用于液化天然气动力船舶脱碳的集成能源系统设计：结合氧燃料燃烧与深冷CO2捕集技术，以实现更高效的热量回收和冷能利用

《Energy》：Integrated Energy System Design for Decarbonization of Liquefied Natural Gas-Powered Ships: Coupling Oxy-Fuel Combustion with Cryogenic CO2 Capture for Enhanced Heat Recovery and Cold Energy Integration

　　丹纳拉吉·图鲁纳瓦拉苏|贾法尔·巴卢特|马蒙·阿尔-拉瓦什德|宾·申豪|维克内什·安迪阿潘

马来西亚沙捞越州古晋市93350，斯威本科技大学工程、计算与科学学院可持续技术研究中心

摘要：海洋运输的脱碳需要具备综合能源系统解决方案，这类方案能够高效管理热能和冷能，同时降低碳排放。本研究提出了一种用于液化天然气动力船舶的综合能源系统设计，该设计将氧燃料燃烧与一种基于新型涡轮膨胀机的低温二氧化碳捕集工艺相结合。这一理念旨在为新建船舶设计提供支持，从而实现较高的二氧化碳分压，便于高效地进行相变分离，同时避免因稀薄排气流而导致的冻结问题。研究人员在Aspen HYSYS中建立了工艺模型，并结合夹点式热集成与换热网络优化技术，以最大化热能回收和冷能利用效率。该系统充分利用了液化天然气再气化过程中的冷能、内部二氧化碳制冷功能以及简化型空气分离装置产生的冷能，再加上涡轮膨胀机的工作能量回收，从而最大限度地降低对外部能源的需求。通过系统级优化，研究了氧气纯度与整体能耗之间的平衡关系。研究结果表明，当氧气纯度约为80摩尔%时，相比高纯度操作，总能耗可降低35%。该综合系统可实现92%的二氧化碳捕集效率，能量损耗仅为0.07 GJ/吨二氧化碳，捕集所需功率为0.53兆瓦。经技术经济分析，其二氧化碳捕集的平准化成本为4.37美元/吨二氧化碳。这些研究结果表明，综合热能回收与冷能利用技术能够显著降低船上二氧化碳捕集的能量成本，为海洋运输的脱碳进程提供有力支持。

引言：由于海洋运输业仍依赖化石燃料，且长距离航运对高能量密度有需求，再加上目前尚未形成完善的零碳船用燃料全球基础设施，因此它仍是最难实现脱碳的行业之一。国际航运约占全球人为温室气体排放量的2.9%，随着海上贸易的持续发展，这一比例预计还会上升[1][2]。为应对这一问题，国际海事组织通过修订后的2023年《国际海事组织温室气体战略》，提出了到2030年将排放量减少20%至30%，到2040年减少70%至80%，并在2050年实现相对于2008年水平的净零排放的目标[3][4]。MARPOL附则VI中的各项强制性规定进一步强化了这些目标，其中包括能效设计指数和碳强度指标，它们对新建船舶及现有船队都提出了更为严格的限制[5]。与此同时，各地区的监管措施也在不断加强，其要求甚至高于国际海事组织的标准。从2024年起，海洋运输被纳入欧盟排放交易体系，要求船舶运营商在规定的合规框架内，为已核实的二氧化碳排放量缴纳相应的排放配额。此外，《FuelEU Maritime》规定从2025年起逐步降低船上使用的能源的温室气体强度。所有这些措施都使得碳排放面临着直接的监管和财务压力，这也表明仅仅依靠逐步提升效率是无法确保长期实现脱碳目标的[6][7]。除了直接的海洋运输监管之外，碳捕集技术的应用还受到更广泛政策激励的影响。例如，美国的第45Q税收抵免政策为符合条件的二氧化碳捕获、储存或利用行为提供每吨的税收优惠，该优惠在碳捕集设备投入使用后的12年内有效。正因如此，即使在其他国家，第45Q政策也常常被作为碳捕集技术早期技术经济评估的参考标准[8]。

在如此严格的监管环境下，航运业正在探索多种脱碳路径，包括使用替代燃料、提高能效以及采用船上减排技术。然而，大规模更换燃料仍然受到成本、安全性、单位体积能量密度、基础设施完善程度以及船队更新速度等方面的限制。实际上，由于发动机技术和加注基础设施已经较为成熟，液化天然气已经在全球越来越多的船舶上得到商业化应用[1]。虽然与重油相比，液化天然气燃烧可以减少硫氧化物和颗粒物排放，但它仍然属于含碳燃料，因此会继续产生大量的二氧化碳排放，此外，在整个使用生命周期中还可能存在甲烷泄漏的问题[4][9]。因此，即便在液化天然气动力船舶上，仅靠燃料替代也无法实现长期的脱碳目标。这就为直接处理剩余的二氧化碳排放提供了机会，尤其是在那些已经为液化天然气燃料系统设计的船舶上，可以通过利用冷能回收和工艺整合的优势来实现这一目标。现有燃料方式所产生的二氧化碳排放问题，加上日益严格的监管要求，使得人们重新关注那些能够超越传统尾气处理方式的船上减排策略。为了满足国际海事组织规定的硫氧化物排放限制，废气洗涤器被广泛采用。然而，由于洗涤水排放以及污染物从空气传播到海洋的问题，开环式废气洗涤器越来越受到争议，这导致一些欧洲地区对港口使用了此类设备的船舶实施了限制甚至禁令[4][10]。由此可见，仅依靠针对污染物的减排措施存在明显局限性，这就更需要那些能够直接减少二氧化碳排放的技术，而不是将环境负担转嫁给其他方面[6][11]。

在这样的背景下，船上碳捕集与储存技术作为一种中期过渡方案逐渐受到重视，它能够在全球尚未完全过渡到零温室气体燃料和基础设施之前，帮助碳燃料船舶减少排放。这项技术具有很大的优势，因为它首先可以通过对现有船舶进行改造来延长其符合环保标准的使用时间；其次，在新建船舶的设计中，它可以实现更深入的整合，因为此时可以同时对主要机械设备和能源系统进行优化设计[9][12]。不过，要在船上实施碳捕集技术，面临着与陆地上实施碳捕集截然不同的挑战：空间和重量限制、变化的发动机负荷、有限的能源利用余地以及严格的运行要求，这些都大大限制了可行的碳捕集方案的选择[13][14]。

在各种潜在的碳捕集方法中，低温捕集技术因其能够产生液态（或固态）二氧化碳而特别适合用于船舶应用，因为这种形态的二氧化碳便于在船上储存和转运。而吸收式、吸附式和膜分离系统通常产生的二氧化碳需要在经过额外压缩和/或液化处理后才能使用，这往往会给船上带来较大的能源消耗和运营成本增加的问题[15][16]。然而，低温分离技术的可行性在很大程度上取决于二氧化碳的分压，这一点可以从Multiflash v7.4软件中使用Peng-Robinson热力学模型计算得到的相图中所看出。在氧燃料燃烧产生的纯二氧化碳或二氧化碳含量较高的气流中，气液平衡线位于接近液相的区域，因此在适中的低温和适当的压力下，二氧化碳就可以直接凝结为液态。而对于空气燃烧液化天然气产生的废气而言，由于二氧化碳在其中被氮气、氧气和氩气大量稀释，其气液平衡线则大幅向左移动，这意味着需要更高的温度才能发生相变。更重要的是，在这种稀释条件下，固态二氧化碳的出现时间会早于实际可获得的液态二氧化碳阶段。如图1所示，固态二氧化碳的相界位于稀释后的废气气液平衡线右侧，这意味着二氧化碳必须先从气态重新变为固态，之后才能被捕获，而非直接液化。这就使得传统的低温废气捕集技术在热力学上处于不利地位，因为该过程容易进入冻结状态，此时需要大量的制冷能量，同时还存在干冰沉积、设备堵塞、控制不稳定以及固体处理复杂等问题，而这些问题在船上应用时尤为突出[17]。相比之下，氧燃料燃烧产生的二氧化碳浓度较高的废气，则使得热力学过程更倾向于直接液化，从而避免了经过固态捕集环节的必要。

为明确各类低温碳捕集技术的特点，避免将本质上不同的技术统称为“低温捕集”，表1总结了海洋碳捕集相关文献以及业内最新研究中提到的主要低温捕集技术。这些技术包括将二氧化碳以干冰形式捕获的再升华或抗升华系统，以及直接产生液态二氧化碳的液化捕集技术。尽管这些技术都被统称为“低温碳捕集”，但它们在二氧化碳的产出状态、所需的制冷深度以及相关的运行挑战（如冻结和堵塞风险）等方面存在显著差异。

如表1所示，许多低温捕集技术在与稀释废气共存的条件下面临巨大挑战，尤其是由于需要深度制冷以及由此带来的冻结风险。从热力学角度来看，这些限制与较低的二氧化碳分压直接相关，这意味着随着废气中二氧化碳浓度的升高，低温捕集技术的可行性也会大幅提升。这就为氧燃料燃烧技术提供了应用前景：用氧气（或富氧氧化剂）燃烧液化天然气，可以产生以二氧化碳和水为主的废气，从而提高二氧化碳的分压，简化后续的分离过程，同时也避免了将温度提高到可能引发冻结的危险水平[22]。因此，氧燃料并非仅仅是一种替代性的“捕集方法”，而是一种系统层面的解决方案，它可以将原本以制冷为主的低温捕集技术转变为一种全新的船舶设计理念，尤其是当氧气供应来自为适应船舶特殊要求而设计的简化型低温空气分离装置时[23]。

液化天然气动力船舶的一个独特优势在于，液化天然气在气化过程中会释放出大量的低温冷能，而在传统燃料供应系统中，这部分冷能大多会被浪费掉。正因如此，越来越多的研究致力于将这种“免费”的低温资源用于船舶的脱碳过程，包括低温或接近低温条件的二氧化碳捕集与处理技术。姚等人（2023年）通过设计和优化一种零碳排放船舶能源系统，同时利用船舶发动机的废热和液化天然气的冷能，构建了一套完整的系统集成框架[24]。他们的研究表明，合理匹配冷热资源能够显著提升整个系统的效率，也为如何将液化天然气的冷能融入到综合的捕集与能源管理系统中提供了重要参考，而非将其视为独立的能源来源[24]。基于类似的理念，蒋等人（2024年）提出了一种适用于液化天然气动力船舶的节能型低温碳捕集方案，该方案充分利用液化天然气的冷能来降低捕集系统中的制冷负荷，进一步证明了将冷能整合到系统中是降低船上低温二氧化碳分离过程能量消耗的关键手段[25]。还有些研究则将这种整合理念拓展到更广泛的船舶能源系统设计中。例如，王等人（2021年）开发并评估了多种利用液化天然气冷能的船上空气分离装置设计方案，他们展示了如何将氧气生产与船上可用的冷能相结合，从而提高技术的可行性[23]。此外，也有研究在双燃料船舶设计以及低温碳捕集技术应用背景下探讨了液化天然气冷能的利用价值，这些研究认为液化天然气冷能是降低外部制冷需求、提升船舶运行可行性的关键资源[5]。总体而言，所有这些研究都得出了相同的结论：液化天然气冷能能够显著减轻低温二氧化碳捕集和处理过程中的制冷负担，但其带来的益处程度在很大程度上取决于冷源与捕集过程的温度要求、系统中的能量约束条件以及运行过程中的温度变化范围能否得到有效匹配[24][25]。

尽管相关研究进展迅速，但目前仍存在一些障碍，阻碍着这些概念性方案转化为真正适用于船舶的实际技术。首先，许多针对传统空气燃烧废气的低温碳捕集系统仍然面临着巨大的制冷负荷以及冻结风险，而在船舶发动机复杂的运行工况以及船上有限的冗余设施条件下，这些问题很难得到有效解决[26][27]。在诸如A3C这样的先进低温改造方案中，这种情况同样存在，该方案旨在处理含有约3 - 4摩尔%二氧化碳的稀释液化天然气发动机废气，但它仍然依赖于深度制冷技术，同时还需要采取专门的防冻或固态物质管理措施[20]。其次，像EverLoNG这样的吸收式碳捕集技术虽然为船上捕集和液化技术提供了重要的参考标准，但由于它们仍然是用于处理稀释废气的后燃烧阶段技术，因此会受到溶剂再生所需的能量、溶剂管理、溶剂降解与排放控制以及后续液化处理要求等因素的影响[28][29]。第三，即便有液化天然气冷能可用，它也未必能与捕集过程的温度要求和能量约束条件有效匹配，这就导致了冷能资源未能得到充分利用，热能整合也不够完善[30]。最终，尽管改造方案与新建船舶的边界条件存在根本差异，但人们有时仍会将二者的可行性分析放在一起讨论：改造系统需要应对稀释后的废气以及受限的机械布局，而新建船舶则可以从一开始就围绕氧气供应、冷能整合以及强化分离架构进行设计[9]、[31]。另一类相关但有所区别的研究则是基于阿拉姆循环和氧燃烧的发电系统。这些理念展示了二氧化碳回收、高压氧燃烧以及sCO2发电循环的价值，但它们主要是为固定式发电应用而开发的，并非根据船舶上二氧化碳捕获、液化、LNG/CLOX冷能回收、船上储存集成以及船舶空间/操作限制等特定要求来设计的[32]、[33]。因此，目前尚未解决的挑战并非仅仅是如何降低捕获过程中的能量损耗，而是要设计出一种符合边界条件的新型船舶架构，将氧气生产、富含二氧化碳的废气生成、低温分离、热交换网络构建以及船上液态二氧化碳储存需求整合到一个统一的能源系统框架之中。为此，本研究提出了一种针对LNG动力船舶的集成能源系统设计方案，并对其进行了评估，该方案将中等纯度的氧燃料燃烧与基于涡轮膨胀机的低温二氧化碳捕获技术（CryoDT）相结合。该系统经过专门设计，能够实现更高效的热能回收和冷能整合，其中涡轮膨胀机可同时实现降压、制冷以及功能回收，从而抵消压缩所需的能量[22]。通过提高低温装置上游的二氧化碳分压，所提出的架构在既定设计条件下无需处理固态二氧化碳，同时还能充分利用船舶现有的低温和热能资源，包括LNG再气化过程中的冷能、来自简化空气分离装置的粗液氧（CLOX），以及内部二氧化碳制冷系统。因此，本文的贡献不仅在于表明捕获过程的能量损耗更低，还提供了明确的工艺配置方案、氧气纯度与性能之间的量化权衡关系、基于热交换网络的热能整合方法、初步的成本对比分析，以及明确了用于实现二氧化碳捕获的CryoDT系统与支撑该系统的更大规模氧燃料发电系统之间的差异。除了工艺设计之外，本研究还从系统层面出发，结合工艺模拟、基于“夹点”原理的热交换网络构建方法以及技术经济评估，对能量损耗、捕获成本以及系统整合复杂性之间的权衡关系进行了量化分析。所提出的框架为早期技术筛选提供了实用的建议，同时有助于船舶所有者、设计人员以及政策制定者区分不同的集成式新建船舶解决方案与受改造限制的二氧化碳捕获方案。

工艺描述
在传统的LNG动力船舶中，推进动力是通过空气燃烧式的船舶发动机产生的，这类发动机通过让LNG与大气中的空气发生反应，从而产生机械轴功率并为船上设备提供电能。由于燃烧空气中含有氮气，这类发动机排放的废气中二氧化碳浓度较低，其烟气成分不利于直接进行低温二氧化碳捕获。

研究方法
本研究采用集成能源系统的视角，将工艺模拟（Aspen HYSYS v14）与热能整合以及系统层面的能量分析相结合，用以评估所提出方案中的热能与冷能流动情况。本研究采用的方法遵循图3所示的结构化工作流程。需要明确的是，本研究仅考虑采用氧燃料燃烧的新建船舶设计方案，而不涉及基于改造方案的配置。

设计参数
用于氧燃料燃烧系统建模的参考船舶参数如表3所示，其设计目标是要满足表4中规定的船上二氧化碳储存要求。之所以选择大型LNG动力船舶作为研究对象，是因为它具有较高的持续推进功率需求、充足的LNG冷能资源以及较大的二氧化碳生成量，这些特点为评估船上集成式二氧化碳捕获系统的优势与弊端提供了良好的研究基础。该船舶的推进系统功率为50兆瓦。

新建船舶二氧化碳捕获的集成能源系统
图4展示了该集成能源系统的工艺模拟模型，该模型将氧燃料燃烧与CryoDT低温二氧化碳捕获系统、热交换网络以及冷能利用环节相结合。该模型采用了通过P-HENS合成与优化方法确定的最佳热交换网络配置[22]，有关热交换网络合成及最优配置选择的详细内容可在补充资料中找到。由于本研究仍处于概念性筛选阶段……

结论
本研究提出了一种面向新建船舶的船上二氧化碳捕获集成能源系统，该系统将氧燃料燃烧与CryoDT技术结合，用于LNG动力船舶。所提出的集成能源系统的核心优势在于其高度集成的能量回收与热能整合设计。该系统无需外部制冷设备，即可充分利用船舶上来自LNG再气化过程以及简化型空气分离装置产生的CLOX流中的低温冷能资源。

作者贡献说明
Viknesh Andiappan：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、概念构思。Mamoun Al-Rawashdeh：撰写——审阅与编辑、结果验证、资源协调、方法论设计、数据整理。Bing Shen How：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、概念构思。Dhanaraj Turunawarasu：撰写——初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、资源协调、方法论设计、实验分析、正式逻辑分析、数据处理。

利益冲突声明
作者们声明不存在任何可能影响本研究结果的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性说明
本研究的相关数据可见于已发表的文章及其补充材料中。

利益冲突声明
? 作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢
作者们感谢斯威本科技大学沙捞越校区为完成这项研究所提供的资源与支持，同时也要感谢该机构为Dhanaraj Turunawarasu提供的研究生研究奖学金。