讓二氧化碳“無處可遁”
【創新故事】
◎本報記者 代小佩
1月底，荷蘭鹿特丹港內，一艘大型集裝箱船緩緩駛向碼頭。隨着船舶靠岸停穩，工作人員有條不紊地將一個大型液化罐卸岸裝運，罐內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。該系統由中國船舶集團有限公司第七一一研究所（以下簡稱“中船集團七一一所”）自主研製而成。
“全球首套全流程船舶碳捕集系統的成功應用，標誌着我國在海上碳捕集領域邁出了重要一步，為航運業綠色低碳發展開闢出一條新路徑。”日前，中船集團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“大户”。一艘1.5萬標準箱、載重20萬噸的遠洋集裝箱船，碳排放量約為一輛汽車的1000倍。為應對全球氣候變化、減少航運温室氣體排放，近年來，國際海事組織密集出台減碳規定，航運業壓力倍增。
減碳，成為行業共識。但採用什麼方案減卻莫衷一是。“有的方案建議更換船舶燃料，有的方案考慮在排放前脱硫脱碳，還有方案提出優化巡航。”中船集團七一一所環裝部總經理蘇毅介紹，“我們為此組建研發團隊，努力尋求最優解。”
歷經數十次調研、討論，團隊提出了船舶碳捕集技術路線——給船舶加裝二氧化碳捕集系統。環裝部年輕的博士李珂成為項目負責人，他滿懷熱情地帶領團隊申請基於該路線的科研項目，卻處處碰壁。
“當時，包括中船集團七一一所在內的相關單位都在深耕脱硫脱硝領域，業內專家並未寄望於船舶脱碳技術。”李珂回憶。
雖然壓力很大，但李珂沒有放棄。“我們部門在其他領域嘗試全新技術路線時，也曾遭遇很多質疑，但後來證明路線是正確的。有時候，創新就是‘逆流而上’。”
大膽假設、小心求證。歷時數月，團隊拿出一份紮實的行業分析報告。在此基礎上，所內專家又進行了充分討論。不久後，中船集團七一一所領導層果斷拍板：幹！
申請不到研發經費怎麼辦？那就所內撥出一筆經費，支持自主研發。“原因很簡單，這事國家需要、行業需要，有前景、有意義，能成！”大家幹勁十足。
“越早拿出產品，越能佔據有利市場地位，這是‘首台套’的競爭優勢。”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研製方案。
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、魚龍混雜的球裏抓捕“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。“受限於輪船燃料，第一個方案行不通。用第二個方案，就得在吸收劑上做文章。”李珂説，“吸收劑是捕集二氧化碳的關鍵物質，吸收速度越快，捕捉效率越高。”
市面上有十幾種相關吸收劑，排列組合後可形成幾百種配方。“為了縮小篩選範圍，大家利用計算化學、分子模擬等技術進行初篩，確定了十多個候選配方。”中船集團七一一所環裝部工程師楊浩然告訴記者。
接下來是做大規模試驗，確定最佳配方。
利用上海海事大學一台3000千瓦的大型發動機，團隊邁出了搭建實驗台的第一步。建吸收塔、解析塔，安裝鍋爐、儲罐……猶如燕子銜泥，研發團隊一點點壘砌國內首個船用二氧化碳捕集系統實驗台。
最終，他們花了一年半建好實驗台。為了儘快交付系統，大家鉚着一股勁兒，大冬天經常凌晨一兩點還泡在實驗室，調設備、盯數據。然而，吸收劑的吸收效率始終在60%至70%之間浮動，達不到理想目標。
在累計實驗500多個小時後的一個夜晚，和往常一樣，依舊沒有突破。“明天接着幹吧。”李珂開始“收攤兒”。就在這時，他瞥見記錄儀閃現的數據——吸收效率超過90%！
深夜的實驗室內，幾個年輕人激動不已。他們急忙記錄數據，連夜加班優化參數、調試設備，連續奮戰數天，最終將綜合吸收效率鎖定在80%以上，高效揪出了“白球”。
閉環作業
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，“用傳統工藝解析二氧化碳能耗高，我們必須設法降低能耗，否則產品不會受市場歡迎。”
團隊成員查閲大量文獻發現，調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，團隊發現了一種新型的變壓解析方法。”
大家還發現，調低解析時的温度也有利於降低能耗。“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驗，研發團隊與他們合力研發出一種新型解析催化劑，將解析二氧化碳所需温度降至100℃以下。同時，團隊還採用先進熱集成技術和控制技術，優化二氧化碳解析工藝，進一步降低了能耗。
解析出的二氧化碳呈氣態，易逃逸，必須液化儲存。
“利用含氟製冷劑液化二氧化碳，工藝成熟、成本低，是首選的製冷方案。不過，含氟製冷劑會破壞臭氧層。”楊浩然解釋，《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》及其修正案規定，發達國家自2020年起禁止生產氟利昂22，2030年起停用氟利昂22。
抱着僥倖心理繼續用含氟製冷劑，還是選用新型環保製冷劑？着眼於長遠，研發團隊選擇了後者。他們對比了數十項製冷劑，最終，R744製冷劑脱穎而出——它不但能讓二氧化碳液化率達99%以上、液態純度超99.8%，還能滿足環保的嚴苛要求。
歷時多年研發，2024年5月，全球首套全流程船舶碳捕集系統完成應用驗證，成功實現船舶“二氧化碳捕集—解析—液化儲存—卸岸轉運—再利用”全流程生態閉環作業。
“2024年底召開的中央經濟工作會議提出，積極運用數字技術、綠色技術改造提升傳統產業。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，用科技創新驅動綠色發展，為全球減碳貢獻中國方案！”