日本CO2减排与CO2资源化现状

韩仲琦

随着科技的不断进步和经济的不断发展，资源、能源与环境问题已成为全球关注的热点，如阿拉斯加的冰山融化及亚马逊雨林大火，均在呼吁人们重视环境问题。关于温室气体CO2的减排问题，国际社会已召开过多次会议进行研究和讨论，许多国家积极作出了响应，自愿承诺或协商承诺温室气体排放量限值[1]。

2015年通过的有关气候变化的《巴黎协定》，有150多个国家参与，向世人传递了全球各个国家向绿色低碳化环境转型的积极态度，目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上的1.5℃以内。2018年12月15日，联合国气候变化卡托维兹大会顺利闭幕，我国代表为会议签署《巴黎协定》、推进多边合作的谈判作出了积极贡献。目前，我国已提前三年完成了2020年碳减排的目标，即到2017年年底我国单位GDP二氧化碳的排放量比2005年下降45%[2]。

全球CO2排放量较多的国家和地区有美国、中国、日本、俄罗斯等国家及欧洲地区。日本是经济高度发达的工业化国家，据称日本拟在全球气候变化峰会召开之前，做出将温室气体排放量在2013年基础上削减20%的承诺，并且计划在2030年开始氢能源建设，让氢能源燃料电池走进普通百姓家。日本还计划在2070年前后，将全国二氧化碳排放量降至零，这一新目标的实现将建立在利用可再生能源和核能基础上，但福岛核事故后，日本能源政策出现了不确定性。

本文依据新闻传媒、Internet有关资料以及赴日考察收集的材料撰写，供我国科技工作者参考，不妥之处请予以指正。

1 日本水泥产业CO2减排现状

水泥产业是排放CO2最多的几个产业之一，每生产1t水泥约排放0.7t CO2，日本水泥产业产生的CO2约占全国的1%，全部产业部门的5%。

1.1 传统水泥生产技术方面[3]

近30年来，日本经济低迷，水泥产业产能出现过剩，同时受到了资源、能源以及环境的严峻挑战，日本水泥产业从上世纪70年代开始处置废弃物，通过水泥产业自身结构性调整和水泥低碳化创新，在可持续发展方面取得了很大进步。从1997年起，日本水泥企业全部采用了预分解水泥熟料烧成工艺，通常使用的能源有煤炭、重油与石油焦、城市煤气和电能等。2010年，用于水泥制造的单位能耗（水泥制造能耗+自发电+购买电力）为3 451MJ/t水泥（约117.9kg标煤/t水泥），系统热损失约为20%。虽然日本已成为世界水泥热耗最低的国家，但是在电能方面，由于电价格相对便宜且使用方便，日本水泥企业并不太热衷自发电，再加之其自动化水平的提高，水泥的电耗并不低。

日本水泥厂自发电的CO2排放量比外部电网的CO2排放量大，为了改善这种情况，引进了以木质废物为燃料的“生物质”发电技术，并且将焚烧灰作为二次废弃物代用原料使用。发展“生物质”发电，实施煤炭替代，可显著减少二氧化碳和二氧化硫排放。与传统化石燃料相比，生物质能属于清洁能源，燃烧后二氧化碳排放属于自然界的碳循环，不会造成污染。

1.2 废弃物利用方面

日本现在每年约产生6亿吨废弃物，约3亿吨已得到循环再利用，其中，水泥产业约使用了十分之一废弃物（2014年），主要作替代燃料用，使用的废弃物的种类有几十种，我国习惯将此种使用方式称为“协同处置”。2010年日本每吨水泥使用的废弃物已达500kg，废弃物热回收率可达70%，减排CO2的比例相当可观。目前日本研究的重点已转至废弃物的应用研究，如使用废弃物后，熟料性能的变化规律、废弃物焚烧过程中环境风险的控制等。

1.3“面对下一个100年”

日本水泥行业提出了“面对下一个100年”的口号，日本相关大学及科研机构加强了对基础原材料的应用基础研究，如特殊性能水泥混凝土的开发、胶凝材料的C-H-S纳米结构性能研究等，以下内容值得我国科技工作者关注：

（1）使用增强纤维的超高强混凝土可以不用钢筋增强，强度比钢筋混凝土高好几倍，混凝土设计寿命可达100年。

（2）使用废弃物的熟料常有“间隙质量”现象，即“质量空白”，日本提出了最佳“间隙质量”的组成范围。

（3）在矿化剂方面，高效采用“氟”和“硫”，可以将烧成温度降低100℃。

（4）钙硫铝系水泥比现在通用硅酸盐水泥CO2的排放量少30%，故出现了此种系列水泥商品化的开发动向，硫铝酸盐矿物（C4A3S）烧成温度比阿利特低，形成的CO2量较少。

（5）掺入混合材是水泥混凝土功能化、高性能化、低碳化的有效手段，实现废弃物可利用性与低碳化的平衡是新的技术研究内容。

（6）采用碳酸养护低水灰比的混凝土，可以获得致密度高、耐久性高的产品，另外，混入粉煤灰，再用火力发电排放的废气养护，可使混凝土CO2的排放量大大降低甚至成为负值。

2 日本钢铁制造业CO2排放现状

当前，钢铁产量世界排名前列的国家为：中国、日本、美国、印度、俄罗斯。中国每年钢铁产量约为7.8亿吨，日本约为1.1亿吨[4]。

日本钢铁冶炼技术超过欧美，全球领先，世界上几乎所有高炉或炼钢厂都是采用日本的技术。日本的5大钢铁公司为新日铁、JFE、住友金属、东京制纲和神户制钢。日本铁钢联盟公布了日本钢铁业2020年～2030年的二氧化碳减排计划，根据该计划，到2020年，日本钢铁业的二氧化碳排放量将比2005年减少200万吨；到2030年，二氧化碳减排量将比2005年减少900万吨[5]。

为实现这一目标，日本钢铁业将采取以下措施加以推进：第一，在煤中掺入30%矿粉的铁焦，将焦炉煤气改质为纯氢，之后，喷入高炉作为还原剂，上述措施可在计划期内减排二氧化碳260万吨。另一个措施是通过采取“21世纪高产无污染大型焦炉”炼焦技术，在2020年前减排二氧化碳90万吨，到2030年再减排130万吨。三是通过采取高效发电措施在2020年前减排二氧化碳10万吨，到2030年通过低温余热回收利用新技术再减排二氧化碳160万吨。四是通过设备更新改造，在2020年前减排100万吨，到2030年再减排150万吨。以上措施均已由日本经济产业省和日本环境省审查通过，具体实施细则将陆续出台。

在炼铁技术的开发中，日本钢铁业近期主要以新型炉料技术为主，包括高反应性焦炭、铁焦复合球团、预还原烧结矿等，其技术可有效减少CO2的排放；长期主要以氢气还原铁矿石的高炉炼铁技术为主，包括与氢还原相配套的新型焦炭技术等。

3 新能源汽车与交通CO2排放现状

（1）氢燃料电池车和氢燃料电池大客车[6]

氢燃料是清洁能源，使用氢燃料电池不会产生CO2。日本丰田公司目前已经推出氢燃料电池车MIRAI和氢燃料电池大客车。该公司氢燃料电池车的总装线全部采用手工组装，目前MIRAI的年产量约为3 000辆，一次加满氢需要3～4min，续航里程可达650km，日本官方售价是723.6万日元。

丰田氢燃料电池大客车目前全球仅有4辆，其中1辆是为参观用的摆渡车，其余3辆在东京做路试。为了做好氢燃料电池大客车的普及工作，丰田计划到2020年东京奥运会时，投入100辆以上氢燃料大客车。

（2）氢燃料电池的其他交通工具开发

丰田计划2025年要生产出面向各行各业的各种特种车辆和渡船，如消防车、工程机械车等特种车辆及游览船、渔船、摩托艇等小型船舶；在铁路系统领域，JR东日本铁道公司已经开始参与氢能源列车的研发；日本宇宙航空研究开发机构正在实施一项大胆的计划，研发氢能源的有人月球探测车。

（3）氢燃料电池堆的研发

在氢燃料电池堆的研发方面，丰田攻克了氢燃料电池使用成本高和加氢站少两大壁垒。

氢燃料电池反应堆中的催化剂必须是贵金属铂（没有替代材料），并且对氢的纯度要求极高（99.99%），空气中的CO、氢燃料电池大客车的SO2一旦与其接触，会大大降低催化效果。为此，丰田对关键点进行了电镀处理，降低了90%的铂使用量，使得成本也大大降低。

MIRAI氢气饱和量是5kg，和传统燃油车相同，日本计划在最近几年新建80座加氢站，普及4万辆氢燃料电池汽车，最终形成氢燃料电池和加氢站的良性循环的商业模式。丰田在华的首个加氢站已落地常熟。

4 新能源在日本日常生活中的运用

（1）开发二氧化碳工质的家用热水器制冷器[7]

二氧化碳作为一种天然工质，是热泵系统中最有潜力的替代工质之一，采用跨临界循环的热泵热水器，可以制取＞90℃的热水。日本东京电气公司和Denso公司合作开发的家用以CO2为工质的热泵热水器，现已进入验证阶段，有望在年内实现商品化。CO2作为制冷工质时将具有优良的经济性、安全性和化学稳定性，且无回收问题，即便在高温下也不会分解产生有害气体，由于CO2的蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当高，具有良好的流动、输运和传热性质，可显著减小压缩机与系统的尺寸。

（2）建立氢能源社区

丰田氢燃料电池车MIRAI可以用专用的电源线连接家庭插座，可保证一户人家一个星期的照明、空调、冰箱、做饭、洗澡等电力需要，在城市停电时还可点亮信号灯与路灯。至2019年3月底，日本已经有23万户人家安装了氢能源燃料电池（PEFC）。日本政府计划在2030年，让氢能源燃料电池进入530万户人家，即全国约20%的家庭可用上氢能源。这种氢能源燃料电池有三大功能：第一，为家庭提供所有的电力；第二，燃料电池在发电过程中产生的热能可以为家庭提供热水、洗浴、水热地暖服务；第三，多余电力可以出售给电力公司。

2020年7月东京奥运会开幕时，各国选手居住的“运动员村”将由2座塔楼和21栋裙楼以及服务设施、海滨公园组成。奥运会结束后，“运动员村”将向东京市民出售，形成一个13 000人左右的大型社区，容纳5 200多户家庭。“运动员村”的每一套房屋，均采用家用氢能源燃料电池作为基本电源，由社区内的一个大型加氢站和氢气管线管控中心管理，氢气通过管线直接输入到各户家庭的燃料电池中。另外，社区内的所有商业设施和路灯的用电，也将使用氢能源，社区内的巡回巴士也将采用氢能源巴士，这意味着日本开始了氢能源时代。

5 CO2资源化研究

CO2虽是温室气体，但其实也是一种很重要的原料资源，例如在化工方面：可制备甲烷、制备甲醇、制碱、物质分离、提纯、合成有机高分子化合物；在食品农业方面：可制备碳酸饮料、代替氟利昂做制冷剂，进行冷冻、冷藏、灭菌、防霉、保鲜、生产食品泡沫包装盒、生产氮肥、用作植物气肥；在石化和胶凝物质方面：可用作油田助采剂，藻类炼油，生产碳酸钙微粒代替石灰石；其他方面：可用于气体保护焊接、污水处理、二氧化碳染色、混凝土添加剂和核反应堆净化剂等，以下将简述日本的CO2应用研究内容。

（1）藻类炼油技术

藻类物质在吸收CO2的同时，又可吸收NOx，有的物种还可吸收SO2。在水泥生产过程中，以CO2和藻类物质为载体，充分利用太阳能进行高效光生物反应，生成油燃料，既可解决水泥生产过程中对能源的需求，又可达到CO2减排的目的。本世纪初，油藻类炼油技术的开发引起很多国家的兴趣，日本目前已取得成果，这些油品已成功用于汽车、航空等工业。目前存在的主要问题是，高效光生物反应器的设计与应用尚待完善；反应器占地面积大、总成本偏高。目前可考虑利用微藻养殖的研究成果，将部分CO2先供藻种制成一定数量的干油藻，作为水泥回转窑的燃料。

（2）固化CO2制备CaCO3微粒[8]

把废弃混凝土在海水中浸泡成悬浊体，经人工风化，可吸收大气中的CO2或水泥厂排出的CO2，溶液中会生成。富有和Ca2+的海水可培育园石藻，及Ca2+作为CaCO3微粒子及藻的有机物而被固化，同时去除了CO2。CO2固化物的CaCO3微颗粒可以代替石灰石而被资源化，水泥生产系统也成为了再循环系统。日本已对这种用有矿化能力的“园石藻”固定CO2生产水泥的方法进行了初期探讨。

（3）利用CO2合成纳米级轻质碳酸钙[9]

利用电石渣及工业废气中的CO2合成纳米级轻质碳酸钙的新工艺，即可制造纯度高、白度好、粒径小的超细轻质碳酸钙产品，代替一般的轻质碳酸钙产品，成为利用CO2的一种新技术。超细轻质碳酸钙作为一种新型的功能填料，广泛应用于橡胶、塑料、涂料、油墨、造纸、牙膏、食品以及电子工业等行业。日本是世界上开发和生产纳米碳酸钙较早和最好的国家，在上世纪40年代和50年代就生产出了微米级、纳米级碳酸钙，现在已有纺锤形、立方形、锁链形等纳米级碳酸钙产品及改性产品50多种，著名公司有丸尾钙公司、白石公司等。

（4）二氧化碳矿化发电技术

“二氧化碳矿化发电”就是将二氧化碳矿化过程中产生的化学能直接转化成电能。我国已有二氧化碳矿化发电成功的研究报道，日本这方面的消息较少。我国科学家首次提出了二氧化碳矿化发电的新方法和技术——二氧化碳矿化燃料电池。据介绍，矿化1t二氧化碳能够产生140kWh电能，同时产出1.91t的碳酸氢钠。

课题组还直接利用工厂排放的废弃电石渣和窑灰作为原料进行实验。结果表明，两种废渣都能直接用于二氧化碳矿化发电，目前已经成功实现了利用电石渣、有机废碱、水泥粉尘以及钢渣等工业碱性废物作为二氧化碳矿化发电的原料。

6 碳捕集与封存技术[10]

碳捕集与封存技术（CCS）有三种：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。三者各有优势，却又各有技术与成本难题有待解决。潜在的封存方式有地质封存和海洋封存。目前我国一些企业对燃烧后捕集的方式进行了尝试，我国首个燃煤电厂二氧化碳捕集示范工程于2008年建成并成功捕集出纯度为99.99%的二氧化碳，但是CCS成果不能计入CO2减排指标。

地震多发国日本由于缺少适合作为陆地封存点的土地，政府制定了采用海底储存方式的战略。日本对火力发电站排放的大量二氧化碳进行回收并埋藏于海底的技术开发已取得了进展。东芝将于2020年夏季在三川发电站（福冈县大牟田市）启动分离回收500t/d二氧化碳的实证试验，目前正在为实现商业利用积累数据，但海底储存方式的设备维护十分困难，如何抑制成本是个问题。此次将首次通过船舶运输二氧化碳而不是管道，预计2021年之后推向实用化。

日本2017年二氧化碳的排放量约13亿吨，其中发电站和炼油厂的排放量占40%。日本要实现CO2减排目标，就要大幅减少燃煤电站和炼油厂的二氧化碳排放，所以必须利用碳捕集与封存技术。

据日本海洋研究开发机构透露，该机构正在开发一项可将二氧化碳转化成甲烷的新技术，其关键是将二氧化碳封存到海底煤层中，以细菌为媒介将其转化成天然气。