如何看待煤炭的二重性

王乃粒/編譯

如何看待煤炭的二重性

王乃粒/編譯

圖為佐治亞州的羅伯特-斯切勒電廠的煙囪正在排放濃煙。該電廠是美國最大的溫室氣體排放大戶，年消耗燃煤1200萬噸

●煤炭是世界上最臟的化石燃料，全球每年80億噸消耗所帶來的污染讓地球不堪重負。而中國擁有極其豐富的煤炭資源——全球最大產(chǎn)煤國和用煤國——煤為中國提供了高達80%的電能，同時還被用來制造許多化工產(chǎn)品。未來，煤炭會不會變得更清潔一些？

清潔煤或是一種神話

環(huán)境保護論者認為，清潔煤只不過是一種神話。看一下美國西弗吉尼亞州的阿巴拉契亞山脈，那里的許多山峰因開采煤被削成了低谷，溪流里流淌著橘黃色的酸水……再看一下中國北京，那里的空氣有時比機場吸煙室的空氣還要渾濁。在中國，因燃煤引起的空氣污染，每年過早死亡的人預(yù)計超過100萬。除此之外，在中國及世界其他地區(qū)，每年還有成千上萬的人死于煤礦事故。

這些問題已經(jīng)不是什么新鮮事了。早在17世紀末，當從威爾士、諾森伯蘭郡開采的煤點燃了英國工業(yè)革命的第一批火種時，英國作家約翰·伊夫林(John Evelyn)就曾抱怨彌漫在倫敦上空的煙霧“惡臭和陰暗”。3個世紀后的1952年12月，因煙霧的滯留，一場傳染性呼吸道疾病在倫敦肆虐，在隨后的數(shù)月中1.2萬多人因此死亡。

美國也不例外。1948年10月的一個周末，在賓夕法尼亞州多諾拉小鎮(zhèn)舉行的一場美式足球比賽中，觀眾們只能看到球員的大概輪廓，但看不到足球運行軌跡，整個足球場被附近的一家煉鋅廠冒出的濃煙掩沒了。數(shù)天后，占小鎮(zhèn)人口近一半的6 000多人病倒，癥狀為眼痛、喉嚨痛、嘔吐、腹瀉，20多人因此死亡。

借用經(jīng)濟學(xué)家的說辭，煤具有明顯的“外部經(jīng)濟效應(yīng)”。也就是說煤會將高昂成本轉(zhuǎn)嫁于社會，即煤給環(huán)境帶來嚴重危害的同時，它也是一種我們所依賴的最廉價的能源。因而，時下的主要問題并不是煤能不能成為“清潔能源”，而是能否讓它變得足夠清潔。因為這不僅可以避免地區(qū)性災(zāi)難，而且也有助于防止全球氣候的重大變化。

2013年6月，美國總統(tǒng)奧巴馬在針對氣候變化問題發(fā)表的演說中指出，美國的煤炭和電力工業(yè)已經(jīng)引起人們的擔(dān)心和恐懼。他要求美國環(huán)境保護署（EPA）用一年時間制定出限止碳排放的新條例，并將新條例納入《空氣清潔法案》中?！犊諝馇鍧嵎ò浮返念C布已大大減少了美國電廠的二氧化硫、氮氧化物和煙塵顆粒的排放，但導(dǎo)致全球氣候變暖的主因，即二氧化碳的排放量卻未得到有效遏制。

2012年，全球化石燃料排放的二氧化碳創(chuàng)紀錄的達到345億噸，其中煤炭是最大的“貢獻者”。近年來，廉價的天然氣已經(jīng)減少了美國對煤的需求，但在世界其他地區(qū)，包括中國，煤的需求仍在上升。根據(jù)今后20年全球還有幾億人第一次用上電的趨勢看，這些電大部分還是靠燃煤發(fā)電，即便是發(fā)展替代能源，也不能完全取代煤炭。至少現(xiàn)階段不能。

在充滿不確定性的未來，北極融化的速度、海平面上升的高度以及熱浪強度等等，都與煤的燃燒有著重大關(guān)系。我們是不是要繼續(xù)燒煤，繼續(xù)無節(jié)制地排放二氧化碳?或者，我們像對待化石燃料中的硫和氮一樣，尋找方法將排放出來的二氧化碳捕獲，然后存儲于地下?

位于西弗吉尼亞州紐黑文市的美國電力公司(AEP)所屬的登山者電廠，每小時要吞噬超過450噸產(chǎn)自阿巴拉契亞山的煤。通過駁船或煤礦的傳送帶，這些開采出來的煤被直接運往電廠。進入電廠后，高爾夫球大小的塊煤會被磨成煤粉，然后被吹進世界上最大的鍋爐之一的爐膛中燃燒。

電廠內(nèi)的三臺由蒸汽驅(qū)動的汽輪發(fā)電機晝夜不停地為7個州的130萬用戶供電（每度電只須支付10美分），一個普通家庭每月平均電費開支僅為113美元。電費如此低廉，難怪電廠負責(zé)人查利·鮑威爾（Charlie Powell）說，即便是環(huán)保主義者，他們也喜歡整天開著燈。

每年，從登山者電廠排放的二氧化碳達600-700萬噸，但無論是電廠還是用戶，都無需為此埋單。二氧化碳之所以會被無節(jié)制地排放，原因就在這里，而且目前美國也沒有任何法律明令禁止這種行為。不過，美國眾議院在2009年已經(jīng)通過了一項法案，未來有可能上升為法律。

值得稱道的是，AEP已決定提前采取行動。是年10月，登山者電廠開始了碳俘獲的開創(chuàng)性試驗。鮑威爾親自負責(zé)這項工作。在他看來，這項實驗很簡單，但真正操作起來，事情就復(fù)雜了。AEP在電廠后側(cè)建了一座化工廠，電廠大約1.5%的排煙經(jīng)由該廠冷卻，導(dǎo)入會吸納二氧化碳的碳酸銨溶液中。這些碳經(jīng)壓縮后，再注入到俄亥俄河岸下方約1英里處的多孔砂巖層內(nèi)。

這一系統(tǒng)運作的兩年里，AEP捕獲和存儲了超過3.7萬噸的純二氧化碳。雖然該數(shù)字僅相當于該電廠排放物的0.25%，但這是一個良好的開始。繼后，AEP計劃擴大實驗規(guī)模，爭取捕獲150萬噸二氧化碳，即該電廠每年四分之一的排放物，并為此投入3.34億美元，包括美國能源部(DOE)也承諾給予同等額度的補貼。不過，這項協(xié)議能否實施下去，則取決于AEP能否收回這筆投資。

令人遺憾的是，AEP在2011年終止了這一項目。雖然這個項目很小，但登山者電廠的這一系統(tǒng)卻是世界上首個直接捕獲、存儲二氧化碳的系統(tǒng)，吸引了包括來自中國和印度在內(nèi)的世界各地的眾多參觀者。鮑威爾說：“這套程序確實有效，很多參觀者都受到了啟發(fā)。不過，要想恢復(fù)這一計劃，我們還需要在其他方面突破。”

在西弗吉尼亞州麥迪遜的霍貝特21號礦區(qū)，因采用山頂移除法，每開采1噸煤便要消去15立方山脈，數(shù)百平方英里的阿巴拉契亞山脊就是以這種方式消失的

或是技術(shù)樂觀派幻想

對批評者來說，捕獲二氧化碳并將其存儲在地下多孔巖層中，只不過是一種技術(shù)樂觀派的幻想而已。但在過去的30年里，DOE在該技術(shù)上投入了大約65億美元。就石油行業(yè)而言，在過去的40多年里，壓縮后的二氧化碳被注入到枯竭的油田中，藉此把地下的殘余石油擠壓到地表上。在加拿大平原，這已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大規(guī)模的地下碳存儲項目之一。

自2000年起，北達科他州的一家煤氣化工廠已經(jīng)將捕獲到的超過2 000萬噸的二氧化碳通過管道輸送到200英里之外的加拿大薩斯喀徹溫省，并由那里的Cenovus Energy公司將其擠壓到韋伯恩和米達爾油田的深處，即一噸二氧化碳可以從含油巖層中溶解出兩到三桶原油，而溶解原油的二氧化碳則重新被存儲在距地表1英里的地下巖層中。

那么，它們在地下巖層中能存儲多長時間？一些自然的二氧化碳已經(jīng)在地下存儲了數(shù)百萬年。實際上，有些二氧化碳還被開采出來賣給石油公司。但如果二氧化碳大量外泄，將會對人類和動物造成致命傷害，尤其是當二氧化碳被集中封存在密閉空間中時。而突然被釋放出來卻會對人畜造成很大的危害。尤其是當這些二氧化碳被收集和濃縮在一個局部地方時就更加危險。迄今，既沒有關(guān)于韋伯恩、米達爾油田重大二氧化碳泄漏的報道，也沒有來自世界其他碳存儲地重大碳外溢的相關(guān)消息?？茖W(xué)家們認為，災(zāi)難性外泄的可能性微乎其微。

每年從弗吉尼亞州的蘭伯茨-波恩特運煤中心輸出的煤炭約2000萬噸。圖為滿載煤炭的運煤車正在等待裝船

然而，企業(yè)擔(dān)心的則是長期的少量外泄，因為這將會使整個計劃失去意義。斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)家馬克·佐貝克(Mark Zoback)和史蒂文·格雷里克(Steven Gorelick)認為，在那些巖層較脆且存在斷層的地方，二氧化碳的注入可能會引發(fā)小規(guī)模地震，即使地震沒造成明顯的破壞，也可能會造成上方頁巖的斷裂，致使二氧化碳泄漏。

盡管佐貝克和格雷里克認為碳存儲是一個“花費極大且充滿風(fēng)險的戰(zhàn)略”，但同時他們也認為碳還是可能在某些地方得到有效存儲，比如北海的斯萊普耐爾氣田。在過去的17年里，挪威國家石油公司(Statoil)每年把大約100萬噸的二氧化碳注入到海底之下約半英里處的富含鹽水的砂巖層中。由于這里巖層的空間足夠大，即便注入如此多的二氧化碳也沒有提高它的內(nèi)部壓力，而且也從未出現(xiàn)過地震或泄漏跡象。

據(jù)歐洲研究人員測算，北海海底可以儲存歐洲所有電廠100年所排放的二氧化碳。而美國能源部表示，美國地下也有類似的深鹽水層，足以存儲全美電廠運營超過1 000年所產(chǎn)生的二氧化碳。其他巖石也有存儲二氧化碳的潛能，如正在冰島和華盛頓州哥倫比亞河盆地進行的實驗，即少量二氧化碳注入火山玄武巖中，鈣、鎂和二氧化碳反應(yīng)后形成的一種碳酸巖可以避免氣體的外泄。

Statoil注入斯萊普耐爾氣田的二氧化碳并非是燃煤產(chǎn)生的，而是該公司從海底鉆取的天然氣中的不純成分。在將天然氣輸送給消費者之前，公司首先把其中的二氧化碳分離出來。而過去的做法是將它直接排放到大氣中。但從1991年起，挪威開始征收碳排放稅，目前的稅率約為65美元1噸，而將二氧化碳重新注入到海底，公司只需付17美元?？梢?，在斯萊普耐爾氣田，碳儲存比碳排放要便宜得多，而這也正是Statoil投資這項技術(shù)的原因。至今，該公司的天然氣業(yè)務(wù)仍能保持贏利。

而燃煤電廠的情況則就不同了。二氧化碳是從煙囪中排放出的混合氣體的一部分，由于在經(jīng)濟上沒有任何好處，電廠因此也沒有積極性。因為在碳捕獲和儲存的環(huán)節(jié)中，前者是最費錢的。在登山者電廠，二氧化碳捕獲系統(tǒng)占地14英畝，整個裝置相當于一棟十層樓高的大樓，但即便如此，其所捕獲的也只是極少量的碳。其中包括吸收劑加熱后才能釋放出二氧化碳，而二氧化碳必須經(jīng)過壓縮才能存儲。如果想捕獲電廠排放的全部二氧化碳，就得耗去總能耗產(chǎn)出的30%。

如果要降低這種高昂的成本，方法之一就是在煤炭燃燒之前先將其汽化。煤氣化不僅可以提升發(fā)電效率，而且還便于分離二氧化碳。在美國密西西比州的肯珀縣就有這樣一座電廠正在建造——在燃燒之前先行對煤炭汽化處理。

就現(xiàn)在的燃煤電廠而言，其設(shè)計通常為燃燒粉煤的，那就得另起爐灶。一種方法是在純氧環(huán)境中燃燒煤炭，這樣產(chǎn)生的煙氣成分較為單一，便于從中分離二氧化碳。在位于西弗吉尼亞摩根敦的美國能源部國家能源技術(shù)實驗室，研究人員杰奧·里茲(Geo Rids)正在從事該技術(shù)的研發(fā)。在一個倉庫里，他們在一個5層高的構(gòu)架上進行“化學(xué)循環(huán)”試驗。“從空氣中制造純氧的成本很高?！崩锲澱f。他采用的方法是，用一種類似鐵的金屬從空氣中攝取氧氣，以期降低捕獲二氧化碳的成本。

印度賈坎德邦一采煤場，一小男孩頭頂一碩大的塊煤走在回家路上

助推碳捕獲系統(tǒng)落地

目前的西弗吉尼亞州，隨著美國電廠開始改用天然氣，許多煤礦紛紛關(guān)閉——由于天然氣價格創(chuàng)記錄地降低，煤炭開始被認為是過時的燃料——而此時再去研究煤炭凈化技術(shù)似乎有些不合時宜。然而，在中國陜西的榆林市，人們卻不是這么認為的。

榆林市位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地的東部，人口300萬，距北京約500英里，大街上隨處可以看到灰塵，種植的樹木周圍是一些沙丘。然而，地下卻埋藏著豐富的礦產(chǎn)資源，其中就包括中國儲量最大的煤礦。在這里，煤被看成是一種推動經(jīng)濟發(fā)展的資源。

榆林市四周的沙土高原上矗立著許多煙囪，規(guī)模龐大的煤炭加工廠及員工宿舍沿著沙漠綿延數(shù)英里。煤為中國提供了大約80%的電能，但它的用途不僅于此，還被用來制造許多化工產(chǎn)品和液體燃料（這在大多數(shù)國家是由石油生產(chǎn)的）。在中國，煤在從塑料到人造纖維產(chǎn)品中均發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

煤炭也使得中國躋身世界碳排放量最多的國家之一，盡管美國的人均排放量仍居首位。與過去相比，盡管中國并沒有放棄對煤的利用，但已經(jīng)認識到為此將要付出沉重代價。圣地亞哥加利福尼亞大學(xué)環(huán)境政策研究員德博拉·塞利森（Deborah Seligson）指出：“在過去十年中，中國政府對環(huán)境問題越來越重視，環(huán)境問題從先前排不上議程開始轉(zhuǎn)變成優(yōu)先考慮的事項。”公眾對空氣質(zhì)量的抱怨，加上政府對氣候變化意識的提高和對能源安全與技術(shù)優(yōu)勢的渴求，中國已經(jīng)在可再生能源領(lǐng)域投入了數(shù)千億美元?，F(xiàn)在，中國已成為一個首要的風(fēng)力渦輪發(fā)電機和太陽能電池板生產(chǎn)國，在榆林市煙囪之間也安裝了許多太陽能發(fā)電站，包括中國在建立高效能燃煤電廠的同時，也在嘗試推廣更簡便和經(jīng)濟的碳捕獲技術(shù)。

這些努力也吸引著國外的投資者和外國專家。比如，美國太陽能工業(yè)協(xié)會前主席、布什總統(tǒng)任期負責(zé)環(huán)境保護和能源事物的部長助理米歇爾·戴維斯（J Michael Davis），就擔(dān)任過全球最大的煤業(yè)公司神華集團下屬的北京低碳清潔和能源國家研究所所長。戴維斯說，他之所以來到中國，是因為中國政府對改善空氣質(zhì)量和減少二氧化碳排放作出了堅定承諾。

阿米那環(huán)保公司（LPAmina）創(chuàng)始人威爾·拉塔（Will Latta）是一位在北京與中國電力公司密切合作的美國人?！霸谥袊翰粌H便宜，儲量也很大，若想用替代能源取代它得花上幾十年的時間，”他說，“但中國政府已經(jīng)意識到，這樣做在環(huán)境上是不可持續(xù)的。因此，他們正在對清潔煤技術(shù)進行大量投資?！痹谔旖?，中國第一家基于碳捕獲原理設(shè)計的發(fā)電廠計劃在2016年運作。這家名叫“綠色煤電”的發(fā)電廠，最終目標是捕獲其排放的80%的二氧化碳。

2013年，當全球煤炭消耗和碳排放創(chuàng)下歷史新高時，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布了最新報告。報告首次對地球的碳排放作出了一個預(yù)算，即在氣溫升幅不超過2攝氏度的情況下允許排放的碳總量。因為在許多科學(xué)家看來，如果全球平均氣溫升幅超過2攝氏度，就會引發(fā)災(zāi)難性后果。IPCC認為，目前的碳排放量已經(jīng)超過預(yù)算的一半，而按目前的排放速度計算，用不了30年我們就會出現(xiàn)透支。

但如果用碳捕獲技術(shù)來改變這一進程，是需要付出巨大代價的。比如，捕獲和存儲只占目前全球排放總量十分之一的二氧化碳，我們就需要巨量的管道和注入井。而如果采用零排放的太陽能電池板予以取代，就需要占用整個新西澤州的面積（近8 000平方英里），對此很難作出決策，問題在于這兩者都是我們需要的。

“如果只是減少5%或10%的溫室氣體排放就能解決問題，那我們也就沒有必要考慮碳的捕獲和存儲問題，”卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的愛德華·魯賓（Edward Rubin）教授說，“但如果我們討論的是如何在未來30或40年里減少全球大約80%的排放量，情況就會不一樣?！?/p>

中國山西大同的一座煤場，工人們通常不戴口罩從傳送帶上挑出混雜在其中的煤矸石

美國第一家基于捕獲碳的發(fā)電廠于2014年底運作。位于密西西比州東部肯珀縣的煤氣化廠可以捕獲其50﹪以上的二氧化碳排放量，并通過管道輸送到附近的油田。然而，這一得到DOE資助的項目，卻受到過度支出和環(huán)境保護論者的質(zhì)疑。不過，密西西比電力公司表示會堅持下去。公司負責(zé)人稱，利用密西西比州豐產(chǎn)的褐煤和現(xiàn)成的二氧化碳市場，將有助于抵消高新技術(shù)的高昂成本。

但是，如果政府沒有開征碳排放稅或限制碳排放量的強制要求，這項技術(shù)是難以推廣的。如果EPA能履行奧巴馬關(guān)于對已有和新建電廠碳排放限制的承諾，期盼已久的碳俘獲技術(shù)將會真正得到推廣。

在中國，目前已經(jīng)開始在一些地區(qū)試行市場導(dǎo)向的作業(yè)策略。該策略是美國率先推出的，即1990年代在《清潔空氣法案》基礎(chǔ)上，EPA在限制電力公司二氧化硫排放總量的同時，向排污者征收排放稅，并許可后者將污染額度分攤給下游企業(yè)。當時，電力公司預(yù)感這種做法會給自身帶來災(zāi)難性的經(jīng)濟后果。然而，這樣一個策略出臺反而催生了技術(shù)創(chuàng)新，提高了空氣的質(zhì)量。魯賓稱，目前的碳捕獲系統(tǒng)與1990年代二氧化硫捕獲系統(tǒng)所處的階段相當，一旦限制污染排放，就會為這些捕獲系統(tǒng)營造出一個市場，其成本就會大大降低。當然，即便一切進展順利，煤也不會成為清潔能源，但無可否認，它會變得比現(xiàn)在清潔。

如果這種情況出現(xiàn)，煤炭仍然不會是清潔的能源，但會比今天清潔得多，地球或因此會變得涼快一些。

[資料來源：National Geographic][責(zé)任編輯：則鳴]