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碳中和—二氧化碳也能派上大用场

时间:2024-02-19    编辑:    点击:210

2020年9月22日,中国政府在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。” [1] 在过去的这三年中,我国也曾举办了全球首届完全实现碳中和的冬奥会。碳中和在社会各行各业的热度也始终居高不下,但是否有人能告诉我们,碳是如何被中和的呢?

一、想要了解碳中和,我们首先要搞清楚二氧化碳是如何排放这个简单又复杂的问题

当我们谈论二氧化碳时,我们其实在讨论一种在我们日常生活中非常普遍的气体。二氧化碳的分子式是CO2,它由一个碳原子和两个氧原子组成。这种气体无色、无味,也无法被我们看到或嗅到。尽管二氧化碳只占地球大气的很小一部分,但它对地球的气候和生态系统有着深远的影响。大气层内的CO2像一面保温被一样,吸收并保留地球表面的热量,这就是温室效应。

碳和氧的氧化还原反应十分简洁,而燃烧是产生二氧化碳的最简单手段。在漫长的人类进化和文明史里,通过燃烧获取能量贯穿其中,薪火相传——薪不尽火不灭。但在此前的千万年中,那一缕缕上升的烟气却从未成为人类的负担。直至18世纪,蒸汽机的逐步应用使得先进的工业经济体需要寻求新的燃料替代木材,因此在随后的百年中,煤炭消耗量激增。1859年,埃德温·德雷克(Edwin L. Drake)在宾夕法尼亚州建造了第一口商业油井,二十世纪内燃机的应用大幅度提高了能源的消耗需求,直至现在,煤炭石油和天然气为代表的化石能源仍然人类社会提供了超过80%的能量,这些化石燃料燃烧排放的二氧化碳也随着人类的需求和社会的发展逐年激增,每年超过350亿吨的二氧化碳由于化石能源的使用被排放。

生物的活动也是产生二氧化碳的重要一环。人类活动导致的土地利用变化进而影响生物活动是影响碳排放的重要因素,它对碳循环和气候变化产生着深远影响。森林砍伐、耕地扩张、城市化进程等导致了陆地上植被的消失和土地的持续退化,从而破坏了生态系统的平衡。同时,这些变化也使得士地碳循环受到了严重的干扰。统计数据显示,每年超过40亿吨二氧化碳由于土地利用的变化导致的生物活动排放到自然界。

二、面对严峻的碳排放形势,我们要采用什么手段推进碳中和?

其实不外乎两个途径,从源头减少二氧化碳的排放和将产生的二氧化碳尽可能多的消耗。为了回答如何消耗、利用二氧化碳的问题,碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage,简称CCUS)的概念被提出。按照技术流程,CCUS主要分为碳捕集、碳利用、碳封存等环节。


(1)碳捕集

在工业生产和能源利用过程中,碳捕集技术通过将化石能源燃烧后产生的废气、工业生产排放的烟气等富集二氧化碳的排放物以物理吸附或化学吸收的方法进行处理,从而实现排放物脱碳化。碳捕集技术主要有在燃烧燃料之前分离碳元素的前燃烧捕集法。将二氧化碳从燃料废气中分离出来的后燃烧捕集法以及通过从大气中直接捕获二氧化碳的直接空气捕集法三种。碳捕集过程通常涉及使用化学方法,例如吸收剂或溶剂来捕获二氧化碳,这些吸收剂和溶剂通过与二氧化碳的反应形成有机化合物或可溶的盐。根据具体的应用和技术要求,不同的吸收剂具有不同的优缺点,包括吸收速度、二氧化碳的选择性、能源消耗以及溶剂再生的难易程度。科学家和工程师在不断努力改进这些技术,以提高效率、降低成本并减少环境影响。

捕集后的二氧化碳在进行纯化后通过管道、船舶等方式运输,给相关产业提供二氧化碳作为原料,通过工程技术手段将捕集的二氧化碳实现资源化利用,利用方式包括矿物碳化、物理利用、化学利用和生物利用等。


(2)碳利用

在二氧化碳的资源化利用中,根据二氧化碳的独特物理、化学性质将其作为工作介质应用在各类设备中的过程称作二氧化碳工质化应用。


对于大至冷库、冰场和建筑热泵机组,小至冰箱、空调的各种制冷、制热设备而言,人工合成制冷剂有着很好的性能,在过去长达一个世纪的时间里,以氟利昂和氢氟氯烃为代表的人工合成制冷剂是人类的首选。但这类化合物对环境却不太友好,氟利昂等氯氟烃类制冷剂在紫外线的照射下会与臭氧分子快速反应,地球臭氧层被极大破坏,局部地区例如南极上空甚至出现了巨大的臭氧层空洞;用以替代氟利昂类制冷剂的氢氟氯烃化合物制冷剂则是很难在大气中分解,这一类物质停留在大气中,会严重阻碍地球向外的散热,直接促进全球变暖的进程,这类物质对全球变暖的贡献值甚至达到了二氧化碳的成百上千倍,想要实现碳中和,这些工质势必要被替代。

旧制冷剂的淘汰就意味着新制冷剂的推出,而二氧化碳恰好符合这个需求。1869年,美国人洛威以二氧化碳作为制冷剂制造了一台制冰机,由此拉开了二氧化碳工质化制冷/制热的帷幕。经过接近两个世纪的发展,二氧化碳制冷/制热设备的早期缺陷已经被人类尽数完善,二氧化碳这一安全无毒的制冷剂,更是从无人问津一跃成为了当红明星。


我们都知道,物质存在三种不同的相态:气相、液相以及固相。而超临界状态则是气液两相的分界线消失的一种特殊状态。当物质处于超临界状态时,它同时存在液体和气体的性质,也因此有许多独特的特性。超临界二氧化碳是超临界物质应用之中的佼佼者,它的临界温度只有31.3℃,临界压力(7.3MPa)和常温时的饱和气压(5.7MPa)相比也不高。所以,在设备允许的情况下,利用二氧化碳作为制冷剂的系统很容易跨过临界点来运行。超临界二氧化碳的传热能力十分优秀,并且密度高于其他制冷剂,这让跨临界二氧化碳制冷系统的体积可以更小,系统的效率也可以更高。在2022年的北京冬奥会国家速滑馆中,正是使用了跨临界二氧化碳制冷系统来打造奥运史上“最快的冰”,大量二氧化碳被充注到系统中,也大幅度提升了冬奥会的二氧化碳消耗量,从而实现人类的首个“碳中和”奥运会[5]。


在能源系统中,二氧化碳同样可以作为工质来发挥它的作用。在不管是传统的火力发电还是先进的核电站,发电的原理不外乎将高温高压的工质用来驱动发电轮机输出电力,这就又来到了二氧化碳的“舒适区”。超临界二氧化碳(sCO2)发电是一种新兴的能源技术,它利用超临界状态下的二氧化碳作为工质,以提高发电效率。二氧化碳通过压缩、从高温热源(来自化石能源、核反应堆、太阳热能)获取热量、膨胀发电、冷却这些流程在发电机组中循环。


除了利用高温热源的发电形式,在光伏发电、风力发电以及生物质发电等新能源电力系统中,二氧化碳也可以发挥它的作用。由于风能和太阳能具有显著的间歇性、波动性和不确定性等不利因素,发出来的电并不稳定,很难与用户白天、晚上用电量不同的特质相匹配。并且,用户的用电量不仅在白天和晚上具有差异,在不同的季节所用的电也是不同的。据调研,我国电力供需“平时充裕、尖端紧张”和“整体充裕、局部紧张”的特征日益明显。在炎炎夏日,全国气温的不断攀升和空调制冷负荷不断释放;而数九寒冬,气温降低带来的取暖需求,都为能源消费带来不小的挑战。针对这些问题,集环保、安全、高效、大规模于一体的新型二氧化碳储能技术恰好能为新能源系统的“削峰填谷”做出贡献。

储能时,低压气态二氧化碳经过压缩机压缩至超临界状态,并通过蓄热介质将热量储存在蓄热罐中,最后二氧化碳被常温水液化储存在高压储罐中;释能时,高压储罐中的二氧化碳经过加热器升温气化,再进入透平中推动透平叶轮发电[6]。


除了能源系统和制冷、制热领域,对于现代化工提取、药物合成领域,二氧化碳也能找到适合它的定位。在超临界状态下,二氧化碳同时具备气体和液体的性质,使其成为一种理想的溶剂。在食品工业中,超临界二氧化碳萃取在食品加工中用于提取天然色素、香料和脂肪。由于无毒、无害且对产品的质地和味道影响较小,这使得其成为一种广泛使用的技术。在制药行业,超临界二氧化碳可以用于提取草药中的有效成分,同时减少有机溶剂的使用。对于化工行业,二氧化碳可以用于从天然植物和合成产物中提取芳香化合物、化妆品中的香料等。在环境治理领域,二氧化碳可用于从工业废水、土壤中提取有害物质。行业千千万,总有适合你的那一款二氧化碳。

(3)碳封存

最后,在完成了碳捕集和二氧化碳的工质化利用后,对于难以消化的剩余部分,可以通过一定技术手段将捕集的二氧化碳注入深部地质储层,使其与大气长期隔绝,利用漫长的地质和环境演化逐步将二氧化碳以健康的方式送还自然界。在石油、天然气开采中,二氧化碳可以注入地层中用来维持地层压力,从而让油气资源更高效的从地下被开采。在海洋中,二氧化碳乘坐货轮或管道,被排放到数千米深的海底和地层中,利用海底的高压环境来保证二氧化碳不会逃脱到海平面之上,不会再次逸出到大气中。封存的二氧化碳和岩石反应形成碳酸盐,固定在地下,抑或是逐渐在海水中被自然消纳,或许在千万年后,这些封存的二氧化碳再次成为可被开采的资源以供人类的子孙后代使用。


三、结束语   

依托于中国科学院理化技术研究所的中国轻工业食品药品保质加工储运装备与节能技术重点实验室在张振涛研究员的带领下,长期致力于碳中和路径上二氧化碳工质化利用研究和产业化应用。近年来 ,实验室在二氧化碳制冷、热泵、储能、超临界萃取技术的研究与系统装备研发中取得了诸多进展,完成了首个液态二氧化碳储能示范验证系统、首个跨临界二氧化碳制冰样机、跨临界二氧化碳复叠制冷系统等诸多首创性工作。实验室也将以科技服务社会为己任,进一步深耕机理和应用研究,突破关键性技术,推动技术产业化落地,为服务双碳战略贡献力量。



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