液化二氧化碳（LCO2）运输概览

1. CO2的商业运输（商业部分）

如果你去买外带冰激凌，很可能用到干冰来帮助保温；如果你去看戏，很可能用干冰来制造烟雾；如果你在船上，大概率你会发现二氧化碳灭火器；你在开车……你在呼吸……二氧化碳在我们生活中无处不在。

CO2 是最主要的温室气体，全球面临着脱碳的挑战，二氧化碳的捕捉封存（常缩写为CCUS或者CCS，Carbon Capture, Utilisation and Storage，非彼CCS……更不是货物维护系统的CCS（cargo containment system））成为一大热点，并给LCO2的运输带来商业需求。

1.1 陆上

LCO2的陆上运输主要有管道和槽车两种方式，基本以接近室温，较高压力的状态运输LCO2，用于工业与食品生产。在一些LCO2 终端的设计中也有对路上管道、槽车的接口。

1.2 海上

目前正在营运的LCO2运输船大约有4艘，都是小型船舶，容量在2000立方左右，运输的LCO2主要用来制造汽水和啤酒。这些食品级LCO2的运输已经安全进行了15年左右。

一部分二氧化碳注入项目原理：简单而言，是将LCO2加温升压后注入废弃的石油和天然气矿层中，填满多孔岩石的缝隙，经过与地下特定矿物成分反应变成“石头”。这就形成了一个很有趣的循环，先卖油气，再卖碳封存的空间，一块地皮卖两次……这造成了碳封存资源的不均匀性，给LCO2运输，特别是船舶运输带来一定商业需求。有研究表示在未来五年内，欧洲市场会达到每年3000万吨二氧化碳的运输需求。

图1 二氧化碳变石头

图2 二氧化碳排放源与注入资源的不均匀性

除了专门的LCO2运输船外，浮式储存和注入单元，船上碳捕捉也是LCO2的运输与处理载体，但并非气体运输船范畴，暂不列入讨论。

2. LCO2船舶运输的相关法规

这里我们仅泛泛地讨论LCO2运输船公约适用性的特殊考虑，并且只考虑二氧化碳单一货品。这一部分不会详细介绍细节，一些具体的解释会在后文中展开。

2.1 SOLAS：非tanker

二氧化碳是不可燃的，所以在适用SOLAS部分条款时，LCO2运输船不作为液货船考虑。

2.2 IGC Code：Ch.17,19 以及 circ1213

LCO2是现行IGC Code Ch.19的货品之二，LCO2运输船需要满足IGC Code相关条款。83版本IGC Code没有区分CO2，2014版本中LCO2区分为高品质和再利用品质，两者只有17. 22一个普遍要求的区别。另外，MSC.1/Circular.1213[1]介绍了关于LCO2运输条款的解释，尽管这一通函是基于1993版本的IGC Code编写的，但可以找到各个解释在2014版本IGC Code中对应的文字，一般可以扩展理解。

货品名称	船型	气体探测	测量	特殊要求
二氧化碳	3G	-	C	-

表1 1983 IGC Code中CO2运输要求（简化）

货品名称	船型	气体探测	测量	特殊要求
二氧化碳（高品质）	3G	A	R	17.21
二氧化碳（再利用品质）	3G	A	R	17.22

表2 2014 IGC Code中CO2运输要求（简化）

接下来是一些个人观点：在以往的IGC Code修订中，编写者并没有对LCO2的运输进行系统研究，当时也没有广泛运输LCO2的需求，因此IGC Code对LCO2的要求还有一些缺陷和错误理解。建议在设计LCO2运输船时应比现行IGC Code考虑得更多。

2.3 对IGC Code 的建议

尽管我们对LCO2的认识依然不够全面，但目前对IGC Code条款的一些建议能够帮助业界更好地理解LCO2运输的特殊性，避免在现实世界中交学费。

① 二氧化碳的主要危害不是窒息性，而是毒性，但又不是那么毒。因此IGC Code中对有毒货品的要求应该考虑部分适用。

② 两种二氧化碳：高品质和再利用品质没有明确的定义，事实上ppm等级的杂质就会引起LCO2 的性质变化。

③ LCO2必须在至少6bar的压力下运输，失压也会导致其剧烈相变，是需要防止发生的事件。限制型测量设备，例如slip tube，是不建议使用的。

④ 二氧化碳是不燃的。

考虑上述四点，笔者建议修订且合并17.21与17.22（考虑篇幅，这里不展开17章的修订内容，后面会介绍，具体可见参考文件[2][3]），并对二氧化碳运输的进一步提议如下：

货品名称	船型	气体探测	测量	特殊要求
二氧化碳（高品质）	3G	A   T	R   C	17.21 14.4.2 14.4.4
二氧化碳（再利用品质）	3G	A	R	17.22

表3 建议的 IGC Code中CO2运输要求（简化）

对IGC Code各章节的应用和理解如下：

IGC Code Chapter	Application for CO2	Remarks
1 – General	Applicable	-
2 – Ship survival capability and location of tanks	Applicable	-
3 – Ship arrangements	Applicable	3.1.2 and 3.1.3 – A single gastight  bulkhead A-0 class may be sufficient 3.2.5 – A-60 Class may not be required 3.2.6 – Air inlet and outlet capable  of being operated from inside the space 3.3.1 – May not require explosion  prevention. Consider SOLAS II-2/9.2.3 for fire protection 3.8.2 – Bow cargo transfer may be  allowed 3.3.4 – Bulkhead may not be required 3.6 – Airlocks may not be required
4 – Cargo containment	Applicable	-
5 – Process pressure vessels and liquids, vapour and pressure  piping systems	Applicable	5.7.4 may not be required
6 – Materials of construction and quality control	Applicable	-
7 – Cargo pressure/temperature control	Applicable	If a flammable or more toxic refrigerant is used in reliquefaction  system, then this should be considered further
8 – Vent systems for cargo containment	Applicable	-
9 – Cargo containment system atmosphere control	Significant Exclusions	9 – May not require inert gas. Dry air may be required to prevent  condensation in cargo tanks and piping 9.3 – Dry air to prevent condensation in space
10 – Electrical installations	Significant Exclusions	10 – May not require any measures for  fire prevention from cargo 10.2.6 shall applied
11 – Fire protection and  extinction	Significant Exclusions	11 – May not require fire protection  and extinction from cargo. May be able to use SOLAS requirements for general  cargo vessels
12 – Artificial  ventilation in cargo area	Applicable	12.1.1– Required 12.1.7– May not require explosion prevention.
13 – Instrumentation and  automation systems	Applicable	13.6.5; 13.6.6 should be  applied
14 – Personnel protection	Applicable	14.3.2.4; 14.4.3 may not  apply 14.4.2; 14.4.4 should be  applied
15 – Filling limits for  cargo tanks	Applicable
16 – Use of cargo as a  fuel	Not applicable	16  – Cargo cannot be  used as fuel. Other type of fuel used will require additional measures and  may require reinstating requirements for other Chapters
17 – Special requirements	Applicable	-
18 – Operating  requirements	Applicable	18.10.3.2 – may not required
19 – Summary of minimum requirements	Applicable	Recommended changes  are given in Table 3. Reclaimed quality does not require a separate column  and can be captured in the text of the IGC Code

表4  IGC Code中LCO2运输要求的部分理解

以上均为个人观点，实际以IGC Code修正案为准。

2.4 其他标准

ISO 27913[4] 给出了CO2管道运输的一些标准，尽管它不是船用标准，其中对CO2的考虑方面对船舶设计是非常有帮助的。

3. CO2运输方案

3.1压缩气体、超临界体与固体

CO2 可作为压缩气体在罐柜内运输，也可以在管道内压缩至超临界状态运输，我们熟知的机舱固定式高压二氧化碳灭火系统钢瓶内的二氧化碳在温度较高的情况下也会变成超临界体。目前也有比较缥缈的干冰运输船概念设计。这些都不是液化气体运输船所管辖的范畴，暂不纳入讨论范围。

3.2 液相运输：LP，MP和HP

与丙烷和丁烷类似，LCO2 能在自三相点（大约-56℃，5.2bara）到临界点（大约31℃，74bara）的很大范围内运输。几种主流设计方案主要分为低压（6-7bara），中压（15-20bara）和高压（30bara+）[5]。随着压力降低，液货舱尺度和船舶载货量可以更大，但是对液货状态控制要求更高，目前主流的设计和在建项目以中压为主。

图3 CO2三相图

LCO2的运输可以视作：为了环保，拉了一票垃圾找地方掩埋……液货压力与温度的选择，不仅需要考虑技术难度和船舶本身的经济性，还应该考虑在整个碳捕捉，运输和封存中的总能耗。这牵涉到二氧化碳捕捉时的状态，运输状态和封存状态之间的差异。

举个例子，在压焓图中，A为二氧化碳捕捉状态点，B为运输状态点，C为封存状态点，捕捉、液化、运输、加压加温、封存的路径如红线。整个过程的焓变大致表示了需要的能量，应该根据各项目的实际情况选择最优方案。

图4 碳捕捉封存的整体路线

3.3 兼装船的可行性（偏商业性）

为了使LCO2运输船更有商业竞争力，一些设计方给出了LCO2、LPG兼装船的方案。从液货舱角度来说，LCO2和LPG在温度压力组合上可以做到兼容。但是在其他货物控制系统的设计上，要兼容两个性质差异较大的货物是比较困难和不经济的。笔者不负责地认为未来大势所趋应该是LCO2专用运输船。

4.已知的Gap

4.0 什么是LCO2？

知己知彼百战百胜。对于LCO2我们了解得很少。在研究过程中曾有人这么说：相信我，LCO2比LNG难多了。

气体运输船的设计始终围绕货物的特性。LCO2的主要潜在货源是各种碳捕捉场景，他们使用不同的燃料，不同的燃烧和碳捕捉技术，里面含有不同的杂质，这导致不同货主提供的LCO2性质区别很大。连LCO2 的性质都无法确定，谈何设计？

幸运的是，纯二氧化碳的风险不是很大。不幸的是，加上不同成分的杂质让他变得很复杂。LNG中有氮气，不会根本改变LNG的主要风险是易燃易爆，LCO2中含有H2S，则会变成另外一个样子。目前，LCO2的运输很难达成一个全球通用的标准，设计师需要考虑最糟糕的货物质量。

4.1 商业模式

在可见的未来，LCO2是垃圾。

笔者在参加的各种讨论中避不开的一个话题是value chain。碳捕捉封存的成本是很高的，经济上的可行性是决定项目的主要因素之一。目前几个试点项目都有政府背景的巨大投资在支持，在感谢这些先行者的同时，也应该认识到这个商业模式是不可持续的。与传统液化气体运输行业相比，钱少事难办可能会是常态，这也通常意味着船舶配置和人员水平的降低。

4.2 材料强度，腐蚀及应对

为了避免货舱板厚过大，应力集中和热处理难度太高，目前中压LCO2运输船货舱采用屈服强度约为700MPa的超高强度钢材，这已经超出现行IGC Code的设计范围[6]。一些替代的试验方案正在被应用，但仍需要时间和实践去证明。

带杂质的LCO2具有很强的腐蚀性，常规的304,316不锈钢也不能解决这一问题。目前营运和设计的LCO2运输船对货物的纯度要求非常高，因此不会有很多麻烦。随着CCUS客户增多，花样百出的LCO2质量导致的问题可能会显现。另一方面，在实验室中，人们还在研究怎么把杂质成功地加入LCO2中去……

4.3 人为因素

总体而言，LCO2风险比LNG低，CO2灭火系统也比较常见，这会给操作人员带来一些盲目自信的资本，也会给一些没有气体运输经验的公司想要尝试的动机。设计时应将人为因素降到最低，针对LCO2的特殊培训也是STCW目前没考虑到的点之一。（碎碎念，一些新项目要求船员有15年以上LCO2运输经验，这基本是不现实的。）

5. 小结

液化二氧化碳的运输风险有限，却也并不简单。目前业界有限的经验无法解决很多问题，从很高纯度，点对点，较为成熟的中压LCO2运输中积累经验，过渡到低纯度和其他新颖设计可能是比较现实的技术实现路径。这篇专题也只是从现有的经验去进行分析，给想要了解LCO2运输的人一些启发。

[1] MSC.1/Circular.1213 – Interpretation and Application of the IGC Code for Ships Carrying Liquefied Carbon Dioxide in Bulk – (15 December 2006)

[2] CCC 9/4/3 Proposal to amend CO2 special requirements (paragraphs 17.21 and 17.22) and CO2 classification (chapter 19)

[3] CCC 9/4/6 Comments on document CCC 9/4 on requirements to carbon dioxide

[4] Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Pipeline transportation systems

[5] 这里的低压、中压和高压只是LCO2运输讨论中的特定俗称，不可以引申至其他概念

[6] 参见IGC Code Ch.6 table 6.2 note 5，以及IACS URW1，MSC.1/Circ.1622