日本CO2減排與CO2資源化現(xiàn)狀

韓仲琦

隨著科技的不斷進步和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，資源、能源與環(huán)境問題已成為全球關(guān)注的熱點，如阿拉斯加的冰山融化及亞馬遜雨林大火，均在呼吁人們重視環(huán)境問題。關(guān)于溫室氣體CO2的減排問題，國際社會已召開過多次會議進行研究和討論，許多國家積極作出了響應(yīng)，自愿承諾或協(xié)商承諾溫室氣體排放量限值[1]。

2015年通過的有關(guān)氣候變化的《巴黎協(xié)定》，有150多個國家參與，向世人傳遞了全球各個國家向綠色低碳化環(huán)境轉(zhuǎn)型的積極態(tài)度，目標(biāo)是將本世紀(jì)全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并將全球氣溫上升控制在前工業(yè)化時期水平之上的1.5℃以內(nèi)。2018年12月15日，聯(lián)合國氣候變化卡托維茲大會順利閉幕，我國代表為會議簽署《巴黎協(xié)定》、推進多邊合作的談判作出了積極貢獻(xiàn)。目前，我國已提前三年完成了2020年碳減排的目標(biāo)，即到2017年年底我國單位GDP二氧化碳的排放量比2005年下降45%[2]。

全球CO2排放量較多的國家和地區(qū)有美國、中國、日本、俄羅斯等國家及歐洲地區(qū)。日本是經(jīng)濟高度發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家，據(jù)稱日本擬在全球氣候變化峰會召開之前，做出將溫室氣體排放量在2013年基礎(chǔ)上削減20%的承諾，并且計劃在2030年開始?xì)淠茉唇ㄔO(shè)，讓氫能源燃料電池走進普通百姓家。日本還計劃在2070年前后，將全國二氧化碳排放量降至零，這一新目標(biāo)的實現(xiàn)將建立在利用可再生能源和核能基礎(chǔ)上，但福島核事故后，日本能源政策出現(xiàn)了不確定性。

本文依據(jù)新聞傳媒、Internet有關(guān)資料以及赴日考察收集的材料撰寫，供我國科技工作者參考，不妥之處請予以指正。

1 日本水泥產(chǎn)業(yè)CO2減排現(xiàn)狀

水泥產(chǎn)業(yè)是排放CO2最多的幾個產(chǎn)業(yè)之一，每生產(chǎn)1t水泥約排放0.7t CO2，日本水泥產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的CO2約占全國的1%，全部產(chǎn)業(yè)部門的5%。

1.1 傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)技術(shù)方面[3]

近30年來，日本經(jīng)濟低迷，水泥產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能出現(xiàn)過剩，同時受到了資源、能源以及環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，日本水泥產(chǎn)業(yè)從上世紀(jì)70年代開始處置廢棄物，通過水泥產(chǎn)業(yè)自身結(jié)構(gòu)性調(diào)整和水泥低碳化創(chuàng)新，在可持續(xù)發(fā)展方面取得了很大進步。從1997年起，日本水泥企業(yè)全部采用了預(yù)分解水泥熟料燒成工藝，通常使用的能源有煤炭、重油與石油焦、城市煤氣和電能等。2010年，用于水泥制造的單位能耗（水泥制造能耗+自發(fā)電+購買電力）為3 451MJ/t水泥（約117.9kg標(biāo)煤/t水泥），系統(tǒng)熱損失約為20%。雖然日本已成為世界水泥熱耗最低的國家，但是在電能方面，由于電價格相對便宜且使用方便，日本水泥企業(yè)并不太熱衷自發(fā)電，再加之其自動化水平的提高，水泥的電耗并不低。

日本水泥廠自發(fā)電的CO2排放量比外部電網(wǎng)的CO2排放量大，為了改善這種情況，引進了以木質(zhì)廢物為燃料的“生物質(zhì)”發(fā)電技術(shù)，并且將焚燒灰作為二次廢棄物代用原料使用。發(fā)展“生物質(zhì)”發(fā)電，實施煤炭替代，可顯著減少二氧化碳和二氧化硫排放。與傳統(tǒng)化石燃料相比，生物質(zhì)能屬于清潔能源，燃燒后二氧化碳排放屬于自然界的碳循環(huán)，不會造成污染。

1.2 廢棄物利用方面

日本現(xiàn)在每年約產(chǎn)生6億噸廢棄物，約3億噸已得到循環(huán)再利用，其中，水泥產(chǎn)業(yè)約使用了十分之一廢棄物（2014年），主要作替代燃料用，使用的廢棄物的種類有幾十種，我國習(xí)慣將此種使用方式稱為“協(xié)同處置”。2010年日本每噸水泥使用的廢棄物已達(dá)500kg，廢棄物熱回收率可達(dá)70%，減排CO2的比例相當(dāng)可觀。目前日本研究的重點已轉(zhuǎn)至廢棄物的應(yīng)用研究，如使用廢棄物后，熟料性能的變化規(guī)律、廢棄物焚燒過程中環(huán)境風(fēng)險的控制等。

1.3“面對下一個100年”

日本水泥行業(yè)提出了“面對下一個100年”的口號，日本相關(guān)大學(xué)及科研機構(gòu)加強了對基礎(chǔ)原材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，如特殊性能水泥混凝土的開發(fā)、膠凝材料的C-H-S納米結(jié)構(gòu)性能研究等，以下內(nèi)容值得我國科技工作者關(guān)注：

（1）使用增強纖維的超高強混凝土可以不用鋼筋增強，強度比鋼筋混凝土高好幾倍，混凝土設(shè)計壽命可達(dá)100年。

（2）使用廢棄物的熟料常有“間隙質(zhì)量”現(xiàn)象，即“質(zhì)量空白”，日本提出了最佳“間隙質(zhì)量”的組成范圍。

（3）在礦化劑方面，高效采用“氟”和“硫”，可以將燒成溫度降低100℃。

（4）鈣硫鋁系水泥比現(xiàn)在通用硅酸鹽水泥CO2的排放量少30%，故出現(xiàn)了此種系列水泥商品化的開發(fā)動向，硫鋁酸鹽礦物（C4A3S）燒成溫度比阿利特低，形成的CO2量較少。

（5）摻入混合材是水泥混凝土功能化、高性能化、低碳化的有效手段，實現(xiàn)廢棄物可利用性與低碳化的平衡是新的技術(shù)研究內(nèi)容。

（6）采用碳酸養(yǎng)護低水灰比的混凝土，可以獲得致密度高、耐久性高的產(chǎn)品，另外，混入粉煤灰，再用火力發(fā)電排放的廢氣養(yǎng)護，可使混凝土CO2的排放量大大降低甚至成為負(fù)值。

2 日本鋼鐵制造業(yè)CO2排放現(xiàn)狀

當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)量世界排名前列的國家為：中國、日本、美國、印度、俄羅斯。中國每年鋼鐵產(chǎn)量約為7.8億噸，日本約為1.1億噸[4]。

日本鋼鐵冶煉技術(shù)超過歐美，全球領(lǐng)先，世界上幾乎所有高爐或煉鋼廠都是采用日本的技術(shù)。日本的5大鋼鐵公司為新日鐵、JFE、住友金屬、東京制綱和神戶制鋼。日本鐵鋼聯(lián)盟公布了日本鋼鐵業(yè)2020年～2030年的二氧化碳減排計劃，根據(jù)該計劃，到2020年，日本鋼鐵業(yè)的二氧化碳排放量將比2005年減少200萬噸；到2030年，二氧化碳減排量將比2005年減少900萬噸[5]。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，日本鋼鐵業(yè)將采取以下措施加以推進：第一，在煤中摻入30%礦粉的鐵焦，將焦?fàn)t煤氣改質(zhì)為純氫，之后，噴入高爐作為還原劑，上述措施可在計劃期內(nèi)減排二氧化碳260萬噸。另一個措施是通過采取“21世紀(jì)高產(chǎn)無污染大型焦?fàn)t”煉焦技術(shù)，在2020年前減排二氧化碳90萬噸，到2030年再減排130萬噸。三是通過采取高效發(fā)電措施在2020年前減排二氧化碳10萬噸，到2030年通過低溫余熱回收利用新技術(shù)再減排二氧化碳160萬噸。四是通過設(shè)備更新改造，在2020年前減排100萬噸，到2030年再減排150萬噸。以上措施均已由日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省和日本環(huán)境省審查通過，具體實施細(xì)則將陸續(xù)出臺。

在煉鐵技術(shù)的開發(fā)中，日本鋼鐵業(yè)近期主要以新型爐料技術(shù)為主，包括高反應(yīng)性焦炭、鐵焦復(fù)合球團、預(yù)還原燒結(jié)礦等，其技術(shù)可有效減少CO2的排放；長期主要以氫氣還原鐵礦石的高爐煉鐵技術(shù)為主，包括與氫還原相配套的新型焦炭技術(shù)等。

3 新能源汽車與交通CO2排放現(xiàn)狀

（1）氫燃料電池車和氫燃料電池大客車[6]

氫燃料是清潔能源，使用氫燃料電池不會產(chǎn)生CO2。日本豐田公司目前已經(jīng)推出氫燃料電池車MIRAI和氫燃料電池大客車。該公司氫燃料電池車的總裝線全部采用手工組裝，目前MIRAI的年產(chǎn)量約為3 000輛，一次加滿氫需要3～4min，續(xù)航里程可達(dá)650km，日本官方售價是723.6萬日元。

豐田氫燃料電池大客車目前全球僅有4輛，其中1輛是為參觀用的擺渡車，其余3輛在東京做路試。為了做好氫燃料電池大客車的普及工作，豐田計劃到2020年東京奧運會時，投入100輛以上氫燃料大客車。

（2）氫燃料電池的其他交通工具開發(fā)

豐田計劃2025年要生產(chǎn)出面向各行各業(yè)的各種特種車輛和渡船，如消防車、工程機械車等特種車輛及游覽船、漁船、摩托艇等小型船舶；在鐵路系統(tǒng)領(lǐng)域，JR東日本鐵道公司已經(jīng)開始參與氫能源列車的研發(fā)；日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)正在實施一項大膽的計劃，研發(fā)氫能源的有人月球探測車。

（3）氫燃料電池堆的研發(fā)

在氫燃料電池堆的研發(fā)方面，豐田攻克了氫燃料電池使用成本高和加氫站少兩大壁壘。

氫燃料電池反應(yīng)堆中的催化劑必須是貴金屬鉑（沒有替代材料），并且對氫的純度要求極高（99.99%），空氣中的CO、氫燃料電池大客車的SO2一旦與其接觸，會大大降低催化效果。為此，豐田對關(guān)鍵點進行了電鍍處理，降低了90%的鉑使用量，使得成本也大大降低。

MIRAI氫氣飽和量是5kg，和傳統(tǒng)燃油車相同，日本計劃在最近幾年新建80座加氫站，普及4萬輛氫燃料電池汽車，最終形成氫燃料電池和加氫站的良性循環(huán)的商業(yè)模式。豐田在華的首個加氫站已落地常熟。

4 新能源在日本日常生活中的運用

（1）開發(fā)二氧化碳工質(zhì)的家用熱水器制冷器[7]

二氧化碳作為一種天然工質(zhì)，是熱泵系統(tǒng)中最有潛力的替代工質(zhì)之一，采用跨臨界循環(huán)的熱泵熱水器，可以制取＞90℃的熱水。日本東京電氣公司和Denso公司合作開發(fā)的家用以CO2為工質(zhì)的熱泵熱水器，現(xiàn)已進入驗證階段，有望在年內(nèi)實現(xiàn)商品化。CO2作為制冷工質(zhì)時將具有優(yōu)良的經(jīng)濟性、安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，且無回收問題，即便在高溫下也不會分解產(chǎn)生有害氣體，由于CO2的蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量相當(dāng)高，具有良好的流動、輸運和傳熱性質(zhì)，可顯著減小壓縮機與系統(tǒng)的尺寸。

（2）建立氫能源社區(qū)

豐田氫燃料電池車MIRAI可以用專用的電源線連接家庭插座，可保證一戶人家一個星期的照明、空調(diào)、冰箱、做飯、洗澡等電力需要，在城市停電時還可點亮信號燈與路燈。至2019年3月底，日本已經(jīng)有23萬戶人家安裝了氫能源燃料電池（PEFC）。日本政府計劃在2030年，讓氫能源燃料電池進入530萬戶人家，即全國約20%的家庭可用上氫能源。這種氫能源燃料電池有三大功能：第一，為家庭提供所有的電力；第二，燃料電池在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱能可以為家庭提供熱水、洗浴、水熱地暖服務(wù)；第三，多余電力可以出售給電力公司。

2020年7月東京奧運會開幕時，各國選手居住的“運動員村”將由2座塔樓和21棟裙樓以及服務(wù)設(shè)施、海濱公園組成。奧運會結(jié)束后，“運動員村”將向東京市民出售，形成一個13 000人左右的大型社區(qū)，容納5 200多戶家庭。“運動員村”的每一套房屋，均采用家用氫能源燃料電池作為基本電源，由社區(qū)內(nèi)的一個大型加氫站和氫氣管線管控中心管理，氫氣通過管線直接輸入到各戶家庭的燃料電池中。另外，社區(qū)內(nèi)的所有商業(yè)設(shè)施和路燈的用電，也將使用氫能源，社區(qū)內(nèi)的巡回巴士也將采用氫能源巴士，這意味著日本開始了氫能源時代。

5 CO2資源化研究

CO2雖是溫室氣體，但其實也是一種很重要的原料資源，例如在化工方面：可制備甲烷、制備甲醇、制堿、物質(zhì)分離、提純、合成有機高分子化合物；在食品農(nóng)業(yè)方面：可制備碳酸飲料、代替氟利昂做制冷劑，進行冷凍、冷藏、滅菌、防霉、保鮮、生產(chǎn)食品泡沫包裝盒、生產(chǎn)氮肥、用作植物氣肥；在石化和膠凝物質(zhì)方面：可用作油田助采劑，藻類煉油，生產(chǎn)碳酸鈣微粒代替石灰石；其他方面：可用于氣體保護焊接、污水處理、二氧化碳染色、混凝土添加劑和核反應(yīng)堆凈化劑等，以下將簡述日本的CO2應(yīng)用研究內(nèi)容。

（1）藻類煉油技術(shù)

藻類物質(zhì)在吸收CO2的同時，又可吸收NOx，有的物種還可吸收SO2。在水泥生產(chǎn)過程中，以CO2和藻類物質(zhì)為載體，充分利用太陽能進行高效光生物反應(yīng)，生成油燃料，既可解決水泥生產(chǎn)過程中對能源的需求，又可達(dá)到CO2減排的目的。本世紀(jì)初，油藻類煉油技術(shù)的開發(fā)引起很多國家的興趣，日本目前已取得成果，這些油品已成功用于汽車、航空等工業(yè)。目前存在的主要問題是，高效光生物反應(yīng)器的設(shè)計與應(yīng)用尚待完善；反應(yīng)器占地面積大、總成本偏高。目前可考慮利用微藻養(yǎng)殖的研究成果，將部分CO2先供藻種制成一定數(shù)量的干油藻，作為水泥回轉(zhuǎn)窯的燃料。

（2）固化CO2制備CaCO3微粒[8]

把廢棄混凝土在海水中浸泡成懸濁體，經(jīng)人工風(fēng)化，可吸收大氣中的CO2或水泥廠排出的CO2，溶液中會生成。富有和Ca2+的海水可培育園石藻，及Ca2+作為CaCO3微粒子及藻的有機物而被固化，同時去除了CO2。CO2固化物的CaCO3微顆?？梢源媸沂毁Y源化，水泥生產(chǎn)系統(tǒng)也成為了再循環(huán)系統(tǒng)。日本已對這種用有礦化能力的“園石藻”固定CO2生產(chǎn)水泥的方法進行了初期探討。

（3）利用CO2合成納米級輕質(zhì)碳酸鈣[9]

利用電石渣及工業(yè)廢氣中的CO2合成納米級輕質(zhì)碳酸鈣的新工藝，即可制造純度高、白度好、粒徑小的超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品，代替一般的輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品，成為利用CO2的一種新技術(shù)。超細(xì)輕質(zhì)碳酸鈣作為一種新型的功能填料，廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、油墨、造紙、牙膏、食品以及電子工業(yè)等行業(yè)。日本是世界上開發(fā)和生產(chǎn)納米碳酸鈣較早和最好的國家，在上世紀(jì)40年代和50年代就生產(chǎn)出了微米級、納米級碳酸鈣，現(xiàn)在已有紡錘形、立方形、鎖鏈形等納米級碳酸鈣產(chǎn)品及改性產(chǎn)品50多種，著名公司有丸尾鈣公司、白石公司等。

（4）二氧化碳礦化發(fā)電技術(shù)

“二氧化碳礦化發(fā)電”就是將二氧化碳礦化過程中產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。我國已有二氧化碳礦化發(fā)電成功的研究報道，日本這方面的消息較少。我國科學(xué)家首次提出了二氧化碳礦化發(fā)電的新方法和技術(shù)——二氧化碳礦化燃料電池。據(jù)介紹，礦化1t二氧化碳能夠產(chǎn)生140kWh電能，同時產(chǎn)出1.91t的碳酸氫鈉。

課題組還直接利用工廠排放的廢棄電石渣和窯灰作為原料進行實驗。結(jié)果表明，兩種廢渣都能直接用于二氧化碳礦化發(fā)電，目前已經(jīng)成功實現(xiàn)了利用電石渣、有機廢堿、水泥粉塵以及鋼渣等工業(yè)堿性廢物作為二氧化碳礦化發(fā)電的原料。

6 碳捕集與封存技術(shù)[10]

碳捕集與封存技術(shù)（CCS）有三種：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集。三者各有優(yōu)勢，卻又各有技術(shù)與成本難題有待解決。潛在的封存方式有地質(zhì)封存和海洋封存。目前我國一些企業(yè)對燃燒后捕集的方式進行了嘗試，我國首個燃煤電廠二氧化碳捕集示范工程于2008年建成并成功捕集出純度為99.99%的二氧化碳，但是CCS成果不能計入CO2減排指標(biāo)。

地震多發(fā)國日本由于缺少適合作為陸地封存點的土地，政府制定了采用海底儲存方式的戰(zhàn)略。日本對火力發(fā)電站排放的大量二氧化碳進行回收并埋藏于海底的技術(shù)開發(fā)已取得了進展。東芝將于2020年夏季在三川發(fā)電站（福岡縣大牟田市）啟動分離回收500t/d二氧化碳的實證試驗，目前正在為實現(xiàn)商業(yè)利用積累數(shù)據(jù)，但海底儲存方式的設(shè)備維護十分困難，如何抑制成本是個問題。此次將首次通過船舶運輸二氧化碳而不是管道，預(yù)計2021年之后推向?qū)嵱没?/p>

日本2017年二氧化碳的排放量約13億噸，其中發(fā)電站和煉油廠的排放量占40%。日本要實現(xiàn)CO2減排目標(biāo)，就要大幅減少燃煤電站和煉油廠的二氧化碳排放，所以必須利用碳捕集與封存技術(shù)。

據(jù)日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)透露，該機構(gòu)正在開發(fā)一項可將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷的新技術(shù)，其關(guān)鍵是將二氧化碳封存到海底煤層中，以細(xì)菌為媒介將其轉(zhuǎn)化成天然氣。