液化二氧化碳运输船船载胺法碳捕集与蒸发气处理系统的环境技术经济比较评估

《Carbohydrate Research》：Comparative environmental techno-economic assessments (eTEAs) of onboard amine-based carbon capture and boil-off gas handling systems on LCO 2 carriers

本研究针对液化二氧化碳运输船(LCO2C)在长距离航行中产生的温室气体排放问题，创新性地开展了船载碳捕集与封存系统(OCCS)与蒸发气(BOG)再液化处理系统整合的环境技术经济评估(eTEA)。研究人员系统比较了五种运行方案（包括BOG再液化、OCCS及 purge gas 再捕集等组合），发现集成BOG再液化、OCCS和 purge 再循环的方案可实现高达69%的井到尾排放削减，避免成本为355.9美元/tCO?eq。该研究为LCO2C的低碳运行提供了关键决策依据，其避免成本相较于直接空气捕集等技术更具竞争力。

　　

随着全球温室气体排放的持续增长和环境法规的日益严格，碳捕集、利用与封存技术已成为应对气候变化的关键手段之一。在国际航运领域，船舶排放约占全球温室气体排放总量的3%，其减排压力与日俱增。特别是对于承担二氧化碳海运任务的液化二氧化碳运输船而言，尽管多数已采用液化天然气作为动力燃料，相较传统重油可减少约20%的二氧化碳排放，但其运行过程中仍会产生显著的碳排放，这与CCUS链条的减排初衷存在矛盾。

更棘手的是，在长距离航行过程中，液化二氧化碳储罐因热量输入会产生蒸发气，若直接排放将造成温室气体泄漏。虽然蒸发气再液化处理技术已应用于此类船舶，但现有研究多聚焦于单一技术路径，尚未系统探讨船载碳捕集系统与蒸发气处理系统的协同整合潜力。此外，液化过程中产生的 purge gas（吹扫气）通常被直接排放，未能有效利用其碳捕集价值。这些技术盲点限制了液化二氧化碳运输船减排潜力的充分发挥。

为解决上述问题，由Hongkyoung Shin、Juyoung Oh、Yunju Jeon、Youngsub Lim和Thomas A. Adams II组成的研究团队，在《Carbohydrate Research》上发表了题为“Comparative environmental techno-economic assessments (eTEAs) of onboard amine-based carbon capture and boil-off gas handling systems on LCO₂carriers”的研究论文。该研究首次对液化二氧化碳运输船整合船载胺法碳捕集系统和蒸发气处理系统的五种技术方案进行了全面评估，涵盖了BOG再液化、OCCS、 purge gas 再捕集及其组合工艺，旨在为船舶低碳转型提供科学依据。

研究人员采用环境技术经济评估框架，遵循ISO 14076指南，以韩国丽水至澳大利亚格拉德斯通之间的液化二氧化碳海运航线为案例，设定了25年运营周期和年运输26.4万立方米液化二氧化碳的功能单位。研究构建了包括常规运行、独立BOG再液化、独立OCCS、OCCS与BOG再液化集成、以及集成方案加 purge gas 再捕集在内的五个对比情景。通过粒子群优化算法联用MATLAB与Aspen HYSYS/Aspen Plus流程模拟软件，对胺法吸收碳捕集工艺和预冷林德-汉普森液化循环进行了协同优化，重点评估了各方案的海运温室气体强度指标和避免成本等关键参数。

在技术方法层面，本研究主要采用了粒子群优化算法进行流程参数优化，结合Aspen系列工程软件建立了胺法碳捕集和二氧化碳液化过程的稳态模型，通过海洋运输温室气体强度指标全面量化了从燃料生产到船舶推进全生命周期的排放影响，并采用基于设备级的成本估算法进行了技术经济性评价。

研究结果显示，各技术方案的减排效果和经济性存在显著差异。Case A（基准情景）的MGI值为11.19 g_CO?eq/(t·nm)，代表了当前液化二氧化碳运输船的标准排放水平。Case B（独立BOG再液化系统）虽能有效处理蒸发气，但其MGI仅降至7.27 g_CO?eq/(t·nm)，减排幅度为29%。Case C（独立OCCS系统）在90%捕集率下的MGI为7.15 g_CO?eq/(t·nm)，减排效果与Case B相当（30%），但避免成本高达721.5美元/t_CO?eq，是Case B的两倍以上，经济性较差。

值得关注的是，集成方案展现出显著优势。Case D（OCCS+BOG再液化集成）将MGI进一步降低至3.68 g_CO?eq/(t·nm)，减排率达到65%，避免成本为368.1美元/t_CO?eq。而Case E（集成方案+ purge gas 再捕集）实现了最佳的减排效果，MGI低至3.23 g_CO?eq/(t·nm)，减排幅度达69%，避免成本为355.9美元/t_CO?eq，在集成方案中经济性最优。

敏感性分析表明，碳税水平、贴现率和燃料价格是影响各方案经济性的关键因素。在当前低碳税环境下，基准Case A因无需额外投资而最具经济吸引力。但当碳税超过约325美元/t_CO?eq时，集成方案（特别是Case E）将显现出竞争优势。与直接空气捕集（500-1100美元/t_CO?eq）等负排放技术相比，本研究提出的集成方案在避免成本上具有明显优势。

本研究通过系统评估液化二氧化碳运输船多种减排技术路径，明确了集成OCCS与BOG再液化系统的技术经济可行性。研究结果表明，单纯应用船载碳捕集系统而不处理蒸发气，不仅减排效果有限，且经济性较差。而将碳捕集、蒸发气再液化和 purge gas 再捕集相结合，可实现近70%的井到尾排放削减，且避免成本处于当前主流低碳技术的竞争区间内。

该研究的创新价值在于首次系统量化了液化二氧化碳运输船多技术协同的减排潜力，填补了船载碳捕集与蒸发气处理系统集成评估的研究空白。研究提出的海运温室气体强度指标框架，为船舶低碳技术评估提供了更全面的度量标准。研究结论为船东、政策制定者和行业参与者提供了明确的技术路径选择依据，对推动航运业低碳转型具有重要指导意义。随着全球碳定价机制的逐步完善和碳税水平的提高，集成化减排方案有望成为液化二氧化碳运输船实现深度脱碳的有力手段。