二氧化碳捕捉、利用與封存(CCUS)是指將二氧化碳從排放源中分離后直接加以利用或封存，以實現二氧化碳減排的工業過程。CCUS在二氧化碳捕捉與封存(CCS)的基礎上增加了“ 利用(Utilization)”，這一理念是隨著二氧化碳捕捉與封存技術的發展以及對該技術的認識深化而逐步形成的。

當前CCUS技術主要在火力發電、煤化工、水泥生產等領域進行了一些試點應用，暫時還未發展到商業應用階段。對于船上碳捕捉與封存，還未出現工業試點，僅有幾項國外的船上CCUS解決方案項目在近些年啟動。

碳捕捉方式

在船上應用CCUS技術首要關注的是如何進行碳捕捉。CO2的捕捉方式主要有3種：燃燒前捕捉、富氧燃燒捕捉和燃燒后捕捉。燃燒前捕捉的主要原理是在燃燒之前從化石燃料中除去CO2，因此需要設置重整裝置對燃料進行處理。富氧燃燒捕捉技術是在純氧氣中燃燒化石燃料而不是在空氣中燃燒，因此需要配備空分裝置將氧氣從空氣中分離出來。燃燒后捕捉常用的方法是采用化學吸附劑吸收化石燃料燃燒廢氣中的CO2或者采用膜分離法分離尾氣提純CO2，其中化學吸收法提純濃度較高，但成本也高，膜分離法經濟性好，但回收量低而且純度不高。通常，采用燃燒后碳捕捉法需要對發動機廢氣處理系統進行改造，但改動量較小。相較于前兩種方法，燃燒后捕捉法是最成熟的方法，且不需要對發動機進行改造，對應用于船舶的適應性更好。

在船用方面，國外相關機構對船上應用燃燒后化學吸收法的技術性和經濟性兩方面進行了評估，研究結果表明，根據捕捉介質和捕捉工藝的不同，捕捉率可達到 60%-90%，而且在使用相同化學吸收劑的情況下，發動機功率大的船舶捕捉CO2的成本明顯低于發動機功率較小的船舶。

碳封存方式

碳封存階段實際上涉及到運輸和封存兩個環節。對于陸上固定式排放源而言，碳運輸環節有三種主要方式：管道、船舶、增壓罐車，而對于船舶而言，運輸階段主要關注如何將船上儲存的CO2運送到岸基接收與處理終端。船舶需要設有一套CO2卸載系統將船載CO2轉移至港口岸基或海洋平臺上的接收設施，以便將CO2進行處理和封存。

碳封存技術主要有地質封存和海洋封存兩種類別，其中地質封存是指將捕捉的CO2儲存于地質構造當中，實現與大氣的長期隔絕的過程，目前主要有咸水層、油氣層、煤層和頁巖氣封存四種方式，由于技術和成本原因，也考慮到封存技術對環境的影響，地質封存以采用油氣層封存方式為主；對于船舶儲存和運輸的CO2，未來的封存方式更可能是通過在指定地點接上與海底連接的管道，然后輸送至海底封存。

海洋封存主要包括海洋水柱封存和海洋沉積物封存兩種形式。其中對于海洋水柱封存而言，由于海洋循環的存在，注入深海的CO2在經歷一系列漫長的轉移轉化之后最終將重返海洋表層或離開海洋水體和大氣建立新的平衡。海洋沉積物封存對環境影響相對更小，但同時也可以預見，封存的成本非常高，大規模的實施應用仍然需要做很多細節性的研究工作。

碳利用方式

對于運輸到終端的CO2而言，除了將其封存于枯竭的油田或者其他安全的地下場所，還可以將二氧化碳進行資源化利用，相比較于封存，碳利用能產生經濟效益，更具有現實操作性。目前最常見的碳利用方式為利用CO2驅油提高石油采收率(CO2-EOR)，也稱為驅油封存技術, 該技術的使用使最初采出的石油量增加了15％至20％，目前已進入商業化應用初期階段。CO2驅油封存技術，可以有效補償CCUS的成本，據測算，以當前的技術水平，當原油價格在70美元/桶的水平時，基本就可以平衡驅油封存成本。

除了地質利用以外，化學利用和生物利用也有一些實際的應用。在化工合成方面，利用二氧化碳作為碳源，通過加氫可以還原合成甲烷、甲醇、二甲醚、甲酸和低碳烷烴等氣體或液體燃料，既可以減少對化石燃料的依賴，也不會產生更多的二氧化碳。生物利用方面，主要產品有食品和飼料、生物肥料、生物燃料等。目前CO2在化學利用和生物利用方面的應用較少。

對于船上可以直接利用CO2的方式，如為CO2滅火系統提供CO2、利用于超臨界CO2渦輪發電技術等則由于CO2需求量太少，暫時沒有實船應用的價值。

船用CCUS的關鍵技術

在目前國內外已有的船用CCUS技術研究項目或解決方案中，船上應用CCUS技術需要設計并在船上安裝一套緊湊型CO2捕捉裝置，采用化學吸收法或者膜分離法回收CO2，將回收的CO2壓縮或液化后儲存，壓縮或液化后的CO2可用于強化石油開采、作為合成燃料的原料，或者利用成熟的海上技術將干冰運輸到海底沉積物中封存。在整個過程中，碳捕捉和船上碳儲存是船用CCUS技術最主要的關注點。對于碳封存，由于船舶本身無法進行大容量的封存，因此能考慮部分的僅包括與外部相連接相關的裝置或系統。對于碳利用，船舶與陸上利用方式基本一致。

1、CO2捕捉

如何緊湊地在船上布置碳捕捉裝置或者縮小裝置體積是實現船上碳捕捉應用的關鍵。目前陸地上電廠使用的碳捕捉系統規模較大，通常占地面積高達幾十平方米，若要將其布置在船舶上面，則需要大幅減小整個捕捉裝置的體積。除此之外，碳捕捉的能耗和經濟性也是需要關注的因素。在碳捕捉的過程中，通常需要另設裝置來進行冷卻或者加熱，若能利用廢氣中的熱能替代蒸汽加熱裝置提供的熱能，或者使用低溫燃料將CO2冷卻成液態或者固態，替代原本的冷卻裝置，不僅可以改善船上碳捕捉的能耗問題，提高經濟性，也能在一定程度上減小碳捕捉裝置的體積。

不少研究成果表明，在CCUS技術應用最廣泛的電廠中，碳捕捉的加入會使整體能效下降，因此在進行碳捕捉系統集成優化的同時，還應考慮到該方式對船舶原有動力系統或廢熱回收系統產生的影響。

2、CO2儲存

如何儲存所捕捉的CO2也是在船上應用二氧化碳捕捉與封存技術的關注重點之一。若以壓縮氣體的方式儲存CO2，壓縮機和壓縮氣瓶會占用船上大量空間；若以液態形式儲存CO2，則冷卻與液化工藝過程需要極高的能耗。

除了儲存空間和能耗問題之外，考慮到低溫CO2泄漏可能會對船體結構和人員造成損傷，儲存過程中的安全問題也需要重點關注。目前航運業缺乏CO2運輸船的相關規范指南，也缺少船用大型CO2壓縮機或液化裝置的規程條款，還需要在已有液化氣體規范標準的基礎上做進一步的研究，制定保障船舶安全儲存CO2的技術要求。

3、CO2封存

通常，CO2保持液相和密相的條件區間很大，不同船舶儲存CO2的壓強和溫度可能會存在較大差異。而不同封存地需要的CO2注入狀態也會因地質和海洋環境的不同而不同，因此保證輸出的CO2能與注入口的需求狀態相匹配是船運CO2在船端卸載時需要解決的技術難點之一。

船舶卸載CO2可以選擇兩種不同的方式，第一種為船端先卸載CO2然后在(半)永久裝置上處理CO2；另一種方式為在船上處理完成后再卸載至外部接收端。若采用第一種方式，由于卸載的CO2為低溫液體或低溫壓縮氣體，在卸載方案的設計上會有較大的限制；若采用第二種方式，則需要重點關注CO2處理裝置在船上的布置。

除了上述船舶應用CCUS技術的關鍵問題之外，實際應用中還需要考慮CCUS技術在各行業廣泛存在的一些問題，如碳捕捉系統產生的廢棄物及吸收溶劑的排放問題、CO2卸載頻率和CO2儲罐體積之間的平衡問題、CO2的泄露和腐蝕問題問題等。

船舶應用前景分析

當前船用CCUS的關鍵技術主要集中在船舶布置、安全保障以及能耗三個方面。其中在船舶布置方面，國外已有相關項目進行了船用CCUS技術的可行性研究與解決方案研究，也有不少期刊文獻提出了具體的緊湊型布置方案，這些研究表明，碳捕捉與儲存裝置在船舶布置方面是可以實現的，但考慮到安全及能耗等其他因素，實際投入應用還需要進一步縮減布置空間；在安全保障方面，船舶儲存CO2的技術要求可主要參考IGC規則，部分針對性要求可以參考LPG運輸船的技術要求或CO2儲罐相關標準提出，在船用碳捕捉技術安全方面，目前還欠缺系統深入的研究；在能耗方面，碳捕捉與儲存系統的能耗將直接影響到船舶應用碳捕捉與儲存的成本，受限于技術的成熟度和船舶捕捉CO2的體量，當前船舶應用碳捕捉的成本遠高于碳交易市場的碳價，難以形成船舶應用碳捕捉與儲存技術的市場動力。

就應對方案而言，技術的革新可以有效改善碳捕捉和儲存系統在船舶上的布置問題以及能耗問題；相關技術標準的研究和制定可以減少安全隱患問題或者將安全隱患集中控制；政策的扶持補貼和碳交易系統的加入則可以在一定程度上弱化高能耗對船舶應用推廣的限制。

總的來說，當前船舶應用CCUS技術還有不少技術難點需要攻克，雖然部分關鍵技術已經有了一定的研究基礎或發展方向，但仍然存在著或多或少的問題等待進一步研究和解決。另外，無論是在技術層面還是經濟層面上，大型船舶應用碳捕捉與封存技術都明顯優于中小型船舶，具有更好的適用性。