將二氧化碳變廢為寶

文/ Dominik Stephan

將空氣中的二氧化碳轉化成炭黑——現(xiàn)在有許多以二氧化碳為原料的研發(fā)項目，但這些項目大多是從煙囪開始的?，F(xiàn)在卡爾斯魯厄理工學院KIT與Power to X技術專家和流程工業(yè)工程師們一起合作，希望將周圍空氣中的二氧化碳轉化為炭黑。項目的參加者既有朝氣蓬勃的年輕人也有成熟老道的年長者。

現(xiàn)在市場上對于煤炭有著很大的需求。不管是壁爐取暖還是美食燒烤等活動都需要煤炭，而且煤炭也是一種重要的工業(yè)原料。炭黑是以煤炭為原材料生產(chǎn)出來的基礎材料通用名稱，這種基礎材料在輪胎生產(chǎn)中有著廣泛的應用，也用于顏料、填料或者電氣工業(yè)等生產(chǎn)領域中。因為這些產(chǎn)品生產(chǎn)領域背后都隱藏著一個大眾都熟知的東西：碳。

炭黑，也有人將其稱為工業(yè)炭黑。盡管炭黑有著許多不同的質量等級，但炭黑中99.5%的組成成分都是直徑很小的（一般為10 nm~300 nm）、有著高表面積-體積比的碳。炭黑恰恰是從化石燃料中提取的，而化石燃料不僅代表著氣候變化和環(huán)境污染，而且還代表著自2019年以來的氣候變化和環(huán)境污染元兇：石油，天然氣和煤焦油。源于古生物化石燃料的炭黑使現(xiàn)代化世界處于進退兩難的境地，因為人們對化石能源有著很大的依賴。2015年時世界各國承諾，到21世紀末將全球變暖的溫度控制在2℃以下。這需要大量的努力和經(jīng)濟建設最大程度的“去碳化”，也就是需要減少化石燃料的消耗。

在集成式的示范設備中，將嘗試從環(huán)境大氣中直接獲取二氧化碳的工藝技術

然而二氧化碳一旦“被生產(chǎn)”出來，它就會在大氣中保留很長的時間。因此有相當多的聲音主張捕獲、存儲或利用大氣中的二氧化碳。CCS碳捕集和碳封存技術就是從空氣中分離出二氧化碳，將其固化成無機碳酸鹽進行保存或者地質封存的技術。而簡稱為CCU的方案則更先進了一步：它表示的是碳捕集和碳利用，將二氧化碳當作原材料的技術。

煙囪里的化學反應

世界各地的許多研究所、企業(yè)和開發(fā)商都在研究煙囪里的化學反應，通過他們的研究也得出了一些驚人的研究結果：無論是在商用PUR聚氨酯泡沫塑料中將二氧化碳加入到聚合物鏈中，還是將冶金高爐的廢氣作為原材料使用，或者是將廢氣重新轉化為汽油，這些項目或許有著這樣或者那樣的區(qū)別與差異，但都有著一個共同點：實驗室和技術中心里的試管都含有共同的物質“碳”，都來自于煙囪。而那些大型“煙囪”，例如煉鋼廠或者水泥廠的煙囪則是項目開發(fā)人員關注的焦點。這并不奇怪，因為這些煙囪氣流中的二氧化碳濃度非常高。被研究的行業(yè)中有不少都是二氧化碳的排放大戶（例如水泥工業(yè)的二氧化碳排放量占全球排放的8%），因此在這些行業(yè)領域中有著很大的減排潛力可以挖掘。

不論廢氣中二氧化碳的濃度是多少，都要減少或者避免排放它們。如果不僅僅是要實現(xiàn)碳中和，還想得到比碳中和更好的效果，那么現(xiàn)在就必須作出實際行動。聯(lián)合國的政府間氣候變化專門委員會IPCC解釋說道：僅僅是種一棵樹或者領取一張環(huán)保證書是不夠的。但是，除了植樹造林和創(chuàng)建濕地的可能性還有哪些方法能夠從空氣中獲取二氧化碳氣體呢？

從大氣中獲取二氧化碳

從大氣中獲取二氧化碳氣體的技術被稱之為DAC直接捕捉空氣技術：大型的鼓風機將空氣吹向空氣分離裝置，并盡可能地保留下純凈的二氧化碳，然后可以安全地儲存或者做進一步的處理。TVT熱工程技術研究所和KIT卡爾斯魯厄理工學院ITES熱能技術研究所液態(tài)金屬實驗室的領導人Thomas Wetzel教授解釋說道：“這就能夠將有害的溫室氣體變成高科技應用所需的原材料了?！痹诳査刽敹蚶砉W院的一個研究項目中使用DAC數(shù)字模擬轉換器直接捕獲空氣，將二氧化碳和甲烷熱解融合。“我們項目采用的方法是從大氣中將二氧化碳分離出來，并將其轉化為高純度的炭黑粉末?！?Wetzel教授解釋說道。

不過令人驚訝的是，卡爾斯魯厄理工學院項目最初的研究對象根本不是炭黑，與二氧化碳更是沒有一點關系。研發(fā)人員最初是盯著另一種分子：目前被稱為“奇跡物質”——氫。要了解這一點就必須知道這一項目的核心：甲烷熱解。在高溫下，甲烷（即CH4）分解為碳和氫兩種組成成分。利用這種方法生產(chǎn)氫的想法并不新鮮，但到目前為止以固體形式析出的碳的使用適應性有限。粉狀的碳會粘附在反應器上、沉積在反應器壁部和底部。

卡爾斯魯厄理工學院液態(tài)金屬實驗室（簡稱Kalla）與波茨坦市可持續(xù)發(fā)展高級研究所合作，通過液態(tài)金屬反應器解決了這一問題。其結果是用裝滿液態(tài)錫的泡罩塔控制熱金屬的溫度，在熱泡罩的作用下甲烷分解為氣態(tài)的氫和固態(tài)元素碳。借助于兩種元素的密度差異，可以將碳排出到反應器外，從而能夠實現(xiàn)真正的連續(xù)操作。不僅如此，通過這種方式還可以獲得大量易于運輸和使用的碳，這是煙囪炭黑項目開始的信號。

綠色的甲烷

研發(fā)人員設想：如果不需要與蒸汽重整器中的氫氣競爭呢？為什么不瞄準在油漆、輪胎或者電子工業(yè)中的重要原材料的碳呢？工業(yè)煙塵本身并不罕見，但不需要煤炭、天然氣、煤焦油或者石油的“綠色”炭黑則是非常稀缺的。因為要想獲得炭黑不僅需要“熱解反應”，而且無論什么時候都必須保證需要連續(xù)不斷的甲烷供給。

于是，KIT卡爾斯魯厄理工學院就開始尋找合適的合作伙伴了，初創(chuàng)公司Ineratec是KIT卡爾斯魯厄理工學院畢業(yè)生創(chuàng)立的，是專門從事研究氫能和二氧化碳利用的模塊化工廠。這一技術先鋒企業(yè)研發(fā)的微結構反應釜可以在非常狹小的空間里實現(xiàn)大型一體化生產(chǎn)基地才能完成的流程工藝過程，這是分布式配置實施的Power-to-X項目中最理想的設備。

Mini-Verbund技術能實現(xiàn)甲烷循環(huán)使用

從每一個Power-to-X項目中可以知道：在二氧化碳甲烷化成為NH4時，還需要用最合理的方法從上游“綠色”電解工序中生產(chǎn)出來的氫氣。然而在此過程中，氫氣并沒有完全轉化為甲烷，其中的一部分與二氧化碳中的氧相結合而形成了甲烷化中的副產(chǎn)品水。

在隨后的熱解過程中，除了生產(chǎn)出碳以外，還會釋放出氫氣。這就是蒸汽重整或者水電解生產(chǎn)H2的最初推動力。在Necoc項目中，Mini-Verbund方法能夠實現(xiàn)甲烷循環(huán)使用，將有助于減少對電解質的需求量。

反向水煤氣變換和費托反應或者甲烷化合成天然氣始終是二氧化碳轉換中的重點。不管是哪種變換反應，微結構反應器模塊采用的創(chuàng)新性汽化冷卻技術都能在溫度控制和冷卻表面負荷之間實現(xiàn)最佳的平衡。這不僅能夠實現(xiàn)高轉化率的有效反應控制，而且也可以使用無毒和不易燃的水作為溫控介質。緊湊型反應器模塊大約和一個電磁爐一樣大，與化學工業(yè)的大型分離柱體積相差甚遠。但由于催化劑壽命長和選擇性高，依舊可以實現(xiàn)高效的轉化率。當需要更大的生產(chǎn)能力時，研發(fā)人員只需在同一廠房車間里多安裝幾個反應器模塊就可以了，而不需要擴大工廠規(guī)模。

逐步實現(xiàn)“綠色”炭黑：Necoc項目的四大基石（DAC、電解、甲烷化和熱解）

將廢氣轉化為合成天然氣：在COSIN研發(fā)項目中，研發(fā)人員已經(jīng)展示了利用風能和太陽能實現(xiàn)甲烷化的工作成果。由于這一流程工藝技術所需的設備以及廢氣和可再生能源在地理上的分布，這種方法到目前為止一直都沒有很好的經(jīng)濟性?，F(xiàn)在情況就有所不同了，在出現(xiàn)了緊湊型的微型反應器和集裝箱式結構設計的模塊化流程設備之后，以及此方案還不需要特殊的原材料，所用的催化劑也是常用的工業(yè)標準催化劑，都可以在市場中很容易就購買到。工廠中所使用的微結構反應器數(shù)量的多少決定了進料氣體到甲烷的轉化率，這樣方便甲烷化裝置的容量適應相應的要求。原來，Ineratec公司的工程師們考慮的只是如何將生產(chǎn)出來的甲烷送入天燃氣網(wǎng)絡，現(xiàn)在可以增加甲烷作為原材料并加以使用的可能性了。

迷你網(wǎng)絡微型合成設備

在轉換過程中可以采用從大氣環(huán)境中直接提取二氧化碳的CCS碳捕集技術，生產(chǎn)出來的“綠色”可燃氣體甲烷可作為原材料。為實現(xiàn)這一目的，需要找到一個熟悉空氣分離技術的合作伙伴。而瑞士蘇黎世的Climeworks公司就是使用DAC數(shù)字模擬轉換器直接捕獲空氣技術領域中的先驅者之一，這家年輕公司有目前世界上第一個可以每年捕獲900 t CO2的商業(yè)工廠以及冰島的二氧化碳地質保存項目。

Climeworks公司研發(fā)生產(chǎn)的設備模塊外觀會讓人聯(lián)想到空調系統(tǒng)的鼓風機或者是冷卻塔，但在這一模塊的內部卻是一套有著循環(huán)吸附和解吸的過濾裝置。經(jīng)化學制劑可以使氣體中的二氧化碳吸附在結構化的吸附材料上，當吸附到飽和狀態(tài)時，將結構化的吸附材料結構件加熱至100℃，使吸附的二氧化碳解吸而脫落，以高純度濃縮氣體的形式被收集起來。與胺洗工藝技術相比較，這一工藝技術的能源消耗相對較低，，并因為采用了模塊化設計而有著更加緊湊的結構，而且如瑞士和冰島的項目所示那樣更加有易于擴大生產(chǎn)能力。

現(xiàn)在的技術可以讓我們用炭黑來替代過去原材料二氧化碳了，在過去二氧化碳作為一種輪胎生產(chǎn)的原材料是必不可少的，但現(xiàn)在二氧化碳的用量在不斷減少。之所以出現(xiàn)這種情況并不僅是因為處理工業(yè)炭黑比處理二氧化碳更加簡單，而是因為可以更好地利用這種“有害材料”。

卡爾斯沃市的研究人員將不同的流程工藝技術以模塊化的形式組合到一起，啟動了名為Necoc二氧化碳轉逆向化為碳技術的研究項目，在KIT卡爾斯魯厄理工學院建造了一套利用大氣中的二氧化碳生產(chǎn)炭黑的示范設備，并在實踐中作為一個微型復合體研究這些工藝。 “我們非常熟悉各個組成模塊，但它們從未在一個集成系統(tǒng)中作為一個整體實現(xiàn)過。工藝模塊的巧妙集成和正確的流程工藝控制對能源利用效率和產(chǎn)品質量至關重要?！?Necoc項目的協(xié)調員Benjamin Dietrich博士說道。

這是對抗化工巨頭和大型炭黑生產(chǎn)廠的舉措嗎？并不全是，雖然KIT卡爾斯魯厄理工學院建造的展示設備采用了項目合作伙伴的模塊，但展示設備的主要目的是證明這一技術的可行性。 “這一方法從多方面證明了是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展未來的一項技術，將解決氣候變暖和使用古生物化石原材料的問題直接聯(lián)系到一起了?！?Dietrich博士說道。把炭黑都收集了就能拯救世界氣候環(huán)境嗎？KIT卡爾斯魯厄理工學院的人回答道并不是那么容易。他們認為，從大氣中分離出來和使用二氧化碳僅僅是“未來技術工具箱”中的一件工具。拯救氣候環(huán)境仍然是一大難題，就像初創(chuàng)企業(yè)的微型反應堆一樣，一切只是開始。