基于生物固碳的低碳发展模式探讨

田原宇，乔英云

（1.中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580；2.山东省高校低碳能源化工重点实验室（山东科技大学），山东 青岛 266590）

1 引言

以减排CO2为标志的绿色、低碳发展，正成为全球性的浪潮。这是因为CO2等温室气体的大量排放，造成的气候变化已成为全球最大的环境问题之一。面对日益恶化的气候现象，它的负面影响更受关注，大力推进经济社会发展与生态环境保护双赢的低碳经济是积极应对气候变化的战略举措。在国际环境和我国内在需要的综合作用下，我国正走向低碳发展的时代。

中国是世界第一大煤炭消费国和第二大能源消费国，2008年CO2排放量已达到60亿t，超过美国而成为世界第一的CO2排放国。根据现在中国的经济发展速度，未来几年内CO2排放量仍将以3%的速度逐年递增。中国已经制定了2020年单位GDPCO2排放量比2005年减少40%～45%的目标。在中国，发展中不平衡、不协调、不可持续的问题相当突出，摆在首位的就是经济增长的资源环境约束强化。作为一个负责任的大国，在降低CO2排放强度的同时，千方百计地减少CO2的排放总量，有助于降低资源环境的约束。另外中国还面临粮食安全和18亿亩耕地红线以及城镇化、工业化的土地需求，能源安全、结构和效率，城乡收入差距加大和以工哺农体系不完善的三农问题，节能降耗与环境保护等诸多问题。

针对上述难题，笔者提出了减碳和固碳结合、以生物固碳为主的低碳化原则，构建以源头和过程碳减排、终端生物固碳并建立国内碳市场实现工农结合的低碳发展模式。

2 从源头避免高碳排放

在现代工业生产过程中绝大多数产品的原料都有多种来源，同时也对应着多种不同的匹配性工艺过程。不同的原料和工艺过程对应不同的CO2排放，针对具体的应用对象开发和选择适宜的原料和工艺，能够从源头上避免产生不必要的CO2排放。这是目前CO2减排最有效的途径，主要通过国家政策和税收、产业结构调整和升级，以及合理的能源定价机制和能源产品价格来引导实现[1]。

以燃煤发电为例，选择低灰精煤和合理的过剩空气系数就能有效降低烟气量，减少无效热量外排，从而提高煤的利用率、减少CO2的排放。同样采用循环流化床燃烧发电、RGCC和多联产发电、超临界发电等均能达到上述目的。

以合成甲烷工艺为例，选择褐煤和长焰煤采用燃气型的鲁奇炉气化和循环流化床分级热解气化要比合成型的气流床气化生产的合成气甲烷含量高（约10%左右）、氧耗低；合成甲烷时产生较难利用的低温热源减少10%以上。从整个合成甲烷工艺核算，前者煤的利用率高、能耗和氧耗低，同样规模的合成甲烷，自然就减少了CO2的排放。对于循环流化床分级热解气化，固态排渣相对换热容易，水封用水量较低，加之循环流化床分级热解气化相对鲁奇炉气化合成气不含煤焦油，不会产生含酚废水，因此循环流化床分级热解气化合成甲烷的工艺过程能耗更低，更有利于避免高碳排放。

另外煤化工发展含氧化合物燃料和多联产工艺、民用燃料采用天然气、大力发展核能、水电、风能和生物能、化工行业大力实施循环经济、发展纯电动汽车等均能实现从源头避免高碳排放。

3 过程减少碳排放

在经济活动过程中，开采、生产、使用和终端产品消费等各个阶段都需要能耗，都存在能源使用效率。我国目前万元GDP能耗水平与发达国家有较大差距，物理能耗水平约比国际先进水平高20%～30%左右。例如2007年，我国每千瓦时供电耗煤比国际先进水平高44g标煤，每吨钢能耗水平比国际先进水平高58kg标煤，每吨水泥综合能耗水平比国际先进水平高31kg标煤，分别高出14%、10%和24%。另外生产的产品利用率偏低，又变相地增加了能耗。通过优化设计，使用高效节能的工艺设备、高效适宜的催化剂和合理使用优质产品均能实现节约能耗，减少终端产品的使用量。减少终端产品的使用量就是相应减少了产品生产量，避免生产这部分产品产生的能耗。节能降耗自然就减少了CO2的排放，这是目前CO2减排最容易实现、成本最低并且具有较大收益的途径[2]，在国家政策强制下均能通过企业自身调整和改造来实现。

对于现代煤化工的龙头——大型煤气化来说，空分是投资和能耗均占气化工艺50%左右的必不可少的过程，其产品主要是液氧，副产的液氮只需使用部分产量，其余的均被低效利用或排放。如果采用深冷分离为主的梯级分离工艺，大部分氮气组成在低压端就作为产品气外送，无需经过空气压缩机高能耗加压，最终产品主要是液氧和部分液氮，工艺所需的高压氧气通过泵液体低能耗加压即可满足。这样大大降低了空气压缩机的处理量和能耗，从而达到降低气化工艺投资和能耗的目的。

利用化石能源花费巨大的能耗和成本生产的氮肥，由于我国化肥产品落后、使用工艺不当和不合理施肥，利用率仅有30%左右，不到发达国家的一半，不仅造成了浪费，而且造成了严重的面源污染。如将现有的化肥改造为缓控增效肥料，并采用相应的耕作模式，就可提高作物产量和品质以及化肥使用效率，从而减少了肥料的消费量和生产这部分肥料的所产生CO2排放。

化工行业合理选择高效催化剂以及分离、反应、换热和泵送高效节能设备，采用调频技术等可以大幅度降低能耗。蒸馏是化学加工工业中首选的均相体系分离技术，也是目前总能耗最大的化工分离过程。如将梯形垂直长条帽罩与规整填料有机结合的NS倾斜长条立体复合并流塔板用于改造F1浮阀塔板，阀孔动能因子高达34，开孔率高达40%以上（国内外目前塔板最大开孔率仅为20%左右），提高处理能力2倍以上（目前国内外最高提高70%）、降液管通过能力3倍以上，降低板压降30%以上，同时提高板效率30%以上，操作弹性为4倍，解决了塔器大型化塔内件结构和安装难题，这在国内外尚属首例[3]。

各行各业节能降耗技术和产品枚不胜举，这是目前我国实现CO2减排的最有效途径，仅需要相关部门和协会优化集成，加大推广力度。

4 终端的固定与储存

经济活动只要消耗资源和能源，必然会产生碳排放，没有绝对的零碳排放过程。由于化石能源使用量剧增，自然界碳循环每年出现约257亿tCO2的过剩，逐年累计引发了日益变化无常的全球气候问题。目前国内外相关企业和学者为了应对全球气候变化，普遍关注、研发和实施CO2的捕集与封存，这是迫不得已和最终解决CO2减排的方法，也是实施起来成本过高，并且技术不成熟，存在诸多的风险和次生灾害。

实际上，解决人为排放的CO2过剩，除了被动地减少CO2产生量，更为积极的措施是加快碳利用，增加CO2消耗量，主动减少CO2的过剩，从而在碳循环中实现碳平衡。这是突破碳减排对经济发展影响，实现工农业同时快速发展的积极有效途径。这既是个技术问题，也需要建立国内碳市场，通过合理的碳交易，对企业间、行业间和地区间CO2排放的不平衡，找到一个较好的解决办法。

目前尽管中国GDP已超过日本成为第二，但人均很低，仍处于发展中，经济还不完善，生活还不富裕，然而中国已成为世界第一大CO2排放国，并逐年递增。发展经济与减排成为我国两难的选择，加之存在国家能源安全、粮食安全、耕地与城镇化和工业化、以工哺农、三农问题和环境保护等战略性难题，被动采取减少CO2产生量的捕集与封存措施，将会对我国经济的发展和上述诸多难题的解决带来限制和障碍。

针对我国的国情和发展的现状，结合国际碳减排的机制，不同CO2浓度的工业排放可采用不同的减排与固碳措施。现阶段，对于工矿企业主要排放源的低浓度CO2，可以采取低成本的异地生物固碳减排措施，加快碳循环和碳固定。这样不仅可以实现CO2实际排放量的减排，同时可以改良土壤增加有效耕地面积，大量增加粮食和生物质能，从而在逐步提高人民生活水平的前提下，低成本大力发展低碳经济，同时兼顾解决国家能源安全、粮食安全、耕地与城镇化、以工哺农、三农问题、淡水资源不足和环境保护等战略性难题，满足我国今后较长时间的减排要求，提高我国应对全球气候变化的实际能力和国际地位。

对于如煤化工和石灰等行业排放的高浓度CO2（90%以上），采用捕集技术回收，通过制造干冰、用作合成尿素、水杨酸、环碳酸酯和聚碳酸酯等的原料以及CO2驱采油、农业大棚CO2气肥等，都是成本和能耗较低、减排和经济效益较好的方法。

对于数量多、分布广的如发电和中小锅炉等排放的低浓度CO2（小于16%），工矿企业现阶段无需采用集中固碳处理，可以利用国内碳交易实现异地化低成本固碳。根据我国目前的土地分布、土壤组成、农业现状和生物能源地发展，以及工农业发展不平衡和剪刀差等具体情况，对于低浓度CO2烟气，工矿企业可按照CO2排放量，将用于集中固碳处理的投资和操作费用，拿出来反哺农林业。政府或相关机构把这部分资金集中起来，用于改造中低产田，提高粮食单产、品质和生物质产量；改良非耕地、盐碱滩涂、沙漠化和重金属污染等退化土壤，利用现代农业技术种植适宜的速生能源植物和农作物，发展碳汇林和牧草或改造退化草原，充分利用太阳能，加快碳循环，增加CO2消耗量，主动减少CO2的过剩，从而实现循环平衡。同时又大幅度提高有效耕地面积和生物质能源产量，热解生产生物原油，增加了农民的收入，降低了企业CO2减排的成本，从而实现工业、农业、政府和社会的多赢。这个方法可以简单概括为一条工艺路线：企业出资形成碳汇基金——投资农林业——改良土壤、增强碳汇能力——增加粮食和生物质产量——通过工业热解生产生物质原油——多方受益。

将生物质转化为能源燃料时，无需考虑生物质作为食品时所需顾及的转基因和有毒有害微量物质问题，转基因物种在产量提高、种植地域和污染土壤修复中均能产生巨大的经济、环保和社会效益。生物质快速热解液化技术是最好的碳利用出路和产品，从而加快了碳循环，实现了碳循环平衡[6]。

另外，利用生物质不到7d的快速腐化生产腐植酸，作为有机肥提高土壤的腐殖质，有利于提高土壤肥力和保肥保水性，进而提高农作物产量。将我国绝大多数土壤腐殖质含量不足1%提到2%左右，这也将是一个千亿吨级的土壤安全储碳方式。

5 结语

（1）针对具体的应用对象和原料提出了开发和选择适宜的原料和工艺，从源头上避免产生CO2排放的措施，是目前CO2减排最有效的途径。

（2）提出在能源开采、生产、使用和终端产品消费全过程中节能降耗，从过程减少CO2排放的措施，是目前CO2减排最容易实现、成本最低并且具有较大收益的途径。

（3）针对不同浓度CO2废气采用不同的适宜捕集、利用和固定措施，提出了我国现阶段工矿企业通过国内碳交易，利用异地生物固碳的低成本减排措施，在确保经济增长、逐步提高人民生活水平的前提下，工农业合作，合理利用CO2，发展低碳经济，兼顾解决国家能源安全、粮食安全、保护耕地与城镇化、以工哺农、三农问题、淡水资源不足和环境保护等战略性难题，实现工业、农业、政府和社会的多赢，能够满足我国今后较长时间的减排任务，从而提高我国应对全球气候变化的国际地位。

[1]田原宇，乔英云.高碳能源低碳化途径的探讨[M].武汉：美国科研出版社，2010.

[2]谢克昌.重视高碳能源低碳化[J].中国人大，2009（18）.

[3]乔英云，田原宇，谢克昌.NS倾斜长条立体复合塔板在工业中的应用[J]，石油化工设备，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]林鹏生.我国中低产田分布及增产潜力研究[D].北京：中国农业科学院，2008.

[6]田原宇，梁 鹏，乔英云，等.生物质自混合下行循环流化床快速热解制燃料油[J].石油化工设备，2008（11）.