船舶尾氣凈化技術(shù)研究進(jìn)展

申長俊，陸詩建，劉 玲，康國俊

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 碳中和研究院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

能源是人類生產(chǎn)生活的基本需求，得到了廣泛的研究。工業(yè)化進(jìn)程中，傳統(tǒng)燃料（如煤炭和石油）是主要的能源形式[1]。隨著經(jīng)濟(jì)全球化加速，世界各國貿(mào)易聯(lián)系日益緊密，海洋運(yùn)輸是各國之間貿(mào)易最為關(guān)鍵的運(yùn)輸方式[2]。據(jù)估計(jì)，從2019 年至2024 年，國際海運(yùn)貿(mào)易將以年平均3.5%的速率增長，快于其他受法律法規(guī)限制的運(yùn)輸方式[3]。截止2020 年底，中國擁有各類船舶12.68 萬余艘，包括1.03 萬余艘沿海運(yùn)輸船舶和1400 余艘遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶[4]。海洋運(yùn)輸在全球貨物運(yùn)輸中至關(guān)重要，因成本低廉、運(yùn)輸量大、運(yùn)費(fèi)低、適應(yīng)性強(qiáng)和速度快而備受青睞。目前，中國的海洋運(yùn)輸占國際貿(mào)易總量的2/3，占進(jìn)出口貨運(yùn)總量的90%[5]。中國沿海城市正在加快港口和其他水路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。然而，船用柴油機(jī)使用的劣質(zhì)燃料會(huì)產(chǎn)生氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、碳?xì)浠衔锖陀泻?xì)顆粒物等污染物，對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，對(duì)人類健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)[6]。近年來，隨著船舶數(shù)量和規(guī)模的增加，由船舶排放的溫室氣體大幅上升[7]。船舶產(chǎn)生的廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染見圖1[8]。

圖1 船舶產(chǎn)生的廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染[8]Fig.1 Pollution caused by ship generated wastes to environment[8]

為應(yīng)對(duì)船舶尾氣排放導(dǎo)致的污染問題，國際海事組織（IMO）于1997 年批準(zhǔn)并頒布了《防止船舶空氣污染準(zhǔn)則》[9]，并將其收錄至《73/78 防污公約》附件VI。這一準(zhǔn)則規(guī)范了船舶氮氧化物和硫氧化物排放方面的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)IMO 制定的《國際防止船舶污染公約》，2016 年后制造的柴油機(jī)氮氧化物排放限值比氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)（IMO Tier I）低約80%[10]。同時(shí)，IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第70屆會(huì)議決定，自2020 年1 月1 日起，在全球范圍實(shí)施船用燃油硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）不超過0.50%的規(guī)定[11]。

船舶業(yè)通過改進(jìn)船舶整體性能，以及采用可再生能源和低碳能源減少溫室氣體排放，但尚未形成成熟且可持續(xù)的解決方案，大多數(shù)船舶在短期內(nèi)仍需使用傳統(tǒng)化石燃料。此背景下，碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)有望成為減少船舶二氧化碳（CO2）排放的一種選擇，包括從排放源捕獲、分離和凈化CO2，然后高效利用或安全儲(chǔ)存[12]。近年來，CCUS技術(shù)已經(jīng)成為陸上高排放行業(yè)（如電力、水泥和鋼鐵等）碳減排的主要解決方案。這對(duì)船舶領(lǐng)域應(yīng)用CCUS 技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。污染物和溫室氣體排放有關(guān)的法規(guī)趨嚴(yán)，無法僅依靠傳統(tǒng)方法減少排放，凈化燃料的高昂成本及其對(duì)環(huán)境的潛在威脅也帶來了巨大挑戰(zhàn)，而替代燃料技術(shù)目前也尚未成熟[13]。本文對(duì)主要的船舶柴油機(jī)尾氣污染物及其凈化技術(shù)進(jìn)行綜述，以期為船舶尾氣凈化提供參考。

1 船舶尾氣污染物

當(dāng)前大多數(shù)船用發(fā)動(dòng)機(jī)采用廉價(jià)的、低質(zhì)量含重金屬燃料，比陸地車輛使用的燃料更重、更粘稠、碳鏈更長且硫含量更高[14]。船舶排放的氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物、碳?xì)浠衔锖陀泻?xì)顆粒物對(duì)自然環(huán)境和人類健康將產(chǎn)生不良影響。柴油機(jī)燃燒過程中過量空氣系數(shù)較大，燃燒較完全，尾氣中污染物以氮氧化物和硫氧化物為主，被IMO列為首要控制的船舶尾氣污染物。尾氣中氮氧化物主要包括NO、NO2、N2O 和N2O5等，其中NO 占90%以上。NO在空氣中容易被氧化為NO2，會(huì)對(duì)人體心肺產(chǎn)生毒害作用。硫氧化物中SO2占95%，SO3僅占5%。SO2對(duì)人體健康有直接損害，也是酸雨的主要成因，對(duì)生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重影響。重燃料油（HFO）含碳量高，主要用于航運(yùn)工業(yè)，燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量CO2[15]。CO2是一種主要的溫室氣體，在大氣中會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球變暖、冰層融化、海平面上升和氣象災(zāi)害等。

2 船舶尾氣脫硫技術(shù)

針對(duì)船舶尾氣中硫氧化物含量超標(biāo)的問題，現(xiàn)有3種解決方案：采用低硫燃油、干法脫硫技術(shù)和濕法脫硫技術(shù)[16]。其中，低硫燃油精煉過程的CO2排放量較大、成本較高且經(jīng)濟(jì)性較差，從高硫燃油切換到低硫燃油還會(huì)引發(fā)一系列問題，這都限制了低硫燃油在船舶上的廣泛應(yīng)用。

2.1 干法脫硫技術(shù)

干法脫硫技術(shù)利用脫硫塔中的顆粒狀氧化鈣或氫氧化鈣與船舶廢氣中的硫氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣進(jìn)行脫硫。德國Couple Systems公司開發(fā)了Dry-EGCS脫硫系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)可脫除99%的硫氧化物以及80%的有害細(xì)顆粒物[17]，而且運(yùn)行期間不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染。但是，使用該系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致CO2排放量增加10%[18]。由于有效固氣接觸面積小、反應(yīng)效率低且停留時(shí)間較長導(dǎo)致干法脫硫的設(shè)備體積約為濕法脫硫的兩倍。此外，儲(chǔ)存脫硫劑和堆積脫硫副產(chǎn)品（亞硫酸鈣和硫酸鈣）也需要占據(jù)船上空間。這些問題限制了船舶上干法脫硫技術(shù)的應(yīng)用。

2.2 濕法脫硫技術(shù)

船舶尾氣濕法脫硫技術(shù)包括石灰石-石膏法、鈉堿脫硫法和海水法脫硫等[19]。其原理是利用堿性物質(zhì)對(duì)硫氧化物進(jìn)行脫除，脫硫效率高達(dá)90%以上，同時(shí)還可以脫除部分顆粒物。船舶尾氣濕法脫硫技術(shù)對(duì)比見表1。

表1 船舶尾氣濕法脫硫技術(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of wet desulfurization technologies for ship exhaust

海水洗滌法脫硫采用海水作為洗滌劑，海水中堿性成分與船舶尾氣中硫氧化物生成硫酸鹽，并排入海洋[20]。海水洗滌法有效減少了船舶排放的SO2，一定程度有助于降低對(duì)環(huán)境的不良影響，保護(hù)海洋生態(tài)。相對(duì)于其他脫硫技術(shù)，海水洗滌法脫硫具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括簡化的工藝流程，良好的環(huán)保性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等。將海水作為吸收劑可節(jié)約淡水資源，在吸收過程中，SO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽排入大海，避免了廢物處理。工藝脫硫效率較高，可達(dá)90%以上，且不易導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢和堵塞，建設(shè)和運(yùn)營成本相對(duì)較低。人們也在探索如何優(yōu)化海水洗滌法，提高其脫硫效率，以確保船舶尾氣排放達(dá)到更為嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，天然海水堿度低，酸堿緩沖能力有限，僅適用于硫含量低（小于等于0.10%）的船舶廢氣。當(dāng)硫含量高時(shí)，脫硫效率低，難以滿足現(xiàn)有排放量，需要不斷更新海水，以確保脫硫效率。此外，洗滌廢水中含有更多的硫酸鹽，且pH值較低，直接排放將破壞海洋環(huán)境。2019年，中國海事局發(fā)布《全球海洋燃料硫限制令2020實(shí)施計(jì)劃》，規(guī)定自2020 年1 月1 日起，船舶不得在中國船舶大氣污染物排放控制區(qū)排放清洗水[21]。因此，以海水洗滌法脫硫?yàn)榇淼拈_環(huán)廢氣清洗系統(tǒng)不再適用于船舶尾氣處理。海水洗滌法脫硫示意圖見圖2。

圖2 海水洗滌法脫硫示意圖[22]Fig.2 Schematic diagram of seawater scrubbing method for desulfurization[22]

石灰石膏法脫硫采用氫氧化鈣（石灰）或碳酸鈣（生石灰）作為吸附劑，與船舶尾氣中硫氧化物充分接觸反應(yīng)，生成CaSO3、CaSO4和碳酸鈣，然后將空氣注入反應(yīng)池，將CaSO3強(qiáng)制氧化為硫酸鈣，最后生成石膏（CaSO4·2H2O）[23]。當(dāng)漿液中固體含量超過15%時(shí)，自然氧化可形成石膏水垢，導(dǎo)致堵塞。石灰石膏法可以控制CaSO3的氧化，從而改善傳統(tǒng)石灰石/石灰法中吸收塔和管道容易結(jié)垢和堵塞的問題。另一種控制結(jié)垢的方法是在石灰石結(jié)漿中加入硫或乳化硫代硫酸鈉，抑制CaSO3氧化，將結(jié)漿中硫酸鈣的比例控制在15%以下，減少結(jié)垢和堵塞。石灰石膏法是目前最為成熟的煙氣脫硫技術(shù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，脫硫效率高（90%以上），主要用于火力發(fā)電廠煙氣脫硫[24]。但其設(shè)備占地面積大，脫硫產(chǎn)品難以處理，設(shè)備易磨損、堵塞，廢水處理困難，不利于在船舶上應(yīng)用。

鈉堿脫硫系統(tǒng)主要由洗滌塔、循環(huán)泵單元、堿模塊、冷卻模塊和廢液處理模塊組成[25]。鈉堿脫硫法采用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液作為吸收劑，與船舶尾氣中SO2反應(yīng)生成亞硫酸鈉，并繼續(xù)吸收SO2生成NaHSO3，從而達(dá)到脫硫的目的。NaHSO3分解脫硫后的吸收溶液，經(jīng)蒸發(fā)、過濾、冷卻后形成沉淀，亞硫酸鈉可溶解在冷凝水中，泵入洗滌塔進(jìn)一步循環(huán)利用。與其他濕法脫硫吸收劑相比，堿鈉具有以下優(yōu)點(diǎn)：與SO2親和力更強(qiáng)，脫硫率更高；脫硫反應(yīng)產(chǎn)生的鈉鹽更易溶于水，可將吸收的化合物保持在溶液中[26]，避免吸收塔結(jié)垢堵塞；脫硫反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)生的NaHSO3可通過循環(huán)再生處理繼續(xù)使用。但是，氫氧化鈉是一種危險(xiǎn)化學(xué)品，不宜大量儲(chǔ)存，并且氫氧化鈉會(huì)腐蝕鋁、黃銅、銅、錫、鋅（包括鍍鋅涂層）和玻璃，因此脫硫系統(tǒng)使用的水箱、管道、配件和水箱等的材料需要特別定制[27]。此外，鈉堿脫硫系統(tǒng)復(fù)雜，改造和施工成本高，有必要開發(fā)一種成本低、工藝流程簡單和回收效率高的新型鈉堿脫硫系統(tǒng)。鈉堿脫硫法脫硫示意圖見圖3。

圖3 鈉堿脫硫法脫硫示意圖[28]Fig.3 Schematic diagram of sodium-alkali desulfurization method for desulfurization[28]

圖4 SNCR脫硝裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of SNCR denitrification device

圖5 光催化反應(yīng)原理示意圖[47]Fig.5 Schematic diagram of photocatalytic reaction principle[47]

3 船舶尾氣脫硝技術(shù)

船舶尾氣中的氮氧化物主要以NO 為主，其在水中溶解度較低，不能采用直接吸收法去除。船舶尾氣脫硝技術(shù)包括預(yù)處理、機(jī)內(nèi)凈化措施和后處理等方面。僅依靠預(yù)處理和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部凈化通常無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，需要后處理進(jìn)一步減少船舶尾氣中氮氧化物含量。常見的尾氣凈化脫硝技術(shù)包括選擇性非催化還原（SNCR）和選擇性催化還原（SCR）[29]。

3.1 選擇性非催化還原

SNCR 脫硝向高溫尾氣中注入還原劑，通常為尿素或氨，在900～1200 ℃溫度范圍進(jìn)行。此過程中，還原劑與廢氣中的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)生成水蒸氣、CO2和氮?dú)獾犬a(chǎn)物，且無需催化劑[30]。SNCR 脫硝裝置示意圖見圖2。但是，使用該方法會(huì)導(dǎo)致大量的胺揮發(fā)，并與尾氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨或硫酸銨，從而導(dǎo)致排氣管堵塞和腐蝕。此外，SNCR脫硝適用于低硫燃油，脫硝效率在30%～50%，較難應(yīng)用于船舶柴油機(jī)尾氣治理[26]。因此，如何提高SNCR脫硝效果是今后的研究重點(diǎn)。

3.2 選擇性催化還原

SCR技術(shù)由日本首次引入并應(yīng)用于電站鍋爐，而在歐洲則廣泛應(yīng)用于煙氣脫硝[31]。其工作原理為：在250～600 ℃和催化劑的作用下，利用還原劑（如醇、尿素和各種碳?xì)浠衔铮┻x擇性地進(jìn)行催化還原反應(yīng)，最終生成氮?dú)夂退?。SCR脫硝的脫硝率相對(duì)較高（70%～95%），足以滿足IMO 的排放標(biāo)準(zhǔn)。但是，低速船用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排放溫度一般不超過240 ℃，這超出了SCR 催化劑最佳反應(yīng)窗口的溫度范圍，SCR 脫硝還不能應(yīng)用于船舶尾氣凈化，需要開發(fā)適用于低溫條件的SCR 催化劑[32]。此外，SCR脫硝還存在腐蝕、失活及尿素和銨鹽結(jié)晶等問題。采用SCR 脫硝，對(duì)現(xiàn)有船用柴油機(jī)選擇性改造較少，可滿足IMO 的Tier III級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但難以應(yīng)用于大多數(shù)裝載二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的大型遠(yuǎn)洋船舶。船舶SCR脫硝系統(tǒng)還存在空間占用大、高碳?xì)浠衔铮℉C）排放、尿素定量注入，以及尿素與廢氣混合均勻性等問題有待解決[33]。

4 船舶尾氣脫硫脫硝一體化技術(shù)

目前將海水洗滌法和SCR 技術(shù)等分別用于去除船舶尾氣中的硫氧化物和氮氧化物時(shí)都存在一些問題。采用獨(dú)立的脫硫和脫硝設(shè)備，顯著增加了設(shè)備成本，并面臨流程繁瑣、運(yùn)行成本高等挑戰(zhàn)。船舶尾氣脫硫脫硝一體化技術(shù)具有設(shè)計(jì)簡單、占地面積小、成本低和運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，并且整合了兩個(gè)關(guān)鍵的氣體凈化過程，從而提供了更加高效和可持續(xù)的解決方案。脫硫脫硝一體化技術(shù)降低了工藝能耗，提高了環(huán)保性能，實(shí)現(xiàn)一系列經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[34]。幾種脫硫脫硝一體化技術(shù)對(duì)比見表2。船舶尾氣脫硫脫硝一體化技術(shù)主要包括氧化吸收技術(shù)和光催化技術(shù)等。

表2 脫硫脫硝一體化技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of desulfurization and denitrification integration technologies

4.1 氧化吸收技術(shù)

氧化吸收技術(shù)是當(dāng)前廣泛研究的一體化脫硫脫硝技術(shù)，是一種綜合性的脫硫脫硝方法，用于處理尾氣中難以通過吸收劑單獨(dú)去除的組分，主要應(yīng)用于NO 的處理。其基本原理是通過氧化劑將NO氧化為NO2，然后使用吸收劑將其捕獲和處理。氧化劑的選擇包括KMnO4、H2O2、ClO2和O3等，常用堿性溶液或亞硫酸鹽溶液作為吸收劑。氧化吸收技術(shù)的靈活性和適用性使其成為一種重要的尾氣處理方法。

張忠梅等[40]利用KMnO4/NaOH溶液進(jìn)行SO2和NO 氧化吸收研究，探討了動(dòng)力學(xué)和影響去除效率的因素，確定了特定化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)步驟數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)和活化能。結(jié)果表明，KMnO4對(duì)NO 有較好的氧化作用，加入NaOH 會(huì)促進(jìn)NO 的吸收，NO的濃度對(duì)SO2的去除效率幾乎沒有影響，但SO2濃度過高會(huì)降低NO的去除效率。

GAO等[41]使用鼓泡反應(yīng)器，在含有過硫酸鈉的溶液中添加Fe2+、Fe3O4和H2O2，研究了其對(duì)NO氧化的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)e2+和Fe3O4能夠有效激活過硫酸鹽，產(chǎn)生高度氧化性的自由基。ZHAO 等[42]在脫硫和脫硝實(shí)驗(yàn)中使用含有NaClO2和NaClO 的復(fù)合吸收器，獲得了各因素間的最佳脫硫和脫硝條件，并發(fā)現(xiàn)使用復(fù)合吸收器可以顯著減少NaClO2的用量，降低成本。

劉光洲等[43]采用二氧化氯發(fā)生器產(chǎn)生濃度較高的ClO2與海水混合，并將其噴灑于船舶尾氣，同時(shí)進(jìn)行脫硫和脫硝處理。這種方法的脫硫率超過90%，脫硝率超過80%。為解決H2O2氧化能力有限，較難有效氧化尾氣中污染物的難題，馬雙珍等[44]在研究中嘗試將H2O2和紫外線結(jié)合，高度氧化的·OH自由基顯著增強(qiáng)了H2O2的氧化能力，脫硫率和脫硝率均提高到了95%以上。ZHANG等[45]研究了臭氧氧化與NaOH和MgO吸附的耦合過程，考察了影響氮氧化物和硫氧化物去除效率的最佳組合條件。結(jié)果表明，臭氧氧化吸附可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫和脫硝，是一種可行的方法。研究人員認(rèn)為，與二氧化氯和過氧化氫相比，臭氧氧化法與濕法洗滌法相結(jié)合的成本效益更高[46]。

氧化吸收技術(shù)在簡化設(shè)備、減少占地面積和高效脫硫、脫硝方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，處理效果出色。然而，當(dāng)前研究中大多數(shù)氧化劑都具有毒性、腐蝕性和刺激性，尋找具備適用性的氧化劑成為該技術(shù)的主要研究方向。

4.2 光催化技術(shù)

光催化技術(shù)被譽(yù)為“環(huán)保友好”的新興技術(shù)，近年來，在船舶尾氣凈化領(lǐng)域嶄露頭角，成為研究重點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)利用具有特定能量的光照射光催化劑，將船舶尾氣中的有害成分氧化或還原。通常光催化技術(shù)采用納米級(jí)光催化劑，這些催化劑在紫外光的激發(fā)下表現(xiàn)出卓越的催化活性。在船舶尾氣處理方面，以TiO2為基底的光催化劑已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。光催化反應(yīng)原理示意圖見圖3[47]。目前在船舶尾氣處理領(lǐng)域，光催化技術(shù)并未被廣泛應(yīng)用，主要挑戰(zhàn)之一是光催化劑容易失活，需要經(jīng)常更換，迫切需要尋找一種高效且具有較長使用壽命的催化劑。

SU 等[48]通過靜電紡絲成功合成了二氧化鈦（TiO2）負(fù)載的聚丙烯腈（PAN）光催化劑，并將其應(yīng)用于紫外光下的尾氣脫硫脫硝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，SO2和NO的去除率分別為99.3%和71.2%。LI等[49]開發(fā)了一種基于TiO2/Cu2O 改性活性炭纖維的可見光活化光催化劑，用于還原肼水合物。結(jié)果表明，受可見光刺激，這種復(fù)合光催化劑能在40 ℃下有效去除尾氣中的NO和SO2。

光催化技術(shù)具備環(huán)保、無污染、低成本、處理高效和占地面積小等優(yōu)勢(shì)，近年來研究進(jìn)展顯著，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，面臨著成本高昂、設(shè)備安全性和催化劑穩(wěn)定性等方面的挑戰(zhàn)。

5 船舶尾氣減碳技術(shù)

5.1 CCUS技術(shù)

氣候變暖是全球面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，溫室氣體排放是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究者致力于新技術(shù)的開發(fā)，其中CCUS 技術(shù)備受矚目。CCUS 技術(shù)包括碳捕集、利用和封存3 個(gè)主要環(huán)節(jié)，構(gòu)成了一個(gè)綜合性的碳管理系統(tǒng)，可為減緩氣候變暖提供多方面的解決方案[50]。

碳捕集是CCUS的第一步，旨在從工業(yè)排放源、發(fā)電廠和其他CO2排放點(diǎn)捕集CO2。主要包括燃燒前捕集、富氧燃燒捕集和燃燒后捕集3 種碳捕集技術(shù)[51]，通過化學(xué)吸收、氣體分離或其他方法將CO2從廢氣中分離出來，形成高純度的CO2。燃燒前捕集的關(guān)鍵在于通過引入重整設(shè)備對(duì)傳統(tǒng)化石燃料進(jìn)行處理，在燃燒前將碳元素從燃料中去除。為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，需要對(duì)船舶燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，在燃燒前捕集碳元素。富氧燃燒捕集技術(shù)要求在完全富氧的環(huán)境中燃燒化石燃料，因此必須采用額外的設(shè)備分離氧氣，在燃燒過程中提供充分的氧氣，確保燃燒反應(yīng)的高效進(jìn)行。燃燒后捕集技術(shù)使用化學(xué)吸附劑或化學(xué)吸收劑分離化石燃料燃燒尾氣中的CO2，或者采用膜分離技術(shù)分離和純化廢氣中的CO2[52]。與前兩種技術(shù)相比，燃燒后捕集成熟度較高，且不需要對(duì)船舶的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造[53]。

碳利用將捕獲的CO2用于生產(chǎn)燃料、化學(xué)品和建筑材料等，降低了對(duì)傳統(tǒng)石油和天然氣資源的依賴[54]。這一環(huán)節(jié)中，CO2是一種可再生資源，例如通過碳循環(huán)技術(shù)，CO2可以轉(zhuǎn)化為燃料。碳封存將捕獲的，無法被利用的CO2封存在地下，防止其排放到大氣中[55]。地質(zhì)封存是最常用的方法，將CO2儲(chǔ)存在地下深層鹽水層、油氣田或煤層等地質(zhì)層中。

5.2 CCUS技術(shù)在船舶減碳中的應(yīng)用

2010年，英國PSE公司和挪威船級(jí)社（DNV）聯(lián)合啟動(dòng)了船舶碳捕集的“Eurostar”項(xiàng)目。目的是研究和開發(fā)船舶領(lǐng)域的碳捕集技術(shù)，用于船舶的CO2捕集、液化和臨時(shí)儲(chǔ)存，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供系列完備的方案和系統(tǒng)[56]。據(jù)DNV報(bào)告，該項(xiàng)目有望使船舶尾氣中CO2的排放量減少65%[57]。ZHOU等[58]使用CaO和NaOH作為吸收材料，在化學(xué)反應(yīng)過程中捕獲CO2，并將其以固態(tài)碳酸鈣的形式儲(chǔ)存，從而建立了碳封存系統(tǒng)（CPCS）。將這一儲(chǔ)存產(chǎn)物出售給建筑行業(yè)，可補(bǔ)貼碳捕集和儲(chǔ)存的成本。AKKER等[59]和FEENSTRA 等[60]采用單乙醇胺和哌嗪作為吸收劑，結(jié)合液化天然氣（LNG）再氣化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了CO2的低溫液化和貯存。在此基礎(chǔ)上，上述研究者對(duì)一艘載重8000 t，采用LNG 和柴油作為燃料的標(biāo)準(zhǔn)貨船進(jìn)行了仿真研究，捕集了船舶尾氣中60%或90%的CO2，并對(duì)捕集和液化過程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。另一方面，針對(duì)在船舶上安裝碳捕集和封存系統(tǒng)，LEE等[61]提出了能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）估算方法，包括相應(yīng)的EEDI計(jì)算公式和改進(jìn)的EEDI估算方法，并介紹了基于EEDI規(guī)則的集裝箱船案例研究。這一方法有助于評(píng)估船舶在安裝碳捕集和存儲(chǔ)系統(tǒng)后的能效表現(xiàn)，可為碳減排和環(huán)保工作提供重要的參考。此外，STEC 等[62]研究了利用碳捕集降低船舶EEDI的可能性，通過燃燒后的碳捕集，有望減少船舶的EEDI。經(jīng)過模擬，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于極地條件，在熱帶條件下更容易捕集CO2，這也意味著在熱帶條件下可更大程度地降低EEDI。因此，燃燒后碳捕集被視為一種有潛力的技術(shù)，可降低船舶EEDI，對(duì)提高船舶能效產(chǎn)生積極影響。

CCUS 技術(shù)在國際上引起廣泛關(guān)注，尤其是歐美國家已經(jīng)進(jìn)行了深入研究。全球范圍內(nèi)，用于船舶的CCUS 技術(shù)仍處于早期開發(fā)階段，包括理論研究和小型裝置驗(yàn)證，以及可行性分析、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和對(duì)減排影響的評(píng)估。國內(nèi)，中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)了適用于船舶碳捕集的新型高碳容復(fù)合胺吸收劑和相變吸收體系，研制了高通量反應(yīng)塔和高解吸速率超重力解吸機(jī)，小型中試研究工作正在開展中。

5.3 船舶采用CCUS 技術(shù)面臨的核心難題及解決策略

船舶CCUS 技術(shù)的要點(diǎn)主要涵蓋船舶布局、安全性保障和能源效率3個(gè)方面。關(guān)于船舶的整體布局，多個(gè)項(xiàng)目研究了船舶CCUS技術(shù)的可行性，研究者提出了緊湊型布局方案，發(fā)現(xiàn)安裝CCUS 設(shè)備是可實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際操作中，必須考慮安全和能耗等其他因素，并進(jìn)一步減少安裝設(shè)備所需面積。在安全方面，船上CO2儲(chǔ)存的技術(shù)要求可參考《國際船舶燃?xì)夂突瘜W(xué)品規(guī)范》（IGC規(guī)范）、液化石油氣油輪的特定工藝要求和CO2儲(chǔ)存罐的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[63]。同時(shí)，船舶CCUS技術(shù)的安全性仍然需要進(jìn)一步探討。現(xiàn)有研究尚未涵蓋所有方面，因此有必要進(jìn)一步拓展研究范圍。船舶CCUS 技術(shù)尚未完全成熟，成本遠(yuǎn)高于碳市場(chǎng)交易價(jià)格，這也阻礙了船舶CCUS 技術(shù)的推廣。

船舶安裝CCUS 系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高效緊湊的目標(biāo)，減小對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的影響，并充分優(yōu)化船舶內(nèi)部空間布局。當(dāng)前醇胺法碳捕集技術(shù)被廣泛采用，但能耗較高，通過研發(fā)更加高效環(huán)保的吸收劑，可以改善系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)備緊湊布局，降低運(yùn)營成本[64]。此外，其他碳捕集技術(shù)，如固體吸附和膜分離等，在提升能量利用率、空間利用率等方面也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過最大化船舶廢熱和冷能的利用（如雙燃料或液化天然氣船舶），優(yōu)化系統(tǒng)布局，考慮應(yīng)用可再生能源（如太陽能和風(fēng)能），可進(jìn)一步提高系統(tǒng)效益，以應(yīng)對(duì)船舶CCUS 系統(tǒng)能耗和成本的挑戰(zhàn)[65]。船舶應(yīng)用CCUS 技術(shù)存在多種難題，仍需要進(jìn)一步研究。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來看，相較于中小型船舶，大型船舶在應(yīng)用CCUS 技術(shù)方面具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)語與展望

本文探討了國內(nèi)外主要的船舶柴油機(jī)尾氣處理技術(shù)，包括脫硫、脫硝和脫硫脫硝一體化技術(shù)，綜述了CCUS技術(shù)在船舶領(lǐng)域的研究進(jìn)展。船舶廢氣處理技術(shù)和碳減排技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)海洋運(yùn)輸行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展極為重要。

干式脫硫技術(shù)脫硫效率低、脫硫副產(chǎn)品多，難以在船舶上應(yīng)用。以海水洗滌法脫硫?yàn)榇淼奈矚馇逑创嬖谙礈鞆U液排放，污染海洋，有政策禁止船舶采用。石灰石膏法脫硫技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、脫硫效率高且易于規(guī)?；菀锥氯?。鈉堿脫硫法脫硫?qū)O2親和力更強(qiáng)，脫硫率更高，脫硫過程產(chǎn)生的鈉鹽更易溶于水，可將吸收的化合物保持在溶液中，避免吸收塔結(jié)垢堵塞。常見的尾氣脫硝技術(shù)包括SNCR和SCR。SCR技術(shù)對(duì)現(xiàn)有船用柴油機(jī)選擇性改造較少，可滿足IMO 的Tier III級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但是難以適用于多數(shù)裝載二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的大型遠(yuǎn)洋船舶。SNCR 技術(shù)需要采用低硫燃油，其脫硝效率通常在30%～50%，較難應(yīng)用于船舶柴油機(jī)尾氣治理。相較于獨(dú)立的脫硫和脫硝，船舶尾氣脫硫脫硝一體化技術(shù)具有設(shè)計(jì)簡單、占地面積小、成本低和運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。船舶上安裝CCUS系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高效緊湊的目標(biāo)，以減小對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的影響，并充分優(yōu)化船舶內(nèi)部空間布局。當(dāng)前醇胺法碳捕集技術(shù)被廣泛采用，但能耗較高，通過研發(fā)更加高效環(huán)保的吸收劑，可以改善系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)備緊湊布局，降低運(yùn)營成本。