0 引　言

国际能源署（International Energy Agency，IEA）的《2020年能源技术展望》报告强调了CO₂捕捉技术（Carbon Capture and Storage，CCS）作为全球能源转型的四大关键支柱之一，是实现短期内大规模CO₂减排和全球能源可持续发展的重要技术^[1]。近年来，随着国际海事组织脱碳战略的分步实施，碳捕捉技术在船舶行业受到越来越广泛的关注，国外不少关于碳捕捉的船舶示范项目也在开展中，相关法规也在完善中^{[2 − 4]}，国内关于碳捕捉的船用研发也在加速开展中。

为了尽早实现CCS技术在船舶领域的应用，以江南造船（集团）有限责任公司现有超大型气体运输船（Very Large Gas Carrier，VLGC）EEDI指数降低50%以上为目标，开展装备碳捕捉系统的新型低碳排放VLGC船型研发工作。

1 VLGC概况

全冷式液化气船总体布局如图1所示。该船设有连续上甲板，其尾甲板为下沉甲板，采用节能型首部设计，方尾，配置半平衡舵，设计航速16.5 kn。船舶货舱区域采用双底单壳及顶边压载舱的独立液货舱结构，全船设有4个独立A型液货舱，液货舱设计压力0.275 bar，设计温度−52 ℃，满载工况下货物最大比重0.61 t/m³，可以同时装卸2种货品。该船机舱及房舱位于尾部，并由1台LPG双燃料低速机（MAN 6G60ME-C LGIP）直接带动定距桨驱动，由3台1 250 kW的常规燃油发电机和1台2000 kW轴带发电机为全船提供电力，1台燃油锅炉为全船提供热源。

2 碳捕捉系统容量研究 2.1 母型船EEDI分析

在MEPC.308（73）决议通过的《2018年新船达到的能效设计指数（Attained EEDI）计算方法导则》，船舶达到的能效设计指数Attained EEDI是衡量船舶能效水平(以g(CO₂)/t.nmile计)的一种方法^{[5 − 6]}，其数学计算公式如下：

$ \begin{split} & \left(\left( {\prod\limits_{j = 1}^n {{f_j}} } \right)\left( {\sum\limits_{i = 1}^{nME} {{P_{ME(i)}} \cdot {C_{FME(i)}} \cdot SF{C_{ME(i)}}} } \right) + \right.\\ & \left( {{P_{AE}} \cdot {C_{FAE}} \cdot SF{C_{AE}}*} \right)+\\ & \left( {\left( {\prod\limits_{j = 1}^n {{f_j} \cdot \sum\limits_{i = 1}^{nPTI} {{P_{PTI(i)}} - \sum\limits_{i = 1}^{neff} {{f_{eff(i)}} \cdot {P_{AEeff(i)}}} } } } \right){C_{FAE}} \cdot SF{C_{AE}}} \right) -\\ & \left. \left( {\sum\limits_{i = 1}^{neff} {{f_{eff(i)}} \cdot {P_{eff(i)}} \cdot {C_{FME}} \cdot SF{C_{ME}}**} } \right)\right)/\\ & {{{f_i} \cdot {f_c} \cdot {f_l} \cdot Capacity \cdot {f_w} \cdot {V_{ref}} \cdot {f_m}}}。\\[-1pt] \end{split} $

(1)

母型船采用LPG双燃料推进系统，配置轴带发电机，75%主机功率下航速16.1 kn。根据式（1）计算，其EEDI计算值为4.802 g(CO₂)/(tonnes-nm)；根据IMO规范计算，母型船对应的EEDI基准值为7.577 g(CO₂)/(tonnes-nm)；母型船EEDI计算值低于基准值36.6%，满足三阶段要求。

2.2 加装碳捕捉系统的EEDI计算方法研究

目前EEDI计算方法中主要考虑了船舶推进的能耗、辅机的能耗、轴带装置增加/减少的能耗以及新技术带来的能耗减少等方面^[7]，并未计及船载碳捕捉系统对EEDI的贡献。Lee等^[8]提出一种考虑船舶碳捕捉系统后的EEDI计算方法，但是并未计及纯度、充装极限及系统容量匹配的修正系数等。为此，提出加装碳捕捉系统的EEDI计算公式如下：

$ \begin{split} & \left(\left(\left({\prod }_{{j}=1}^{{n}}{{f}}_{{j}}\right)\left({\sum }_{{i}=1}^{{n}{M}{E}}{{P}}_{{M}{E}\left({i}\right)}\cdot {{C}}_{{F}{M}{E}\left({i}\right)}\cdot {S}{F}{{C}}_{{M}{E}\left({i}\right)}\right)+\right.\right.\\ & \left({{P}}_{{A}{E}}\cdot {{C}}_{{F}{A}{E}}\cdot {S}{F}{{C}}_{{A}{E}}\right)+{{R}}_{{\rm co}_2{\rm add}})\left(1-{{C}}_{{e}{f}{f}}\cdot {{f}}_{{\rm CO}_2}\right)+\\ & \left(\left({\prod }_{{j}=1}^{{n}}{{f}}_{{j}}\cdot {\sum }_{{i}=1}^{{n}{P}{T}{I}}{{P}}_{{P}{T}{I}\left({i}\right)}-{\sum }_{{i}=1}^{{n}{e}{f}{f}}{{f}}_{{e}{f}{f}\left({i}\right)}\cdot {{P}}_{{A}{E}{e}{f}{f}\left({i}\right)}\right)\right.{{C}}_{{F}{A}{E}} \cdot \\ & \left.\left. {S}{F}{{C}}_{{A}{E}}\right)) - \left({\sum }_{{i}=1}^{{n}{e}{f}{f}}{{f}}_{{e}{f}{f}\left({i}\right)}\cdot {{P}}_{{e}{f}{f}\left({i}\right)}\cdot {{C}}_{{F}{M}{E}}\cdot {S}{F}{{C}}_{{M}{E}}\right)\right) /\\ &{{{f}}_{{i}}\cdot {{f}}_{{c}}\cdot {c}{a}{p}{a}{c}{i}{t}{y}\cdot {{V}}_{{r}{e}{f}}\cdot {{f}}_{{m}}}，\\[-1pt] \end{split} $

(2)

$ {{R}}_{{\rm CO}_2{\rm add}}={\sum }_{{j}=1}^{{n}{C}{E}}{{P}}_{{C}{E}\left({j}\right)}\cdot {{C}}_{{F}{C}{E}\left({j}\right)}\cdot {S}{F}{{C}}_{{C}{E}\left({j}\right)}，$

(3)

$ \scriptstyle{{C}}_{{e}{f}{f}} = \frac{{{R}}_{{\rm CO}_2{c}{a}{p}}}{\left(\left({\sum }_{{i}=1}^{{n}{M}{E}}{{P}}_{{M}{E}\left({i}\right)}\cdot {{C}}_{{F}{M}{E}\left({i}\right)}\cdot {S}{F}{{C}}_{{M}{E}\left({i}\right)}\right) + \left({{P}}_{{A}{E}}\cdot {{C}}_{{F}{A}{E}}\cdot {S}{F}{{C}}_{{A}{E}}\right) + {{R}}_{{\rm CO}_2{\rm add}}\right)}，$

(4)

$ {{f}}_{{\rm CO}_2}=\frac{{{L}}_{{\rm CO}_2}\cdot {F}{L}\cdot {{\rho }}_{{\rm CO}_2}\cdot {{C}}_{{p}}}{{{C}}_{{e}{f}{f}}\cdot {{S}}_{{\rm CO}_2}} 。$

(5)

式中同式（1）相同的符号参考MEPC.308（73）决议，其他新增符号含义如下：

$ {{R}}_{\mathrm{C}\mathrm{O}_2\mathrm{a}\mathrm{d}\mathrm{d}} $ 为船舶因所安装碳捕捉系统行所需能源（如通风、加热、加压等过程）而额外增加的每小时CO₂排放的量，g(CO₂)/h；$ {{P}}_{{C}{E}\left({j}\right)} $ 为碳捕捉系统所有耗能设备的额定电/热功率，对于用电设备需进行发电效率修正，kW；$ {{C}}_{{F}{C}{E}\left({j}\right)} $ 为捕捉系统供电的原动机和供热燃油锅炉（如有）所使用燃油的碳转化系数；$ SFC_{CE \left({j}\right)} $ 为碳捕捉系统供电的原动机和供热燃油锅炉（如有）在PCE功率下的单位燃油消耗量，g/kWh；$ {{C}}_{{e}{f}{f}} $ 为碳捕捉率，指单位时间内捕捉的CO₂量与同期船上产生的CO₂量总量的比值，与安装在船上的碳捕捉系统的捕捉能力、储存容量相关；$ {{R}}_{\mathrm{C}\mathrm{O}_2\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{p}} $ 为额定工况下碳捕捉系统在单位时间内的碳捕捉量，g/h；$ {{f}}_{\mathrm{C}\mathrm{O}_2} $ 为碳捕捉系统修正系数，是指在全航程碳捕捉系统对EEDI的贡献；与船上实际捕捉的CO₂纯度、储存状态密度及船上CO₂存储舱的容积、装载极限有关；当其计算值大于1时，$ {{f}}_{\mathrm{C}\mathrm{O}_2} $取1；$ {{L}}_{\mathrm{C}\mathrm{O}_2} $ 为用于装载捕捉到的CO₂的储存舱的总容积，m³；$ {F}{L} $为CO₂储存舱的充装极限；$ {\mathrm{\rho }}_{\mathrm{C}\mathrm{O}_2} $为CO₂储存舱储存CO₂时的密度（对应设计工况下的压力和温度下的密度），t/m³；$ {\mathrm{C}}_p $为CO₂储存舱储存CO₂时的纯度；$S_{\mathrm{C}\mathrm{O}2} $ 为船舶在完成一个典型航线时所排放的CO₂总量（假定船舶在靠港时能完全移交卸载船上捕捉的CO₂），t。

2.3 确定系统容量

母型船配置碳捕捉系统后，预期达到的EEDI值为低于基线50%，即3.789 g(CO₂)/(tonnes-nm)。碳捕捉系统的容量需要据此来确定。由式（2）～式（5）可以看出，船舶配置碳捕捉后，其EEDI计算值与碳捕捉量、能耗、CO₂储存舱容积、充装极限、密度、纯度及典型航程所产生的CO₂总量等均相关。一般而言，捕捉到的CO₂都是以液态存储在压力容器中，其充装极限、密度和纯度分别取为98%、1.13和99%。对于同一型船舶，典型航程所排放的CO₂总量及碳捕捉系统在一定容量范围内的能耗均与碳捕捉量相关，即对于同一型船舶，在核算配置碳捕捉系统后的EEDI计算值时，只需要考虑碳捕捉量和CO₂储存舱容积即可。

对于目标船舶VLGC，除了充装极限、密度、纯度可取用上述定值外，其典型航程航行时间取值30 d，碳捕捉系统能耗假设与碳捕捉量线性相关。图2为根据不同的碳捕捉量和CO₂储存舱容积得到的母型船EEDI计算值。

可以看出，当碳捕捉量不变时，EEDI会随着CO₂储存舱容积的变大而不断降低，但是舱容达到一定容积后（即修正系数取1），EEDI值恒定不变，这是由于此时EEDI受到碳捕捉量的限制。在舱容相对较小（即修正系数均小于1）时，小容量碳捕捉方案的EEDI值反而更优，这是由于碳捕捉系统容量增加后所带来的碳排放量增量大于碳捕捉增量所致。在一定较大舱容（即修正系数均取1）时，大容量的碳捕捉方案其EEDI值更优。方案选型时，考虑降低初投资，建议根据设定目标，选取EEDI直线上（即修正系数等于1）最靠近目标的点即可；对于母型船，最终选定碳捕捉量1.8 t/h，CO₂储存舱容积1200 m³，其EEDI值可以达到3.574 g(CO₂)/(tonnes-nm)，低于基线值约52.8%。

3 碳捕捉系统设计 3.1 系统方案设计

使用有机胺溶液进行化学吸收和热解吸的碳捕捉系统设计，主要包括CO₂捕捉、CO₂分离和CO₂液化3个模块。CO₂捕捉模块是根据主机在航行中的最大烟气量和碳捕捉量要求进行结构设计，包含了脱碳塔设计和内部结构设计；设计时需要考虑船舶航行过程中负荷波动、吸收液饱和度和杂质控制等关键问题。CO₂分离模块是CO₂吸收液完成吸收过程后经过板式冷却器后进入再生塔，在再生塔和再沸器内受热完成再生过程；设计时需要解决CO₂富液吸收液解吸与再生过程能耗较高^{[9 − 10]}的关键问题。CO₂液化模块是将被捕捉的CO₂释放出来后，对其进行提纯、压缩、液化及储存的过程；在液化后，需要时刻对液态CO₂进行压力、温度等监控，确保安全。系统的主要原理如图3所示。系统内的主要设备清单及其参数如表1所示。

3.2 装船设计

碳捕捉系统对于船舶来讲是新技术，其各类设备在船上的布置除了要遵循传统的船舶设备布置原则外还应注意这些新设备新技术所带来的新要求。本文主要研究内容是在已有船型上加装碳捕捉设备，保持原有设计不做大的改动来容纳相关设备是在进行设备布置时的首要原则。

碳捕捉系统附属设备多，尺寸大，结合碳捕捉系统的工艺流程、母型船已有布置及船舶设计的基本原则，完成碳捕捉系统的装船方案设计，各类设备主要分布在机舱、机舱棚和液货区域3个位置，如图4所示。

在进行设备布置和系统设计时，有如下几个方面的问题需要特别注意：

1）相关设备应尽量集中布置，便于船员操作及管理，如紧邻机舱棚设置了1个碳捕捉设备间；

2）有机胺在船上应用的安全性^[11]，相关泄漏、泄放及探测等流程应充分考虑，避免对于船员安全造成威胁；

3）CO₂液化装置除了用于液化捕捉到的CO₂外，还要用于处理CO₂储存罐中的挥发气，其布置位置接近CO₂储存舱为佳；

4）长距离输送捕捉到CO₂的方案，设置1台CO₂风机用于将其从船尾输送到货物区域的液化装置。

3.3 母型船影响分析

增加碳捕捉系统后，对于母型船所带来的设计影响主要有以下方面：

1）由于机舱棚增设一层且烟囱尺寸放大，舾装数会受影响，但并未导致系泊设备跳档；

2）碳捕捉系统运行电功耗约450 kW，引起发电机装机容量调整，由原来的3 750 kW增加到4 090 kW；

3）碳捕捉系统运行蒸汽耗量约1.6 t/h，导致锅炉容量由原来的2.5 t/h增加到4.0 t/h；

4）新增CO₂储存舱及房间对于视线的影响，如不能满足法规要求则需要配置视线补偿装置，当前设计方案对于母型船视线没有影响；

5）完整稳性和破舱稳性需要重新校核，当碳捕捉量大于油水消耗时需要特别注意，此时船舶的吃水会逐渐变大；

6）增设于货物区域的CO₂液化间应根据规范要求设置相应的通风系统、气体探测系统、舱底水系统及消防系统等。

4 经济性分析 4.1 初投资测算

母型船配置碳捕捉系统，除了增加碳捕捉系统设备外，还需要在船上为其准备安装空间、增设房间、配电设备、放大发电机装机容量和锅炉容量、配置管路及电缆附件等。此外，还需要考虑设备运行与试验所带来的成本。综合设备厂家报价和船厂各类成本，对于VLGC配置1.8 t/h的碳捕捉系统并设置2个600 m³的CO₂储存舱，总的初投资约420万美元。

4.2 运行成本测算

碳捕捉系统运行成本主要由3部分构成：CO₂处理过程中所需的电能、CO₂解吸过程消耗的热能以及各类工质的消耗。其中电功耗和蒸汽耗量前文已经提到，其他工质消耗主要是指压缩空气、有机胺、淡水和海水等。除了有机胺外，其他的工质消耗成本均已含在电功耗中，所以运行成本测算中将只考虑吸收剂的消耗。母型船有2种工作模式，即LPG燃气模式和燃油模式，2种模式下使用的主燃料不同，主燃料的成本不同会导致碳捕捉设备的运行成本（OPEX）也不相同，详见表2。

4.3 回报时间测算

碳捕捉系统的回报时间主要与初投资、运行成本和碳税价格有关。碳税的价格结合目前欧盟碳交易体系最新的价格及市场走向预测取值为110美元/吨CO₂，则VLGC在2种不同模式下的回报时间计算见表3。

碳捕捉系统的回报时间与碳税、初投资及OPEX相关，如图5所示。

可以看出，回报时间受碳税价格影响最大，其次是OPEX。如将碳税价格提高10%，则LPG模式下投资回报年限将缩短约19%，燃油模式下将缩短约24%；当碳税价格达到150美元/吨CO₂时，船东在5年内即可收回成本。如将OPEX降低10%，则LPG模式下投资回报年限将缩短约11%，燃油模式下将缩短约18%。

5 结　语

本文完成国内首艘VLGC船型应用碳捕捉技术的可行性研究，并形成相关成果及结论如下：

1） 加装1.8 t/h的碳捕捉系统后，VLGC的EEDI值可以达到3.574 g(CO₂)/(tonnes-nm)，低于基线值52.8%；

2） 提出加装碳捕捉系统的船舶EEDI计算方法，综合考虑了碳捕捉量、设备能耗、CO₂储存能力等多方面因素影响，可业界提供参考；

3） 碳捕捉系统容量的选定应基于碳捕捉能力和船上的CO₂储存能力，并综合考虑目标值选取最优解；

4） 碳捕捉系统的设计应充分降低设备能耗，型谱范围内的能耗增量所导致的碳排放增量应小于碳捕捉增量；

5） VLGC配置碳捕捉系统具备可行性，盲区、总体性能、电站容量、锅炉容量等问题需要重点关注；

6） 随着碳税价格和低碳/零碳燃料价格的上涨，碳捕捉系统极有可能会成为船舶行业实现碳减排的最可能方案。