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汽车废气重新变“燃油”,你信吗

发布时间:2018-07-31 08:47:11   来源:    浏览次数:306

◎特约撰稿 卓异

【空气中常见的二氧化碳,可以直接制成汽油、柴油吗?加拿大“碳工程”公司给出了肯定的答案。该公司近日宣布,找到了一种以低廉成本从大气中萃取二氧化碳的方法,这一被称为“碳洗涤”的技术成本,只是市面上同类技术的1/6左右,同时他们还把这些萃取的二氧化碳转化为供汽车、飞机使用的燃料,且无需改变汽车动力系统或加油站设施,就让汽车排放出的二氧化碳回到燃料箱里。该公司认为,若这些技术能进一步商业化推广,将为人们“对抗全球变暖增加新的利器”。这是怎么做到的呢?】

利用萃取的二氧化碳,结合清洁电力与水制成的合成燃料,与交通工具兼容,甚至能和传统化石燃料混合使用 

碳捕捉新技术成本锐减

自从知道了二氧化碳排放对环境的影响,人类便开始了相关的研究。联合国195个成员国于2015年通过的《巴黎协定》,主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内。要达到《巴黎协定》的目标,仅靠减少碳排放并不够。联合国政府间气候变化专门委员会指出,“碳捕捉及封存(CCS)技术”将增加实现气候目标的成功率。

CCS是把工业过程产生的二氧化碳,以各种方法“捕集”起来,再压缩、运送并灌注到地底适合的岩层中,进行封存,这么一来就可以减少排放到大气中的二氧化碳,缓解全球暖化问题。国际能源署预期,利用CCS技术在2015至2050年间,可使温室气体排放减少14%。

全球碳捕捉及封存项目在稳步推进,但整体发展情况落后于预期,面临不少障碍,如经济成本高、额外能耗高、利益相关方难以协调、缺乏明确政策导向、公众接受度不高等,最大阻力是成本高居不下。比如有一种“直接空气捕集”法(DAC),以特制的大型风扇抽入空气,经过滤后吸收二氧化碳,这样去除二氧化碳,每吨费用高达600美元,这使得它迟迟无法迈向实用化之路。

为了解决成本问题,哈佛大学应用物理学教授大卫·凯斯创办“碳工程”(Carbon Engineering,下简称CE)公司,自2009年起,用了近10年时间研究开发DAC技术,终于迎来曙光:在该公司的新技术条件下,去除相同重量的二氧化碳最少只要94美元,相当于市面上相应技术成本的1/6,最高不超过232美元。

CE公司的实验厂房,这是从空气中分离二氧化碳的关键区域。 

直接捕捉空气中的二氧化碳

2015年,CE公司在加拿大不列颠哥伦比亚省斯阔米什建立了“直接空气捕集”技术实验工厂,运用“三大神器”——“空气接触器”“颗粒反应器”和“循环流化床煅烧炉”进行碳捕捉,力求实现项目在商业运行方面可复制。

运作方式是:空气被特制的巨型风扇吸入后,打入具有“湿法洗涤”功能的“空气接触器”管道,管道里有蜂窝状PVC架构,氢氧化钾溶液(碱性)从上而下淋在PVC架构中,和空气充分接触后,与二氧化碳(弱酸)发生化学反应,形成碳酸盐溶液。在此过程中,二氧化碳被捕捉,之后将空气排出。

CE公司的碳捕捉方法,先让特制的巨型风扇吸入空气,后将其打入具有“湿法洗涤”功能的“空气接触器”管道

排出的空气中,二氧化碳的含量只有吸入时的1/5,另外4/5的二氧化碳溶在液体中,经过“颗粒反应器”,发生一系列酸碱分离的化学反应,之后被干燥成碳酸钙固体颗粒。

这些颗粒会被放入“循环流化床煅烧炉”进行加工。“循环流化床煅烧炉”利用天然气的富氧燃烧来加热捕捉到的二氧化碳,通过净化、压缩、脱水,以产生纯净的二氧化碳气流。二氧化碳气流可以封存到地下,亦可用于制作合成燃料。传统二氧化碳的捕捉技术必须在工厂的排烟口才能使用,而该技术可以直接捕捉空气中的二氧化碳。

 CE公司的实验厂房

二氧化碳+水+阳光=燃油!

鉴于二氧化碳含有碳元素和氧元素的结构,所以把它变成燃料一直是科学家们苦苦追求的方向。若这种设想能实现,既可以为人类提供新的燃料,又可以缓解日益加剧的温室效应。2017年,CE公司将其特有的燃料合成技术——空气制油(Air-to-Fuels,简称A2F)融入到DAC实验工厂中。它借助清洁电力(比如太阳能发电)将水电解,产生的氢气与被萃取的二氧化碳通过热催化作用产生合成气,再发生反应变成液体燃料。这种实验性做法目前每天可生产约1桶(约159升)合成燃料。

利用CE公司的A2F技术,每吨二氧化碳可生产相当于两桶(约318升)普通汽油的燃料。更重要的是,这种合成燃料与当前的交通工具兼容,甚至能和传统化石燃料混合使用,可直接应用于汽车、巴士、飞机等,无需改变汽车动力系统或加油站设施。

原则上,二氧化碳与氢气反应,会产生各种各样的“烃”,但CE公司的主要目标是合成柴油和航油。短途运输适合电气化,但长途运输以及海上和空中旅行,需要液体燃料的高能量密度(如柴油的能量密度比当今最好的电池高30倍)。A2F工艺提供了一种途径来供应这些燃料,让人们对氢燃料电池的依赖减弱,并避免了生产生物燃料而带来的占用土地和耗费粮食问题。

 CE公司具有“湿法洗涤”功能的“空气接触器”

“碳中和”燃料更清洁

将二氧化碳转化为燃料,逐渐替代常规燃油,将大大减少人们对化石燃料的过度依赖,解决可再生能源的储存问题。此外,这种合成燃料比化石燃料更清洁,不含硫等物质,这意味着它们还能减少空气污染。

值得注意的是,采用CE公司的合成燃料,虽然还会排放含有二氧化碳的尾气,但这些二氧化碳最初就来自空气,所以不会向大气中排放新的二氧化碳,也不需要开采新的石油来为汽车提供动力。凯斯认为这是一种“碳中和”燃料,如果能取代化石燃料,将能大幅减少运输相关的二氧化碳排放。

 CE公司的实验厂房全景

给钢铁水泥行业减了负 

根据CE公司官网的信息,其单个DAC设备每年可捕捉100万吨二氧化碳,这相当于平均每年25万辆小汽车的碳排放量。眼下,CE公司正对DAC和A2F技术进行更大规模的试验,并尝试将合成燃料卖给商业客户。“我们的实验条件和技术水平,全球普遍可以达到,”凯斯说,“所以我们认为研究结果有可能推广。”目前,CE公司正在寻求更多资金建设更大规模的工厂。该公司预见,到2021年,将建成日产量达2000桶合成燃料的设施,生产出的燃料会首先应用于不列颠哥伦比亚省和加州(存在《碳燃料标准》)两地。A2F技术所生产的燃料一旦扩大规模,可使燃料生产成本达到1美元/升。

“如果真的只需花这么少的钱,那这项研究成果确实相当重要,”美国卡内基科学研究所科学家肯·卡尔德一拉说,“这为稳定气候变化提供了可能,我们可以在不改变整个能源系统或个人行为的情况下,花较少的钱使气候保持稳定。”卡尔德一拉还说,该项研究为工业中最难实现“去碳化”的行业提供了希望,如钢铁、水泥制造、航空等行业能继续存在,只需支付去除二氧化碳的费用即可。”

美国富兰克林欧林工程学院化学工程系副教授斯考特·赫塞认为,CE公司的研究最重要的价值是“在工厂里对碳捕捉这项技术测试了好几年,提供了比简单计算或模型计算更有力的实用性证明”。

CE公司的实验工厂 

减排仍是第一位

直接从空气中捕捉二氧化碳还有一个优点,就是在地理设置上很灵活,“无所谓在哪里捕捉二氧化碳,比如可以在澳大利亚的沙漠中放置碳捕捉装置,来均衡美国纽约车辆的碳排放。”不过,凯斯说,二氧化碳能不排放当然最好别排放,“我的观点是,应该坚持先减排,一吨二氧化碳不排放的成本,比排放后再进行回收的成本要低。”

该项目得到比尔·盖茨等私人投资者的资助,还得到了不列颠哥伦比亚省创新清洁能源基金、加拿大可持续发展技术部、加拿大自然资源部、“工业研究援助项目”“西部创新倡议组织”和美国能源部等的支持。

(萧野对本文亦有贡献)

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责编:叶晓婷

网编:吴燕芳