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本文聚焦船舶碳捕获与封存（OCCS）系统，详细阐述其技术原理、应用现状、面临挑战及发展前景。介绍多种碳捕获技术，对比不同运输与存储方式，指出多技术耦合是发展方向，呼吁政策支持以推动航运业低碳转型。
一、引言
全球经济加速发展和人口持续增长，致使温室气体排放量不断攀升，二氧化碳（CO2）在温室气体（GHG）排放总量中占比达 72%，其温室效应贡献率为 55%。2023 年，全球CO2排放量增长至 374 亿吨。尽管《巴黎协定》设定了减排框架，但全球气候仍未达到温控目标。
航运业作为全球空气污染的重要来源，其使用的燃料多为富含碳的海洋柴油（MDO）和重质燃料油（HFO）。随着国际贸易发展，船舶数量增多，航运业CO2排放量持续上升。国际海事组织（IMO）制定了严格的减排目标，如到 2030 年，国际航运温室气体年总排放量相比 2008 年至少降低 20% ，目标为降低 30%；到 2040 年，降低 70% ，并努力降低 80%；同时争取尽早实现国际海运温室气体排放达峰，2050 年实现净零排放。
船舶碳捕获与封存（OCCS）系统是碳捕获、利用与封存（CCUS）技术在船舶上的应用，可分离捕获船舶排放的CO2，并运输存储，从而减少船舶CO2排放，为航运业绿色低碳发展提供可行路径。但 OCCS 系统因船舶的特殊环境，相比陆上 CCUS 系统，在功率需求、体积和稳定性等方面面临更复杂的技术要求。
二、船上碳捕获系统
2.1 船上碳捕获技术的要求
船上碳捕获系统需考虑的因素比岸上系统更为复杂。远洋船舶尾气成分复杂，含有CO2、SOx、NOx等气态物质，尾气温度通常高于 300℃，压力一般为 0.1 - 0.2MPa。此外，船舶空间有限，且需考虑经济效益。因此，对船上碳捕获系统的要求包括：对低压、高温、成分复杂的气源有良好适应性；具备经济性，涵盖碳捕获能耗、系统投资和运营成本；碳捕获产物应无毒、无腐蚀性，易于保存或可直接排放，确保无二次污染；碳捕获系统结构紧凑，尽可能减少占用船舶空间；设备具有良好的抗震性 。
2.2 船舶碳捕获技术的比较
- 燃烧前捕获：燃烧前捕获是将化石燃料转化为含CO2和H2的混合气，再分离吸收CO2，利用H2发电。该技术在基线情景下碳捕获率仅 37% ，但在发动机尾气能量增加时，捕获率最高可达 95% 。其适用于氢燃料发动机船舶，但目前大多数船舶使用传统燃料，改装成本高昂，应用场景受限。
- 氧燃料燃烧捕获：氧燃料燃烧捕获技术是让高纯度氧气与化石燃料混合燃烧，使烟气中富含高浓度CO2，可直接存储利用。此技术能提高燃烧热效率、减少污染物排放，但对高浓度氧气需求大，且富氧燃烧会使燃烧室温度升高，限制了其在船舶上的广泛应用。目前该技术在船舶发动机领域研究较少，开发能在海上持续供应氧气且适配船舶发动机的原位制氧系统是关键 。
- 燃烧后捕获：燃烧后捕获技术是直接从化石燃料燃烧后的烟气中捕获分离CO2，是目前陆上碳捕获系统中应用最广泛、技术最成熟的方法。在船舶上应用时，无需改变现有发动机，不影响燃烧过程，成本效益高。该技术主要包括吸附、化学吸收、膜分离和低温分离。
- 吸附：吸附捕获利用多孔固体吸附剂吸附和解吸CO2，实现CO2分离富集，分为物理吸附和化学吸附。目前已开发出多种吸附材料，如碳质材料和非碳质材料。虽然吸附捕获满足船上碳捕获系统对稳定性和无害性的要求，但受限于缺乏合适材料及相关系统设计，在船上的应用仍需探索。
- 膜分离：膜分离技术基于膜的选择性渗透，根据分子或离子的大小、形状、电荷和溶解度分离混合物中的特定成分。该技术无需大量化学试剂和复杂设备，可连续运行，便于自动化控制。但膜的选择性和渗透性相互制约，膜改性是研究重点。研究表明，膜分离技术在 OCCS 中有良好应用前景，尤其是膜接触器（MC）在复杂气体环境中优势明显。
- 低温分离：低温分离法利用气体沸点差异，在低温高压下压缩冷凝CO2，可获得高纯度液态CO2，适合船舶运输。传统低温分离能耗高，不适合船用。近年来研究主要集中在开发新的低温填充床系统和工艺。对于 LNG 动力船舶，利用其冷能进行低温分离可降低能耗和排放。但该技术目前缺乏有力的实验研究支持，且其在长途航行极端情况下的适应性存疑。
- 化学吸收：化学吸收通过碱性溶液与CO2反应捕获CO2，形成碳酸盐、碳酸氢盐等化合物，在特定条件下可释放捕获的CO2。该技术成熟，是大多数陆上碳捕获系统的核心。在船上应用时，常用的吸收剂有胺、氨水（NH3）和氢氧化钠（NaOH）。胺吸收剂应用广泛，但存在吸收剂再生不完全、能耗高、设备腐蚀等问题。氨水吸收剂具有能耗低、能捕获多种污染物等优点，但存在动力学慢、挥发性高等缺点。NaOH溶液吸收CO2操作简单、成本低，但碳捕获效率有待提高。综合来看，胺溶剂目前是 OCCS 技术研究的首选，但开发高压解吸、降低氧化降解的溶剂仍是研究方向。
2.3 船上碳捕获系统的当前项目
自 2021 年以来，全球对船上碳捕获技术关注度提升，相关大型研发项目不断涌现。韩国大宇造船海洋工程公司（DSME）与 Hi Air Korea 合作开发的 OCCS 技术，采用氨水湿捕获工艺；挪威和芬兰合作设计的基于船舶脱硫装置的碳捕获系统，成功应用于乙烯运输船；日本完成了 OCCS 设备的实证测试；荷兰 Value Maritime 开发的 OCCS 系统获得美国船级社（ABS）原则性批准；中国上海船舶柴油机研究所（SMDERI）等单位开发的碳捕获装置也取得了较高的碳捕获率，并获得相关船级社的认可 。
2.4 船上碳捕获技术的可行性分析
船上应用碳捕获技术面临挑战，但随着技术进步和设计优化，可行性逐渐提高。在空间方面，现代碳捕获技术向模块化、紧凑化发展，设备可优化设计，或分散安装在船舶闲置空间，减少对载货和操作空间的占用。在重量方面，使用轻质材料和高效吸收剂可减轻系统重量，降低对船舶载货能力和稳定性的影响。在功率方面，船舶的能量回收技术和混合动力系统可部分抵消碳捕获系统的能耗，满足其能源需求 。
2.5 潜在挑战和风险
船上碳捕获技术研究虽逐渐成熟，但仍面临诸多挑战。船舶空间有限，尤其是机舱，多数燃烧后捕获方法需安装解吸系统，若要利用捕获的CO2，还需安装压缩机、冷凝器和存储空间，这对现有船舶改造是重大技术挑战。经济方面，船舶安装碳捕获系统成本高昂，CO2捕获、分离和液化存储过程能耗大，且碳市场价格和税收波动影响船舶盈利，增加了 OCCS 系统的经济不确定性。此外，船上碳捕获技术可能对环境造成二次污染，如化学吸收法中吸收剂产生的排放和降解产生的固体废物等，其环境影响评估多基于模拟和实验数据，与实际项目结合较少 。
三、船上碳运输系统
3.1 碳运输技术的比较
- 卡车运输和铁路运输：卡车和铁路运输是小规模、灵活的CO2运输方式，采用低温液化CO2罐存储运输。但它们仅在运输距离短、运输量小且具备CO2液化条件时具有竞争力。在 OCCS 系统中，与船上碳捕获连接时需建设港口终端，增加人力和维护成本，相比海上运输劣势明显 。
- 管道运输：在大规模CO2运输中，管道运输是主流技术，可运输约 1000km，常用于提高石油采收率（EOR）。CO2在管道中可呈气态、液态、密相或超临界状态运输，密相和超临界状态适合长距离运输。但在海洋环境中应用，管道运输面临成本高、易腐蚀、施工技术难度大等问题，现有天然气管道改造也存在诸多困难 。
- 船舶运输：船舶运输是更灵活的CO2运输技术，能适应CO2捕获和使用地点的变化。当需大规模长距离运输CO2时，船舶运输比新建长距离管道或改造现有天然气管道更经济。船舶运输CO2与运输 LNG 相似，天然气行业积累的经验为其提供优势。但船舶运输需要中间存储罐，对存储罐的性能提升还需进一步研究。目前，各国对CO2运输船的研究项目不断涌现，未来需求有望大幅增长 。
3.2 潜在挑战和风险
目前，关于船舶碳运输的法规、技术参数和案例研究较少，技术成熟度不足。船舶发动机产生的CO2排放虽少，但脱碳会增加运输成本。此外，OCCS 系统中碳捕获组件与运输罐的高效协调、CO2运输船舶和中间存储罐的稳定性、大规模液态CO2泄漏的影响以及密封系统材料的选择等问题，都需要进一步研究 。
四、海洋碳存储系统
4.1 碳存储技术的比较
- 地质存储：具有足够存储容量的多孔地质结构可作为CO2的天然封存场所，如枯竭的油气藏、不可开采的煤层和深部盐水层。枯竭的油气藏成本低、密封性好，可通过CO2-EOR 或CO2-EGR 技术实现碳存储和油气增产，但数量有限。不可开采的煤层可通过注入CO2置换出甲烷（CH4），实现碳存储和能源开采，但吸附过程会导致煤层渗透率下降，商业化应用受限。深部盐水层存储潜力大，技术成熟，但注入CO2可能导致压力积聚和羽流迁移，影响储层岩石完整性 。
- 海洋存储：海洋占地球表面积的 70%，是重要的碳汇。海洋存储包括海水存储、深海沉积物存储和深海玄武岩含水层存储。海水存储需将CO2压缩液化后注入深海，但存储深度有要求，否则会导致CO2泄漏。深海沉积物存储利用其压力和化学转化潜力，但技术尚不成熟。深海玄武岩含水层可与CO2反应形成稳定碳酸盐矿物，存储潜力大且安全性高，但可能形成二氧化硅钝化层，影响矿化能力 。
4.2 潜在挑战和风险
地质存储虽可行且成本效益高，但可持续性受技术和社会因素限制，如注入大量CO2可能引发地震、威胁CO2存储密封性，还可能因公众负面意见被禁止。在 OCCS 链中，船舶捕获和运输的CO2需进一步运往陆上存储地点，连续性较差 。
海洋存储为 OCCS 提供了更连贯的碳存储模式，但船舶碳捕获和运输条件与海上存储井条件的适配性是关键问题。CO2注入海洋会导致海水酸化，影响海洋生物活动和栖息地特征，且存在CO2泄漏风险，影响 OCCS 系统效率和海洋生态系统。实时监测技术对海洋存储段的 OCCS 系统至关重要，但目前海洋存储仍存在许多未解决问题和知识空白 。
五、经济研究和相关政策分析
对船舶 CCUS 技术的经济评估是该技术应用的关键研究内容。学者们通过不同方法对船舶 CCUS 系统各环节的能耗和成本进行优化设计研究，验证了 OCCS 的经济可行性，但仅靠技术提升优化运营和运输成本还不够，还需政策支持 。
国际海事组织（IMO）、欧盟、日本等国家和地区纷纷出台法规政策，加强对船舶碳排放的控制。中国船级社（CCS）也制定了相关技术文件。各国应进一步出台支持 OCCS 发展的政策，如提供研发资金支持、给予航运公司税收减免或补贴、将 OCCS 系统捕获的CO2纳入碳信用交易系统、建立绿色航运认证系统等，以促进 OCCS 技术的发展和应用 。
六、结论和展望
随着陆上 CCUS 系统的成熟和碳中和目标的迫切需求，OCCS 系统的重要性日益凸显。燃烧前捕获和氧燃料燃烧捕获技术受船舶燃料类型和反应材料供应限制，短期内难以成为主流，但在降低能耗方面仍有研究潜力。燃烧后捕获技术中，吸附、膜分离、低温分离和化学吸收各有优势，将这些技术优势整合形成新的耦合技术，可能在船上碳捕获领域具有竞争力 。
在碳运输方面，长距离大规模运输时，船舶运输更具经济性，但需对中间存储罐进行技术升级。海洋存储相比地质存储为 OCCS 提供了更连贯的模式，但需解决船舶碳捕获运输与海上存储条件适配以及CO2泄漏预警和捕获等问题 。
尽管 OCCS 系统取得了一定进展，但仍面临诸多障碍，如经济成本、知识差距和工业经验不足等。未来需开发更轻、更简单、更经济的碳捕获技术，探索多技术耦合的可能性。在政策和经济支持方面，政府和国际组织应加强合作，制定相关政策法规，提供经济激励，开展试点项目，推动 OCCS 技术在全球的广泛应用，助力航运业实现低碳转型 。
