利用捕捉的二氧化碳和垃圾塑料發展隧道窯型電熱煤氣發生爐技術

金家敏

(上海材料研究所，上海 200433)

科學家普遍認為地球變暖是工業生產時大量排放二氧化碳的結果，因此在全球范圍內捕捉和封存二氧化碳，即二氧化碳捕捉與封存(CCS)技術路線，已成為許多科學家的研究焦點和各國政府的戰略。北京大學清潔能源研究院院長張東曉認為，CCS技術有望成為全世界減少碳排放份額最大的單項技術。聯合國國際能源署(IAE)反復強調CCS技術路線仍然是一項重要的溫室氣體減排解決方案，要求在2020年，全球必須有200個CCS項目投入運行，到2050年必須有3 000個項目投入運行。從2015年到2050年，全球二氧化碳捕捉和封存的總量應達到1 200億t。

從2016年開始，作者在國內外雜志上發表了五篇利用捕捉的二氧化碳貯能技術解決溫室氣體排放問題的有關文章[1-5]，內容涉及氣候變化、能源、環保等多個重大問題，本文就有關問題進行一些補充和修改。

1 CCS技術路線存在的多個問題

CCS技術路線由捕捉、運輸、封存這三部分組成。其中，捕捉費用占總費用的2/3，封存費用占總費用的1/3。捕碳技術有燃燒前捕捉、燃燒后捕捉、富氧燃燒三種，這三者各有優勢，但都存在難題。封存技術有海洋封存、油氣田封存、煤層氣封存三種，但都存在二氧化碳泄漏以及不可預料的地質災害造成的安全隱患，況且地質掩埋地方有限。

采用CCS技術路線發電廠的電價較不采用CCS技術的電廠電價要高0.01～0.05美元。專家們認為CCS技術路線的唯一出路是封存和應用相結合。但如果把捕捉的二氧化碳全部封存，經濟上難以承受。二氧化碳的提純應用是世界性難題，至今還沒有解決，并且即使這個難題得到解決，其應用恐怕也有限。因此，可以認為CCS技術路線是一條不成熟且費用高的技術路線。但目前全球范圍內已有56個CCS項目正在運行或計劃，我國也有11個CCS項目正在計劃或運行，由此可見人們對氣候變暖問題是焦急萬分的。

2 捕碳貯能與煙氣貯能技術路線

捕碳貯能和煙氣貯能技術是把電能轉化為化學能并加以貯存和應用。碳的氣化反應是一個吸熱反應或者貯能反應。實際上使用已有100多年歷史的煤氣發生爐也是貯能，可以把固體碳轉化為氣體碳，只不過是生產用的原料是煤和空氣，依靠煤燃燒提供熱量。

貯存與應用相結合是CCSE或SSE唯一的可行方案。調節貯存與應用比例，可以達到控制氣候的目的。SSE與CCSE不同的之處是SSE直接應用煙道氣，省去了一道昂貴的捕捉工序。但不足之處是煤氣中有大量氮氣，熱值低，如果循環使用，熱值越來越低，并引起生產不穩定。因此，采用簡單的重力或離心方法，適當提高和穩定煙氣中二氧化碳含量是必須的。如果采用壓縮分離方法使捕捉二氧化碳的生產成本能夠達到如美國麻省理工學院公布的每噸25美金，生產一立米一氧化碳只需0.025美金，則完全可以接受。

碳氣化反應是一個非常重要的化學反應。許多工業產品都是依靠這個反應生產出來的，例如：城市煤氣，高爐煉鐵，鼓風爐煉銅，隧道窯生產海綿鐵，鋼鐵零件表面固體滲碳等，就完全依靠這個反應，而且都有百年以上的應用歷史。反應的熱力學、動力學、反應機理、催化反應,以及催化反應機理都得到了詳細研究。

作者研究碳氣化催化反應機理已有50多年了，最后認為催化現像是物理現象，不是化學現象，催化劑不參加化學反應，提出了電子循環授—受催化反應機理或電子軌道變形-回復循環催化反應機理。CCSE或SSE技術路線是碳氣化催化反應機理研究的延伸和擴展。

比較CCS和CCSE或SSE技術路線，顯然CCSE或SSE技術路線具有明顯的優勢。

3 貯能反應和貯能指數

常見的吸熱反應有兩個，即

C+CO2=2CO-162 297 kJ/kg·mol

(1)

C+H2O=H2+CO-131 381 kJ/kg·mol

(2)

這兩個反應都是吸熱反應或貯能反應，在煤氣發生爐內都存在這兩個反應。式(1)就是碳氣化反應，又稱Bouduard反應，是一個非常重要的反應。

一氧化碳燃燒放出的熱量就是貯存的熱量：

2CO+O2=2CO2+570 865 kJ/kg

(3)

貯能指數是化學反應后煤氣貯存的能量/化學反應時消耗的能量比值，是用來衡量不同的碳質材料貯存反應的貯能效率。

對于碳氣化反應，貯存值與消耗值相比，570 865/162 297=3.517，扣去爐壁熱損失約3%，碳氣化反應的貯能指數為3.4。這個數據表明氣化反應后貯存的能量是它消耗能量的3.4倍。人們都知道把直接燃燒改為間接燃燒，尤其與農村的灶頭比較，能夠顯著提高熱效率，熱效率的提高完全可以抵消爐壁的熱損失，因此可以把電熱煤氣發生爐稱為零能耗電熱煤氣發生爐。因此，采用電熱生產煤氣，就經濟而言，是非常合算的。

在氣化生產原材料中始終含有水分,而C+H2O=CO+H2也是一個吸熱反應或貯能反應。

H2+1/2O2=H2O-285 800 kJ/kg·mol

(4)

計算：(285 800+285 342)/131 381=4.35，扣去熱損失，估計貯能指數為4.2。

當貯能指數大于4.0，電廠的熱效率提高到50%(目前電廠熱效率最高的為46%)，則利用谷電生產煤氣貯存的能量完全可以滿足峰電發電時所需能量，僅憑這一點就可以節約50%火電煤耗，預計需要貯存的煤氣量可能很少，甚至于零。

中國和美國所排放的二氧化碳排放量為全球的52%，如果中美兩國能夠共同合作，節約50%的火電煤耗，極有利于解決全球氣候變暖問題。

柴禾、塑料、橡膠以及動物體內脂肪等肌肉組織主要由碳與氫組成，根據脂肪的結構式，脂肪氣化以后，煤氣中氫的含量大約為60%，熱值很高，估計脂肪的貯能指數遠遠大于4。實際究竟多少應由試驗測定。

塑料污染是一個非常嚴重的問題，目前已有40億t塑料掩埋在地下或自然界,10～20年以后，塑料分解產生的微粒進入海洋,被生物吞食。報載，現在每年有1 000萬t微粒塑料流入海洋,英國女王曾為此發出嚴重警告。據最近報載，英國牛津大學科學家用微波將塑料分解成氫(97%)和高價值碳納米管,成功解決了地球塑料污染的世界性難題。但是，筆者認為采用CCSE或SSE技術路線，也許更為經濟和合理。

貯能指數可告訴人們，雖然在全球范圍內電力供應都很緊缺，但是有兩點應該明白：一是，不舍得首先利用電生產煤氣也許是許多科學家至今未提出電熱煤氣發生爐的思想顧慮，但這個顧慮，現在看來是不必要了；二是，貯能指數大于4,同樣表明電力直接應用于照明，電動機械等就顯得不夠合理了，電應當首先供應零能耗的電熱煤氣發生爐。它既能消耗大量二氧化碳和垃圾，變廢為寶，節約煤炭，保護資源，貯存了能量,又能夠控制人們非常擔心的氣候變暖問題。

4 大力發展電熱煤氣發生爐

電熱煤氣發生爐與目前大量使用的煤氣發生爐相比較，前者用的是電，二氧化碳和煤,柴禾,有機垃圾等，后者使用的是煤和空氣。從文獻[1-5]可知，大力發展電熱煤氣發生爐主要基于三個考慮：一是使大量捕捉到的溫室氣體二氧化碳成為商品，作為寶貴的原材料，實現貯存和應用相結合，控制氣候變化，保護地球和人類；二是大量利用塑料等垃圾，有毒污水處理的活性炭也可以作為原料，經1 000℃的高溫處理以后，有毒物質被徹底分解，可以得到清潔的煤氣，保護了環境；三是貯能指數>3.4,是一個無能耗或增能值的煤氣發生爐，經濟上非常合理。

電熱煤氣發生爐是CCSE或SSE唯一的一個主要設備，但卻是一個至今未見的創新設備，實際上它是一個大型的大功率加熱爐。除發生爐外，其余設備就是多個大型貯氣包。

電熱煤氣發生爐的爐型可以是立式的、臥式的、逥轉爐、沸騰爐等。本文作者青睞于逥轉爐，其優點是爐料在爐內翻動，反應速度快；缺點是爐料必須是粉粒狀。對于易加工的柴禾，塑料原料，逥轉爐型應該是最合適的爐型。

根據多年負責隧道窯生產海綿鐵技術的實際經驗，認為采用古老的隧道窯型電熱煤氣發生爐更為合適，其優點是技術成熟，結構簡單，投資小，運行能耗小，其中最大優點是柴禾、垃圾、動物尸體等原材料不需要加工，可以直接放在窯車或窯舟上,缺點是煤炭等反應物在窯舟上固定不動，反應速度較慢。

隧道窯技術已很成熟。用于生產煤氣的電熱爐，一個要求是爐體必須密封，以防煤氣泄漏；另一個要求是由于煤炭柴禾等原材料成分不可能非常穩定，因此在爐尾煤氣出口端應裝設噴煤粉裝置。根據煤氣成分分析結果，添加或不加小量煤粉，保證煤氣中二氧化碳含量在1%～2%，保證煤氣穩定的發熱量。

電加熱隧道窯完全可以同時生產海綿鐵和煤氣。因為在還原過程中從還原反應罐中放出的完全是二氧化碳和一氧化碳氣體，還原結束到滲碳階段，氣相中一氧化碳的含量幾乎是100%。根據化學反應式計算，每生產一噸海綿鐵，可以同時生產600 m3的一氧化碳，而且煤氣中的氮氣含量很少，熱值很高。

根據化學反應式計算，生產一噸海綿鐵大約需要電量590 kWh，煤炭消耗量約為385 kg(目前的高爐生產水平為530 kg/t)，貯能指數為1.78。當把鐵礦粉、煤粉、人工、設備折舊以及600 m3煤氣售價等全部估算在內，估計其生產成本比目前的生鐵成本要低得多，煤焦的消耗量也會下降許多。當海綿鐵的生產成本低于生鐵的生產成本，就有可能引發鋼鐵生產的變革。當然這只是初步估算，可行性應有待專家進行詳細計算。

5 實現農村煤氣化

實現農村煤氣化基于兩個理由：一是地面上的一草一木實際上時時刻刻在貯存能量，其量非常大；二是江南農村，在改革開放前，燒飯取暖全用柴禾，但現在山區農村都用液化氣，拋棄了可貴的天然能源。因此，一邊在糟蹋資源，另一邊卻用大力氣到地下開采能源,實際上這是愚蠢的行為。

農村一旦實現煤氣化，電力充沛了，不僅山青水秀，而且環境也好了。

6 目前工業生產中存在的多個問題

根據貯能指數，作者認為目前工業生產中存在多個不合理的地方，具體如下。

(1)蓄能水電站。利用谷電把下水庫的水升高到上水庫達到貯能的目的。全球范圍內有許多這樣的蓄能水電站，但它的貯能指數是負值。與貯能指數大于4的零能耗電熱煤氣發生爐相比，蓄水貯能顯然是不合理的。如果把谷電輸送給電熱煤氣發生爐，則可以貯存4倍以上的能量，顯然是建造電熱煤氣發生爐更為合理。

(2)垃圾焚燒爐與焚尸爐。 在全球范圍內廣泛使用垃圾焚燒爐與焚尸爐。地球上貯存著有大量能量的柴禾、塑料、橡膠、海藻、動物尸體等，一把火把它們燒掉，既消耗了大量的燃料，糟蹋了大量能源，又污染了環境，是一個非常不合理的舉措。

粗略計算,一噸聚乙烯廢塑料大約可以生產4 800 m3的高熱量清潔煤氣；一具50 kg的動物遺體, 可以生產大約120 m3的高熱量清潔煤氣。 全球范圍內每天的死亡人數大約是15萬人,如果用來生產煤氣，每天可以生產1 800萬m3高熱值清潔煤氣，同時省去了大量柴油天然氣。利用捕捉的二氧化碳，大力發展電熱煤氣發生爐，可以實現農村煤氣化，并變廢為寶，也有利于解決全球變暖問題。

最后,筆者認為只有電能拯救地球。