CCSCCUSCCRSCMC系统集成

求，也是一种更深邃的战略思考。

大致在５０—１００年以后人类社会就可以实现把碳元素作为资源和能源载体进行全程管理（ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆ
ｃａｒｂｏｎ，ＣＭＣ），实现社会经济可持续发展和生态环
境保护的和谐。

ＣＣＳ，ＣＣＵＳ，ＣＣＲＳ和ＣＭＣ之间的关系如图ｌ所示。

｜｜一Ｌ产
｜｜ｉ霹萄霸蒲荔抖■■
；匝引：
ｌ
！
碳氢化合物
ｉ…强Ｓ畿龟趁二
再利用
ＣＯ，全程管理
逆反应
——竺塑Ｕ嘲｝
图１
ＣＯＳ。

ＣＣＵＳ。

ＣＣＲＳ和ＣＭＣ框图
ｒｉｇ．１
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ出ａ护伽ｏｆＣＣＳ，ＣＣＵＳ，
ＣＣＲＳａｎｄＣＭＣ
２
Ｃ０２捕集
以化石能源为动力的燃烧过程，如燃煤电厂的
烟道气中ＣＯ：含量大致为１２％（体积百分比），对其进行有效利用和封存之前必须把其中含的大量
Ｎ：分离出去，使ＣＯ：的浓度达到９５％以上，这就是ＣＯ：的捕集过程。

其他ＣＯ：的大规模工业资源，如水泥窑、石炭窑排出的ＣＯ：，其浓度可达２０％一３０％以上，回收Ｃ０２相对比较容易。

而煤化工（合
成氨、甲醇、酒精发酵等）的排放气中ＣＯ：浓度已在
９５％以上，可以直接收集、利用、封存。

ＣＯ：工业捕
集技术成本随时间的变化如图２所示。

图２
Ｃ０２捕集技术‘３１
Ｆｉｇ．２
Ｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｃａｐｔｕｒｅ
Ｕ！ｃｌｍｏｌｏｇｉｅｓ【３】
２．１燃烧后捕集
燃烧后捕集主要是用胺类等吸收剂从烟道气中吸收分离浓度较低的由燃料燃烧排放的ＣＯ：。

由于
烟道气的体积巨大，必然需要巨大投资，而且运行中有大量吸收剂损失。

乙醇胺法分离ＣＯ：，吸收塔操
作温度不高于３８℃，解析塔则不低于１１１℃，吸收
剂在两塔之间循环也会有大量的能量耗用。

当前的研究工作集中于新的吸收剂（如离子液体等）和吸附剂（如金属有机骨架吸附剂等）的研发。

采用膜分离技术也是一个比较重要的研究方向（如分子筛无机膜分离等），见图３和表ｌ。

图３膜吸收法分离Ｃ０２实验装置‘‘１
Ｆｉｇ．３
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｆｌｏｗｄｍｇｒａｍｆｏｒ
ｍｅｍｂｒａｎｅＣ０２ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ【４】
表１膜吸收法分离Ｃ０３
Ｔａｂｌｅ１
Ｍｅｍｂｒａｎｅ
Ｃ０２ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
研究内容技术特点
膜材料兰黧篇黧嚣糊劂圯肌’啪Ｅ
膜器结构管状膜器、板状膜器
一。

Ｃ０２收集率９９％，成本约４５美Ｙｕ／ｔ；膜材料及膜组件
要求。

性能稳定；适于大型化
２．２燃烧前捕集
燃烧前捕集在投资和操作经济技术评价方面更有优势。

它需要先将空气中的０：与Ｎ：分离，所以在大型装置中以低温空分技术为宜，这种方法的经
济效益高。

中小型空气分离装置可采用变压吸附技
术。

目前关于纯０：与反馈的ＣＯ：混合用于燃煤发电已有工业示范装置，燃煤喷嘴火焰稳定性等基础研究也已有报道。

２．３富氧燃烧捕集
富氧燃烧是通过制氧技术，将空气中大比例的Ｎ：脱除，直接采用高浓度的０：与抽回的部分烟气
（烟道气）的混合气体来替代空气，这样得到的烟气
中含有高浓度的ＣＯ：气体。

德国北部Ｓｃｈｗａｒｚｅ
Ｐｕｍｐｅ发电厂使用富氧燃烧法捕获Ｃ０２１０×
１０４
ｔ／ａ，并把他们压缩封存在距地表３
０００
ｍ下的
枯竭的天然气田里∞１。

该方法特别适用于水泥装置的碳捕集。

我国水泥生产量已达１２×１０８
ｔ／ａ，如
润滑油添加剂，电子化学品等；Ｃ．水杨酸：用于阿司于酒石酸、柠檬酸、固色剂、促进剂、黏合剂等。

匹林等药剂中间体，防腐剂、染料等；ｄ．双氰酸：用
勰９茜淑如７脓，１０。

：意过笙骂熊脓４
１．３１３×１０４ｔ／Ｄ
热电厂
２．６９８×１０４ｔ／Ｄ
热电联供么一
净能输出
图６ＤＭＣ合成
Ｆｉｇ．６
ＤＭＣｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
除此之外，ＣＯ：还可用于生产碳酸饮料，用作超临界萃取剂、溶剂、发泡剂、制冷剂、膨化剂、焊接保护气体、消防灭火剂、储存保鲜剂，也可用于温室栽培含油脂的藻类养殖等方面。

其中最有规模潜力的技术是藻类养殖（见图７）。

现发现有些微藻，不但生长快，适应能力强，而且油脂含量高达７０％（占藻细胞干质量）Ｄ２］。

一般藻类光合作用能力是陆生植物的４倍，一些经特殊培育的微藻，固定ＣＯ：的能力可以达到陆生植物生长固定ＣＯ：能力的１０一５０倍¨引。

ＣＯ：其他应用规模较小，难以用来解决亿吨级的ＣＯ：利用。

图７微藻养殖装置‘¨１
Ｆｉｇ．７Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｍｉｃｒｏａｌｇａｅｃｕｌｔｕｒｅ‘“１
４ＣＯ：的大规模再利用（ＣＣＲＳ）
Ｃ０２再利用是指以ＣＯ：为原料，通过化学反应，使ＣＯ：转化为可以再利用的产品，如甲醇、二甲醚、乙烯、丙烯等，另外，甲烷开采时，常常伴生着ＣＯ：，由于ＣＨ。

是富氢化学品，可以与富碳化学品ＣＯ：同时利用，如：
Ｃ０２＋ＣＨ＋塑墅丝％ｃｏ＋２Ｈ：
即用ｃＯ：和ＣＨ。

直接生成甲醇等产品的原料气。

４．１廉价ＣＯ：还原剂
ＣＯ：的真正大规模循环利用，第一步需要廉价的还原剂，把ＣＯ：还原成ＣＯ。

最佳的还原剂是煤炭，利用煤炭缺氧燃烧生成ＣＯ时的放热反应，与ＣＯ被炭还原的吸热反应相耦合的办法，使反应热平衡，同时两个反应的产品都是ＣＯ，如图８所示。

完成这一过程，可以将大量的ＣＯ：转化为ＣＯ。

ＣＯｚ＋Ｃ－－２Ｃ０，△Ｈｌ＝２８３．０ｋＪ／Ｉ∞ｌ（吸热）
２Ｃ＋０２＋２ＣＯ，△吐一１１０．５ｋＪ／ｍｏｌ（放热）
焦炭
图８从ＣＯ：大规模制取ＣＯ
Ｆｉｇ．８ＣＯｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ｆｒｏｍＣ０２ｉｎｌａｒｇｅ
ｓｃａｌｅ
第二步，ＣＯ的利用需大量廉价氢，把ＣＯ和氢作原料先合成甲醇，再进一步合成醋酸、乙烯、丙烯及其下游产品，如塑料、纤维、橡胶等。

这种利用方法可以作为石油化工的补充，并把ＣＯ：长期固定在高分子材料中，减少了碳排放。

甲醇也可用作单细胞蛋白培养，用于生产饲料。

４．２廉价氢源
廉价氢来源是ＣＯ：循环利用的关键问题，传统廉价氢可以从下几方面获取：
１）焦炉气。

我国由于需要为年产５亿多ｔ的钢铁工业提供焦炭，加上部分焦炭出口，每年有３×１０８ｔ以上的煤用于焦炭生产，大量副产焦炉气。

焦炉气中富含大量氢气（焦炉气平均成分为ＣＯ６．２０％，Ｈ２５８．４８％，Ｃ０２２．２０％，ＣＨ４２６．４９％）。

目前，这些有很高化学利用价值的焦炉气，大部分被作为陶瓷、玻璃、炼铝业的燃料利用，是十分不合理的。

２）非稳电源（风电、光电、潮汐电等）用来电解水制氢，实现化学蓄能。

全世界的趋势是在发展可再生能源，可是风电和光电等都是不稳定的电源。

一方面是随风力大小、云层的飘动有短周期波动，另一方面是有长周期的波动。

一般来说，全年风速大于６．０ｍ／ｓ的累计时间不小于２０００ｈ的地方即可建风电场。

另外，光电则容易受到昼夜、连阴天等的影响。

所以较大规模可再生能源集中发电的电量，上电网输送到用户时，可能对电网造成很大的冲击，这些不稳定电量的储存问题是十分重要的。

化学蓄能把电能转化成化学能（Ｏ：，Ｈ：），可长期保存和灵活使用，是一个很好的蓄能选择之一（见图９）。

大规模的电解水制Ｈ：技术的主要研究方向在于大型化、提高能量转化效率、提高电流密度、降低过电压、降低成本等，应该列入未来研究规划。

以电解水工艺匹配实现ＣＯ：的再利用，其概念衡算图如图ｌｏ所示。

图９水电解示意图
Ｆｉｇ．９
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗａｔｅｒｓｏｌｕｔｉｏｎ
图１０Ｃ０２资源化利用
Ｆｉｇ．１０
ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＣ０２ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
３）生物法联合制ＣＨ。

和Ｈ：。

低品位生物质制取氢气的前景广阔。

我国秸秆总储存量约为７．２８×１０８ｔ／ａ，可利用部分大于３．６４×１０８ｔ／ａ；动物粪便３９．２６×１０８ｔ／ａ，可利用量不少于２．１３×１０８ｔ／ａ；薪柴２１．７５×１０５ｔ／ａ，可利用量约为２．９×１０８ｔ／ａ【１５｜。

如果用来联产氢气和甲烷，理论上可以获得约１９００×１０４ｔ氢气，７７００×１０４ｔ甲烷，这些丰富的资源可以成为ＣＯ：再利用的有力支撑。

然而，目前存在的问题是大型化和低价值生物资源的输运等，所以单个装置规模不宜过大。

４）核电余热制氢。

核裂变发电的电量当然可以用来电解水制氢，但是这种高品位能源可以作更高效的利用。

研究表明核能发电后的余热完全可以用来制氢，如利用化学耦联技术即可把以下４个化学反应耦联起来，实现大规模氢的廉价制备。

ＣａＢｒ２＋Ｈ２０－－－＊ＣａＯ＋２ＨＢｒ（７００—７５０‘Ｃ）
１
ＣａＯ＋Ｂｒ２－－－＊ＣａＢｒ２＋÷０２（５００—６００℃）
』ｏ
３ＦｅＢｒ２＋４Ｈ２０—÷Ｆｅ３０４＋６ＨＢｒ＋Ｈ
２
（５５０～６５０℃）
Ｆｅ３０４＋８ＨＢｒ－－－｝３ＦｅＢｒ２＋４Ｈ２０＋Ｂｒ２
（２００～３００℃）
反应中唯一消耗的是水，且产品只有氢和氧。

利用第三代核反应堆７５０～８００℃的余热就可以实现这一过程（把水直接热分解成氢和氧需要的温度
要大于２０００Ｋ）。

所以这是一种比较有发展前景的余热利用技术。

化学耦联法制氢可以成为未来另外一个重要的氢气来源，来大规模支撑碳元素的循环利用。

５）太阳能光催化分解水制氢
ＴｉＯ，
２Ｈ２０二吃Ｈ２＋０２
锐钛型ＴｉＯ：光催化剂稳定、廉价，但效率偏低。

增加催化效率的途径主要有：ａ．通过ＴｉＯ：表面沉积贵金属，掺杂过渡金属，染料敏化等；ｂ．通过增加ＴｉＯ：比表面积，制备Ｔｉ０２管，１０１１／／１的管壁可使光生电子一空穴对更快迁移到表面（见图１１）。

图１１Ｔｉ０２纳米管结构‘“１
Ｆｉｇ．１１
ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＴｉ０２ｎａｎｏｔｕｂ鹤【坫】牛津大学ＦｒａｓｅｒＡ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ教授‘１７３建立了一个由阳光驱动、从水溶液中制氢的实验装置，采用含钌的激活剂，使氢生成酶成功地与二氧化钛形成稳定的键合。

作为光催化剂，可以大幅度提高光的利用率，该研究尚处于实验室阶段（见图１２）。

另外，更大规模太阳能制氢研究是采用Ｓｏｌｚｉｎｃ工艺：
ｚｎ＋Ｈ２０—ｚｎｏ＋Ｈ２ｔ
２Ｚｎ＋０．—吃ＺｎＯ
图１２阳光驱动制氢示意图‘１’１
Ｆｉｇ．１２
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｄｒｉｖｅｎｂｙＳｕｎｓｈｉｎｅ【１’】
ＺｎＯ＋Ｃ＿＋Ｚｎ＋ＣＯｔ
太阳能一锌化学反应的工业流程见图１３。

这种Ｓｏｈｉｎｃ工艺需要通过太阳能聚焦，集中引入反应器，产生１２００℃的高温，支撑锌的反应耦合，生成ＣＯ和Ｈ２。

图１３￥ｏｉｚｉｎｅ流程‘埘
Ｆｉｇ．１３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｊａｌ：ｒａｍｏｆＳｏｌｚｉｎｅ‘埔１
５ＣＯ：的封存
ＣＯ：地质封存已有许多年的研究，综合起来有矿化封存和物理封存两种思路。

５．１ＣＯ：的矿化封存
地球上ＣＯ：的自然循环，是通过降雨把空气中的ＣＯ：溶解下来，在海水中使ＣＯ：形成碳酸盐矿石，矿化进入地层。

这一过程在国外已做了大量研究¨９，驯。

地层中存在大量的橄榄石矿（Ｍｇ：ＳｉＯ。

，ｏｌ－ｉｖｉｎｅ）和蛇纹石矿（Ｍ９３［Ｓｉ２０５］（ＯＨ）４，ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ），他们具有一定的化学活性，可以与ＣＯ：发生反应使ＣＯ：重新被矿化。

ＣＯ：的工业来源是把矿物（如煤炭、大理石等）在工业利用时进行非矿化释放出来，因此使ＣＯ：重新回归地层是十分合理和安全的。

这两种矿石的化学反应为：
Ｍ９２Ｓｉ０４＋２Ｃ０２＋２Ｈ２０ｑＭｇＣ０３＋Ｓｉ（ＯＨ）４
№［Ｓｉ２０５］（ｏＨ）４＋３Ｃ０２＋砚蚴ＭｇＣ０３＋２Ｓｉ（ＯＨ）４该研究尚处于探索阶段，这一过程的大量热力
学、动力学、工艺学、工程学的问题有待研究。