利用石灰煤炭捕捉二氧化碳與應(yīng)用技術(shù)

金家敏

(上海材料研究所，上海 200433)

全球變暖、氣候異常，使各種極端天氣日益頻發(fā)，科學(xué)家普遍認(rèn)為是由溫室氣體二氧化碳造成的。因此，就出現(xiàn)了捕捉封存技術(shù)(Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱CCS)。聯(lián)合國(guó)能源署要求在2020年建成200個(gè)CCS項(xiàng)目投入運(yùn)行，到2050年必須有3 000個(gè)CCS項(xiàng)目投入運(yùn)行。 到2050年必須捕捉封存1 200億t二氧化碳，平均每年必須捕捉34億t二氧化碳。在CCS技術(shù)路線中，捕捉費(fèi)用占總費(fèi)用的2/3。采用CCS技術(shù)發(fā)電和不采用CCS技術(shù)發(fā)電相比，每千瓦時(shí)電費(fèi)價(jià)格上漲0.02～0.05美元。目前，全球范圍內(nèi)已有56個(gè)CCS項(xiàng)目正在計(jì)劃或運(yùn)行。我國(guó)也有11個(gè)CCS項(xiàng)目正在計(jì)劃或運(yùn)行。

目前，捕捉二氧化碳有多個(gè)方法，但多處在研究階段，主要目的是降低捕捉費(fèi)用?；瘜W(xué)吸附分離技術(shù)已基本成熟，并且已有小規(guī)模工業(yè)應(yīng)用示范。石灰作為建筑材料被廣泛應(yīng)用，它依靠吸收空氣中的二氧化碳而變硬，達(dá)到固化目的。利用石灰捕捉二氧化碳，技術(shù)方面非常簡(jiǎn)單，石灰或水泥的生產(chǎn)成本大幅下降，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

文獻(xiàn)[1-6]中已多次說明利用石灰煤炭捕捉二氧化碳和消除白色污染的特點(diǎn)，反復(fù)指出CCS技術(shù)路線是不可取的。本文旨在進(jìn)一步說明作者的觀點(diǎn)，求得共識(shí)。

1 利用石灰捕捉發(fā)電廠排放的二氧化碳

火力發(fā)電廠會(huì)排放大量二氧化碳，可占總排放量的1/2～2/3，因此捕捉電廠的二氧化碳非常重要。

利用石灰捕捉煙氣中二氧化碳的有關(guān)幾個(gè)化學(xué)反應(yīng)式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)是利用石灰(CaO)捕捉煙氣中二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)式。它是一個(gè)放熱反應(yīng)，生成物是石灰石，即碳酸鈣CaCO3。石灰作為捕捉二氧化碳的原材料，可以循環(huán)使用。生成的二氧化碳可以作為商品出售，塑料垃圾等處理需要大量的二氧化碳，也可以用來生產(chǎn)煤氣。因此，利用石灰捕捉發(fā)電廠煙道中二氧化碳應(yīng)該是最經(jīng)濟(jì)的方法。

式(3)是石灰石與碳反應(yīng)同時(shí)生產(chǎn)石灰和煤氣的反應(yīng)，是一個(gè)吸熱反應(yīng)或貯能反應(yīng)。式(4)是一氧化碳完全燃燒反應(yīng)，可貯存能量。

貯能指數(shù)=貯存的能量/吸收或消耗的能量=566/339.697=1.666。

貯能指數(shù)大于1，意味著反應(yīng)是增能反應(yīng)或貯能反應(yīng)。增加的能量來自碳的消耗。

利用石灰捕捉二氧化碳循環(huán)反應(yīng)和應(yīng)用流程圖如圖1所示。

圖1 利用石灰捕捉二氧化碳循環(huán)反應(yīng)與應(yīng)用流程

利用石灰捕捉二氧化碳的設(shè)備包括鋼制捕捉滾筒和石灰石煅燒爐。滾筒的工作溫度在400～500 ℃，轉(zhuǎn)速約為5 r/min。如果用石灰粉，估計(jì)反應(yīng)速度很快。滾筒結(jié)構(gòu)大小決定煙道氣流量，對(duì)于捕捉效率沒有嚴(yán)格要求。由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)，不需要供熱，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)能耗不大，預(yù)計(jì)利用石灰捕捉電廠煙道氣中的二氧化碳是最經(jīng)濟(jì)的方法。

利用石灰捕捉二氧化碳有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是費(fèi)用低；二是石灰可以循環(huán)使用；三是石灰石可以永久貯存，無地方限制?？刂剖沂馁A存量就可以控制氣候，比文獻(xiàn)[1-6]中提出的控制一氧化碳貯存量與應(yīng)用達(dá)到控制氣候的建議更經(jīng)濟(jì)可靠。

2 利用煤炭捕捉水泥和鋼鐵生產(chǎn)時(shí)排放的二氧化碳

水泥和鋼鐵生產(chǎn)時(shí)排放的二氧化碳量?jī)H次于電力生產(chǎn)，其量為31.92億t，占全球總排放量330億t的9.67%(2017年)。

利用煤炭捕捉水泥和鋼鐵生產(chǎn)排放的二氧化碳的兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)式是式(3)和式(6)。

(6)

這兩個(gè)反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，貯能反應(yīng)或增能反應(yīng)。兩個(gè)反應(yīng)的貯能指數(shù)分別是1.666和1.780，都大于1，增加的能量同樣來自碳的消耗。

根據(jù)反應(yīng)式計(jì)算：生產(chǎn)1 t石灰，消耗了0.214 t碳，同時(shí)生產(chǎn)了800 m3無氮優(yōu)質(zhì)煤氣，減少了400 m3二氧化碳排放；生產(chǎn)1 t鐵，消耗了0.321 t碳，同時(shí)生產(chǎn)了600 m3優(yōu)質(zhì)煤氣，減少了300 m3二氧化碳排放。

從充分利用自然資源方面考慮，石灰石(包括白云石)中的氧化鈣和二氧化碳完全得到利用，氧化鐵中的鐵和氧也完全得到利用。生產(chǎn)得到的無氮型煤氣相當(dāng)于用純二氧化碳或純氧生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)煤氣。

從經(jīng)濟(jì)方面考慮，生產(chǎn)1 t石灰，同時(shí)生產(chǎn)800 m3煤氣，煤氣的發(fā)熱值約為城市煤氣的2.5倍，按1 m3煤氣售價(jià)2元計(jì)算，價(jià)值達(dá)1 600元，遠(yuǎn)高于石灰的售價(jià)。對(duì)于鋼鐵生產(chǎn)，煤氣的售價(jià)可能完全可以抵消購(gòu)買鐵礦石的費(fèi)用。

從資料可知，全球鐵礦石產(chǎn)量是22.308億t，按平均含鐵48.8%計(jì)算，精鐵礦產(chǎn)量是15.5億t，其中氧的含量是4.65億t(按含氧量30%計(jì)算)。還原燃燒生成的二氧化碳為6.4億t。全球石灰石的耗量是58億t，其中二氧化碳含量為25.52億t，這兩個(gè)工業(yè)生產(chǎn)排放的二氧化碳量總計(jì)達(dá)到31.92億t，為全球總排放量330億t的9.67%。與聯(lián)合國(guó)能源署要求每年捕捉二氧化碳34億t相比只差2.08億t。

由化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算，31.92億t二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳需要8.7億t碳或10億t左右煤炭。結(jié)果得到了31 920億m3優(yōu)質(zhì)煤氣。10億t煤炭既減少了32億t二氧化碳排放，又為全球78億人口，提供了每人每年409 m3優(yōu)質(zhì)煤氣。

水泥和鋼鐵生產(chǎn)時(shí)利用煤炭實(shí)現(xiàn)減排，在技術(shù)方面非常簡(jiǎn)單，投資小。唯一的要求是爐體或爐膽必須封閉。在研究不同催化劑催化活性時(shí)，用的就是封閉的小鐵盒，做了許多試驗(yàn)，因此在技術(shù)方面沒有問題。

綜上所述，用了58億t石灰石，21.8億t鐵礦石，約10億t煤炭，卻得到了32.48億t石灰，10.8億t鐵和31 920億m3優(yōu)質(zhì)煤氣，二氧化碳排放量減少了31.92億t。這兩個(gè)反應(yīng)都是增能反應(yīng)。從目前家庭使用的煤氣量估算可知，每人每年煤氣使用量不可能超過30 m3。就按30 m3計(jì)算，還有29 580億m3高熱值煤氣可供工業(yè)生產(chǎn)使用。

我國(guó)水泥產(chǎn)量占全球50%，鋼鐵產(chǎn)量占全球53%。全球水泥鋼鐵生產(chǎn)時(shí)排放的31.92億t中有超過16億t二氧化碳是我國(guó)排放的。它可以生產(chǎn)16 000億m3無氮的高熱值煤氣。按我國(guó)14億人口計(jì)算，每人每年可使用的煤氣量為1 143 m3。估計(jì)每人每月用于燒飯取暖的煤氣用量在3 m3以下，就按3 m3計(jì)算，每人年消耗量為36 m3，僅占產(chǎn)量的3.14%，還有16 500億m3優(yōu)質(zhì)煤氣可以用于發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)。

政府應(yīng)當(dāng)下令禁止柴禾、塑料垃圾、動(dòng)物遺體等任意焚燒，必須用來生產(chǎn)煤氣。 如果把這些部門生產(chǎn)的煤氣加在一起，可使用的煤氣量就更多了。這些數(shù)據(jù)有力地說明，利用煤炭減排不但不需要捕捉，相反卻帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

雖然利用煤炭減排水泥和鋼鐵生產(chǎn)時(shí)排放的二氧化碳是一個(gè)好方法，但是畢竟還需要煤炭。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，最終的辦法還是植樹造林，在全球范圍內(nèi)推廣森林公墓代替目前的水泥公墓，貯存木材，用木炭代替煤炭，可解決煤炭枯竭和氣候變暖問題。

3 利用石灰捕捉的二氧化碳消除白色污染

塑料是人類最偉大的發(fā)明之一，但也帶來一個(gè)世界性難題，就是塑料污染，又稱白色污染。超過75%的塑料，一次用后已無法回收。目前，世界上有40億t塑料掩埋在地下或堆放在地面上。一般塑料需要10～20年才能分解，塑料瓶需要500年才能分解。分解后形成非常微小的顆粒，每年有1 000萬t流入海洋，被海洋生物吞食，受到傷害。

據(jù)最近報(bào)載，英國(guó)牛津大學(xué)科學(xué)家采用微波技術(shù)將塑料分解成清潔能源氫(97%)和高價(jià)值碳納米管，稱已成功解決了地球塑料污染的世界性難題。

本文認(rèn)為利用石灰捕捉的二氧化碳可以解決塑料污染。

PP型和PE型塑料的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PP型和PE型塑料分子結(jié)構(gòu)

在1 000℃高溫與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成氫和一氧化碳。與二氧化碳的反應(yīng)式是：

PE型塑料：C2H4+2CO2=4CO+2H2

(7)

PP型塑料：C3H6+3CO2=6CO+3H2

(8)

1 t的PE或PP型塑料與二氧化碳化學(xué)反應(yīng)后，可以得到4 800 m3無氮型高熱值清潔煤氣。從反應(yīng)式可以看到，煤氣中CO/H2比值是1/2。這表明高熱值煤氣是因?yàn)槠渲袥]有氮?dú)?，只有H2和CO；清潔煤氣是因?yàn)榻?jīng)過1 000℃高溫?zé)n煉以后，垃圾塑料中有毒、有害物料全部被徹底分解，煤氣變得非常清潔。

如果在全球范圍內(nèi)每年處理2億t塑料，可以生產(chǎn)9 600億m3無氮型高熱值清潔煤氣，平均每人每年可以使用123 m3煤氣。當(dāng)把水泥、鋼鐵生產(chǎn)得到的每人每年可以使用的409 m3煤氣加在一起，全球78億人口每人每年可使用的煤氣量達(dá)到532 m3，如果再加上大量的柴禾、焚尸爐生產(chǎn)的無氮型高熱值煤氣以及發(fā)電廠排放的二氧化碳轉(zhuǎn)化為煤氣，其量估計(jì)在1 500 m3以上。

每人每年可以使用1 500 m3高熱值煤氣，這也許足夠人類生產(chǎn)活動(dòng)需要的能量。人類再也不必要擔(dān)心能源枯竭了。

利用石灰石分解產(chǎn)生的二氧化碳與塑料生產(chǎn)無氮型高熱值煤氣。估計(jì)貯能指數(shù)大于4，是一個(gè)增能反應(yīng)。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，1 t的塑料能生產(chǎn)4 800 m3高熱值煤氣，其發(fā)熱值估計(jì)接近天然氣，約為城市煤氣的3倍。售價(jià)預(yù)計(jì)在3元左右。按3元計(jì)算，1 t的廢塑料生產(chǎn)煤氣的售價(jià)達(dá)到14 400元，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，況且又是增能反應(yīng)。人們擔(dān)心的白色污染可以得到徹底解決。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)利用石灰捕捉二氧化碳有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：石灰捕捉二氧化碳是放熱反應(yīng)，不需要供熱，費(fèi)用低；石灰可以循環(huán)使用；捕捉生成的石灰石可以永久貯存，無地方限制。調(diào)節(jié)石灰石貯存量可以控制空氣中二氧化碳含量，達(dá)到調(diào)節(jié)氣候的目的。

(2)利用煤炭減排有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：自然資源氧化鐵和石灰石得到完全利用；投資小，技術(shù)簡(jiǎn)單易行；二個(gè)反應(yīng)都是貯能反應(yīng)，貯能指數(shù)大于1，耗能小，經(jīng)濟(jì)效益顯著。水泥和鋼鐵生產(chǎn)成本將會(huì)大幅下降。

(3)目前擔(dān)心的是“過度捕捉”。造成“過度捕捉”的原因是技術(shù)簡(jiǎn)單易行、投資小、經(jīng)濟(jì)效益顯著。尤其是推桿式電爐一旦在農(nóng)村推廣，很可能出現(xiàn)“過度捕捉”局面，“過度捕捉”的結(jié)果是植物枯萎，動(dòng)物難以生存。因此，科學(xué)家必須制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就是空氣中最合適的二氧化碳含量。

當(dāng)前的有利條件是各國(guó)都非常重視氣候變化。這為加速推廣石灰和煤炭捕捉二氧化碳提供了可能。由于貯能指數(shù)都大于1，經(jīng)濟(jì)效益顯著，各國(guó)政府可以下令禁止二氧化碳排放。如果電力、垃圾焚燒、水泥、鋼鐵、焚尸爐等5個(gè)部門全面實(shí)行采用石灰和煤炭捕捉和生產(chǎn)無氮型煤氣，人類面臨的氣候變暖、環(huán)境保護(hù)、能源枯竭這三個(gè)問題也有可能得到根本解決或緩解。