利用捕捉的二氧化碳和垃圾塑料发展隧道窑型电热煤气发生炉技术

金家敏

(上海材料研究所，上海 200433)

科学家普遍认为地球变暖是工业生产时大量排放二氧化碳的结果，因此在全球范围内捕捉和封存二氧化碳，即二氧化碳捕捉与封存(CCS)技术路线，已成为许多科学家的研究焦点和各国政府的战略。北京大学清洁能源研究院院长张东晓认为，CCS技术有望成为全世界减少碳排放份额最大的单项技术。联合国国际能源署(IAE)反复强调CCS技术路线仍然是一项重要的温室气体减排解决方案，要求在2020年，全球必须有200个CCS项目投入运行，到2050年必须有3 000个项目投入运行。从2015年到2050年，全球二氧化碳捕捉和封存的总量应达到1 200亿t。

从2016年开始，作者在国内外杂志上发表了五篇利用捕捉的二氧化碳贮能技术解决温室气体排放问题的有关文章[1-5]，内容涉及气候变化、能源、环保等多个重大问题，本文就有关问题进行一些补充和修改。

1 CCS技术路线存在的多个问题

CCS技术路线由捕捉、运输、封存这三部分组成。其中，捕捉费用占总费用的2/3，封存费用占总费用的1/3。捕碳技术有燃烧前捕捉、燃烧后捕捉、富氧燃烧三种，这三者各有优势，但都存在难题。封存技术有海洋封存、油气田封存、煤层气封存三种，但都存在二氧化碳泄漏以及不可预料的地质灾害造成的安全隐患，况且地质掩埋地方有限。

采用CCS技术路线发电厂的电价较不采用CCS技术的电厂电价要高0.01～0.05美元。专家们认为CCS技术路线的唯一出路是封存和应用相结合。但如果把捕捉的二氧化碳全部封存，经济上难以承受。二氧化碳的提纯应用是世界性难题，至今还没有解决，并且即使这个难题得到解决，其应用恐怕也有限。因此，可以认为CCS技术路线是一条不成熟且费用高的技术路线。但目前全球范围内已有56个CCS项目正在运行或计划，我国也有11个CCS项目正在计划或运行，由此可见人们对气候变暖问题是焦急万分的。

2 捕碳贮能与烟气贮能技术路线

捕碳贮能和烟气贮能技术是把电能转化为化学能并加以贮存和应用。碳的气化反应是一个吸热反应或者贮能反应。实际上使用已有100多年历史的煤气发生炉也是贮能，可以把固体碳转化为气体碳，只不过是生产用的原料是煤和空气，依靠煤燃烧提供热量。

贮存与应用相结合是CCSE或SSE唯一的可行方案。调节贮存与应用比例，可以达到控制气候的目的。SSE与CCSE不同的之处是SSE直接应用烟道气，省去了一道昂贵的捕捉工序。但不足之处是煤气中有大量氮气，热值低，如果循环使用，热值越来越低，并引起生产不稳定。因此，采用简单的重力或离心方法，适当提高和稳定烟气中二氧化碳含量是必须的。如果采用压缩分离方法使捕捉二氧化碳的生产成本能够达到如美国麻省理工学院公布的每吨25美金，生产一立米一氧化碳只需0.025美金，则完全可以接受。

碳气化反应是一个非常重要的化学反应。许多工业产品都是依靠这个反应生产出来的，例如：城市煤气，高炉炼铁，鼓风炉炼铜，隧道窑生产海绵铁，钢铁零件表面固体渗碳等，就完全依靠这个反应，而且都有百年以上的应用历史。反应的热力学、动力学、反应机理、催化反应,以及催化反应机理都得到了详细研究。

作者研究碳气化催化反应机理已有50多年了，最后认为催化现像是物理现象，不是化学现象，催化剂不参加化学反应，提出了电子循环授—受催化反应机理或电子轨道变形-回复循环催化反应机理。CCSE或SSE技术路线是碳气化催化反应机理研究的延伸和扩展。

比较CCS和CCSE或SSE技术路线，显然CCSE或SSE技术路线具有明显的优势。

3 贮能反应和贮能指数

常见的吸热反应有两个，即

C+CO2=2CO-162 297 kJ/kg·mol

(1)

C+H2O=H2+CO-131 381 kJ/kg·mol

(2)

这两个反应都是吸热反应或贮能反应，在煤气发生炉内都存在这两个反应。式(1)就是碳气化反应，又称Bouduard反应，是一个非常重要的反应。

一氧化碳燃烧放出的热量就是贮存的热量：

2CO+O2=2CO2+570 865 kJ/kg

(3)

贮能指数是化学反应后煤气贮存的能量/化学反应时消耗的能量比值，是用来衡量不同的碳质材料贮存反应的贮能效率。

对于碳气化反应，贮存值与消耗值相比，570 865/162 297=3.517，扣去炉壁热损失约3%，碳气化反应的贮能指数为3.4。这个数据表明气化反应后贮存的能量是它消耗能量的3.4倍。人们都知道把直接燃烧改为间接燃烧，尤其与农村的灶头比较，能够显著提高热效率，热效率的提高完全可以抵消炉壁的热损失，因此可以把电热煤气发生炉称为零能耗电热煤气发生炉。因此，采用电热生产煤气，就经济而言，是非常合算的。

在气化生产原材料中始终含有水分,而C+H2O=CO+H2也是一个吸热反应或贮能反应。

H2+1/2O2=H2O-285 800 kJ/kg·mol

(4)

计算：(285 800+285 342)/131 381=4.35，扣去热损失，估计贮能指数为4.2。

当贮能指数大于4.0，电厂的热效率提高到50%(目前电厂热效率最高的为46%)，则利用谷电生产煤气贮存的能量完全可以满足峰电发电时所需能量，仅凭这一点就可以节约50%火电煤耗，预计需要贮存的煤气量可能很少，甚至于零。

中国和美国所排放的二氧化碳排放量为全球的52%，如果中美两国能够共同合作，节约50%的火电煤耗，极有利于解决全球气候变暖问题。

柴禾、塑料、橡胶以及动物体内脂肪等肌肉组织主要由碳与氢组成，根据脂肪的结构式，脂肪气化以后，煤气中氢的含量大约为60%，热值很高，估计脂肪的贮能指数远远大于4。实际究竟多少应由试验测定。

塑料污染是一个非常严重的问题，目前已有40亿t塑料掩埋在地下或自然界,10～20年以后，塑料分解产生的微粒进入海洋,被生物吞食。报载，现在每年有1 000万t微粒塑料流入海洋,英国女王曾为此发出严重警告。据最近报载，英国牛津大学科学家用微波将塑料分解成氢(97%)和高价值碳纳米管,成功解决了地球塑料污染的世界性难题。但是，笔者认为采用CCSE或SSE技术路线，也许更为经济和合理。

贮能指数可告诉人们，虽然在全球范围内电力供应都很紧缺，但是有两点应该明白：一是，不舍得首先利用电生产煤气也许是许多科学家至今未提出电热煤气发生炉的思想顾虑，但这个顾虑，现在看来是不必要了；二是，贮能指数大于4,同样表明电力直接应用于照明，电动机械等就显得不够合理了，电应当首先供应零能耗的电热煤气发生炉。它既能消耗大量二氧化碳和垃圾，变废为宝，节约煤炭，保护资源，贮存了能量,又能够控制人们非常担心的气候变暖问题。

4 大力发展电热煤气发生炉

电热煤气发生炉与目前大量使用的煤气发生炉相比较，前者用的是电，二氧化碳和煤,柴禾,有机垃圾等，后者使用的是煤和空气。从文献[1-5]可知，大力发展电热煤气发生炉主要基于三个考虑：一是使大量捕捉到的温室气体二氧化碳成为商品，作为宝贵的原材料，实现贮存和应用相结合，控制气候变化，保护地球和人类；二是大量利用塑料等垃圾，有毒污水处理的活性炭也可以作为原料，经1 000℃的高温处理以后，有毒物质被彻底分解，可以得到清洁的煤气，保护了环境；三是贮能指数>3.4,是一个无能耗或增能值的煤气发生炉，经济上非常合理。

电热煤气发生炉是CCSE或SSE唯一的一个主要设备，但却是一个至今未见的创新设备，实际上它是一个大型的大功率加热炉。除发生炉外，其余设备就是多个大型贮气包。

电热煤气发生炉的炉型可以是立式的、卧式的、逥转炉、沸腾炉等。本文作者青睐于逥转炉，其优点是炉料在炉内翻动，反应速度快；缺点是炉料必须是粉粒状。对于易加工的柴禾，塑料原料，逥转炉型应该是最合适的炉型。

根据多年负责隧道窑生产海绵铁技术的实际经验，认为采用古老的隧道窑型电热煤气发生炉更为合适，其优点是技术成熟，结构简单，投资小，运行能耗小，其中最大优点是柴禾、垃圾、动物尸体等原材料不需要加工，可以直接放在窑车或窑舟上,缺点是煤炭等反应物在窑舟上固定不动，反应速度较慢。

隧道窑技术已很成熟。用于生产煤气的电热炉，一个要求是炉体必须密封，以防煤气泄漏；另一个要求是由于煤炭柴禾等原材料成分不可能非常稳定，因此在炉尾煤气出口端应装设喷煤粉装置。根据煤气成分分析结果，添加或不加小量煤粉，保证煤气中二氧化碳含量在1%～2%，保证煤气稳定的发热量。

电加热隧道窑完全可以同时生产海绵铁和煤气。因为在还原过程中从还原反应罐中放出的完全是二氧化碳和一氧化碳气体，还原结束到渗碳阶段，气相中一氧化碳的含量几乎是100%。根据化学反应式计算，每生产一吨海绵铁，可以同时生产600 m3的一氧化碳，而且煤气中的氮气含量很少，热值很高。

根据化学反应式计算，生产一吨海绵铁大约需要电量590 kWh，煤炭消耗量约为385 kg(目前的高炉生产水平为530 kg/t)，贮能指数为1.78。当把铁矿粉、煤粉、人工、设备折旧以及600 m3煤气售价等全部估算在内，估计其生产成本比目前的生铁成本要低得多，煤焦的消耗量也会下降许多。当海绵铁的生产成本低于生铁的生产成本，就有可能引发钢铁生产的变革。当然这只是初步估算，可行性应有待专家进行详细计算。

5 实现农村煤气化

实现农村煤气化基于两个理由：一是地面上的一草一木实际上时时刻刻在贮存能量，其量非常大；二是江南农村，在改革开放前，烧饭取暖全用柴禾，但现在山区农村都用液化气，抛弃了可贵的天然能源。因此，一边在糟蹋资源，另一边却用大力气到地下开采能源,实际上这是愚蠢的行为。

农村一旦实现煤气化，电力充沛了，不仅山青水秀，而且环境也好了。

6 目前工业生产中存在的多个问题

根据贮能指数，作者认为目前工业生产中存在多个不合理的地方，具体如下。

(1)蓄能水电站。利用谷电把下水库的水升高到上水库达到贮能的目的。全球范围内有许多这样的蓄能水电站，但它的贮能指数是负值。与贮能指数大于4的零能耗电热煤气发生炉相比，蓄水贮能显然是不合理的。如果把谷电输送给电热煤气发生炉，则可以贮存4倍以上的能量，显然是建造电热煤气发生炉更为合理。

(2)垃圾焚烧炉与焚尸炉。 在全球范围内广泛使用垃圾焚烧炉与焚尸炉。地球上贮存着有大量能量的柴禾、塑料、橡胶、海藻、动物尸体等，一把火把它们烧掉，既消耗了大量的燃料，糟蹋了大量能源，又污染了环境，是一个非常不合理的举措。

粗略计算,一吨聚乙烯废塑料大约可以生产4 800 m3的高热量清洁煤气；一具50 kg的动物遗体, 可以生产大约120 m3的高热量清洁煤气。 全球范围内每天的死亡人数大约是15万人,如果用来生产煤气，每天可以生产1 800万m3高热值清洁煤气，同时省去了大量柴油天然气。利用捕捉的二氧化碳，大力发展电热煤气发生炉，可以实现农村煤气化，并变废为宝，也有利于解决全球变暖问题。

最后,笔者认为只有电能拯救地球。