碳捕集设备能达到减少约40%的CO2排放，能有效满足未来即将生效的碳排放法规要求。

该套船载碳捕集系统是全球首个涵盖吸收、解吸、压缩、液化和存储等全工艺流程的CO2捕集系统实船项目，对推动行业标准建设、支撑国际海事组织温室气体减排战略决策具有重要意义。

根据船载设备初步试验数据显示，船载碳捕集系统综合捕集率达80%以上、CO2液化率99%以上、液态CO2纯度99.5%以上。同时，该系统通过运用新型吸附剂、分区工艺参数控制等核心技术，系统能耗大幅降低，各项指标均达到国际领先水平。

该套基于传统能源动力系统的船载碳捕集系统采用化学吸收法对排放尾气进行碳捕捉，其原理为通过吸收液的温度变化来实现CO2的吸收和释放，从而实现将CO2从尾气中分离捕获。碳捕集包括CO2捕捉、分离、压缩液化与存储卸载4个过程，如图2所示。船舶尾气进入吸收塔后，吸收剂贫液吸收CO2变为富液，富液在解吸塔中被加热，解吸出CO2，对分离出的CO2气体进行压缩液化提纯，液化后的CO2被输送到存储容器。对于捕集储存的液态CO2可以在港口直接过驳给CO2运输船，或在专业港口进行卸载，提供给处理工厂用于碱、醇等化工品的原料或地质、生物利用，也可以制成干冰投入指定海域进行海底封存。

图2船载碳捕集系统结构流程图

船载碳捕集系统在应用中产生的影响

CO2捕集系统在船舶上的应用不同于在陆地环境中的应用，通过在实船试航中对船载碳捕集系统的试验表明，船载碳捕集系统在实船应用还有一些问题亟需解决。

1、CO2的处理

碳捕集设备在运行过程中易发生局部高压和CO2泄漏，存在一定的安全隐患。由于碳捕集系统涉及的管路繁杂，法兰、接头较多，CO2可能会发生泄漏，密闭的空间会造成人员窒息，液态CO2如果发生了泄漏，极低的温度会对船体结构或船员造成危害；高压的气态CO2在恶劣海况下可能会发生爆炸，造成人员伤亡或设备损坏；由于液态CO2在高温下会产生气化，造成CO2储存罐内压力升高，存在爆炸风险；储存罐内CO2的存储运输会对船舶的安全性和稳定性造成影响；船舶捕集的CO2目前还没有完善的封存、转运方案。

2、对环境的影响

目前针对船舶领域还没有相对完善的CO2封存、转运方案，对于实船捕集的CO2采用部分储存送岸回收，部分放入大气中，这会对大气产生污染；另外，采用化学吸收法捕集CO2所使用的化学吸收剂在捕集过程中会产生废气、废液的排放(如溶剂蒸汽、胺液等)，同时化学吸收剂的降解也会产生固体废物，这都会对周边的环境造成危害。

3、相关法规的缺失

目前针对船载碳捕集系统的技术法规仍处于初始研究阶段，也无关于CO2存储运输的规范指南，缺乏统一的国际监管框架。作为一项新的前沿技术，需要明确船载碳捕集系统的减排效果与评估验证标准，探索制定出符合国情的船载碳捕集系统政策，进一步完善相关法律法规，制定出科学合理的规范标准体系，减少船舶在加装碳捕集系统后带来的安全隐患问题。

4、改装船舶的结构和稳定性的改变

以这艘大型集装箱船为例，由于加装CO2捕集和存储系统，9号货舱后半部分变成了碳捕集设备间，增加了脱硫的洗涤塔和脱碳的吸收塔。改装会直接导致船舶空船重量的增加，载重量减少，总吨增加，装载箱数减少；货舱空间的减少，导致净吨减少；侧面受风面积的增加，导致舾装数增加，也可能导致锚和锚链重量尺寸的增加；空间的增加，导致CO2固定灭火系统钢瓶容量不足，需要增加钢瓶的数量。

5、改装船舶的证书和文件的更新

由于加装CO2捕集和存储系统，导致船舶图纸文件的改变，需要更新并且部分需要船级社认可的文件有：总布置图、舱容图、防火控制图、分段结构图纸、管系图、电力计算书、装载手册、稳性手册、破舱稳性手册、水下检验手册、营运船能效技术文件、压载舱的舱容和压载水管理计划等。船舶管理体系文件要增加关于CO2捕集和存储的相关风险评估、船舶保安计划、船舶劳工组织PartI和PartII等。需要重新换发的证书主要涉及到：船舶注册证书、电台执照、吨位证书、船籍证书，所有船舶法定证书、船舶管理体系证书、安保证书、劳工证书等涉及总吨、净吨、载重量等参数变化的相关证书。

6、安全防护的改变

根据相关船级社规范要求，所有与有机胺溶液相连接的管路要求1类管，而且除了贴近存储罐处允许有法兰，其他位置的连接尽量用焊接形式。所有储罐应配备手动关闭阀，如果此阀位置位于罐体中下部，应该配备远程气动关闭。在有机胺加注和CO2回收等左右两舷甲板位置都要配备用于洗眼和淋浴的设备，船舶应额外配备不能少于两套的个人防护服，用于防止有机胺溶液泄漏等。CO2设备间要配备CO2泄漏报警装置，CO2捕集和存储设备的每个阶段都要配备遥控阀、温度监控、压力监控、旁通等功能。

安全监管相关建议

1、安全监管方面

(1)由于CO2捕集和存储系统的加装，导致船舶空船重量的增加，载重量减少，总吨增加，净吨减少，同时导致船舶图纸文件和相关证书的改变，需要更新并且部分需要船级社认可。安全监管中要重点关注船舶在结构和稳性上的变化，船舶注册证书、吨位证书、防火布置图等是否及时更新，所有船舶法定证书、船舶管理体系证书、安保证书、劳工证书等涉及总吨、净吨、载重量等参数变化的相关证书是否更新。

(2)由于碳捕集设备间空间大，设备、管道复杂，存在发生CO2泄漏的风险，监管中要重点检查各个报警设备是否能正常运行，如CO2储罐处所是否设置CO2、氧气浓度监测与报警装置，船载碳捕集系统应用及安全监管CO2储存罐是否设置高液位报警，报警装置是否正常工作等。

(3)船员作为船舶设备的操作人员，应熟悉碳捕集设备的操作流程，了解其原理以及维护方式，监管中应注重检查相关船员在碳捕集设备发生紧急情况时的应急反应能力，船上是否定期开展相关的应急演习，船公司是否对船员进行碳捕集系统相关内容的培训。

(4)改装船舶由于空间的增加，导致CO2固定灭火系统钢瓶容量不够，监管过程中应注意检查碳捕集设备间的消防布置情况，CO2固定灭火系统钢瓶容量是否满足要求，消防器材的配备是否满足要求且处于可用状态等。

(5)安全防护方面，船舶是否额外配备一定数量的个人防护服，用于防止有机胺溶液泄漏等；检查CO2管系及接头连接处，液态CO2管系是否进行隔热绝缘，低温CO2泄漏可能会对船体结构和人员造成损伤等。

2、法规更新方面

建议相关部门根据船舶储存CO2的技术要求，参考《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则(IGC规则)》，部分相关要求可以参考液化石油气运输船的技术要求或CO2储罐相关技术标准，明确船载碳捕集系统的减排效果与评估验证标准，制定针对船载碳捕集系统相关的技术法规和CO2存储运输的相关规范指南。

3、回收利用

一是建议考虑船载碳捕集系统产生的废弃物及吸收溶剂的排放回收问题，避免造成环境的污染；二是建议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CO2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集系统的能耗问题，也能在一定程度上节约成本，减少环境污染；三是建议在船舶领域方面制定完善的CO2封存、转运方案，建设充足的陆上封存、卸载和排放设施满足船舶的接收需求。

未来二氧化碳捕集技术将会应用到更多的船舶上，越来越多的船舶将会安装碳捕集系统，针对船载碳捕集系统应用中面临的各种问题，需要继续深入开展大量有针对性地研究，持续跟进船载碳捕集系统的技术发展，深入探析应用中面临的各种问题，不断积累对新技术、新设备的安全监管经验，完善船舶新型技术设备的安全监管要求，才能更好地做好此类船舶的安全监管，助力我国绿色低碳事业高质量可持续发展。

作者：崇明海事局胡汉强赵林

中国船舶集团第711所杜明赛李明