船舶尾气碳捕捉装置的设计

一​引言

随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，w 我国航运业减排越来越受到重视 [1]。航运作为重要的交通运输方式，在前期通过设定 EEDI 指数提高船舶能效的基础上，在目前所造的船上已经有很多清洁能源比如 LNG 及甲醇燃料代替原有燃料，但降低碳排放能力依然有限。因此需要更好技术来达到减排目的，碳捕捉技术是个不错的选择。目前运营的油轮及散货船队中 40% 在理论上不满足船舶能效指数要求，本项目考虑对发动机影响以及改装成本，力争将碳捕捉技术运用到普通散货船上力争实现船舶排放转型，为实现中长期船舶碳减排的手段提供技术支撑。

二​船舶尾气碳捕捉技术

2.1 燃烧前捕捉技术

燃烧前捕集技术在船舶应用中，需对传统燃料处理系统进行改造，增加气化转化设备，如气化炉等。其原理是在燃料燃烧前，利用空气和水蒸气将燃料气化转化为合成气（主要包含 CO2 和 H2）。以天然气为例，在高温高压及催化剂作用下，天然气与水蒸气发生重整反应生成合成气。随后通过变压吸附（PSA）或低温分离等技术分离出 CO2，氢气则作为清洁燃料进入发动机燃烧。此技术虽能实现高碳捕集率且产生清洁能源，但船舶改造复杂，需新增大型设备，增加船舶重量与空间占用，投资成本高昂，目前在船舶领域应用较少，仅在部分试点项目或新型船舶设计概念中有所探索。

2.2 纯氧燃烧捕捉技术

纯氧燃烧捕集技术在船舶上应用时，需配备专门的空分装置，用于生产高纯度氧气。在燃烧过程中，燃料在纯氧环境下充分燃烧，生成主要包含 CO2 和 H2O 的尾气。通过冷凝等方式将水蒸气分离后，可获得高浓度 CO2 气流。在大型远洋船舶上，若采用此技术，空分装置需持续稳定运行，消耗大量电能，增加船舶能耗[2]。同时，发动机燃烧工况需精确调整以适应纯氧环境，否则易出现燃烧不稳定等问题。目前，该技术受限于设备成本、能耗及船舶适配性等因素，尚未在船舶行业广泛应用，但在一些特定船型或研究项目中展现出一定潜力，如部分对碳排放要求极高的特种船舶或新型高效能船舶设计研究中受到关注。

2.3 燃烧后捕捉技术

燃烧后捕集技术是船舶尾气碳捕捉的常用技术路线。以化学吸收法为例，常用的吸收剂如乙醇胺（MEA）溶液，在吸收塔中，尾气与贫液逆流接触 [2]。CO2 与 MEA 发生化学反应生成氨基甲酸盐等产物，实现 CO2 从气相到液相的转移。在解析塔中，通过加热使氨基甲酸盐分解，释放出高纯度 CO2，贫液得以再生循环使用。在实际船舶应用中，需根据船舶尾气流量、CO2 浓度及船舶空间等因素优化吸收塔与解析塔设计，确保吸收和解吸过程高效稳定。吸附法中，常用的吸附剂如活性炭、沸石分子筛等，利用其多孔结构对 CO2 进行物理吸附。在船舶尾气通过吸附床时，CO2 分子被吸附在吸附剂表面，定期通过变温或变压等方式解吸CO2。膜分离法依靠特殊的膜材料，依据气体分子的大小、溶解性等差异实现 CO2 与其他气体的分离。在船舶尾气处理中，需选择合适的膜组件，并设计合理的气体流路与压力条件，以提高分离效率。低温分离法则利用 CO2 与其他气体在低温下的相变特性进行分离，需构建低温制冷系统，对设备材质与保温性能要求高，在船舶上应用时需综合考虑能耗与设备可靠性。

本项目采用第三种方式，在前期已经在船舶上安装脱硫塔，进行脱硫脱碳一体化系统设计，如图1所示；CO2捕集试验台架总体模型图，如图2所示；CO2捕集系统整体布局如图3所示。

图1​脱硫脱碳一体化系统原理图

图 2CO2 捕集试验台架总体模型图图 3CO2 捕集系统整体布局图

三船舶尾气碳捕捉装置的系统设计研究路线

在保持原有 82000DWT 散货船设计不做大的改动的条件下加装碳捕捉设备的可行性方案分析；根据现场学习，初步设计完成碳捕捉系统的模型设计；在当前散货船的机舱完成碳捕捉设备的安装并邀请专业人员审核合理性进行评估，并及时总结修改不足之处。研究的路线如下图4 所示。

图4 本次设计的研究路线

四​本次研究的实践创新

本项目的设计的特色在于：一是，理论的创新。紧紧围绕碳捕捉与船舶生产设计展开，并把二者有机结合。节能减排工作只有不断更新理念，建立与时代相适应的新方法、新实践模式，才能保持其蓬勃的生命力。二是，实践的创新。在船舶生产设计中不断总结经验，助力绿色船舶制造业，为“碳达峰，碳中和”目标做贡献。

本项目的设计是在尾气分离机构的顶部进气口处设置吸收塔，风机在将尾气吸入后由尾气分离机构对船舶尾气中的大颗粒物质进行收集；设置分离塔，入口与尾气分离机构的出气端连通，并对分离后的尾气进行喷淋脱硫处理；设置压缩系统，其入口与喷淋脱硫塔的出气口连通，对尾气中的二氧化碳进行低温冷凝处理，并对冷凝后的二氧化碳进行压缩收集。本项目设计的优点在于即使测量船转向或地磁检测装置受洋流影响发生上下颠簸，质子旋进磁力仪的测量方向仍然不会改变，从而提高了测量的精准性。碳捕捉系统分为捕集 - 分离 - 液化存储- 封存四个方面，其原理图如下图5 所示：

图5​碳捕捉系统工作原理

五​结论

船舶尾气碳捕捉装置设计与应用研究在航运业碳减排进程中占据关键地位。尽管当前面临技术性能瓶颈、经济成本困境及政策法规不完善等诸多挑战，但通过持续研发新型吸收剂与材料、深化系统集成与智能化控制、推进多技术协同创新应用等策略，有望突破现有局限。随着技术不断进步与完善，船舶尾气碳捕捉装置将在各类船型中广泛应用，成为航运业实现碳减排目标、迈向绿色可持续发展的核心支撑技术，对全球应对气候变化、保护海洋生态环境发挥不可替代的重要作用，推动航运业在绿色低碳航道上稳健前行。

参考文献

[1] 吴磊 ， 李仁科 ， 郑卓 ， 戴菁 . 船舶行业 CO2 减排技术的应用与展望船舶标准化工程师 [J]. 2023， 56 （06）：22-26.

[2] 周鑫元 ， 牛松 ， 李珂 ， 张道志 . 碳捕捉系统在超大型气体运输船上的应用 [J].舰船科学技术 ，2024，46（06）：91-96.

江苏省职业院校学生创新创业培育计划项目，项目名称为船舶尾气碳捕捉装置的设计，编号为 GX-2024-0161