船舶碳捕集吸附系统的技术经济与效率分析

《Computers & Chemical Engineering》：Techno-economic and efficiency analysis of adsorption systems for onboard carbon capture in the marine vessels

　　

船载碳捕集与封存技术为船舶满足国际海事组织的脱碳目标提供了创新机遇。然而，这些技术在经济上的可行性仍然是一个关键问题。本研究针对使用重燃料油或液化天然气燃料的中程油轮，进行了全面且符合实际的吸附系统技术经济分析。采用基于陆上最先进模型的性能基准以适应海上条件，研究人员评估了变真空度吸附和变温吸附两种先进的吸附配置。结果表明，烟气水分管理、脱水的高热需求以及吸附剂对水的耐受性有限是关键的技术挑战。与液化天然气动力船舶集成的TSA系统由于有效利用了废热和低温基础设施，可实现每吨320美元的CO₂规避成本。相反，VSA系统表现出更高的电力需求和更低的净脱碳效益，特别是在HFO情景下。虽然在中程油轮规模上，吸附技术的捕集成本低于膜分离和低温分离技术，但其经济性仍不如成熟的胺吸收系统。对于TSA-HFO配置，废热受限分析表明，将运行限制在可用废热范围内会将捕集率降低至约33%，但这消除了辅助锅炉的燃烧，并使CO₂规避成本降低29%，这表明技术经济的最优配置并不一定与最大捕集率相吻合。系统边界敏感性分析进一步证实，各配置的排名对寄生排放的递归包含具有鲁棒性。

国际航运业是全球温室气体排放的重要且不断增长的来源。国际海事组织分别于2014年和2020年发布的温室气体研究指出，航运业在全球人为温室气体排放中的占比显著，且预计到本世纪中叶排放量将进一步攀升。为此，IMO制定了到2050年实现净零排放的长期愿景及阶段性减排目标。传统重燃料油因其高能量密度和完善的全球基础设施而长期主导海运推进，但其高污染物和温室气体排放促使业界探索低碳替代方案。零排放燃料如氢和氨受到产能和加注网络限制，使得液化天然气作为过渡燃料受到青睐，然而其减排幅度仍不足以满足未来严格的脱碳目标。在此背景下，OCCS技术因其能在无需立即更换燃料的情况下大幅减排而成为海事脱碳的重要候选方案。当采用井到尾全生命周期排放核算时，配备高效OCCS系统的传统燃料可能比某些替代燃料具有更低的总体排放足迹。然而，船舶尾气与陆地工业尾气在成分上存在显著差异，主要表现为较低的CO₂浓度和较高的水蒸气含量，这使得船载捕集在热力学上能耗更高。目前，胺基化学吸收技术因成熟度高被视为基准，但存在能耗大、溶剂降解及受船舶摇摆影响等局限性。膜分离、钙循环和低温冷凝等技术也因各自瓶颈难以在船舶上大规模部署。相比之下，固体吸附技术在再生能耗、选择性和操作简便性上展现出潜力。尽管如此，现有关于吸附技术的文献大多停留在定性分析、材料层面或直接套用陆上工况，缺乏针对海上稀释性尾气条件的全流程技术经济评估。为弥补这一空白，研究人员开展了一项针对船载固体吸附碳捕集系统的综合性技术经济评估研究，该研究由Mohammad H. Elkady等人发表在《Computers 》期刊上。研究结论表明，固体吸附技术在船载应用中具备技术可行性，并指出在废热受限场景下，技术经济最优解并不一定对应于固定的最高捕集率，而是需要将捕集率与船舶废热可利用性进行协同优化。

在该项研究中，研究人员采用了一套包含四个步骤的集成过程系统工程方法。研究以一艘中程油轮为参考对象，设定了HFO和LNG两种燃料情景及VSA和TSA两种吸附配置。为将基于陆上优化的吸附性能数据适配至海上稀释性尾气条件，研究人员开发了一种基于热力学的校正因子，用于快速量化低浓度CO₂对分离能耗和吸附剂产率的影响。同时，结合Aspen Plus过程模拟量化了各子系统净能量需求，并评估了针对液化天然气燃料船舶利用发动机废热及LNG冷能的热集成潜力。最后，构建了包含寄生排放影响的技术经济框架，计算了捕集二氧化碳平准化成本和二氧化碳减排成本这两个关键指标。此外，研究还引入了废热受限设计评估和系统边界封闭敏感性分析，以探讨能量约束下的捕集容量优化及辅助能耗寄生排放对减排指标的递归影响。

技术性能与系统需求
研究通过过程模拟与校正因子评估了各配置的能耗特征。结果表明，脱水单元在所有配置中热能消耗占比最大，尤其是在HFO情景下。由于HFO尾气水蒸气含量高达13 mol%，其脱水所需热能几乎是LNG情景的两倍。相反，LNG尾气温度较高且水分较少，可回收的最大废热约4.1 MW，远高于HFO的1.8 MW。TSA配置主要消耗热能，而VSA配置主要消耗电能用于真空泵。TSA-LNG配置凭借废热回收和冷能利用，完全消除了热能缺口和低温液化所需的电力消耗，实现了72%的CO₂规避率。而TSA-HFO由于废热不足需消耗辅助燃料，VSA系统因高电力需求产生大量寄生排放，导致其实际减排效益大幅下降。系统边界封闭分析表明，各配置减排效益的优劣排名在递归包含寄生排放后依然保持稳定。

经济性能分析
在资本支出方面，液化二氧化碳存储系统占据了主要成本。HFO情景因需要处理更大流量的尾气，其CAPEX普遍高于LNG。在运营支出方面，辅助燃料成本占据了58%至81%的主导份额，其次是因OCCS系统重量挤占载货吨位而导致的营业收入损失。这表明降低能耗惩罚和强化热集成是提升经济性的关键。从最终指标来看，TSA-LNG在经济上最具可行性，其CO₂规避成本为每吨320美元；而VSA-HFO因极低的净减排率，其规避成本高达每吨983美元，凸显了考量寄生排放的真实减排成本指标的重要性。

与其他技术基准比较
在与膜分离、低温冷凝和MEA吸收等技术的基准比较中，TSA吸附配置在LCOC指标上展现出相对优势，特别是TSA-LNG达到每吨254美元，远低于膜和低温技术。然而，吸附技术整体经济性仍不及成熟的MEA吸收系统。其经济性差距主要来源于固体吸附间歇性操作导致的“固体惩罚”以及因Zeolite 13X强亲水性所必需的严苛脱水预处理环节。

废热受限系统优化
针对TSA-HFO配置存在显著热能缺口的现状，研究人员评估了将捕集系统缩小至完全由可用废热驱动的运行策略。结果显示，将捕集率从基准的90%下调至约33%后，可消除辅助锅炉燃油消耗，使总年化成本下降63%，CO₂规避成本降低29%。这证明在热能受限的船舶上，最大捕集率并不等同于最佳经济效益，将运行负荷与废热可用性相匹配的协同设计更为关键。

结论部分指出，TSA循环与LNG动力船舶的集成展现了最优的技术经济性能，其CO₂规避成本最低，为每吨320美元，这得益于发动机废热与LNG冷能的协同利用。LNG燃料情景在排气温度和水蒸气含量方面均显著优于HFO，避免了辅助锅炉的大量使用和极低温液化单独引入的电力消耗。尽管吸附技术在海上应用中优于膜分离和低温冷凝，但与成熟的MEA吸收技术相比仍显昂贵，其主要障碍在于高耗能的尾气预脱水环节。废热受限场景分析进一步揭示了技术经济的最优解并不总是对应于固定的最大捕集目标，在能量约束下运行于部分捕集条件可能带来更优的减排效益和经济效益。此外，系统边界敏感性分析证实了评估结果的鲁棒性。本研究所提出的性能校正因子、递归边界封闭公式和废热受限设计方法，不仅为船载碳捕集提供了评估工具，也为其他能量受限和低浓度碳源捕集系统的早期技术经济评估提供了可复用的方法学框架。未来研究需重点开发耐水型CO₂选择性吸附剂以降低脱水能耗，并探索如膜分离与TSA抛光相结合的混合系统，同时向考虑航次动态运行条件的动态多目标优化方向拓展。