金家敏

(上海材料研究所，上海 200433)

科學(xué)家普遍認(rèn)為地球變暖是工業(yè)生產(chǎn)時大量排放二氧化碳的結(jié)果，因此在全球范圍內(nèi)捕捉和封存二氧化碳，即二氧化碳捕捉與封存(CCS)技術(shù)路線，已成為許多科學(xué)家的研究焦點和各國政府的戰(zhàn)略。北京大學(xué)清潔能源研究院院長張東曉認(rèn)為，CCS技術(shù)有望成為全世界減少碳排放份額最大的單項技術(shù)。聯(lián)合國國際能源署(IAE)反復(fù)強調(diào)CCS技術(shù)路線仍然是一項重要的溫室氣體減排解決方案，要求在2020年，全球必須有200個CCS項目投入運行，到2050年必須有3 000個項目投入運行。從2015年到2050年，全球二氧化碳捕捉和封存的總量應(yīng)達(dá)到1 200億t。

從2016年開始，作者在國內(nèi)外雜志上發(fā)表了五篇利用捕捉的二氧化碳貯能技術(shù)解決溫室氣體排放問題的有關(guān)文章[1-5]，內(nèi)容涉及氣候變化、能源、環(huán)保等多個重大問題，本文就有關(guān)問題進(jìn)行一些補充和修改。

1 CCS技術(shù)路線存在的多個問題

CCS技術(shù)路線由捕捉、運輸、封存這三部分組成。其中，捕捉費用占總費用的2/3，封存費用占總費用的1/3。捕碳技術(shù)有燃燒前捕捉、燃燒后捕捉、富氧燃燒三種，這三者各有優(yōu)勢，但都存在難題。封存技術(shù)有海洋封存、油氣田封存、煤層氣封存三種，但都存在二氧化碳泄漏以及不可預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害造成的安全隱患，況且地質(zhì)掩埋地方有限。

采用CCS技術(shù)路線發(fā)電廠的電價較不采用CCS技術(shù)的電廠電價要高0.01～0.05美元。專家們認(rèn)為CCS技術(shù)路線的唯一出路是封存和應(yīng)用相結(jié)合。但如果把捕捉的二氧化碳全部封存，經(jīng)濟上難以承受。二氧化碳的提純應(yīng)用是世界性難題，至今還沒有解決，并且即使這個難題得到解決，其應(yīng)用恐怕也有限。因此，可以認(rèn)為CCS技術(shù)路線是一條不成熟且費用高的技術(shù)路線。但目前全球范圍內(nèi)已有56個CCS項目正在運行或計劃，我國也有11個CCS項目正在計劃或運行，由此可見人們對氣候變暖問題是焦急萬分的。

2 捕碳貯能與煙氣貯能技術(shù)路線

捕碳貯能和煙氣貯能技術(shù)是把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并加以貯存和應(yīng)用。碳的氣化反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)或者貯能反應(yīng)。實際上使用已有100多年歷史的煤氣發(fā)生爐也是貯能，可以把固體碳轉(zhuǎn)化為氣體碳，只不過是生產(chǎn)用的原料是煤和空氣，依靠煤燃燒提供熱量。

貯存與應(yīng)用相結(jié)合是CCSE或SSE唯一的可行方案。調(diào)節(jié)貯存與應(yīng)用比例，可以達(dá)到控制氣候的目的。SSE與CCSE不同的之處是SSE直接應(yīng)用煙道氣，省去了一道昂貴的捕捉工序。但不足之處是煤氣中有大量氮氣，熱值低，如果循環(huán)使用，熱值越來越低，并引起生產(chǎn)不穩(wěn)定。因此，采用簡單的重力或離心方法，適當(dāng)提高和穩(wěn)定煙氣中二氧化碳含量是必須的。如果采用壓縮分離方法使捕捉二氧化碳的生產(chǎn)成本能夠達(dá)到如美國麻省理工學(xué)院公布的每噸25美金，生產(chǎn)一立米一氧化碳只需0.025美金，則完全可以接受。

碳?xì)饣磻?yīng)是一個非常重要的化學(xué)反應(yīng)。許多工業(yè)產(chǎn)品都是依靠這個反應(yīng)生產(chǎn)出來的，例如：城市煤氣，高爐煉鐵，鼓風(fēng)爐煉銅，隧道窯生產(chǎn)海綿鐵，鋼鐵零件表面固體滲碳等，就完全依靠這個反應(yīng)，而且都有百年以上的應(yīng)用歷史。反應(yīng)的熱力學(xué)、動力學(xué)、反應(yīng)機理、催化反應(yīng),以及催化反應(yīng)機理都得到了詳細(xì)研究。

作者研究碳?xì)饣呋磻?yīng)機理已有50多年了，最后認(rèn)為催化現(xiàn)像是物理現(xiàn)象，不是化學(xué)現(xiàn)象，催化劑不參加化學(xué)反應(yīng)，提出了電子循環(huán)授—受催化反應(yīng)機理或電子軌道變形-回復(fù)循環(huán)催化反應(yīng)機理。CCSE或SSE技術(shù)路線是碳?xì)饣呋磻?yīng)機理研究的延伸和擴展。

比較CCS和CCSE或SSE技術(shù)路線，顯然CCSE或SSE技術(shù)路線具有明顯的優(yōu)勢。

3 貯能反應(yīng)和貯能指數(shù)

常見的吸熱反應(yīng)有兩個，即

C+CO2=2CO-162 297 kJ/kg·mol

(1)

C+H2O=H2+CO-131 381 kJ/kg·mol

(2)

這兩個反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)或貯能反應(yīng)，在煤氣發(fā)生爐內(nèi)都存在這兩個反應(yīng)。式(1)就是碳?xì)饣磻?yīng)，又稱Bouduard反應(yīng)，是一個非常重要的反應(yīng)。

一氧化碳燃燒放出的熱量就是貯存的熱量：

2CO+O2=2CO2+570 865 kJ/kg

(3)

貯能指數(shù)是化學(xué)反應(yīng)后煤氣貯存的能量/化學(xué)反應(yīng)時消耗的能量比值，是用來衡量不同的碳質(zhì)材料貯存反應(yīng)的貯能效率。

對于碳?xì)饣磻?yīng)，貯存值與消耗值相比，570 865/162 297=3.517，扣去爐壁熱損失約3%，碳?xì)饣磻?yīng)的貯能指數(shù)為3.4。這個數(shù)據(jù)表明氣化反應(yīng)后貯存的能量是它消耗能量的3.4倍。人們都知道把直接燃燒改為間接燃燒，尤其與農(nóng)村的灶頭比較，能夠顯著提高熱效率，熱效率的提高完全可以抵消爐壁的熱損失，因此可以把電熱煤氣發(fā)生爐稱為零能耗電熱煤氣發(fā)生爐。因此，采用電熱生產(chǎn)煤氣，就經(jīng)濟而言，是非常合算的。

在氣化生產(chǎn)原材料中始終含有水分,而C+H2O=CO+H2也是一個吸熱反應(yīng)或貯能反應(yīng)。

H2+1/2O2=H2O-285 800 kJ/kg·mol

(4)

計算：(285 800+285 342)/131 381=4.35，扣去熱損失，估計貯能指數(shù)為4.2。

當(dāng)貯能指數(shù)大于4.0，電廠的熱效率提高到50%(目前電廠熱效率最高的為46%)，則利用谷電生產(chǎn)煤氣貯存的能量完全可以滿足峰電發(fā)電時所需能量，僅憑這一點就可以節(jié)約50%火電煤耗，預(yù)計需要貯存的煤氣量可能很少，甚至于零。

中國和美國所排放的二氧化碳排放量為全球的52%，如果中美兩國能夠共同合作，節(jié)約50%的火電煤耗，極有利于解決全球氣候變暖問題。

柴禾、塑料、橡膠以及動物體內(nèi)脂肪等肌肉組織主要由碳與氫組成，根據(jù)脂肪的結(jié)構(gòu)式，脂肪氣化以后，煤氣中氫的含量大約為60%，熱值很高，估計脂肪的貯能指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4。實際究竟多少應(yīng)由試驗測定。

塑料污染是一個非常嚴(yán)重的問題，目前已有40億t塑料掩埋在地下或自然界,10～20年以后，塑料分解產(chǎn)生的微粒進(jìn)入海洋,被生物吞食。報載，現(xiàn)在每年有1 000萬t微粒塑料流入海洋,英國女王曾為此發(fā)出嚴(yán)重警告。據(jù)最近報載，英國牛津大學(xué)科學(xué)家用微波將塑料分解成氫(97%)和高價值碳納米管,成功解決了地球塑料污染的世界性難題。但是，筆者認(rèn)為采用CCSE或SSE技術(shù)路線，也許更為經(jīng)濟和合理。

貯能指數(shù)可告訴人們，雖然在全球范圍內(nèi)電力供應(yīng)都很緊缺，但是有兩點應(yīng)該明白：一是，不舍得首先利用電生產(chǎn)煤氣也許是許多科學(xué)家至今未提出電熱煤氣發(fā)生爐的思想顧慮，但這個顧慮，現(xiàn)在看來是不必要了；二是，貯能指數(shù)大于4,同樣表明電力直接應(yīng)用于照明，電動機械等就顯得不夠合理了，電應(yīng)當(dāng)首先供應(yīng)零能耗的電熱煤氣發(fā)生爐。它既能消耗大量二氧化碳和垃圾，變廢為寶，節(jié)約煤炭，保護(hù)資源，貯存了能量,又能夠控制人們非常擔(dān)心的氣候變暖問題。

4 大力發(fā)展電熱煤氣發(fā)生爐

電熱煤氣發(fā)生爐與目前大量使用的煤氣發(fā)生爐相比較，前者用的是電，二氧化碳和煤,柴禾,有機垃圾等，后者使用的是煤和空氣。從文獻(xiàn)[1-5]可知，大力發(fā)展電熱煤氣發(fā)生爐主要基于三個考慮：一是使大量捕捉到的溫室氣體二氧化碳成為商品，作為寶貴的原材料，實現(xiàn)貯存和應(yīng)用相結(jié)合，控制氣候變化，保護(hù)地球和人類；二是大量利用塑料等垃圾，有毒污水處理的活性炭也可以作為原料，經(jīng)1 000℃的高溫處理以后，有毒物質(zhì)被徹底分解，可以得到清潔的煤氣，保護(hù)了環(huán)境；三是貯能指數(shù)>3.4,是一個無能耗或增能值的煤氣發(fā)生爐，經(jīng)濟上非常合理。

電熱煤氣發(fā)生爐是CCSE或SSE唯一的一個主要設(shè)備，但卻是一個至今未見的創(chuàng)新設(shè)備，實際上它是一個大型的大功率加熱爐。除發(fā)生爐外，其余設(shè)備就是多個大型貯氣包。

電熱煤氣發(fā)生爐的爐型可以是立式的、臥式的、逥轉(zhuǎn)爐、沸騰爐等。本文作者青睞于逥轉(zhuǎn)爐，其優(yōu)點是爐料在爐內(nèi)翻動，反應(yīng)速度快；缺點是爐料必須是粉粒狀。對于易加工的柴禾，塑料原料，逥轉(zhuǎn)爐型應(yīng)該是最合適的爐型。

根據(jù)多年負(fù)責(zé)隧道窯生產(chǎn)海綿鐵技術(shù)的實際經(jīng)驗，認(rèn)為采用古老的隧道窯型電熱煤氣發(fā)生爐更為合適，其優(yōu)點是技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，投資小，運行能耗小，其中最大優(yōu)點是柴禾、垃圾、動物尸體等原材料不需要加工，可以直接放在窯車或窯舟上,缺點是煤炭等反應(yīng)物在窯舟上固定不動，反應(yīng)速度較慢。

隧道窯技術(shù)已很成熟。用于生產(chǎn)煤氣的電熱爐，一個要求是爐體必須密封，以防煤氣泄漏；另一個要求是由于煤炭柴禾等原材料成分不可能非常穩(wěn)定，因此在爐尾煤氣出口端應(yīng)裝設(shè)噴煤粉裝置。根據(jù)煤氣成分分析結(jié)果，添加或不加小量煤粉，保證煤氣中二氧化碳含量在1%～2%，保證煤氣穩(wěn)定的發(fā)熱量。

電加熱隧道窯完全可以同時生產(chǎn)海綿鐵和煤氣。因為在還原過程中從還原反應(yīng)罐中放出的完全是二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，還原結(jié)束到滲碳階段，氣相中一氧化碳的含量幾乎是100%。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式計算，每生產(chǎn)一噸海綿鐵，可以同時生產(chǎn)600 m3的一氧化碳，而且煤氣中的氮氣含量很少，熱值很高。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式計算，生產(chǎn)一噸海綿鐵大約需要電量590 kWh，煤炭消耗量約為385 kg(目前的高爐生產(chǎn)水平為530 kg/t)，貯能指數(shù)為1.78。當(dāng)把鐵礦粉、煤粉、人工、設(shè)備折舊以及600 m3煤氣售價等全部估算在內(nèi)，估計其生產(chǎn)成本比目前的生鐵成本要低得多，煤焦的消耗量也會下降許多。當(dāng)海綿鐵的生產(chǎn)成本低于生鐵的生產(chǎn)成本，就有可能引發(fā)鋼鐵生產(chǎn)的變革。當(dāng)然這只是初步估算，可行性應(yīng)有待專家進(jìn)行詳細(xì)計算。

5 實現(xiàn)農(nóng)村煤氣化

實現(xiàn)農(nóng)村煤氣化基于兩個理由：一是地面上的一草一木實際上時時刻刻在貯存能量，其量非常大；二是江南農(nóng)村，在改革開放前，燒飯取暖全用柴禾，但現(xiàn)在山區(qū)農(nóng)村都用液化氣，拋棄了可貴的天然能源。因此，一邊在糟蹋資源，另一邊卻用大力氣到地下開采能源,實際上這是愚蠢的行為。

農(nóng)村一旦實現(xiàn)煤氣化，電力充沛了，不僅山青水秀，而且環(huán)境也好了。

6 目前工業(yè)生產(chǎn)中存在的多個問題

根據(jù)貯能指數(shù)，作者認(rèn)為目前工業(yè)生產(chǎn)中存在多個不合理的地方，具體如下。

(1)蓄能水電站。利用谷電把下水庫的水升高到上水庫達(dá)到貯能的目的。全球范圍內(nèi)有許多這樣的蓄能水電站，但它的貯能指數(shù)是負(fù)值。與貯能指數(shù)大于4的零能耗電熱煤氣發(fā)生爐相比，蓄水貯能顯然是不合理的。如果把谷電輸送給電熱煤氣發(fā)生爐，則可以貯存4倍以上的能量，顯然是建造電熱煤氣發(fā)生爐更為合理。

(2)垃圾焚燒爐與焚尸爐。 在全球范圍內(nèi)廣泛使用垃圾焚燒爐與焚尸爐。地球上貯存著有大量能量的柴禾、塑料、橡膠、海藻、動物尸體等，一把火把它們燒掉，既消耗了大量的燃料，糟蹋了大量能源，又污染了環(huán)境，是一個非常不合理的舉措。

粗略計算,一噸聚乙烯廢塑料大約可以生產(chǎn)4 800 m3的高熱量清潔煤氣；一具50 kg的動物遺體, 可以生產(chǎn)大約120 m3的高熱量清潔煤氣。 全球范圍內(nèi)每天的死亡人數(shù)大約是15萬人,如果用來生產(chǎn)煤氣，每天可以生產(chǎn)1 800萬m3高熱值清潔煤氣，同時省去了大量柴油天然氣。利用捕捉的二氧化碳，大力發(fā)展電熱煤氣發(fā)生爐，可以實現(xiàn)農(nóng)村煤氣化，并變廢為寶，也有利于解決全球變暖問題。

最后,筆者認(rèn)為只有電能拯救地球。