文 | 原國家計委節(jié)能局研究員高工 夏武祥

美國紐約時間2019年3月28日，世界氣象組織的《2018年全球氣候狀況聲明》在聯合國總部正式發(fā)布。與過去不同，聯合國秘書長參加發(fā)布，足見問題之重大。這份報告全面概述了全球溫度、重要影響事件和長期氣候變化關鍵指標的狀況，揭示了二氧化碳濃度、北極和南極海冰、海平面和海洋酸化程度等關鍵數據。其核心結論是，地球病入膏肓，全球正在加速變暖。

此次對地球氣候的診斷主要涉及以下數據：全球平均溫度、全球溫室氣體含量、海平面高度、海洋熱含量、海洋酸堿度、北極海冰、南極海冰、格陵蘭島冰川、南極冰川、山地冰川、極端干旱事件、熱帶氣旋、極端降水事件等。其中，全球平均溫度、海洋熱含量、海平面高度、全球溫室氣體含量、兩極冰雪量是最為核心的指標。

過去5年（2014-2018年）的全球平均溫度，比工業(yè)革命前高（1.04 ± 0.09）℃。全球碳排放量最近兩年連續(xù)增加，2018年更是創(chuàng)下歷史紀錄。

人類大量燃燒化石燃料是氣候變暖的主要原因，這已經成為共識，但化石燃料仍是當前最主要燃料的狀況并沒有改變。主要的原因是，目前還沒有與它有同樣性能或更多優(yōu)點而可取代它的新能源。要大幅度乃至完全取代它，人們必須找到滿足下述要求的能源：

（1）具有化石燃料的高能量密度和方便的運輸使用性質；

（2）能用低碳能源產生出來；

（3）能夠長距離安全運輸，這一點在經濟全球化時代尤為重要；

（4）能夠長期安全存儲，而且損失很??；

（5）能夠用于穩(wěn)定地發(fā)出各種功率的交通工具和電站發(fā)電；

（6）大量存在，不是稀有物資；

（7）最好還能夠回收循環(huán)使用。

地球上的可再生能源儲量非常大，人類遠遠用不完。我國可利用的太陽能、風能也十分豐富，如能充分利用，完全可以成為主力能源的組成部分。我國風電經約30年的發(fā)展，取得了很大成績，成本可以與化石能源相當，具備與之展開競爭的條件。但為什么風電發(fā)電量只占全部發(fā)電量的5.2%，還有幾百億千瓦時的棄風電量？尤其是新疆、甘肅、內蒙古，棄風率竟分別達到23%、19%、10%？雖然花巨額投資建了幾條高壓直流輸電線路，也采取供電轉供熱和抽水蓄能、高壓空氣儲能、電池儲能等措施，取得一定效果，但仍未徹底予以化解。就是因為沒能從根本上解決可再生能源資源發(fā)電與用電負荷地點不一，和可再生能源的間歇性、不穩(wěn)定性、大量儲能困難的問題。因此，必須從轉換風的能量供給和使用方式上下功夫，找到合用的風能載體。這種載體應具有與化石能源一樣的優(yōu)點，又不會造成環(huán)境污染，達到上述的七點要求。

通過人們不斷努力，現在有了已成熟的和經試驗證明有效的技術，能夠獲得符合上述七點要求的風能載體。當下，應當在風能利用已經取得成功的基礎上，抓緊時機乘勝前進，使風能率先成為能源的重要組成，也為其他可再生能源擴大應用積累經驗。具體途徑是：

（1）生產大量符合要求的風能載能體—微納米金屬顆粒（粉）：原料元素選擇的標準是，微納米金屬元素作為燃料，必須能夠與氧反應，有足夠的能量密度，無毒、無放射性或其他危險元素，無二氧化碳排放。經過認真研究，初步篩選出鐵、鋁、鎂、硅、鈦、硼、鋅七種材料。其中，鐵、鋁、硅儲量豐富，價格也比較便宜（ 以下以鐵粉為例）。在冶金文獻中，硅、硼與硒、碲、砷五種元素均被列為“半金屬”類，其物理化學性質介于金屬與非金屬之間。有單位鑒于硅儲量大、價格低，硼能量密度高，也在對將其作為能源的可行性進行研究；但由于目前需要用稀有和昂貴產品作為還原劑，相關研究還在進一步推進中。其實，隨著技術的進步，今后可能有更多種元素進入人們的視野。

用金屬顆粒作為燃料并非始于今日，很久之前就有的煙火，以及近代航天器的助推火箭，都是以金屬顆粒為燃料。但由于其使用的局限性（如用于火箭燃料，金屬顆粒不與空氣中的氧氣接觸，必須帶氧化劑），把金屬顆粒作為能源，實際上被人們嚴重忽視，至今只有極少單位進行研究，更談不上大量使用。需要大聲疾呼的是：現在人類應當重新認識和定位金屬顆粒是能源，確定其在能源組成中應有的重要位置。

物質達到納米級大?。?0-9米），其聲、光、電、熱、磁等特性有很大變化。與大塊金屬相比，微納米金屬顆粒具有很高的比表面積，這就為其點燃和燃燒產生穩(wěn)定火焰創(chuàng)造了條件。研究實驗表明，一種好的方法是直接在空氣中燃燒：通過對金屬顆粒尺寸的選擇，控制金屬粉與空氣的混合比、混合物預熱溫度、湍流強度等手段，可獲得所需要的點燃溫度、燃燒速度、燃燒溫度、火焰層厚度等，從而實現金屬粉與空氣直接燃燒，達到熱機要求的功率、效率、穩(wěn)定性、排放標準。金屬顆粒的能量密度，與汽油、柴油相當，比現在遍及全球、到處運輸的煤、油、壓縮或液化天然氣還高，完全能夠滿足熱機循環(huán)的要求。它應作為多種熱力機械的新一代理想燃料。其燃燒產物，從煙囪中排出的是氮氣，既沒有二氧化硫、氮氧化物（通過燃燒控制）等有害氣體，更沒有二氧化碳，完全不用安裝現有發(fā)電廠中不可少的脫硫、脫硝環(huán)保裝置，更不需要對二氧化碳進行收集、吸收和儲存埋放。燃燒產物的固體部分，乃是固體顆粒氧化物（如用鐵粉為燃料，即為氧化鐵粒）。另一種方法是，金屬燃料與水反應產生氫氣和熱量。氫氣用于內燃機、燃氣輪機或燃料電池，但由于這種反應產生的溫度和壓力低（500度絕對溫度，20個大氣壓），不適合重型車輛和大設備。

現在，上述技術在實驗室中已經被證明是可行的，最亟需解決的是，加緊研發(fā)使用這種燃料的熱機。

（2）用風能發(fā)電，電解制造金屬粉（以鐵粉為例），使之成為風能的載體。它既可運輸，又能儲存；能夠與煤、油、氣一樣隨時隨地用來驅動熱機，進行發(fā)電或供給動力。

要應用微納米材料，首先必須解決微納米材料的制備問題。目前制備金屬粉的方法大致可分為三類 ： 一是化學氣相沉積、直流電弧等離子體、電子束加熱等氣相法； 二是金屬純鹽水解、氧化還原、溶膠凝膠等液相法；三是機械粉碎、氣流粉碎、固相反應等固相法。液相法中的電解法比較成熟，也是工業(yè)生產金屬粉的常見工藝?！半娊忤F”就是將粗鐵預制成厚板作為陽極，純鐵薄片作為陰極，硫酸和硫酸亞鐵作為電解液，通入直流電，在陰極析出純鐵。

由于對微納米粉的研究近幾年才比較廣泛地開展起來, 還有許多問題需要進一步解決，如成本高、產率低、粉的收集和存放困難等。我國的科技人員近些年在超聲電解法制備金屬粉方面開展了大量工作。該方法具有工藝簡單、成本低、無毒、無污染等特點, 是制備金屬粉的一種新方法（以常見的金屬粉 銅粉和鎳粉的制備做的實驗）。普通電解法制備金屬粉雖是一種比較成熟的方法, 然而其制備過程一般是間隔10～20分鐘才將沉積在陰極的金屬粉刮掉, 這樣, 沉積的顆粒不能及時脫離陰極表面, 就會迅速長大, 其粒度一般在十幾微米以上。另外，還要經過球磨、分篩等工藝，方能得到最終粉末。運用超聲電解法，首先解決了普通電解中的刮粉問題。此外, 超聲振動及產生的射流能使沉積在陰極表面的金屬迅速脫離陰極表面，并隨溶液的流動分散在溶液中,防止顆粒的長大。超聲空化產生的巨大壓力或射流能將溶液中的大顆粒粉碎, 即使在沉積速度比較快的情況下,所得粉末粒度也不會很大。研究試驗已得到了100納米以下的金屬粉，超聲的加入對粉末粒度的降低有很大作用。此研究對生產制備微納米鐵粉很有幫助。

（3）用風能發(fā)電電解水產生H2，用于還原金屬粉燃燒后的產物，使其再度成為風能的載體，循環(huán)使用。

鐵粉在各種熱機做功后的燃燒產物是氧化鐵粒（3Fe+2O2=Fe3O4），很容易回收。然后集中運到鐵粉還原工廠，還原為鐵粉（Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O）；回收的鐵粉可以重復使用，真正實現循環(huán)經濟。還原過程需要H2和加溫，因此，鐵粉還原工廠應建于有水資源的風電場附近，H2是由電解水得到的。按電解水制H2的效率為30%計，則還原鐵粉的能源利用率約34%。至于電解水既已得到H2，是否就可不再進行鐵粉回收，而直接用H2供給熱機使用？這應因地制宜，結合H2密度低、難于長期儲存、存在安全問題進行全面考慮。

值得指出的一點是，上述三種途徑中的后兩種都是電解工藝，用的是直流電。大工業(yè)生產已經證明電解工藝是可以大規(guī)模應用的，并且電解工藝對風能、太陽能的間歇性不穩(wěn)定供電有一定的容忍力，這正是風電機組直流發(fā)電的極好用戶，可因地制宜，選用交流變直流或直流風電。

此外，加拿大Mcgill大學于2018年發(fā)表的研究報告表明，微米金屬粉的持續(xù)燃燒在層流、湍流火焰中均已得到證實?；鸺破鞯难邪l(fā)經驗也顯示，所用的金屬鋁粉直徑是微米級的（0.1～10微米）。顯然，制備微米金屬粉比制備納米金屬粉的成本低，我們應當進一步研究。

這條技術路線的主要優(yōu)點包括：

（1）可以比較快地實現減緩氣候變暖的目標，這是目前人類面臨的嚴重挑戰(zhàn)。

（2）金屬資源豐富，可以重復使用。如我國的鐵礦石儲量有500億噸；硅、鋁儲量也十分豐富；鐵粉現有產量較多，宜優(yōu)先考慮。

（3）燃燒過程中沒有有害物排放，是可持續(xù)發(fā)展的，不會出現因使用化石燃料而大量增加環(huán)境保護成本的情況。

（4）只需改造現有熱機（如蒸汽輪機發(fā)電廠、斯特林機）的進料與燃燒系統(tǒng)，設備的其他系統(tǒng)（如發(fā)電廠的蒸汽輪機、發(fā)電機、輔助設備及廠房）都可繼續(xù)使用，大大減少能源轉換所需資金量。

為使風能成為能源主力之一，應當大量建設風電場和風能載體金屬粉生產廠。在此過程中，需要注意的問題包括：

（1）優(yōu)化風力發(fā)電與電解工藝的匹配。開發(fā)不同金屬粉電解所適用的電解液、電極，避免排放溫室氣體。

（2）應用玻璃鋼的風電機組葉片是很難降解的材料。大規(guī)模發(fā)展風電會導致大量的退役葉片，對環(huán)境的影響不容忽視，需要盡早研究妥善處理的方法。如，開發(fā)新材料，做到退役葉片材料可回收；設計采用少葉片（兩葉片、單葉片）風輪的風電機組。

上述技術實際都已有一定基礎，加拿大的Mcgill大學進行了相當深度和系統(tǒng)的研究。我國雖然只有零星單項研究，但一些有遠見的單位早已開始微納米金屬燃料的研究，并做出某些很有意義的成果。如浙江大學在十年前就開始了微納米金屬燃料燃燒的研究，并發(fā)表微納米金屬鐵粉的燃燒特性試驗研究成果；煙臺海軍航空工程學院于十年前發(fā)表過制備超細金屬粉的研究報告；南京航空學院也在十年前發(fā)表過風電直流電網的方案論文；宏海新能源公司近來開始燃燒金屬粉的外燃機研究。

風能資源豐富地區(qū)的相關單位也在千方百計尋找出路。如，幾年前，甘肅電力科學研究院的研究人員發(fā)表過文章《新建高載能用電負荷提升本地風電消納容量途徑研究》，提出變能源輸出為產品輸出。若實現了利用當地富有的硅、鋁、鐵等原料，生產金屬粉燃料供應到全國，其意義將十分重大，遠遠超過解決棄風問題。（當然，要采用先進的工藝，不能排放二氧化碳。）但這畢竟是一個跨多個行業(yè)的研發(fā)項目，不可能一蹴而就，有些要從實驗室做起。改造則涉及原型機的整個燃燒系統(tǒng)，有些需擴大或新建廠，如金屬粉制備、還原。但項目的意義重大，關乎國家能源的大政方針。建議國家對此給予充分支持，并組織產學研有關單位緊密合作，以期在應對氣候變暖方面做出我國的一份貢獻。