FPSO·低碳 | 碳捕集技术在FPSO运营中的应用及挑战

基于此，本文详细探讨了第一代和第二代碳捕集技术在 FPSO 的应用，旨在评估这些技术的适应性、效率和面临的主要挑战，为行业提供减碳的新思路和解决方案。

1 第一代碳捕集技术原理及其在FPSO 的适用性和挑战

1.1 燃烧前碳捕集技术原理与适用性

第一代碳捕集技术， 特别是燃烧前碳捕集在FPSO 中的应用，提供了对碳排放的有效管理。燃烧前碳捕集技术主要涉及将燃料在燃烧前转化为气态的合成气（主要是一氧化碳和氢气），再通过水煤气变换反应（Water-Gas Shift Reaction）将一氧化碳转化为二氧化碳和更多的氢气。该过程的核心反应可以表示为

CO+H₂O→CO₂+H₂

在 FPSO 中，此技术通过改造现有的燃料加工设施，集成到能源管理系统中。生成的二氧化碳被胺溶液等吸收剂捕集，经再生过程释放纯净 CO2，可压缩存储或利用。

燃烧前碳捕集技术在 FPSO 运营中适用性强，因设施在远离陆地的海洋环境，直接管理碳排放能降低环境影响。 该技术能从源头减少碳排放，提高燃料效率，处理天然气或轻质原油时效果尤佳。同时，产生的更多氢气能提高设施能效，支持 FPSO 动力系统。

1.2 燃烧后碳捕集的技术原理与适用性

第一代碳捕集技术中的燃烧后碳捕集（Post-Combustion Capture）技术在工业规模上成熟且应用广泛。其核心是用胺基溶剂等化学吸收剂从燃烧排放的烟气中捕集二氧化碳。在 FPSO 运营中，该技术能有效减排。当烟气上升通过塔时，二氧化碳被液态胺溶液如单乙醇胺（MEA）捕获，反应式为：

这一反应在吸收塔中发生，在其中二氧化碳从气态转变为被胺溶剂捕获的液态复合物。随后，富含二氧化碳的吸收剂被泵送至再生塔，其中加热过程将二氧化碳从吸收剂中释放出来，再生吸收剂，以便再次使用。而纯净的二氧化碳气体则可以压缩和输送，以用于储存或进一步利用。

在 FPSO 中，燃烧后碳捕集技术适用性显著。因为 FPSO常用能源是天然气，燃烧产物主要是水蒸气和二氧化碳，便于捕集。而且 FPSO 运营地远离人口密集区，直接排放二氧化碳的环境和政策压力大，采用此技术能有效减少环境影响，符合海洋开采环境保护的国际要求，是实现可持续发展的重要途径。燃烧后捕集技术示意如图 1 所示。

1.3 第一代捕碳技术壁垒

然而，无论是燃烧前还是燃烧后的碳捕集技术，都面临诸多挑战。

（1）技术整合的复杂性。燃烧前碳捕集技术需要在有限的空间内重新配置或升级现有的燃料处理系统。此外，碳捕集设施的安装和运维需要专业的技术支持。由于在海上环境中尤为困难，设备的耐腐蚀性和抗海洋环境侵蚀的能力也是设计时必须考虑的关键因素。

（2）因 FPSO 的空间有限。燃烧后碳捕集技术需要集成大型的碳捕集设施。因此，在设备的布局上需要精心设计与优化。碳捕集系统的能耗和运维成本较高，特别是在海上环境中，系统的维护和运营复杂度增加，会对 FPSO 的经济效益产生影响。此外，从 FPSO 运送二氧化碳到最终的储存或利用地点也是一大挑战，需要建立相应的物流系统。

2 第二代碳捕集技术的研究进展与 FPSO 的潜在应用

2.1 直接空气捕集技术的研究状态和应用前景 直接空气捕集技术（Direct Air Capture， DAC）作为第 二代碳捕集技术中的一项革新技术，主要利用化学过程直接 从大气中捕获二氧化碳。与传统碳捕集技术针对特定排放源 不同，DAC 技术不依赖特定的排放源，提供了更为灵活的减 碳解决方案。此技术在 FPSO 上的应用具有显著潜力，因为 它能够在不依赖陆地基础设施的情况下，从环境中直接减少CO2 的浓度。DAC 技术主要通过两种方法实现：一是基于碱 性溶液的捕集，二是使用固体吸附剂。基于溶液的方法中， 空气被引入含有碱性溶剂的反应器，其中 CO2 与溶剂反应生 成碳酸盐，该反应可以表示为：

CO+2OH^-→CO^2-+HO

反应后，溶剂可以通过加热再生，释放出纯净的 CO2，再生过程通常涉及温度或压力的变化。固体吸附剂方法则使用具有高 CO2 亲和力的材料在常温下直接从空气中吸附CO2，再通过热或压力改变释放 CO2。DAC基本工艺流程如图 2 所示。

将 DAC 技术应用于 FPSO，主要面临的挑战是设备的 能源需求和占用的空间较大。由于FPSO 平台的空间和能源 有限，DAC 系统必须高度集成且能效高。在FPSO 上应用 DAC 技术，可以直接从海上作业的环境空气中捕集CO2，这 不仅有助于减少全球温室气体的浓度，还能将捕集的 CO2 用 于油田的增强回收或者转化为有用的化学品，从而实现碳的 循环利用。对于在 FPSO 运营中应用 DAC 技术，最大的前景 在于它提供了一种独立于传统碳排放源的碳减排方法。这意 味着 FPSO可以在不直接依赖于其燃烧过程中 CO2 排放的情 况下，有助于降低大气中二氧化碳浓度。

2.2 研发阶段的技术如何适应 FPSO 的特殊需求 

第二代碳捕集技术，如改进的吸收剂、吸附技术、膜分 离技术和新兴的电化学方法，在研发时就要考虑适应 FPSO 的运营环境。FPSO运营有空间限制、海上环境动态变化、 能效和经济性要求高等特点，给碳捕集技术带来特殊挑战。 

设计适用于 FPSO 的碳捕集系统，紧凑性至关重要。因 空间有限，新系统要高度集成且占地小，如采用小型化、模 块化设计，让碳捕集装置易集成到现有平台，研发紧凑型单 元，在不占过多甲板空间下高效运作。

FPSO 的运营成本对任何技术改进都是一个关键的考量 点。第二代碳捕集技术应致力于降低能源消耗和操作成本。 例如，通过使用低能耗的固体吸附剂或改进的化学吸收循环， 可以减少整体能耗。同时，技术研发需要关注减少化学试 剂的消耗和提高其再生效率，这对于降低长期运营成本至关 重要。 

海上动态环境要求技术能适应海洋气候条件。技术设计 要保证在波动条件下稳定可靠，包括防腐蚀和处理因 FPSO 运动产生的机械应力。如膜分离和电化学技术设计要考虑防 水、防盐雾，确保长期稳定运行。 鉴于 FPSO 人力资源有限，新碳捕集系统要高度自动化， 与现有控制系统无缝集成。自动化能减轻船员依赖，确保无 人监控时高效运行，还应具备远程监控和故障诊断能力，以便及时调整操作参数或维护。

2.3 实验室到海上应用的挑战与解决方案

在将第二代碳捕集技术从实验室研究推广到FPSO 的海 上应用中，会面临一系列的技术、环境和经济挑战。这些挑 战来源于技术本身的研究状态、海上运营环境的特殊性以及 相关技术的经济可行性。第二代碳捕集技术，如改进的吸收 剂、吸附技术、膜分离和电化学捕集，虽在实验室内显示出 高效的 CO2 捕集能力，但在实际应用中需面对严峻的环境因 素。FPSO 运营环境特别复杂，受到高盐分、高湿度及船体 摇摆的影响，这要求碳捕集系统必须具有极高的耐腐蚀性和 稳定性。例如，膜分离技术需要确保膜材料在咸湿环境下不 会迅速老化，同时系统应具备防止海水污染的能力。FPSO 的空间和负重都极为宝贵，任何新增的设备都必须在不显著 增加重量和占用过多空间的前提下进行设计。第二代技术往 往涉及更为复杂的设备和材料，这需要开发更为紧凑、轻量化的碳捕集系统。工程团队需要创新设计，使新系统能够与FPSO 现有的结构和能源系统高效集成。海上设施的能源主 要依赖于燃油，这意味着任何增加能耗的设备都可能引发整 体运营成本的上升。第二代碳捕集技术通常需要较高的能量 输入以维持运作，如电化学捕集技术的能耗就相对较高。因 此，优化这些技术的能效，降低运行成本，是实现其海上应 用的关键。 

针对上述挑战，研究人员和工程师正通过多种策略寻求 解决方案。首先，通过材料科学的进展，开发出适合海上环 境的高耐腐蚀、高稳定性的新材料。同时，采用模块化、可 扩展的系统设计，以适应 FPSO 的空间和结构限制。此外， 结合能量管理技术，如采用太阳能等可再生能源，可为碳捕集系统提供部分所需电力，从而降低对传统燃料的依赖。

3 结语

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