船用液態(tài)二氧化碳存儲艙選材探討

王曉亮,張曉平,解衛(wèi)闊,趙超,王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

隨著全球氣候變暖和極端氣候頻發(fā),氣候變化問題已經(jīng)成為人類社會發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn),而溫室氣體排放是造成長期氣候變化的最主要因素。為應對溫室氣體排放問題,聯(lián)合國在近20年頒布了一系列的公約和協(xié)定。作為最為經(jīng)濟、節(jié)能的運輸方式,航運業(yè)是全球貿(mào)易和世界經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐,在全球能源轉型中發(fā)揮著重要作用,航運業(yè)推出了一系列的減排政策努力減少溫室氣體排放。2018年4月,國際海事組織(IMO)通過一項溫室氣體減排戰(zhàn)略,提出到2050年將航運業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體總排放量與2008年相比至少減少70%的明確目標[1],并朝零碳排放目標逐步邁進。2020年以來,綠色環(huán)保型船舶的需求迎來高峰,提高能源轉化效率、創(chuàng)新技術研發(fā)和引進替代燃料等措施刻不容緩。

航運業(yè)完全脫碳需要用新的零碳燃料取代化石燃料,綠氨、綠色甲醇和綠氫等一系列零碳燃料均在考慮之中。然而,零碳燃料投入使用仍需要時間,IMO已經(jīng)制定了在未來幾年內實現(xiàn)排放和碳強度降低的短期措施,要求船東和運營商滿足臨時排放法規(guī)。部分船舶可以通過多種能效管理手段,如營運優(yōu)化、提高船舶傳動效率、船舶管理優(yōu)化和使用新型節(jié)能技術降低船舶能耗,從而達到降低二氧化碳排放量的目的。但是對于航速較低的散貨船和油輪等船舶,降速空間較少,難以滿足相關法律法規(guī)的要求。作為船舶尾氣后處理技術,船用碳捕集和存儲(OCCS)技術適用于所有船舶,能夠填補船舶能效管理和替代燃料在碳減排領域不能覆蓋的空白區(qū)域,為實現(xiàn)未來船舶碳減排目標提供更多的選擇。因此,使用船OCCS技術來減少船舶運行過程中的碳排放引起了船東和運營商的廣泛關注。

1 船用碳捕集和存儲技術

根據(jù)捕集系統(tǒng)的技術基礎和實用性,二氧化碳捕集系統(tǒng)通常分為三種:燃燒前捕集、燃燒中捕集(富氧燃燒)和燃燒后捕集[2],三種捕集系統(tǒng)的主要技術路線如圖1所示。二氧化碳燃燒后捕集是指將二氧化碳從含碳燃料燃燒生成的煙氣中分離、富集的一種技術。相較于燃燒前碳捕集技術和燃燒中碳捕集技術,燃燒后捕集系統(tǒng)位于燃燒系統(tǒng)的下游。如果是改造工程,僅需要在現(xiàn)有的系統(tǒng)后增設二氧化碳捕集裝置,對原有系統(tǒng)的改變較少。

圖1 不同二氧化碳捕集技術路線圖

船用碳捕集與存儲系統(tǒng)(燃燒后捕集)是為對使用燃油等含碳存儲的船舶發(fā)動機尾氣中去除二氧化碳的船舶配套系統(tǒng),能夠實現(xiàn)尾氣預處理,二氧化碳吸收,二氧化碳解吸,二氧化碳壓縮液化和液態(tài)二氧化碳存儲。目前,國內僅有幾家船舶配套設備廠家研發(fā)的船用碳捕集系統(tǒng)獲得船級社的原理認證,大多數(shù)船舶配套設備廠家正處于研發(fā)階段,尚未有實船應用業(yè)績,整體相關產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初步階段。國內相關廠家研發(fā)的船用碳捕集與存儲系統(tǒng)均采用了燃燒后捕集技術,該技術采用方法主要有化學吸收、物理吸收、吸附法、膜分離法和低溫分離法等,化學吸收法作為目前應用最為成熟的技術,常作為首選方案。

化學吸收法船用碳捕集系統(tǒng)一般由預處理單元、二氧化碳吸收單元、二氧化碳解吸單元、二氧化碳增壓單元、二氧化碳液化單元、二氧化碳存儲單元、控制系統(tǒng)、通風系統(tǒng)及安保及檢測系統(tǒng)等組成。存儲艙的成本與存儲艙的類型、設計壓力、設計溫度和材料等因素相關。本文在3 000 m3設計容積下,對不同C型液態(tài)二氧化碳存儲艙材料成本進行對比分析,得到更加合理的設計方案,為船用C型液態(tài)二氧化碳存儲艙的設計選材提供參考。

2 不同存儲方式下存儲艙材料成本分析

2.1 船用液態(tài)二氧化碳存儲方式

二氧化碳經(jīng)吸收-解吸后,需要經(jīng)過壓縮、干燥、液化后進行存儲,以降低二氧化碳存儲對船舶空間的需求。由圖2知,二氧化碳的三相點壓力為0.512 MPa,溫度為-56.55 ℃,所以以液態(tài)存儲的二氧化碳,其存儲壓力(絕對壓力)要高于0.512 MPa,存儲溫度要高于-56.55 ℃,又因為臨界點溫度為30.98 ℃,臨界點壓力為7.37 MPa,所以其存儲壓力和溫度同時也不能超過其臨界點,以免其發(fā)展成為超臨界流體。

圖2 二氧化碳三相圖

工業(yè)上,液態(tài)二氧化碳存儲通常采用常溫全壓、低溫中壓和低溫低壓三種方式:常溫全壓存儲方式下,二氧化碳存儲裝置的設計壓力和溫度分別為7.21 MPa和30 ℃,此狀態(tài)下二氧化碳的氣化潛熱為60 kJ/kg,密度為593.31 kg/m3;低溫中壓存儲方式下,二氧化碳存儲裝置的設計壓力和溫度分別為1.9 MPa和-20 ℃,氣化潛熱為303 kJ/kg,密度為1 075.7 kg/m3;低溫低壓存儲方式下,二氧化碳存儲裝置的設計壓力和溫度分別為0.9 MPa和-50 ℃,氣化潛熱為340 kJ/kg,密度為1 154.6 kg/m3。

對于船舶,采用常溫全壓存儲方式設計的對應的C型液態(tài)二氧化碳存儲艙質量對于船舶是很大的負擔,對船舶運載能力的影響是不可接受的,因此,船用C型液態(tài)二氧化碳存儲艙,建議采用低溫中壓(-35 ℃,1.9 MPa)或者低溫低壓(-55 ℃,0.9 MPa)存儲方式。

2.2 液態(tài)二氧化碳存儲適用材料

根據(jù)GB 150《壓力容器》、GB 713《鍋爐和壓力容器用鋼鋼板》、GB 3531《低溫壓力容器用鋼板》、GB/T 24510《低溫壓力容器用鎳合金鋼板》、BS EN 10028-6:2017、CCS《材料與焊接規(guī)范2021》等規(guī)范以及《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規(guī)則》(IGC 規(guī)則)、DNV、LR和CCS等船級社規(guī)范,常用壓力容器用金屬材料,如碳鋼、碳錳鋼、鎳合金鋼、不銹鋼或鋁合金等,均可用于船用C型液態(tài)二氧化碳存儲艙[3-8]。其中,由于鋁合金的許用應力較低,通常情況下只會采用鋁合金制作設計壓力較低的B型艙,而二氧化碳液態(tài)存儲的壓力較高,因此,鋁合金不適用于C型液態(tài)二氧化碳存儲艙。本文中主要選擇16MnDR[9]、15MnNiNbDR[10]、1.5Ni、5Ni、P355NL1/L2、P690QL1/L2作為研究對象,對不同材料的存儲艙成本進行分析對比。上述材料許用應力及最低許用溫度如表1所示。

表1 主要壓力容器用材許用應力及最低許用溫度

2.3 材料適用的存儲方式

IGC規(guī)則第6章構造材料和質量控制第6.4節(jié)對金屬材料的要求中規(guī)定用于設計溫度低于0 ℃和至-55 ℃的存儲艙和存儲艙部件的碳錳鋼應為全鎮(zhèn)靜、鋁處理的細晶粒鋼材料,如焊后熱應力完全消除,可在比設計溫度低5 ℃或-20 ℃(取其低者)的溫度進行試驗。因為16MnDR、15MnNiNbDR、P355NL1、P690QL1和P690QL2材質的C型存儲艙需要進行焊后熱處理,所以上述16MnDR、15MnNiNbDR、P355NL1和P690QL1材料均滿足設計溫度-35 ℃液態(tài)二氧化碳存儲艙設計要求,高強度低合金鋼P355NL2、P690QL2和低溫鎳鋼09MnNiDR、1.5Ni 材料均滿足設計溫度-55 ℃液態(tài)二氧化碳存儲艙設計要求。

除上述材料,3.5Ni鋼、9Ni鋼和S30408不銹鋼等低溫壓力容器用鋼均滿足低溫中壓和低溫低壓存儲方式的設計條件,從GB/T 24510中來看,3.5Ni鋼和1.5Ni鋼相比,鎳含量由1.3%～1.7%提高到3.25%～3.75%,最低使用溫度由-65 ℃擴展到-100 ℃,但力學性能尤其是屈服強度和抗拉強度上并沒有明顯的提高,而且3.5Ni鋼的價格高于1.5Ni鋼,而且-65 ℃已經(jīng)滿足低溫低壓存儲方式的設計溫度,因此,本文中不建議選擇3.5Ni鋼作為液態(tài)二氧化碳存儲艙材料。9Ni鋼和S30408不銹鋼的價格均為上述鋼材價格的數(shù)倍,導致其存儲艙成本也是上述材料存儲艙價格數(shù)倍,因此,從經(jīng)濟性方面考慮,本文也不建議選擇9Ni鋼和S30408不銹鋼作為液態(tài)二氧化碳存儲艙材料。

本文中,16MnDR、15MnNiNbDR、09MnNiDR、1.5Ni、P355NL1/L2和P690QL1/L2等低溫鋼適用的存儲方式及主要設計參數(shù)如表2所示。

表2 低溫鋼材質液態(tài)二氧化碳存儲艙的主要設計參數(shù)

2.4 存儲艙材料成本對比

基于市場調研的結果,得到近期各牌號鋼材近似單價如表3所示。

表3 各牌號鋼材單價

由于C型液態(tài)二氧化碳存儲艙需要進行焊后熱處理,國內主要船用存儲艙生產(chǎn)廠家整體焊后熱處理的C型液氨存儲艙容積生產(chǎn)能力可以達到3 000 m3左右。因此本文選擇設計容積3 000 m3的C型液態(tài)二氧化碳存儲艙為研究對象。

在存儲艙容積3 000 m3、不同存儲方式下,對不同材質液態(tài)二氧化碳存儲艙質量和材料成本進行分析對比,得到更合理的設計方案。

圖3對比了低溫中壓存儲方式下不同材質3 000 m3C型液態(tài)二氧化碳存儲艙質量和材料成本,從圖中可以看出,16MnDR材料存儲艙最重,大約737 t,但成本最低,P690QL1材料存儲艙質量最輕,大約460 t,15MnNiNrDR材料存儲艙成本最高。其原因在于,16MnDR的材料成本最低,雖然15MnNiNrDR的許用應力比16MnDR高15%,但其價格卻是16MnDR 的約1.6倍,其成本遠高于16MnDR材料的存儲艙。圖3表明,相對于16MnDR、P355NL1和15MnNiNrDR,P690QL1材料的存儲艙質量分別降低了40.2%,37.1%和31%,而且,16MnDR、P355NL1和15MnNiNrDR材料的C型存儲艙筒體壁厚均達到70 mm以上,增加了存儲艙的制造難度。因此,低溫中壓存儲方式下3 000 m3C型液態(tài)二氧化碳存儲艙建議選擇P690QL1等低溫高強度鋼。

圖3 低溫中壓存儲方式下不同材質二氧化碳

圖4對比了低溫低壓存儲方式下不同材質3 000 m3C型液態(tài)二氧化碳存儲艙質量和材料成本。

圖4 低溫低壓存儲方式下不同材質二氧化碳

從圖4中可以看出,09MnNiDR材料存儲艙最重,P690QL2材料存儲艙質量最輕,1.5Ni材料存儲艙成本最高。原因在于,5Ni鋼的許用應力與P355NL2相同,僅比09MnNiDR高14%左右,但其單價分別是P355NL2和09MnNiDR的約2.1和1.9倍,因此其成本遠高于1.5Ni和P355NL2。P690QL2材料存儲艙材料成本僅高于P355NL2,在于其材料價格大約為P355NL2的2倍,相對于09MnNiDR、1.5Ni和P355NL2,P690QL2材料的存儲艙質量分別降低了36.8%,29.8%和29.8%。因此,在考慮到存儲艙質量和存儲艙材料成本的情況下,本文建議船用液態(tài)二氧化碳低溫低壓存儲方式應使用P690QL2等低溫高強度鋼。

3 結論

本文對船用碳捕集液態(tài)二氧化碳存儲艙適用的存儲方式和相應的存儲艙材料進行了分析研究,通過在存儲艙容積3 000 m3、不同存儲方式下,對不同材質存儲艙材料成本進行分析對比,得到更加合理的設計方案:

1)在低溫中壓和低溫低壓存儲方式下,由于材料成本最低,使用16MnDR/P355NL1等低溫碳鋼存儲艙材料成本最低;

2)在低溫中壓和低溫低壓存儲方式下,相較于其他材料,使用P690QL1/P690QL2低溫高強度鋼存儲艙可以大幅降存儲艙質量,對船舶的運載能力影響較小;

3)綜合考慮到存儲艙質量和存儲艙材料成本的情況下,船用碳捕集系統(tǒng)液態(tài)二氧化碳低溫存儲應使用P690QL1/P690QL2等低溫高強度鋼。