1月底，荷蘭鹿特丹港內(nèi)，一艘大型集裝箱船緩緩駛向碼頭。隨著船舶靠岸停穩(wěn)，工作人員有條不紊地將一個大型液化罐卸岸裝運，罐內(nèi)裝滿了從船舶尾氣中捕集的二氧化碳。
這艘船配備了全流程船舶碳捕集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所（以下簡稱“中船集團(tuán)七一一所”）自主研制而成。
“全球首套全流程船舶碳捕集系統(tǒng)的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國在海上碳捕集領(lǐng)域邁出了重要一步，為航運業(yè)綠色低碳發(fā)展開辟出一條新路徑。”日前，中船集團(tuán)七一一所所長董建福告訴科技日報記者。
“逆流而上”
船舶可謂二氧化碳排放“大戶”。一艘1.5萬標(biāo)準(zhǔn)箱、載重20萬噸的遠(yuǎn)洋集裝箱船，碳排放量約為一輛汽車的1000倍。為應(yīng)對全球氣候變化、減少航運溫室氣體排放，近年來，國際海事組織密集出臺減碳規(guī)定，航運業(yè)壓力倍增。
減碳，成為行業(yè)共識。但采用什么方案減卻莫衷一是。“有的方案建議更換船舶燃料，有的方案考慮在排放前脫硫脫碳，還有方案提出優(yōu)化巡航。”中船集團(tuán)七一一所環(huán)裝部總經(jīng)理蘇毅介紹，“我們?yōu)榇私M建研發(fā)團(tuán)隊，努力尋求最優(yōu)解。”
歷經(jīng)數(shù)十次調(diào)研、討論，團(tuán)隊提出了船舶碳捕集技術(shù)路線——給船舶加裝二氧化碳捕集系統(tǒng)。環(huán)裝部年輕的博士李珂成為項目負(fù)責(zé)人，他滿懷熱情地帶領(lǐng)團(tuán)隊申請基于該路線的科研項目，卻處處碰壁。
“當(dāng)時，包括中船集團(tuán)七一一所在內(nèi)的相關(guān)單位都在深耕脫硫脫硝領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)專家并未寄望于船舶脫碳技術(shù)。”李珂回憶。
雖然壓力很大，但李珂沒有放棄。“我們部門在其他領(lǐng)域嘗試全新技術(shù)路線時，也曾遭遇很多質(zhì)疑，但后來證明路線是正確的。有時候，創(chuàng)新就是‘逆流而上’。”
大膽假設(shè)、小心求證。歷時數(shù)月，團(tuán)隊拿出一份扎實的行業(yè)分析報告。在此基礎(chǔ)上，所內(nèi)專家又進(jìn)行了充分討論。不久后，中船集團(tuán)七一一所領(lǐng)導(dǎo)層果斷拍板：干！
申請不到研發(fā)經(jīng)費怎么辦？那就所內(nèi)撥出一筆經(jīng)費，支持自主研發(fā)。“原因很簡單，這事國家需要、行業(yè)需要，有前景、有意義，能成！”大家干勁十足。
“越早拿出產(chǎn)品，越能占據(jù)有利市場地位，這是‘首臺套’的競爭優(yōu)勢。”蘇毅很堅定。他們開足馬力、爭分奪秒，很快就拿出了首套船舶碳捕集系統(tǒng)研制方案。
揪出“白球”
若把二氧化碳比作“白球”，捕集煙氣中的二氧化碳，就好比在一堆顏色各異、魚龍混雜的球里抓捕“白球”。“船舶煙氣中的二氧化碳濃度只有5%至10%，‘白球’太少，捕捉很困難。”李珂解釋。
高效揪出“白球”有兩種辦法：一是提升煙氣中二氧化碳濃度，二是提高二氧化碳捕集效率。“受限于輪船燃料，第一個方案行不通。用第二個方案，就得在吸收劑上做文章。”李珂說，“吸收劑是捕集二氧化碳的關(guān)鍵物質(zhì)，吸收速度越快，捕捉效率越高。”
市面上有十幾種相關(guān)吸收劑，排列組合后可形成幾百種配方。“為了縮小篩選范圍，大家利用計算化學(xué)、分子模擬等技術(shù)進(jìn)行初篩，確定了十多個候選配方。”中船集團(tuán)七一一所環(huán)裝部工程師楊浩然告訴記者。
接下來是做大規(guī)模試驗，確定最佳配方。
利用上海海事大學(xué)一臺3000千瓦的大型發(fā)動機，團(tuán)隊邁出了搭建實驗臺的第一步。建吸收塔、解析塔，安裝鍋爐、儲罐……猶如燕子銜泥，研發(fā)團(tuán)隊一點點壘砌國內(nèi)首個船用二氧化碳捕集系統(tǒng)實驗臺。
最終，他們花了一年半建好實驗臺。為了盡快交付系統(tǒng)，大家鉚著一股勁兒，大冬天經(jīng)常凌晨一兩點還泡在實驗室，調(diào)設(shè)備、盯數(shù)據(jù)。然而，吸收劑的吸收效率始終在60%至70%之間浮動，達(dá)不到理想目標(biāo)。
在累計實驗500多個小時后的一個夜晚，和往常一樣，依舊沒有突破。“明天接著干吧。”李珂開始“收攤兒”。就在這時，他瞥見記錄儀閃現(xiàn)的數(shù)據(jù)——吸收效率超過90%！
深夜的實驗室內(nèi)，幾個年輕人激動不已。他們急忙記錄數(shù)據(jù)，連夜加班優(yōu)化參數(shù)、調(diào)試設(shè)備，連續(xù)奮戰(zhàn)數(shù)天，最終將綜合吸收效率鎖定在80%以上，高效揪出了“白球”。
閉環(huán)作業(yè)
被捕集的二氧化碳如何處理？“得先把它分離出來，這一過程被稱為解析。”李珂介紹，“用傳統(tǒng)工藝解析二氧化碳能耗高，我們必須設(shè)法降低能耗，否則產(chǎn)品不會受市場歡迎。”
團(tuán)隊成員查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)控解析時的壓力能加快解析速度，從而降低能耗。但具體壓力值需要測試才能確定。
“無巧不成書，在一次測試過程中，團(tuán)隊成員不小心操作失誤，本以為會帶來麻煩，沒想到反而大大提高解析速度。”李珂笑道，“誤打誤撞，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種新型的變壓解析方法。”
大家還發(fā)現(xiàn)，調(diào)低解析時的溫度也有利于降低能耗。“但我們不清楚如何操作，就像有武器卻不會用。”楊浩然直言。
得知其他院所有這方面經(jīng)驗，研發(fā)團(tuán)隊與他們合力研發(fā)出一種新型解析催化劑，將解析二氧化碳所需溫度降至100℃以下。同時，團(tuán)隊還采用先進(jìn)熱集成技術(shù)和控制技術(shù)，優(yōu)化二氧化碳解析工藝，進(jìn)一步降低了能耗。
解析出的二氧化碳呈氣態(tài)，易逃逸，必須液化儲存。
“利用含氟制冷劑液化二氧化碳，工藝成熟、成本低，是首選的制冷方案。不過，含氟制冷劑會破壞臭氧層。”楊浩然解釋，《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》及其修正案規(guī)定，發(fā)達(dá)國家自2020年起禁止生產(chǎn)氟利昂22，2030年起停用氟利昂22。
抱著僥幸心理繼續(xù)用含氟制冷劑，還是選用新型環(huán)保制冷劑？著眼于長遠(yuǎn)，研發(fā)團(tuán)隊選擇了后者。他們對比了數(shù)十項制冷劑，最終，R744制冷劑脫穎而出——它不但能讓二氧化碳液化率達(dá)99%以上、液態(tài)純度超99.8%，還能滿足環(huán)保的嚴(yán)苛要求。
歷時多年研發(fā)，2024年5月，全球首套全流程船舶碳捕集系統(tǒng)完成應(yīng)用驗證，成功實現(xiàn)船舶“二氧化碳捕集—解析—液化儲存—卸岸轉(zhuǎn)運—再利用”全流程生態(tài)閉環(huán)作業(yè)。
“2024年底召開的中央經(jīng)濟工作會議提出，積極運用數(shù)字技術(shù)、綠色技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。這讓大家備受鼓舞！”展望未來，董建福信心滿懷，“我們將矢志攻關(guān)，用科技創(chuàng)新驅(qū)動綠色發(fā)展，為全球減碳貢獻(xiàn)中國方案！”
1月底，荷蘭鹿特丹港內(nèi)，一艘大型集裝箱船緩緩駛向碼頭。隨著船舶靠岸停穩(wěn)，工作人員有條不紊地將一個大型液化罐卸岸裝運，罐內(nèi)裝滿了從船舶尾氣中捕集的二氧化碳。
這艘船配備了全流程船舶碳捕集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所（以下簡稱“中船集團(tuán)七一一所”）自主研制而成。
“全球首套全流程船舶碳捕集系統(tǒng)的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國在海上碳捕集領(lǐng)域邁出了重要一步，為航運業(yè)綠色低碳發(fā)展開辟出一條新路徑。”日前，中船集團(tuán)七一一所所長董建福告訴科技日報記者。
“逆流而上”
船舶可謂二氧化碳排放“大戶”。一艘1.5萬標(biāo)準(zhǔn)箱、載重20萬噸的遠(yuǎn)洋集裝箱船，碳排放量約為一輛汽車的1000倍。為應(yīng)對全球氣候變化、減少航運溫室氣體排放，近年來，國際海事組織密集出臺減碳規(guī)定，航運業(yè)壓力倍增。
減碳，成為行業(yè)共識。但采用什么方案減卻莫衷一是。“有的方案建議更換船舶燃料，有的方案考慮在排放前脫硫脫碳，還有方案提出優(yōu)化巡航。”中船集團(tuán)七一一所環(huán)裝部總經(jīng)理蘇毅介紹，“我們?yōu)榇私M建研發(fā)團(tuán)隊，努力尋求最優(yōu)解。”
歷經(jīng)數(shù)十次調(diào)研、討論，團(tuán)隊提出了船舶碳捕集技術(shù)路線——給船舶加裝二氧化碳捕集系統(tǒng)。環(huán)裝部年輕的博士李珂成為項目負(fù)責(zé)人，他滿懷熱情地帶領(lǐng)團(tuán)隊申請基于該路線的科研項目，卻處處碰壁。
“當(dāng)時，包括中船集團(tuán)七一一所在內(nèi)的相關(guān)單位都在深耕脫硫脫硝領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)專家并未寄望于船舶脫碳技術(shù)。”李珂回憶。
雖然壓力很大，但李珂沒有放棄。“我們部門在其他領(lǐng)域嘗試全新技術(shù)路線時，也曾遭遇很多質(zhì)疑，但后來證明路線是正確的。有時候，創(chuàng)新就是‘逆流而上’。”
大膽假設(shè)、小心求證。歷時數(shù)月，團(tuán)隊拿出一份扎實的行業(yè)分析報告。在此基礎(chǔ)上，所內(nèi)專家又進(jìn)行了充分討論。不久后，中船集團(tuán)七一一所領(lǐng)導(dǎo)層果斷拍板：干！
申請不到研發(fā)經(jīng)費怎么辦？那就所內(nèi)撥出一筆經(jīng)費，支持自主研發(fā)。“原因很簡單，這事國家需要、行業(yè)需要，有前景、有意義，能成！”大家干勁十足。
“越早拿出產(chǎn)品，越能占據(jù)有利市場地位，這是‘首臺套’的競爭優(yōu)勢。”蘇毅很堅定。他們開足馬力、爭分奪秒，很快就拿出了首套船舶碳捕集系統(tǒng)研制方案。
揪出“白球”
若把二氧化碳比作“白球”，捕集煙氣中的二氧化碳，就好比在一堆顏色各異、魚龍混雜的球里抓捕“白球”。“船舶煙氣中的二氧化碳濃度只有5%至10%，‘白球’太少，捕捉很困難。”李珂解釋。
高效揪出“白球”有兩種辦法：一是提升煙氣中二氧化碳濃度，二是提高二氧化碳捕集效率。“受限于輪船燃料，第一個方案行不通。用第二個方案，就得在吸收劑上做文章。”李珂說，“吸收劑是捕集二氧化碳的關(guān)鍵物質(zhì)，吸收速度越快，捕捉效率越高。”
市面上有十幾種相關(guān)吸收劑，排列組合后可形成幾百種配方。“為了縮小篩選范圍，大家利用計算化學(xué)、分子模擬等技術(shù)進(jìn)行初篩，確定了十多個候選配方。”中船集團(tuán)七一一所環(huán)裝部工程師楊浩然告訴記者。
接下來是做大規(guī)模試驗，確定最佳配方。
利用上海海事大學(xué)一臺3000千瓦的大型發(fā)動機，團(tuán)隊邁出了搭建實驗臺的第一步。建吸收塔、解析塔，安裝鍋爐、儲罐……猶如燕子銜泥，研發(fā)團(tuán)隊一點點壘砌國內(nèi)首個船用二氧化碳捕集系統(tǒng)實驗臺。
最終，他們花了一年半建好實驗臺。為了盡快交付系統(tǒng)，大家鉚著一股勁兒，大冬天經(jīng)常凌晨一兩點還泡在實驗室，調(diào)設(shè)備、盯數(shù)據(jù)。然而，吸收劑的吸收效率始終在60%至70%之間浮動，達(dá)不到理想目標(biāo)。
在累計實驗500多個小時后的一個夜晚，和往常一樣，依舊沒有突破。“明天接著干吧。”李珂開始“收攤兒”。就在這時，他瞥見記錄儀閃現(xiàn)的數(shù)據(jù)——吸收效率超過90%！
深夜的實驗室內(nèi)，幾個年輕人激動不已。他們急忙記錄數(shù)據(jù)，連夜加班優(yōu)化參數(shù)、調(diào)試設(shè)備，連續(xù)奮戰(zhàn)數(shù)天，最終將綜合吸收效率鎖定在80%以上，高效揪出了“白球”。
閉環(huán)作業(yè)
被捕集的二氧化碳如何處理？“得先把它分離出來，這一過程被稱為解析。”李珂介紹，“用傳統(tǒng)工藝解析二氧化碳能耗高，我們必須設(shè)法降低能耗，否則產(chǎn)品不會受市場歡迎。”
團(tuán)隊成員查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)控解析時的壓力能加快解析速度，從而降低能耗。但具體壓力值需要測試才能確定。
“無巧不成書，在一次測試過程中，團(tuán)隊成員不小心操作失誤，本以為會帶來麻煩，沒想到反而大大提高解析速度。”李珂笑道，“誤打誤撞，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種新型的變壓解析方法。”
大家還發(fā)現(xiàn)，調(diào)低解析時的溫度也有利于降低能耗。“但我們不清楚如何操作，就像有武器卻不會用。”楊浩然直言。
得知其他院所有這方面經(jīng)驗，研發(fā)團(tuán)隊與他們合力研發(fā)出一種新型解析催化劑，將解析二氧化碳所需溫度降至100℃以下。同時，團(tuán)隊還采用先進(jìn)熱集成技術(shù)和控制技術(shù)，優(yōu)化二氧化碳解析工藝，進(jìn)一步降低了能耗。
解析出的二氧化碳呈氣態(tài)，易逃逸，必須液化儲存。
“利用含氟制冷劑液化二氧化碳，工藝成熟、成本低，是首選的制冷方案。不過，含氟制冷劑會破壞臭氧層。”楊浩然解釋，《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》及其修正案規(guī)定，發(fā)達(dá)國家自2020年起禁止生產(chǎn)氟利昂22，2030年起停用氟利昂22。
抱著僥幸心理繼續(xù)用含氟制冷劑，還是選用新型環(huán)保制冷劑？著眼于長遠(yuǎn)，研發(fā)團(tuán)隊選擇了后者。他們對比了數(shù)十項制冷劑，最終，R744制冷劑脫穎而出——它不但能讓二氧化碳液化率達(dá)99%以上、液態(tài)純度超99.8%，還能滿足環(huán)保的嚴(yán)苛要求。
歷時多年研發(fā)，2024年5月，全球首套全流程船舶碳捕集系統(tǒng)完成應(yīng)用驗證，成功實現(xiàn)船舶“二氧化碳捕集—解析—液化儲存—卸岸轉(zhuǎn)運—再利用”全流程生態(tài)閉環(huán)作業(yè)。
“2024年底召開的中央經(jīng)濟工作會議提出，積極運用數(shù)字技術(shù)、綠色技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。這讓大家備受鼓舞！”展望未來，董建福信心滿懷，“我們將矢志攻關(guān)，用科技創(chuàng)新驅(qū)動綠色發(fā)展，為全球減碳貢獻(xiàn)中國方案！”
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