煤炭利用:讓我歡喜讓我憂
人類對煤炭的感情,用“愛恨交加”來形容是最貼切不過的了。
一方面,煤炭是世界最主要的能源之一。全球能源消耗總量的24%、電力供應(yīng)的40%來源于煤炭。另一方面,燃煤釋放的大量二氧化碳,也是全球溫室氣體增加的主要原因之一。燃煤釋放的二氧化碳量是天然氣的兩倍,位居各種化石燃料之首。
從儲量來看,煤是全球儲量最豐富的化石燃料,人類對其利用和依賴程度正在逐步增加。世界煤研究所發(fā)布的報(bào)告指出,全球煤儲量可以繼續(xù)供人類使用164年,而石油儲量僅夠人類使用41年。據(jù)美國自然資源保護(hù)委員會估計(jì),到2020年,全球燃煤發(fā)電廠的總裝機(jī)容量將超過70萬兆瓦。
煤炭的大量燃燒帶來了巨大的副作用。美國普林斯頓大學(xué)的研究結(jié)果顯示,目前全球每年向大氣層排放70億噸碳,這個(gè)數(shù)字是上世紀(jì)50年代的三倍,他們預(yù)計(jì)到2055年該數(shù)字還將翻一番。如果換算成二氧化碳的排放量,這一數(shù)字將會增加2.7倍!全世界二氧化碳排放量按照這種速度增長,大氣層中二氧化碳的濃度將達(dá)到工業(yè)化之前的三倍,最終將導(dǎo)致全球氣溫上升到3億年前的水平,而那時(shí)海平面比目前高出15—30米!
盡管煤炭燃燒是導(dǎo)致全球溫室氣體增加的重要原因,但人類未來的發(fā)展仍須依賴煤,這是一個(gè)無法回避的事實(shí)。因此,尋找更為清潔的煤炭利用方式,減少向大氣層中排放二氧化碳的數(shù)量,已經(jīng)成為人類解決這一問題的唯一出路。
盡管清潔煤技術(shù)聽起來很新鮮,但實(shí)際上這項(xiàng)技術(shù)早已經(jīng)很成熟了。普林斯頓大學(xué)“減緩碳專項(xiàng)行動”的研究結(jié)果表明,如果利用現(xiàn)有的技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)綜合性的戰(zhàn)略,每一項(xiàng)具體戰(zhàn)略計(jì)劃每年減少10億噸的碳排放量,那么在未來50年內(nèi),如果部署七項(xiàng)以上這樣的戰(zhàn)略計(jì)劃,人類就可以實(shí)現(xiàn)碳排放量持續(xù)減少這一目標(biāo)。
清潔煤技術(shù):藏在深閨人不識
2005年2月,旨在限定全球溫室氣體排量的《京都議定書》正式生效,該條約的簽署國已經(jīng)達(dá)到140個(gè)。盡管美國是溫室氣體排放量最大的國家,但它提出將“按照自己的方式解決排放限制問題”,拒絕加入該條約。
2003年2月,美國政府宣布將實(shí)施一項(xiàng)名為“未來發(fā)電”的計(jì)劃。該計(jì)劃由美國能源部、私人投資者和國際組織共同投資10億美元,在5年內(nèi)完成設(shè)計(jì)和建造一座煤基零排放電-氫發(fā)電廠。這種發(fā)電廠的溫室氣體排放量可以達(dá)到“零排放”的水平,即使是排放出了二氧化碳?xì)怏w,也可以通過技術(shù)手段將其“存儲”于地下。
顯然,這是一項(xiàng)面向未來的重要計(jì)劃。然而,科學(xué)家指出:利用現(xiàn)有的技術(shù)能否解決當(dāng)務(wù)之急呢?答案是肯定的。
今年,美國最大的燃煤電力公司(AEP)已經(jīng)選好廠址,計(jì)劃建造一座新型超凈潔發(fā)電廠,即集成氣化綜合循環(huán)(IGCC)發(fā)電廠。人們往往把IGCC看作是“新技術(shù)”,但其實(shí)它是由兩種著名的現(xiàn)有實(shí)用技術(shù)集合而成,而這兩種技術(shù)都可以用來實(shí)現(xiàn)“未來發(fā)電”計(jì)劃的最終目標(biāo)。
第一種煤炭氣化技術(shù)。在嚴(yán)格控制溫度和壓力的條件下部分燃燒煤,使其變?yōu)橹饕怯梢谎趸己蜌錃饨M成的濃縮合成氣體,其中的雜質(zhì)如二氧化硫等都很容易被除去。第二種技術(shù)是“循環(huán)”,這種技術(shù)已經(jīng)在天然氣發(fā)電廠得到普遍采用,渦輪的驅(qū)動力來自于天然氣流和廢熱所產(chǎn)生的氣流。最為重要的是,相比之下,從氣流中捕獲二氧化碳比從傳統(tǒng)發(fā)電廠的煙囪中捕獲二氧化碳要容易實(shí)現(xiàn)得多。
IGCC發(fā)電技術(shù)比當(dāng)今普遍采用的燃煤發(fā)電技術(shù)先進(jìn)很多。APE電力部門執(zhí)行副董事長羅伯特·鮑威爾斯說:“我們已經(jīng)對這種技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。人類從上世紀(jì)初已經(jīng)開始使用煤炭氣化技術(shù),這種技術(shù)在石油化學(xué)工業(yè)和石油冶煉工業(yè)已經(jīng)使用了很多年。此外,我們現(xiàn)在就擁有自己的循環(huán)燃燒發(fā)電廠。因此,上述兩種技術(shù)都是成熟的和先進(jìn)的。”
除了APE之外,美國國內(nèi)和其他國家的大型能源公司對煤炭液化技術(shù)也十分重視。美國賓西法尼亞州的一個(gè)工業(yè)財(cái)團(tuán)正計(jì)劃建造一個(gè)工廠,從南非能源業(yè)巨人———薩索爾集團(tuán)引進(jìn)煤炭液化技術(shù),工廠的設(shè)計(jì)產(chǎn)量為每天生產(chǎn)5000桶煤炭液化油。皮博迪能源公司也正在計(jì)劃在伊利諾斯州建一個(gè)工廠,利用煤來生產(chǎn)天然氣。在美國之外,一些能源公司正在計(jì)劃建造“純氧燃燒”工廠,主要使用純凈氧氣來燃燒煤,以更易于捕獲濃縮的二氧化碳。
APE預(yù)計(jì),擬建的IGCC發(fā)電廠總投資將比傳統(tǒng)發(fā)電廠高15%—20%。但是,一旦聯(lián)邦政府頒布實(shí)施限制二氧化碳排量的有關(guān)措施,這些投資就可以很快回收。由于發(fā)電廠一般都位于開闊地帶,有足夠的空間可以存儲發(fā)電廠排放出來的二氧化碳,而在這種背景下就可以將這些存儲的二氧化碳銷售給其他公司,以賺取利潤。據(jù)估算,IGCC發(fā)電廠的收益將比傳統(tǒng)的發(fā)電廠高出50%,前者的效率也高于后者,在形成一定規(guī)模時(shí)其成本還將會進(jìn)一步下降,同時(shí),隨著設(shè)計(jì)水平和所用材料的改進(jìn)其效率也將會進(jìn)一步提高。此外,由于捕獲得的二氧化碳可以被注入油田以提高石油產(chǎn)量,其廢棄物的市場前景也將逐步看好。
顯然,IGCC是一種成熟技術(shù),所能帶來的益處也是顯著的,并且可以降低二氧化碳的排放。那么,為什么這種先進(jìn)的技術(shù)不能夠被廣泛地采用呢?
霍華德·赫爾州戈是麻省理工學(xué)院的化工專家,他負(fù)責(zé)管理一個(gè)被稱為“碳捕獲專項(xiàng)行動”的工業(yè)財(cái)團(tuán)。赫爾州戈認(rèn)為:“技術(shù)本身并不是一個(gè)限制性因素,關(guān)鍵的因素是經(jīng)濟(jì)方面的激勵”,“從技術(shù)的角度來看,我們可以很快實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但如果政府不采取鼓勵性政策,在這方面將不會有太大的作為?!?br/> 捕獲碳的最終“命運(yùn)”:不同的選擇方案
清潔煤技術(shù)關(guān)鍵的步驟是捕獲煤燃燒后釋放的二氧化碳。唯如此,才有可能阻止溫室氣體的排放。而妥善處理或利用那些捕獲的二氧化碳,則成為科學(xué)家、世界各大能源公司孜孜不倦地探索的另一個(gè)技術(shù)課題。
將二氧化碳注入地表之下已成為當(dāng)今增加石油開采量的一種常用方法,但其主要目的并不是永久性地儲藏二氧化碳。因此,亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是:我們能否把二氧化碳安全地存儲在我們想存放的任何地方?
科學(xué)家認(rèn)為,最安全的辦法是將捕獲的二氧化碳永久地存儲于地表之下的某一個(gè)地方。主要方案是將二氧化碳“注入”到地表之下并對其進(jìn)行礦物化后再埋藏。這種方式的潛在威脅是,一旦這些二氧化碳最終通過其他途徑被排放到大氣層中,將會導(dǎo)致全球變暖進(jìn)一步加劇。
另一個(gè)問題是,如果在努力降低二氧化碳排放量的同時(shí),人類依然增加化石燃料的消費(fèi)量,那么減排的任務(wù)將會異常艱巨:這是因?yàn)閷Χ趸家夯笤俅鎯Φ凝嫶笸度耄喈?dāng)于人類開采原始化石燃料的投入!
美國地質(zhì)學(xué)家最近的一項(xiàng)研究成果,給人們提出了這方面的警示。50年前,為了增加石油產(chǎn)量,德克薩斯州一個(gè)古油井曾被注滿二氧化碳,并用水泥加固管道。不久前,美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)學(xué)家喬治·古斯瑞獲得了其中一塊加固水泥,發(fā)現(xiàn)其中的一部分已經(jīng)出現(xiàn)了斑點(diǎn),科學(xué)家推斷這是由50年前存儲的二氧化碳和地下水混合后形成的碳酸腐蝕所致。這一結(jié)果提醒人們,海底存儲的二氧化碳可能會對起加固作用的水泥產(chǎn)生腐蝕,利用這種方法存儲的二氧化碳最終仍然有可能會被釋放到大氣層中。果真如此,削減二氧化碳排量所帶來的暫時(shí)性好處將會消失殆盡。
然而,多數(shù)人依然對這種方法保持謹(jǐn)慎的樂觀態(tài)度,認(rèn)為人類已基本掌握了正確處理這一問題的大部分技術(shù)。截至目前,采用這種存儲方法,挪威國家石油公司和達(dá)科他煤氣化廠都已分別存儲了2000萬噸二氧化碳;阿爾及利亞的一個(gè)天然氣田也存儲了1700萬噸二氧化碳;荷蘭的一個(gè)項(xiàng)目則存儲了800萬噸二氧化碳。
聯(lián)合國政府間氣候變遷專家小組估計(jì),采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)可以將所存儲二氧化碳總量的99%保留100年以上,隨著技術(shù)的進(jìn)步,這一年限有可能增加到1000年。
除了對二氧化碳捕獲后進(jìn)行存儲、出售給石油公司,用以增加石油產(chǎn)量之外,另外一種方案是利用二氧化碳生產(chǎn)甲醇,它是比氫氣更實(shí)用的燃料。
目前,人類已經(jīng)吹響了向“氫能經(jīng)濟(jì)”邁進(jìn)的號角。但在這個(gè)過程中,除了氫氣生產(chǎn)之外,氫氣的輸送和儲藏都需要全新的設(shè)施,并且燃料電池技術(shù)也必須有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。相比之下,“甲醇經(jīng)濟(jì)”則相對容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槔枚趸己蜌錃馍a(chǎn)的甲醇是一種液態(tài)能源形式,可以使用目前的設(shè)施來輸送甲醇,并且甲醇經(jīng)過改進(jìn)后就可以作為汽車燃燒使用。
美國南加州大學(xué)洛克爾碳?xì)溲芯克L、諾貝爾化學(xué)獎獲得者喬治·奧拉赫教授是“甲醇經(jīng)濟(jì)”的積極倡導(dǎo)者,他對此充滿信心。他說:“從以碳為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)向‘氫能經(jīng)濟(jì)’過渡是一種美好的設(shè)想,但真正實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不容易,而我們擁有大量可以循環(huán)利用的二氧化碳?!?br/> 技術(shù)應(yīng)用:春天不再遙遠(yuǎn)
美國2006年《國情咨文》中指出,由于美國經(jīng)濟(jì)目前對石油過度依賴,必須開發(fā)新的技術(shù)減少對石油的依賴,因此提出了清潔能源研究的七項(xiàng)設(shè)想,認(rèn)為“美國目前應(yīng)該用令人難以置信的速度開展這方面的研究?!?br/> 然而,現(xiàn)實(shí)情況并不如此,科學(xué)家們認(rèn)為:人類已經(jīng)有幾種很好的技術(shù)選擇可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),核心問題是政府要在政策上進(jìn)行調(diào)整。正如麻省理工學(xué)院的赫爾州戈所說:“如果沒有一項(xiàng)公共政策來強(qiáng)制性規(guī)定排放碳必須付出代價(jià),那么相對于捕獲碳并存儲碳而言,將二氧化碳直接排放到大氣層中永遠(yuǎn)是一個(gè)實(shí)惠的選擇。”
令人感到欣慰的是,全球限制二氧化碳排量的步伐已悄然邁動。歐盟去年已提出了一個(gè)“碳交易系統(tǒng)”,該計(jì)劃正在處于試行階段。在美國國內(nèi),盡管受到汽車制造商的種種阻撓,加利福尼亞州仍堅(jiān)持提議要限制汽車的溫室氣體排放量。赫爾州戈相信:隨著時(shí)間的推移,各國政府會采取法規(guī)措施來限制二氧化碳排放量。
毫無疑問,AEP公司的做法是超前的:做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備,一旦聯(lián)邦政府采取措施限制二氧化碳排放量,公司就可以“有備無患”。
對于清潔煤技術(shù),人們有理由相信:冬天到了,春天還會遠(yuǎn)嗎?
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“歐盟溫室氣體排放交易計(jì)劃”簡介
2002年,歐盟批準(zhǔn)《東京都條約》。根據(jù)該條約的要求,要逐步削減全球溫室氣體的排放總量,2012年排放總量要比1990年的總量減少5%。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),歐盟主要依靠的是市場機(jī)制。歐盟成員國的所有公司(例如煤電廠、石油發(fā)電廠等),只要其設(shè)備在運(yùn)作過程中向大氣層排放二氧化碳,都將被配給一定數(shù)額的“法定限排量”,這一指標(biāo)是該公司每年免費(fèi)向大氣層排放溫室氣體的最高限量。歐盟規(guī)定,各公司之間可以相互有償轉(zhuǎn)讓“法定限排量”。也就是說,每一個(gè)公司都可以根據(jù)自己的實(shí)際排放情況,通過市場機(jī)制向其他公司購買或者出售一定的“法定限排量”。
從理論上講,二氧化碳“法定限排量”交易市場提供了一種激勵機(jī)制,它鼓勵各公司降低自己的二氧化碳排放量,把排放量控制在自己的法定限額之內(nèi),避免花費(fèi)額外的資金購買超標(biāo)的排放量,并盡可能地將自己“法定限排量”的剩余部分賣給其他公司。2005年1月,歐盟開始實(shí)施這一“溫室氣體排放交易計(jì)劃”,但是,目前竟然遇到了一個(gè)當(dāng)初未曾預(yù)料到的問題。
最近,挪威一家名為“點(diǎn)碳”(Pointcarbon)的研究公司的一份報(bào)告指出,截至今年5月,歐盟一些成員國和其總部披露的一些數(shù)據(jù)顯示,在“溫室氣體排放交易計(jì)劃”實(shí)施的第一年中,大多數(shù)歐盟成員國向本國公司配發(fā)的“法定限排量”多于他們的實(shí)際需求,各國配定的法定限排總量比實(shí)際排放總量還多6700萬噸,相當(dāng)于比實(shí)際排放總量多3.4%。這一結(jié)果使市場交易雙方大為困惑,并引起了連鎖反應(yīng)。自上述計(jì)劃實(shí)施以來,歐盟的溫室氣體法定限排量交易市場穩(wěn)步增長,消息披露后法定限排量的交易價(jià)格驟降:從原來的每噸30歐元猛跌到10歐元以下。
歐盟法定限排量交易價(jià)格的猛跌,意味著各公司消減其溫室氣體排放量的動力也相應(yīng)減少。
對此,瑞典查莫斯大學(xué)物理資源理論教授克雷斯蒂安·阿扎爾認(rèn)為,歐盟在配定“法定限排量”方面過于慷慨。由于在2007年底之前為上述計(jì)劃的“試驗(yàn)期”,因此2007年之前歐盟在限制溫室氣體排放量方面不大可能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。要實(shí)現(xiàn)既定的排放量目標(biāo),歐盟真正要做的則是減少各國政府配給的“法定限排量”。
提高能效是減排的最佳途徑
美國普林斯頓大學(xué)“減緩碳專項(xiàng)行動”的研究結(jié)論認(rèn)為,利用目前節(jié)能效率最高的商用建筑和民用住宅建筑技術(shù),就可以大大削減二氧化碳的排放量,削減量最多可相當(dāng)于800座10億瓦特級的發(fā)電廠所排放的二氧化碳量。此外,如果將目前汽車的效率提高一倍(利用現(xiàn)有技術(shù)就有可能做到這一點(diǎn)),則可以取得同樣的效果。因而,如果這兩種措施雙管齊下,每年減少的二氧化碳排放量,則相當(dāng)于1600座10億瓦特級的煤發(fā)電廠所排放的二氧化碳量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了全球現(xiàn)有煤電廠的總數(shù)!
很顯然,即便我們部分地采取了上述措施,所帶來的效益也是非??捎^的。那么,為什么能源利用效率無法根本提高,二氧化碳排放量與日俱增呢?問題到底出在哪里?
美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)建筑效率研究項(xiàng)目的科學(xué)家斯蒂芬·塞爾庫韋特茲對此做出如下的生動解釋。
在某能源公司的會議室里,5名大權(quán)在握的人做出決定:投資數(shù)十億美元建造一座發(fā)電廠,這樣就可以為25萬個(gè)家庭提供電力服務(wù)。此決定做出后,25萬個(gè)家庭也確實(shí)因此受益。但是,為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo),讓這些家庭每家都更換10個(gè)節(jié)能燈泡、購買一臺更為節(jié)能的電冰箱和空調(diào)機(jī),這些工作努力將會是非常巨大的工作量。
美國能源效率聯(lián)盟的研究結(jié)果顯示:政府將能源稅收的大部分用于支持能源(尤其是化石燃料)供應(yīng)環(huán)節(jié),只有14%%用于提高效率和減少消耗。前者的最終后果是不斷增加二氧化碳的排放量,后者則是減少了排放量。即便如此,從成本的角度來看,后者所產(chǎn)生的效益等于甚至好于前者。
我們可以從照明的角度來考察節(jié)能的效果。在美國,煤發(fā)電占全國電力供應(yīng)的一半,商用建筑和民用住宅建筑占美國電力消耗總量的三分之二。在各類商用建筑所消耗的電力中,35%%用于照明,而照明用電占民用住宅耗電量的20%%。塞爾庫韋特茲指出,如果積極采取節(jié)能措施,例如選擇更好的建筑設(shè)計(jì)方案、效率更高的光源以及更為敏捷的傳感和控制系統(tǒng),每年所節(jié)約的用電量就相當(dāng)于40座10億瓦特級發(fā)電廠的發(fā)電量。這樣,就可以很容易地將商用建筑照明用電量減少一半。
毫無疑問,在提高能源利用效率方面的投入最終將帶來可觀的效益。美國立研究院2001年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),能源部曾對3個(gè)小型節(jié)能研究項(xiàng)目進(jìn)行資助,其最終成果分別是熒光燈用的電子鎮(zhèn)流器、冰箱節(jié)能壓縮機(jī)和低輻射窗罩,并且都得到了廣泛應(yīng)用,當(dāng)時(shí)已累計(jì)實(shí)現(xiàn)的節(jié)能費(fèi)用就高達(dá)300億美元。
然而,美國政府好像對此視而不見,并沒有表現(xiàn)出任何改變其政策支持重點(diǎn)的跡象。在政府提出的2007年預(yù)算草案中,用于提高能效的研究經(jīng)費(fèi)遭到進(jìn)一步削減,能源部能源效率和再生能源辦公室的預(yù)算額為5.17億美元,比上一財(cái)年減少了1.12億美元。此外,對提高能效研究方面的有關(guān)激勵也將會進(jìn)一步減少。
(來源:阿里巴巴化工價(jià)格庫)
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