基于生物固碳的低碳發展模式探討

田原宇，喬英云

（1.中國石油大學（華東）重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580；2.山東省高校低碳能源化工重點實驗室（山東科技大學），山東 青島 266590）

1 引言

以減排CO2為標志的綠色、低碳發展，正成為全球性的浪潮。這是因為CO2等溫室氣體的大量排放，造成的氣候變化已成為全球最大的環境問題之一。面對日益惡化的氣候現象，它的負面影響更受關注，大力推進經濟社會發展與生態環境保護雙贏的低碳經濟是積極應對氣候變化的戰略舉措。在國際環境和我國內在需要的綜合作用下，我國正走向低碳發展的時代。

中國是世界第一大煤炭消費國和第二大能源消費國，2008年CO2排放量已達到60億t，超過美國而成為世界第一的CO2排放國。根據現在中國的經濟發展速度，未來幾年內CO2排放量仍將以3%的速度逐年遞增。中國已經制定了2020年單位GDPCO2排放量比2005年減少40%～45%的目標。在中國，發展中不平衡、不協調、不可持續的問題相當突出，擺在首位的就是經濟增長的資源環境約束強化。作為一個負責任的大國，在降低CO2排放強度的同時，千方百計地減少CO2的排放總量，有助于降低資源環境的約束。另外中國還面臨糧食安全和18億畝耕地紅線以及城鎮化、工業化的土地需求，能源安全、結構和效率，城鄉收入差距加大和以工哺農體系不完善的三農問題，節能降耗與環境保護等諸多問題。

針對上述難題，筆者提出了減碳和固碳結合、以生物固碳為主的低碳化原則，構建以源頭和過程碳減排、終端生物固碳并建立國內碳市場實現工農結合的低碳發展模式。

2 從源頭避免高碳排放

在現代工業生產過程中絕大多數產品的原料都有多種來源，同時也對應著多種不同的匹配性工藝過程。不同的原料和工藝過程對應不同的CO2排放，針對具體的應用對象開發和選擇適宜的原料和工藝，能夠從源頭上避免產生不必要的CO2排放。這是目前CO2減排最有效的途徑，主要通過國家政策和稅收、產業結構調整和升級，以及合理的能源定價機制和能源產品價格來引導實現[1]。

以燃煤發電為例，選擇低灰精煤和合理的過剩空氣系數就能有效降低煙氣量，減少無效熱量外排，從而提高煤的利用率、減少CO2的排放。同樣采用循環流化床燃燒發電、RGCC和多聯產發電、超臨界發電等均能達到上述目的。

以合成甲烷工藝為例，選擇褐煤和長焰煤采用燃氣型的魯奇爐氣化和循環流化床分級熱解氣化要比合成型的氣流床氣化生產的合成氣甲烷含量高（約10%左右）、氧耗低；合成甲烷時產生較難利用的低溫熱源減少10%以上。從整個合成甲烷工藝核算，前者煤的利用率高、能耗和氧耗低，同樣規模的合成甲烷，自然就減少了CO2的排放。對于循環流化床分級熱解氣化，固態排渣相對換熱容易，水封用水量較低，加之循環流化床分級熱解氣化相對魯奇爐氣化合成氣不含煤焦油，不會產生含酚廢水，因此循環流化床分級熱解氣化合成甲烷的工藝過程能耗更低，更有利于避免高碳排放。

另外煤化工發展含氧化合物燃料和多聯產工藝、民用燃料采用天然氣、大力發展核能、水電、風能和生物能、化工行業大力實施循環經濟、發展純電動汽車等均能實現從源頭避免高碳排放。

3 過程減少碳排放

在經濟活動過程中，開采、生產、使用和終端產品消費等各個階段都需要能耗，都存在能源使用效率。我國目前萬元GDP能耗水平與發達國家有較大差距，物理能耗水平約比國際先進水平高20%～30%左右。例如2007年，我國每千瓦時供電耗煤比國際先進水平高44g標煤，每噸鋼能耗水平比國際先進水平高58kg標煤，每噸水泥綜合能耗水平比國際先進水平高31kg標煤，分別高出14%、10%和24%。另外生產的產品利用率偏低，又變相地增加了能耗。通過優化設計，使用高效節能的工藝設備、高效適宜的催化劑和合理使用優質產品均能實現節約能耗，減少終端產品的使用量。減少終端產品的使用量就是相應減少了產品生產量，避免生產這部分產品產生的能耗。節能降耗自然就減少了CO2的排放，這是目前CO2減排最容易實現、成本最低并且具有較大收益的途徑[2]，在國家政策強制下均能通過企業自身調整和改造來實現。

對于現代煤化工的龍頭——大型煤氣化來說，空分是投資和能耗均占氣化工藝50%左右的必不可少的過程，其產品主要是液氧，副產的液氮只需使用部分產量，其余的均被低效利用或排放。如果采用深冷分離為主的梯級分離工藝，大部分氮氣組成在低壓端就作為產品氣外送，無需經過空氣壓縮機高能耗加壓，最終產品主要是液氧和部分液氮，工藝所需的高壓氧氣通過泵液體低能耗加壓即可滿足。這樣大大降低了空氣壓縮機的處理量和能耗，從而達到降低氣化工藝投資和能耗的目的。

利用化石能源花費巨大的能耗和成本生產的氮肥，由于我國化肥產品落后、使用工藝不當和不合理施肥，利用率僅有30%左右，不到發達國家的一半，不僅造成了浪費，而且造成了嚴重的面源污染。如將現有的化肥改造為緩控增效肥料，并采用相應的耕作模式，就可提高作物產量和品質以及化肥使用效率，從而減少了肥料的消費量和生產這部分肥料的所產生CO2排放。

化工行業合理選擇高效催化劑以及分離、反應、換熱和泵送高效節能設備，采用調頻技術等可以大幅度降低能耗。蒸餾是化學加工工業中首選的均相體系分離技術，也是目前總能耗最大的化工分離過程。如將梯形垂直長條帽罩與規整填料有機結合的NS傾斜長條立體復合并流塔板用于改造F1浮閥塔板，閥孔動能因子高達34，開孔率高達40%以上（國內外目前塔板最大開孔率僅為20%左右），提高處理能力2倍以上（目前國內外最高提高70%）、降液管通過能力3倍以上，降低板壓降30%以上，同時提高板效率30%以上，操作彈性為4倍，解決了塔器大型化塔內件結構和安裝難題，這在國內外尚屬首例[3]。

各行各業節能降耗技術和產品枚不勝舉，這是目前我國實現CO2減排的最有效途徑，僅需要相關部門和協會優化集成，加大推廣力度。

4 終端的固定與儲存

經濟活動只要消耗資源和能源，必然會產生碳排放，沒有絕對的零碳排放過程。由于化石能源使用量劇增，自然界碳循環每年出現約257億tCO2的過剩，逐年累計引發了日益變化無常的全球氣候問題。目前國內外相關企業和學者為了應對全球氣候變化，普遍關注、研發和實施CO2的捕集與封存，這是迫不得已和最終解決CO2減排的方法，也是實施起來成本過高，并且技術不成熟，存在諸多的風險和次生災害。

實際上，解決人為排放的CO2過剩，除了被動地減少CO2產生量，更為積極的措施是加快碳利用，增加CO2消耗量，主動減少CO2的過剩，從而在碳循環中實現碳平衡。這是突破碳減排對經濟發展影響，實現工農業同時快速發展的積極有效途徑。這既是個技術問題，也需要建立國內碳市場，通過合理的碳交易，對企業間、行業間和地區間CO2排放的不平衡，找到一個較好的解決辦法。

目前盡管中國GDP已超過日本成為第二，但人均很低，仍處于發展中，經濟還不完善，生活還不富裕，然而中國已成為世界第一大CO2排放國，并逐年遞增。發展經濟與減排成為我國兩難的選擇，加之存在國家能源安全、糧食安全、耕地與城鎮化和工業化、以工哺農、三農問題和環境保護等戰略性難題，被動采取減少CO2產生量的捕集與封存措施，將會對我國經濟的發展和上述諸多難題的解決帶來限制和障礙。

針對我國的國情和發展的現狀，結合國際碳減排的機制，不同CO2濃度的工業排放可采用不同的減排與固碳措施。現階段，對于工礦企業主要排放源的低濃度CO2，可以采取低成本的異地生物固碳減排措施，加快碳循環和碳固定。這樣不僅可以實現CO2實際排放量的減排，同時可以改良土壤增加有效耕地面積，大量增加糧食和生物質能，從而在逐步提高人民生活水平的前提下，低成本大力發展低碳經濟，同時兼顧解決國家能源安全、糧食安全、耕地與城鎮化、以工哺農、三農問題、淡水資源不足和環境保護等戰略性難題，滿足我國今后較長時間的減排要求，提高我國應對全球氣候變化的實際能力和國際地位。

對于如煤化工和石灰等行業排放的高濃度CO2（90%以上），采用捕集技術回收，通過制造干冰、用作合成尿素、水楊酸、環碳酸酯和聚碳酸酯等的原料以及CO2驅采油、農業大棚CO2氣肥等，都是成本和能耗較低、減排和經濟效益較好的方法。

對于數量多、分布廣的如發電和中小鍋爐等排放的低濃度CO2（小于16%），工礦企業現階段無需采用集中固碳處理，可以利用國內碳交易實現異地化低成本固碳。根據我國目前的土地分布、土壤組成、農業現狀和生物能源地發展，以及工農業發展不平衡和剪刀差等具體情況，對于低濃度CO2煙氣，工礦企業可按照CO2排放量，將用于集中固碳處理的投資和操作費用，拿出來反哺農林業。政府或相關機構把這部分資金集中起來，用于改造中低產田，提高糧食單產、品質和生物質產量；改良非耕地、鹽堿灘涂、沙漠化和重金屬污染等退化土壤，利用現代農業技術種植適宜的速生能源植物和農作物，發展碳匯林和牧草或改造退化草原，充分利用太陽能，加快碳循環，增加CO2消耗量，主動減少CO2的過剩，從而實現循環平衡。同時又大幅度提高有效耕地面積和生物質能源產量，熱解生產生物原油，增加了農民的收入，降低了企業CO2減排的成本，從而實現工業、農業、政府和社會的多贏。這個方法可以簡單概括為一條工藝路線：企業出資形成碳匯基金——投資農林業——改良土壤、增強碳匯能力——增加糧食和生物質產量——通過工業熱解生產生物質原油——多方受益。

將生物質轉化為能源燃料時，無需考慮生物質作為食品時所需顧及的轉基因和有毒有害微量物質問題，轉基因物種在產量提高、種植地域和污染土壤修復中均能產生巨大的經濟、環保和社會效益。生物質快速熱解液化技術是最好的碳利用出路和產品，從而加快了碳循環，實現了碳循環平衡[6]。

另外，利用生物質不到7d的快速腐化生產腐植酸，作為有機肥提高土壤的腐殖質，有利于提高土壤肥力和保肥保水性，進而提高農作物產量。將我國絕大多數土壤腐殖質含量不足1%提到2%左右，這也將是一個千億噸級的土壤安全儲碳方式。

5 結語

（1）針對具體的應用對象和原料提出了開發和選擇適宜的原料和工藝，從源頭上避免產生CO2排放的措施，是目前CO2減排最有效的途徑。

（2）提出在能源開采、生產、使用和終端產品消費全過程中節能降耗，從過程減少CO2排放的措施，是目前CO2減排最容易實現、成本最低并且具有較大收益的途徑。

（3）針對不同濃度CO2廢氣采用不同的適宜捕集、利用和固定措施，提出了我國現階段工礦企業通過國內碳交易，利用異地生物固碳的低成本減排措施，在確保經濟增長、逐步提高人民生活水平的前提下，工農業合作，合理利用CO2，發展低碳經濟，兼顧解決國家能源安全、糧食安全、保護耕地與城鎮化、以工哺農、三農問題、淡水資源不足和環境保護等戰略性難題，實現工業、農業、政府和社會的多贏，能夠滿足我國今后較長時間的減排任務，從而提高我國應對全球氣候變化的國際地位。

[1]田原宇，喬英云.高碳能源低碳化途徑的探討[M].武漢：美國科研出版社，2010.

[2]謝克昌.重視高碳能源低碳化[J].中國人大，2009（18）.

[3]喬英云，田原宇，謝克昌.NS傾斜長條立體復合塔板在工業中的應用[J]，石油化工設備，2009，38（3）：78～80.

[4]Qiao Yingyun，Tian Yuanyu1，Xu Jingfang，et al.The effect of the structure parameter to NS efficient composite trays（Ⅰ）the effect of aperture and openning fraction on NS efficient composite trays[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology，2009，3（1）：26～31.

[5]林鵬生.我國中低產田分布及增產潛力研究[D].北京：中國農業科學院，2008.

[6]田原宇，梁 鵬，喬英云，等.生物質自混合下行循環流化床快速熱解制燃料油[J].石油化工設備，2008（11）.