船舶CO2捕集技术：基于多准则深度筛选的系统性评估

《Carbon Capture Science & Technology》：CO2 capture from ships: An in-depth multi-criteria screening of CO2 capture technologies

　　

航运是全球货运的支柱。由于目前高度依赖化石燃料，航运业占全球温室气体排放量的3%，这既凸显了快速脱碳的必要性，也反映了其面临的挑战。近十年来，随着替代燃料的不断发展，船载碳捕集与封存（Onboard Carbon Capture and Storage, OCCS)作为一种潜在减缓策略受到关注。研究人员以一艘组合运输船（combination carrier）为案例，在改装（retrofit）和新造（newbuilding）两种场景下，系统筛选了包括吸收（absorption）、膜辅助液化（membrane-assisted liquefaction）、吸附辅助液化（adsorption-assisted liquefaction）和钙循环（calcium-looping, CaL）在内的多种CO₂捕集技术。总体而言，研究结果表明，即使在改装场景下利用现有船舶动力系统，改装设施也可减少至少45%的船载CO₂排放，从而满足FuelEU Maritime法规直至2040年的要求。一旦假设热量、动力和空间充足（新造场景），90%或更高的减排率即可实现，使船舶能够符合FuelEU Maritime直至2045年、部分工艺甚至直至2050年的目标。尽管两种场景下的额外燃料消耗均不可忽略，但净排放削减仍然显著，证实了OCCS作为船舶脱碳可行选项的地位。在所评估的方案中，膜辅助液化在能源和空间性能方面表现最优，而吸收法和基于CaL的概念分别在热量充足和能源受限条件下仍具相关性。研究结果还表明，OCCS性能高度依赖具体案例，取决于船舶类型、可用热量和动力、燃料成本、监管目标以及下游CO₂处理等因素。这些发现表明，OCCS能够实现可观的、案例依赖性的CO₂减排，但仍需进行技术经济性和全链条评估以确认其商业部署潜力。

航运业目前占全球温室气体排放量约3%，且随全球经济增长持续上升。尽管国际海事组织（International Maritime Organization, IMO)设定了2050年净零排放目标，欧盟也通过FuelEU Maritime法规逐步降低船用燃料的温室气体排放强度，但航运脱碳进展缓慢。液化天然气（LNG)等近期燃料转型因上游排放、燃烧排放和甲烷泄漏而减排有限，氨和氢等零碳燃料则因技术成熟度低、基础设施不足和高成本而难以短期内大规模部署。在此背景下，船载碳捕集与封存（OCCS)作为一种近中期可行方案受到关注，能够在零碳燃料经济和技术可行之前发挥减排作用。已有生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA)研究表明OCCS可实现大幅净温室气体减排，且详细评估验证了其海洋应用的技术可行性。

然而，现有研究存在明显不足：美国海事管理局的综述缺少在统一船舶边界条件下对不同捕集系统的工艺模拟比较；Pancione等的综述聚焦吸附材料但未评估完整船载捕集调节储存系统；Zanobetti等虽进行多准则可持续性评估但依赖文献参数而非详细工艺比较；Wu等的讨论则停留在综述层面未量化船特定设计假设下的性能。因此，在统一的船舶、排气、热量、动力、空间和操作假设下，对传统和新兴捕集技术进行一致的基于模拟的筛选仍存在研究空白。

研究人员以Klaveness Combination Carriers ASA的一艘组合运输船BAIACU为对象，该船使用重质燃料油（Heavy Fuel Oil, HFO)，配备9.6 MW推进发动机和最大3.3 MWel辅助发电机及6.3 MWth饱和蒸汽锅炉，具有较大的锅炉用于加热湿货物。研究考虑改装和新造两种场景：改装场景基于现有船舶机械系统，不额外增加热量供应或发电容量，空间限制在甲板和烟囱区域；新造场景则假设可扩展辅助设备和空间以容纳OCCS，并考虑废气再循环（Exhaust Gas Recirculation, EGR)以提高排气中CO₂浓度。评估的六种捕集工艺包括：单乙醇胺基吸收加液化（MEA+liq，参考工艺)、真空变压吸附-液化混合（VSA-liq，改装用四步循环、新造用六步循环)、膜-液化混合（Mem-liq，采用MTR Polaris膜)、超音速深冷（Cryo)、钙循环碳酸化器（CaL）以及钙循环-吸收混合加液化（CaL-MEA+liq）。

研究方法上，研究人员开发了迭代能量平衡工具确定辅助发动机和锅炉负荷以满足整体船舶-OCCS能量平衡，并识别与给定船舶机械系统兼容的最大CO₂捕集率。捕获的CO₂需调节至高纯度（>99.5 mol%）液态（15 barg），满足Northern Light项目工业规模CO₂运输储存要求。关键性能指标（Key Performance Indicators, KPIs)包括CO₂捕集率和减排率、额外燃料消耗（作为可变运营支出/proxy for variable operating expenditure, OPEX和过程效率指标)、罐到尾法（Tank-to-wake, TtW）比排放、设备体积/空间需求以及技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL)。

改装场景下，受现有辅助设备容量限制，各技术最大可实现的捕集率差异显著。吸收法受限于备用锅炉容量，捕集率达77%，减排64%；电力受限法（Mem-liq、Cryo）因电力不足捕集率低于60%，减排41-47%；CaL法因无主要船上能耗，与吸收法减排相当（64%）但燃料消耗降低5%。各系统空间需求差异大，VSA-liq体积最大（比吸收法大46%），Mem-liq和Cryo则紧凑得多。CaL法的固体物料储存体积因吸附剂转化率不同变化显著，新鲜吸附剂（95%转化率）时最紧凑，循环吸附剂（40%转化率）时则比吸收法大50%。

新造场景下，EGR使排气CO₂浓度从6.0 mol%升至8.2 mol%，显著提升捕集效率。所有90%捕集案例的减排率均超80%，95%捕集时除六步VSA外均超90%。膜辅助液化在高捕集率下能效最优，CaL法则因节省燃料在低于90%捕集率时即可实现90%减排。但高捕集率导致燃料消耗大幅增加（吸收法70-100%，电力法56-130%），且需大幅扩展辅助设备容量（膜法需增加80-160%辅助发电机，VSA需达2.5-4倍）。新造场景下所有技术体积均可接受，Mem-liq和CaL基概念最紧凑，CaL-MEA混合体积比独立CaL小约30%。

综合比较显示，膜辅助液化在能量和空间效率方面总体最优；吸收法在改装场景有余热时实用但高捕集率时效率下降；VSA-liq在中等捕集率（如50%）有竞争力但高捕集率燃料惩罚大；超音速深冷法体积最小但TRL低需进一步验证；CaL法在新鲜/先进吸附剂条件下最紧凑且无主要船上能耗，但TRL和材料成本是障碍，CaL-MEA混合则提供战略平衡方案。

研究结论部分指出，本次筛选研究以组合运输船为对象探索了船载CO₂捕集系统作为航运业温室气体减缓选项的潜力。虽然分析结果特定于所选组合运输船，但识别的船舶集成约束和技术权衡为评估OCCS对其他船型的适用性提供了基础。结果表明OCCS在改装和新造应用中发挥不同作用。对于改装应用，OCCS应主要视为合规延长措施，因可实现的CO₂减排受限于现有船上能源和空间可用性。尽管如此，所研究技术仍可实现至少漫漫船载CO₂排放至少45%的减排，满足2040年FuelEU Maritime要求，从而证明其作为短中期措施的有效性。额外的废热来源或生物燃料掺混可进一步减少CO₂排放，支持长期法规合规。利用热量和动力等多种能源的新型捕集概念可作为提高改装应用中捕集性能的另一种途径。对于新造应用，在船舶设计阶段即可考虑热量、动力和空间，OCCS成为更完整的深度脱碳选项，可实现高达90%的船载CO₂减排，并满足2045年FuelEU Maritime目标。

技术比较表明不存在普适性最优排序，因为首选工艺取决于最关键的船舶集成约束。热量受限捕集（吸收法）在有废热时实用但受高塔和化学品处理限制。电力受限捕集系统配置更简单、能源使用具竞争力。总体而言，膜辅助液化是能源和空间效率最高的选项，而材料受限捕集（钙循环）在辅助能源有限且廉价新鲜吸附剂可得时尤其有前景。然而，这些概念将主要约束从船上能源转移到吸附剂库存、材料成本和卸载后岸上再生。因此，主要技术权衡不仅是捕集性能，还包括能源、空间、物料和下游处理负担在OCCS链条中的分布。

除基于CaL的概念无需主要船上能耗外，OCCS的额外燃料消耗不可忽略。尽管如此，研究表明OCCS在改装和新造条件下均可实现大幅净减排，符合本研究识别的FuelEU Maritime合规轨迹。因此，OCCS可作为替代燃料更广泛可用之前的过渡选项。然而，仍需详细的技术经济评估，包括与捕获CO₂卸载、运输、岸上处理和地质封存相关的全链条影响，以确认商业可行性并支持在航运领域的部署。膜选择性和吸附剂失活等技术特定参数也可能影响各OCCS选项的案例依赖性性能，可在未来工作中进一步研究。