利用石灰煤炭捕捉二氧化碳与应用技术

金家敏

(上海材料研究所，上海 200433)

全球变暖、气候异常，使各种极端天气日益频发，科学家普遍认为是由温室气体二氧化碳造成的。因此，就出现了捕捉封存技术(Carbon Capture and Storage，简称CCS)。联合国能源署要求在2020年建成200个CCS项目投入运行，到2050年必须有3 000个CCS项目投入运行。 到2050年必须捕捉封存1 200亿t二氧化碳，平均每年必须捕捉34亿t二氧化碳。在CCS技术路线中，捕捉费用占总费用的2/3。采用CCS技术发电和不采用CCS技术发电相比，每千瓦时电费价格上涨0.02～0.05美元。目前，全球范围内已有56个CCS项目正在计划或运行。我国也有11个CCS项目正在计划或运行。

目前，捕捉二氧化碳有多个方法，但多处在研究阶段，主要目的是降低捕捉费用。化学吸附分离技术已基本成熟，并且已有小规模工业应用示范。石灰作为建筑材料被广泛应用，它依靠吸收空气中的二氧化碳而变硬，达到固化目的。利用石灰捕捉二氧化碳，技术方面非常简单，石灰或水泥的生产成本大幅下降，经济效益显著。

文献[1-6]中已多次说明利用石灰煤炭捕捉二氧化碳和消除白色污染的特点，反复指出CCS技术路线是不可取的。本文旨在进一步说明作者的观点，求得共识。

1 利用石灰捕捉发电厂排放的二氧化碳

火力发电厂会排放大量二氧化碳，可占总排放量的1/2～2/3，因此捕捉电厂的二氧化碳非常重要。

利用石灰捕捉烟气中二氧化碳的有关几个化学反应式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)是利用石灰(CaO)捕捉烟气中二氧化碳的化学反应式。它是一个放热反应，生成物是石灰石，即碳酸钙CaCO3。石灰作为捕捉二氧化碳的原材料，可以循环使用。生成的二氧化碳可以作为商品出售，塑料垃圾等处理需要大量的二氧化碳，也可以用来生产煤气。因此，利用石灰捕捉发电厂烟道中二氧化碳应该是最经济的方法。

式(3)是石灰石与碳反应同时生产石灰和煤气的反应，是一个吸热反应或贮能反应。式(4)是一氧化碳完全燃烧反应，可贮存能量。

贮能指数=贮存的能量/吸收或消耗的能量=566/339.697=1.666。

贮能指数大于1，意味着反应是增能反应或贮能反应。增加的能量来自碳的消耗。

利用石灰捕捉二氧化碳循环反应和应用流程图如图1所示。

图1 利用石灰捕捉二氧化碳循环反应与应用流程

利用石灰捕捉二氧化碳的设备包括钢制捕捉滚筒和石灰石煅烧炉。滚筒的工作温度在400～500 ℃，转速约为5 r/min。如果用石灰粉，估计反应速度很快。滚筒结构大小决定烟道气流量，对于捕捉效率没有严格要求。由于反应是放热反应，不需要供热，机械运转能耗不大，预计利用石灰捕捉电厂烟道气中的二氧化碳是最经济的方法。

利用石灰捕捉二氧化碳有多个优点：一是费用低；二是石灰可以循环使用；三是石灰石可以永久贮存，无地方限制。控制石灰石的贮存量就可以控制气候，比文献[1-6]中提出的控制一氧化碳贮存量与应用达到控制气候的建议更经济可靠。

2 利用煤炭捕捉水泥和钢铁生产时排放的二氧化碳

水泥和钢铁生产时排放的二氧化碳量仅次于电力生产，其量为31.92亿t，占全球总排放量330亿t的9.67%(2017年)。

利用煤炭捕捉水泥和钢铁生产排放的二氧化碳的两个化学反应式是式(3)和式(6)。

(6)

这两个反应都是吸热反应，贮能反应或增能反应。两个反应的贮能指数分别是1.666和1.780，都大于1，增加的能量同样来自碳的消耗。

根据反应式计算：生产1 t石灰，消耗了0.214 t碳，同时生产了800 m3无氮优质煤气，减少了400 m3二氧化碳排放；生产1 t铁，消耗了0.321 t碳，同时生产了600 m3优质煤气，减少了300 m3二氧化碳排放。

从充分利用自然资源方面考虑，石灰石(包括白云石)中的氧化钙和二氧化碳完全得到利用，氧化铁中的铁和氧也完全得到利用。生产得到的无氮型煤气相当于用纯二氧化碳或纯氧生产的优质煤气。

从经济方面考虑，生产1 t石灰，同时生产800 m3煤气，煤气的发热值约为城市煤气的2.5倍，按1 m3煤气售价2元计算，价值达1 600元，远高于石灰的售价。对于钢铁生产，煤气的售价可能完全可以抵消购买铁矿石的费用。

从资料可知，全球铁矿石产量是22.308亿t，按平均含铁48.8%计算，精铁矿产量是15.5亿t，其中氧的含量是4.65亿t(按含氧量30%计算)。还原燃烧生成的二氧化碳为6.4亿t。全球石灰石的耗量是58亿t，其中二氧化碳含量为25.52亿t，这两个工业生产排放的二氧化碳量总计达到31.92亿t，为全球总排放量330亿t的9.67%。与联合国能源署要求每年捕捉二氧化碳34亿t相比只差2.08亿t。

由化学反应式计算，31.92亿t二氧化碳转化为一氧化碳需要8.7亿t碳或10亿t左右煤炭。结果得到了31 920亿m3优质煤气。10亿t煤炭既减少了32亿t二氧化碳排放，又为全球78亿人口，提供了每人每年409 m3优质煤气。

水泥和钢铁生产时利用煤炭实现减排，在技术方面非常简单，投资小。唯一的要求是炉体或炉胆必须封闭。在研究不同催化剂催化活性时，用的就是封闭的小铁盒，做了许多试验，因此在技术方面没有问题。

综上所述，用了58亿t石灰石，21.8亿t铁矿石，约10亿t煤炭，却得到了32.48亿t石灰，10.8亿t铁和31 920亿m3优质煤气，二氧化碳排放量减少了31.92亿t。这两个反应都是增能反应。从目前家庭使用的煤气量估算可知，每人每年煤气使用量不可能超过30 m3。就按30 m3计算，还有29 580亿m3高热值煤气可供工业生产使用。

我国水泥产量占全球50%，钢铁产量占全球53%。全球水泥钢铁生产时排放的31.92亿t中有超过16亿t二氧化碳是我国排放的。它可以生产16 000亿m3无氮的高热值煤气。按我国14亿人口计算，每人每年可使用的煤气量为1 143 m3。估计每人每月用于烧饭取暖的煤气用量在3 m3以下，就按3 m3计算，每人年消耗量为36 m3，仅占产量的3.14%，还有16 500亿m3优质煤气可以用于发电等工业生产。

政府应当下令禁止柴禾、塑料垃圾、动物遗体等任意焚烧，必须用来生产煤气。 如果把这些部门生产的煤气加在一起，可使用的煤气量就更多了。这些数据有力地说明，利用煤炭减排不但不需要捕捉，相反却带来了巨大的经济效益。

虽然利用煤炭减排水泥和钢铁生产时排放的二氧化碳是一个好方法，但是毕竟还需要煤炭。从长远考虑，最终的办法还是植树造林，在全球范围内推广森林公墓代替目前的水泥公墓，贮存木材，用木炭代替煤炭，可解决煤炭枯竭和气候变暖问题。

3 利用石灰捕捉的二氧化碳消除白色污染

塑料是人类最伟大的发明之一，但也带来一个世界性难题，就是塑料污染，又称白色污染。超过75%的塑料，一次用后已无法回收。目前，世界上有40亿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颗粒，每年有1 000万t流入海洋，被海洋生物吞食，受到伤害。

据最近报载，英国牛津大学科学家采用微波技术将塑料分解成清洁能源氢(97%)和高价值碳纳米管，称已成功解决了地球塑料污染的世界性难题。

本文认为利用石灰捕捉的二氧化碳可以解决塑料污染。

PP型和PE型塑料的分子结构如图2所示。

图2 PP型和PE型塑料分子结构

在1 000℃高温与二氧化碳发生反应，生成氢和一氧化碳。与二氧化碳的反应式是：

PE型塑料：C2H4+2CO2=4CO+2H2

(7)

PP型塑料：C3H6+3CO2=6CO+3H2

(8)

1 t的PE或PP型塑料与二氧化碳化学反应后，可以得到4 800 m3无氮型高热值清洁煤气。从反应式可以看到，煤气中CO/H2比值是1/2。这表明高热值煤气是因为其中没有氮气，只有H2和CO；清洁煤气是因为经过1 000℃高温焠炼以后，垃圾塑料中有毒、有害物料全部被彻底分解，煤气变得非常清洁。

如果在全球范围内每年处理2亿t塑料，可以生产9 600亿m3无氮型高热值清洁煤气，平均每人每年可以使用123 m3煤气。当把水泥、钢铁生产得到的每人每年可以使用的409 m3煤气加在一起，全球78亿人口每人每年可使用的煤气量达到532 m3，如果再加上大量的柴禾、焚尸炉生产的无氮型高热值煤气以及发电厂排放的二氧化碳转化为煤气，其量估计在1 500 m3以上。

每人每年可以使用1 500 m3高热值煤气，这也许足够人类生产活动需要的能量。人类再也不必要担心能源枯竭了。

利用石灰石分解产生的二氧化碳与塑料生产无氮型高热值煤气。估计贮能指数大于4，是一个增能反应。从经济方面考虑，1 t的塑料能生产4 800 m3高热值煤气，其发热值估计接近天然气，约为城市煤气的3倍。售价预计在3元左右。按3元计算，1 t的废塑料生产煤气的售价达到14 400元，经济效益非常显著，况且又是增能反应。人们担心的白色污染可以得到彻底解决。

4 结语

(1)利用石灰捕捉二氧化碳有三个优点：石灰捕捉二氧化碳是放热反应，不需要供热，费用低；石灰可以循环使用；捕捉生成的石灰石可以永久贮存，无地方限制。调节石灰石贮存量可以控制空气中二氧化碳含量，达到调节气候的目的。

(2)利用煤炭减排有多个优点：自然资源氧化铁和石灰石得到完全利用；投资小，技术简单易行；二个反应都是贮能反应，贮能指数大于1，耗能小，经济效益显著。水泥和钢铁生产成本将会大幅下降。

(3)目前担心的是“过度捕捉”。造成“过度捕捉”的原因是技术简单易行、投资小、经济效益显著。尤其是推杆式电炉一旦在农村推广，很可能出现“过度捕捉”局面，“过度捕捉”的结果是植物枯萎，动物难以生存。因此，科学家必须制定一个标准，就是空气中最合适的二氧化碳含量。

当前的有利条件是各国都非常重视气候变化。这为加速推广石灰和煤炭捕捉二氧化碳提供了可能。由于贮能指数都大于1，经济效益显著，各国政府可以下令禁止二氧化碳排放。如果电力、垃圾焚烧、水泥、钢铁、焚尸炉等5个部门全面实行采用石灰和煤炭捕捉和生产无氮型煤气，人类面临的气候变暖、环境保护、能源枯竭这三个问题也有可能得到根本解决或缓解。