船用液态二氧化碳存储舱选材探讨

王晓亮,张晓平,解卫阔,赵超,王廷勇

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司,山东 青岛 266101)

随着全球气候变暖和极端气候频发,气候变化问题已经成为人类社会发展面临的重要挑战,而温室气体排放是造成长期气候变化的最主要因素。为应对温室气体排放问题,联合国在近20年颁布了一系列的公约和协定。作为最为经济、节能的运输方式,航运业是全球贸易和世界经济发展的重要支撑,在全球能源转型中发挥着重要作用,航运业推出了一系列的减排政策努力减少温室气体排放。2018年4月,国际海事组织(IMO)通过一项温室气体减排战略,提出到2050年将航运业产生的温室气体总排放量与2008年相比至少减少70%的明确目标[1],并朝零碳排放目标逐步迈进。2020年以来,绿色环保型船舶的需求迎来高峰,提高能源转化效率、创新技术研发和引进替代燃料等措施刻不容缓。

航运业完全脱碳需要用新的零碳燃料取代化石燃料,绿氨、绿色甲醇和绿氢等一系列零碳燃料均在考虑之中。然而,零碳燃料投入使用仍需要时间,IMO已经制定了在未来几年内实现排放和碳强度降低的短期措施,要求船东和运营商满足临时排放法规。部分船舶可以通过多种能效管理手段,如营运优化、提高船舶传动效率、船舶管理优化和使用新型节能技术降低船舶能耗,从而达到降低二氧化碳排放量的目的。但是对于航速较低的散货船和油轮等船舶,降速空间较少,难以满足相关法律法规的要求。作为船舶尾气后处理技术,船用碳捕集和存储(OCCS)技术适用于所有船舶,能够填补船舶能效管理和替代燃料在碳减排领域不能覆盖的空白区域,为实现未来船舶碳减排目标提供更多的选择。因此,使用船OCCS技术来减少船舶运行过程中的碳排放引起了船东和运营商的广泛关注。

1 船用碳捕集和存储技术

根据捕集系统的技术基础和实用性,二氧化碳捕集系统通常分为三种:燃烧前捕集、燃烧中捕集(富氧燃烧)和燃烧后捕集[2],三种捕集系统的主要技术路线如图1所示。二氧化碳燃烧后捕集是指将二氧化碳从含碳燃料燃烧生成的烟气中分离、富集的一种技术。相较于燃烧前碳捕集技术和燃烧中碳捕集技术,燃烧后捕集系统位于燃烧系统的下游。如果是改造工程,仅需要在现有的系统后增设二氧化碳捕集装置,对原有系统的改变较少。

图1 不同二氧化碳捕集技术路线图

船用碳捕集与存储系统(燃烧后捕集)是为对使用燃油等含碳存储的船舶发动机尾气中去除二氧化碳的船舶配套系统,能够实现尾气预处理,二氧化碳吸收,二氧化碳解吸,二氧化碳压缩液化和液态二氧化碳存储。目前,国内仅有几家船舶配套设备厂家研发的船用碳捕集系统获得船级社的原理认证,大多数船舶配套设备厂家正处于研发阶段,尚未有实船应用业绩,整体相关产业处于发展初步阶段。国内相关厂家研发的船用碳捕集与存储系统均采用了燃烧后捕集技术,该技术采用方法主要有化学吸收、物理吸收、吸附法、膜分离法和低温分离法等,化学吸收法作为目前应用最为成熟的技术,常作为首选方案。

化学吸收法船用碳捕集系统一般由预处理单元、二氧化碳吸收单元、二氧化碳解吸单元、二氧化碳增压单元、二氧化碳液化单元、二氧化碳存储单元、控制系统、通风系统及安保及检测系统等组成。存储舱的成本与存储舱的类型、设计压力、设计温度和材料等因素相关。本文在3 000 m3设计容积下,对不同C型液态二氧化碳存储舱材料成本进行对比分析,得到更加合理的设计方案,为船用C型液态二氧化碳存储舱的设计选材提供参考。

2 不同存储方式下存储舱材料成本分析

2.1 船用液态二氧化碳存储方式

二氧化碳经吸收-解吸后,需要经过压缩、干燥、液化后进行存储,以降低二氧化碳存储对船舶空间的需求。由图2知,二氧化碳的三相点压力为0.512 MPa,温度为-56.55 ℃,所以以液态存储的二氧化碳,其存储压力(绝对压力)要高于0.512 MPa,存储温度要高于-56.55 ℃,又因为临界点温度为30.98 ℃,临界点压力为7.37 MPa,所以其存储压力和温度同时也不能超过其临界点,以免其发展成为超临界流体。

图2 二氧化碳三相图

工业上,液态二氧化碳存储通常采用常温全压、低温中压和低温低压三种方式:常温全压存储方式下,二氧化碳存储装置的设计压力和温度分别为7.21 MPa和30 ℃,此状态下二氧化碳的气化潜热为60 kJ/kg,密度为593.31 kg/m3;低温中压存储方式下,二氧化碳存储装置的设计压力和温度分别为1.9 MPa和-20 ℃,气化潜热为303 kJ/kg,密度为1 075.7 kg/m3;低温低压存储方式下,二氧化碳存储装置的设计压力和温度分别为0.9 MPa和-50 ℃,气化潜热为340 kJ/kg,密度为1 154.6 kg/m3。

对于船舶,采用常温全压存储方式设计的对应的C型液态二氧化碳存储舱质量对于船舶是很大的负担,对船舶运载能力的影响是不可接受的,因此,船用C型液态二氧化碳存储舱,建议采用低温中压(-35 ℃,1.9 MPa)或者低温低压(-55 ℃,0.9 MPa)存储方式。

2.2 液态二氧化碳存储适用材料

根据GB 150《压力容器》、GB 713《锅炉和压力容器用钢钢板》、GB 3531《低温压力容器用钢板》、GB/T 24510《低温压力容器用镍合金钢板》、BS EN 10028-6:2017、CCS《材料与焊接规范2021》等规范以及《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(IGC 规则)、DNV、LR和CCS等船级社规范,常用压力容器用金属材料,如碳钢、碳锰钢、镍合金钢、不锈钢或铝合金等,均可用于船用C型液态二氧化碳存储舱[3-8]。其中,由于铝合金的许用应力较低,通常情况下只会采用铝合金制作设计压力较低的B型舱,而二氧化碳液态存储的压力较高,因此,铝合金不适用于C型液态二氧化碳存储舱。本文中主要选择16MnDR[9]、15MnNiNbDR[10]、1.5Ni、5Ni、P355NL1/L2、P690QL1/L2作为研究对象,对不同材料的存储舱成本进行分析对比。上述材料许用应力及最低许用温度如表1所示。

表1 主要压力容器用材许用应力及最低许用温度

2.3 材料适用的存储方式

IGC规则第6章构造材料和质量控制第6.4节对金属材料的要求中规定用于设计温度低于0 ℃和至-55 ℃的存储舱和存储舱部件的碳锰钢应为全镇静、铝处理的细晶粒钢材料,如焊后热应力完全消除,可在比设计温度低5 ℃或-20 ℃(取其低者)的温度进行试验。因为16MnDR、15MnNiNbDR、P355NL1、P690QL1和P690QL2材质的C型存储舱需要进行焊后热处理,所以上述16MnDR、15MnNiNbDR、P355NL1和P690QL1材料均满足设计温度-35 ℃液态二氧化碳存储舱设计要求,高强度低合金钢P355NL2、P690QL2和低温镍钢09MnNiDR、1.5Ni 材料均满足设计温度-55 ℃液态二氧化碳存储舱设计要求。

除上述材料,3.5Ni钢、9Ni钢和S30408不锈钢等低温压力容器用钢均满足低温中压和低温低压存储方式的设计条件,从GB/T 24510中来看,3.5Ni钢和1.5Ni钢相比,镍含量由1.3%～1.7%提高到3.25%～3.75%,最低使用温度由-65 ℃扩展到-100 ℃,但力学性能尤其是屈服强度和抗拉强度上并没有明显的提高,而且3.5Ni钢的价格高于1.5Ni钢,而且-65 ℃已经满足低温低压存储方式的设计温度,因此,本文中不建议选择3.5Ni钢作为液态二氧化碳存储舱材料。9Ni钢和S30408不锈钢的价格均为上述钢材价格的数倍,导致其存储舱成本也是上述材料存储舱价格数倍,因此,从经济性方面考虑,本文也不建议选择9Ni钢和S30408不锈钢作为液态二氧化碳存储舱材料。

本文中,16MnDR、15MnNiNbDR、09MnNiDR、1.5Ni、P355NL1/L2和P690QL1/L2等低温钢适用的存储方式及主要设计参数如表2所示。

表2 低温钢材质液态二氧化碳存储舱的主要设计参数

2.4 存储舱材料成本对比

基于市场调研的结果,得到近期各牌号钢材近似单价如表3所示。

表3 各牌号钢材单价

由于C型液态二氧化碳存储舱需要进行焊后热处理,国内主要船用存储舱生产厂家整体焊后热处理的C型液氨存储舱容积生产能力可以达到3 000 m3左右。因此本文选择设计容积3 000 m3的C型液态二氧化碳存储舱为研究对象。

在存储舱容积3 000 m3、不同存储方式下,对不同材质液态二氧化碳存储舱质量和材料成本进行分析对比,得到更合理的设计方案。

图3对比了低温中压存储方式下不同材质3 000 m3C型液态二氧化碳存储舱质量和材料成本,从图中可以看出,16MnDR材料存储舱最重,大约737 t,但成本最低,P690QL1材料存储舱质量最轻,大约460 t,15MnNiNrDR材料存储舱成本最高。其原因在于,16MnDR的材料成本最低,虽然15MnNiNrDR的许用应力比16MnDR高15%,但其价格却是16MnDR 的约1.6倍,其成本远高于16MnDR材料的存储舱。图3表明,相对于16MnDR、P355NL1和15MnNiNrDR,P690QL1材料的存储舱质量分别降低了40.2%,37.1%和31%,而且,16MnDR、P355NL1和15MnNiNrDR材料的C型存储舱筒体壁厚均达到70 mm以上,增加了存储舱的制造难度。因此,低温中压存储方式下3 000 m3C型液态二氧化碳存储舱建议选择P690QL1等低温高强度钢。

图3 低温中压存储方式下不同材质二氧化碳

图4对比了低温低压存储方式下不同材质3 000 m3C型液态二氧化碳存储舱质量和材料成本。

图4 低温低压存储方式下不同材质二氧化碳

从图4中可以看出,09MnNiDR材料存储舱最重,P690QL2材料存储舱质量最轻,1.5Ni材料存储舱成本最高。原因在于,5Ni钢的许用应力与P355NL2相同,仅比09MnNiDR高14%左右,但其单价分别是P355NL2和09MnNiDR的约2.1和1.9倍,因此其成本远高于1.5Ni和P355NL2。P690QL2材料存储舱材料成本仅高于P355NL2,在于其材料价格大约为P355NL2的2倍,相对于09MnNiDR、1.5Ni和P355NL2,P690QL2材料的存储舱质量分别降低了36.8%,29.8%和29.8%。因此,在考虑到存储舱质量和存储舱材料成本的情况下,本文建议船用液态二氧化碳低温低压存储方式应使用P690QL2等低温高强度钢。

3 结论

本文对船用碳捕集液态二氧化碳存储舱适用的存储方式和相应的存储舱材料进行了分析研究,通过在存储舱容积3 000 m3、不同存储方式下,对不同材质存储舱材料成本进行分析对比,得到更加合理的设计方案:

1)在低温中压和低温低压存储方式下,由于材料成本最低,使用16MnDR/P355NL1等低温碳钢存储舱材料成本最低;

2)在低温中压和低温低压存储方式下,相较于其他材料,使用P690QL1/P690QL2低温高强度钢存储舱可以大幅降存储舱质量,对船舶的运载能力影响较小;

3)综合考虑到存储舱质量和存储舱材料成本的情况下,船用碳捕集系统液态二氧化碳低温存储应使用P690QL1/P690QL2等低温高强度钢。