利用石灰煤炭捕捉二氧化碳與應用技術

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，科學家普遍認為是由溫室氣體二氧化碳造成的。因此，就出現了捕捉封存技術(Carbon Capture and Storage，簡稱CCS)。聯合國能源署要求在2020年建成200個CCS項目投入運行，到2050年必須有3 000個CCS項目投入運行。 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技術路線中，捕捉費用占總費用的2/3。采用CCS技術發電和不采用CCS技術發電相比，每千瓦時電費價格上漲0.02～0.05美元。目前，全球范圍內已有56個CCS項目正在計劃或運行。我國也有11個CCS項目正在計劃或運行。

目前，捕捉二氧化碳有多個方法，但多處在研究階段，主要目的是降低捕捉費用。化學吸附分離技術已基本成熟，并且已有小規模工業應用示范。石灰作為建筑材料被廣泛應用，它依靠吸收空氣中的二氧化碳而變硬，達到固化目的。利用石灰捕捉二氧化碳，技術方面非常簡單，石灰或水泥的生產成本大幅下降，經濟效益顯著。

文獻[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，反復指出CCS技術路線是不可取的。本文旨在進一步說明作者的觀點，求得共識。

1 利用石灰捕捉發電廠排放的二氧化碳

火力發電廠會排放大量二氧化碳，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幾個化學反應式如下：

(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反應式。它是一個放熱反應，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，也可以用來生產煤氣。因此，利用石灰捕捉發電廠煙道中二氧化碳應該是最經濟的方法。

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

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

貯能指數大于1，意味著反應是增能反應或貯能反應。增加的能量來自碳的消耗。

利用石灰捕捉二氧化碳循環反應和應用流程圖如圖1所示。

圖1 利用石灰捕捉二氧化碳循環反應與應用流程

利用石灰捕捉二氧化碳的設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 ℃，轉速約為5 r/min。如果用石灰粉，估計反應速度很快。滾筒結構大小決定煙道氣流量，對于捕捉效率沒有嚴格要求。由于反應是放熱反應，不需要供熱，機械運轉能耗不大，預計利用石灰捕捉電廠煙道氣中的二氧化碳是最經濟的方法。

利用石灰捕捉二氧化碳有多個優點：一是費用低；二是石灰可以循環使用；三是石灰石可以永久貯存，無地方限制。控制石灰石的貯存量就可以控制氣候，比文獻[1-6]中提出的控制一氧化碳貯存量與應用達到控制氣候的建議更經濟可靠。

2 利用煤炭捕捉水泥和鋼鐵生產時排放的二氧化碳

水泥和鋼鐵生產時排放的二氧化碳量僅次于電力生產，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排放的二氧化碳的兩個化學反應式是式(3)和式(6)。

(6)

這兩個反應都是吸熱反應，貯能反應或增能反應。兩個反應的貯能指數分別是1.666和1.780，都大于1，增加的能量同樣來自碳的消耗。

根據反應式計算：生產1 t石灰，消耗了0.214 t碳，同時生產了800 m3無氮優質煤氣，減少了400 m3二氧化碳排放；生產1 t鐵，消耗了0.321 t碳，同時生產了600 m3優質煤氣，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。生產得到的無氮型煤氣相當于用純二氧化碳或純氧生產的優質煤氣。

從經濟方面考慮，生產1 t石灰，同時生產800 m3煤氣，煤氣的發熱值約為城市煤氣的2.5倍，按1 m3煤氣售價2元計算，價值達1 600元，遠高于石灰的售價。對于鋼鐵生產，煤氣的售價可能完全可以抵消購買鐵礦石的費用。

從資料可知，全球鐵礦石產量是22.308億t，按平均含鐵48.8%計算，精鐵礦產量是15.5億t，其中氧的含量是4.65億t(按含氧量30%計算)。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，這兩個工業生產排放的二氧化碳量總計達到31.92億t，為全球總排放量330億t的9.67%。與聯合國能源署要求每年捕捉二氧化碳34億t相比只差2.08億t。

由化學反應式計算，31.92億t二氧化碳轉化為一氧化碳需要8.7億t碳或10億t左右煤炭。結果得到了31 920億m3優質煤氣。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優質煤氣。

水泥和鋼鐵生產時利用煤炭實現減排，在技術方面非常簡單，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，用的就是封閉的小鐵盒，做了許多試驗，因此在技術方面沒有問題。

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優質煤氣，二氧化碳排放量減少了31.92億t。這兩個反應都是增能反應。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計算，還有29 580億m3高熱值煤氣可供工業生產使用。

我國水泥產量占全球50%，鋼鐵產量占全球53%。全球水泥鋼鐵生產時排放的31.92億t中有超過16億t二氧化碳是我國排放的。它可以生產16 000億m3無氮的高熱值煤氣。按我國14億人口計算，每人每年可使用的煤氣量為1 143 m3。估計每人每月用于燒飯取暖的煤氣用量在3 m3以下，就按3 m3計算，每人年消耗量為36 m3，僅占產量的3.14%，還有16 500億m3優質煤氣可以用于發電等工業生產。

政府應當下令禁止柴禾、塑料垃圾、動物遺體等任意焚燒，必須用來生產煤氣。 如果把這些部門生產的煤氣加在一起，可使用的煤氣量就更多了。這些數據有力地說明，利用煤炭減排不但不需要捕捉，相反卻帶來了巨大的經濟效益。

雖然利用煤炭減排水泥和鋼鐵生產時排放的二氧化碳是一個好方法，但是畢竟還需要煤炭。從長遠考慮，最終的辦法還是植樹造林，在全球范圍內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明之一，但也帶來一個世界性難題，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。

據最近報載，英國牛津大學科學家采用微波技術將塑料分解成清潔能源氫(97%)和高價值碳納米管，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型塑料的分子結構如圖2所示。

圖2 PP型和PE型塑料分子結構

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

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反應后，可以得到4 800 m3無氮型高熱值清潔煤氣。從反應式可以看到，煤氣中CO/H2比值是1/2。這表明高熱值煤氣是因為其中沒有氮氣，只有H2和CO；清潔煤氣是因為經過1 000℃高溫焠煉以后，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。

如果在全球范圍內每年處理2億t塑料，可以生產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。當把水泥、鋼鐵生產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到532 m3，如果再加上大量的柴禾、焚尸爐生產的無氮型高熱值煤氣以及發電廠排放的二氧化碳轉化為煤氣，其量估計在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活動需要的能量。人類再也不必要擔心能源枯竭了。

利用石灰石分解產生的二氧化碳與塑料生產無氮型高熱值煤氣。估計貯能指數大于4，是一個增能反應。從經濟方面考慮，1 t的塑料能生產4 800 m3高熱值煤氣，其發熱值估計接近天然氣，約為城市煤氣的3倍。售價預計在3元左右。按3元計算，1 t的廢塑料生產煤氣的售價達到14 400元，經濟效益非常顯著，況且又是增能反應。人們擔心的白色污染可以得到徹底解決。

4 結語

(1)利用石灰捕捉二氧化碳有三個優點：石灰捕捉二氧化碳是放熱反應，不需要供熱，費用低；石灰可以循環使用；捕捉生成的石灰石可以永久貯存，無地方限制。調節石灰石貯存量可以控制空氣中二氧化碳含量，達到調節氣候的目的。

(2)利用煤炭減排有多個優點：自然資源氧化鐵和石灰石得到完全利用；投資小，技術簡單易行；二個反應都是貯能反應，貯能指數大于1，耗能小，經濟效益顯著。水泥和鋼鐵生產成本將會大幅下降。

(3)目前擔心的是“過度捕捉”。造成“過度捕捉”的原因是技術簡單易行、投資小、經濟效益顯著。尤其是推桿式電爐一旦在農村推廣，很可能出現“過度捕捉”局面，“過度捕捉”的結果是植物枯萎，動物難以生存。因此，科學家必須制定一個標準，就是空氣中最合適的二氧化碳含量。

當前的有利條件是各國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。由于貯能指數都大于1，經濟效益顯著，各國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個部門全面實行采用石灰和煤炭捕捉和生產無氮型煤氣，人類面臨的氣候變暖、環境保護、能源枯竭這三個問題也有可能得到根本解決或緩解。