最新二氧化碳捕获技术

最新二氧化碳捕获技术大盘点
作者：wt1025来源：互联网更新时间：2009-7-3
近年来，一些气候科学家，特别是像美国航天局的詹姆斯·汉森说，这1百万分之385太高了，我们需要的不只是减缓二氧化碳增长的速度，而且还要尽快收拾我们已造成的这个残局。这项工作就像是在每100万根麦秸堆成的草堆中寻找385根无形、无色的针。我们找到并取走它们的机会能有多少？
许多科学家和工程师认为，这几乎是零。他们说，要从空气中消除二氧化碳完全是不可能成功的，因为这需要耗费太多的能源。但这并没有阻挡少数研究人员尝试的脚步。他们争辩说，从空气中捕获二氧化碳不仅在理论上可行，很快还会成为一个对付全球变暖的实用武器。总之，他们认为，不想法从大气中清除二氧化碳是我们所不能承受的，这是人类至关重要的最后一道防线。如果汉森是正确的，而且我们也无法再回到从前，再多的太阳能发电和再高的能源效率也救不了我们。我们需要将二氧化碳直接从大气中清除，而且要快。
这个全工滤清器也可装配在飞机机库，从一端用风扇鼓入空气穿过由天花板的喷嘴中喷出的氢氧化钠薄雾。地板上的水渠将收集碳酸钠溶液。
这个系统虽然能工作，但要耗费巨大的能源。在这个过程的最后，碳酸钠需被变回氢氧化钠，虽然氢氧化钠并不贵，但还没便宜到能承担得起只用一次就废弃。这需要一个加热到900°C的炉子。凯斯认为，他能将所需的能源减半，削减捕获并吸收二氧化碳的整体成本至每吨100美元左右。虽然这要比污染者根据欧盟排放控制计划支付的罚款高出很多，但一旦各国政府严肃对待气候变化，罚款也许就远远不是目前的数目了。
当然，拉克纳并不是唯一从事捕碳技术的人。加拿大卡尔加里大学以及瑞士联邦理工学院的研究团队也都建造出了实验室规模的捕碳装置。
甩掉管道的羁绊
如果说人们对从空气中捕获碳的技术越来越关注，这全是因为其潜在优势是如此之大。一方面，空气滤清器可从任何地方捕获二氧化碳，不论规模大小，包括汽车、飞机和供暖系统。这些设备产生了超过全球二氧化碳排放量的1/3，但要完全在排气管或烟道中来进行捕获是不切实际的。更重要的是，排放出的二氧化碳会与空气快速混合，各个地方的二氧化碳含量几乎都是相同的，空气滤清器就可以直接放在需隔离的地点。与此相反，对发电厂的二氧化碳捕获往往要使用数百公里的管道。就像卡尔加里大学的大卫·凯斯所说的那样，空气捕碳技术和其他的能的概念是一个改良型的能源发电技术，称为集中太阳能发电，主要应用于世界各地的沙漠地区。这样的发电站包含日光跟踪镜，这些镜子可将日光聚焦产生蒸汽来驱动发电机。施泰因菲尔德解释说：“我们将锅炉移走，然后将太阳能反应器放在那里，这样，我们就能将二氧化碳从空气中去除。”
施泰因菲尔德的反应器是一个装满氧化钙颗粒的透明管子。桌上型版本中的管子只有几厘米高，并用弧光灯代替日光。当管子被加热到400℃时，与少量蒸汽混合的空气被泵入，并由下而上地穿过这些颗粒。在这样的温度条件下，氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙。施泰因菲尔德说：“当空气离开时，那里就没有二氧化碳了。我们可将1百万分之385的二氧化碳含量几乎变为零。”
当然，希望还在。如果我们能及时大规模转换到太阳能、风能和核能，那么避免气候危机还为时不晚。但是，如果做不到这一点，空气滤清器也许可以成为最后关头的生命线。不过，这也将是一件艰巨的任务。按照目前的排放量，我们将需要每天2000万吨吸收量的滤清器装置，才能吸收运输部门排放的二氧化碳。
1百万分之385：这就是我们现在大气中的二氧化碳含量。虽然这比人类将事情弄糟前只增加了1百万分之100，但极地的冰盖已开始融化，气候模式正在发生变化，植物和动物正在向两极迁徙以找到舒适的存活区域。如何处理大气中的二氧化碳成了全球关注的一个重要问题。
3年前，凯斯和他的学生乔苏阿·斯托拉洛夫建立了自己的第一个捕碳原型装置，使用的是从燃煤电厂烟尘中去除二氧化硫的“喷雾塔”技术。像二氧化硫一样，二氧化碳也是一种酸性气体，可被氢氧化钠碱性溶液吸收。
凯斯的装置原型是一个内衬聚氯乙烯的、高达4米的厚重卡板纸圆柱体。需要处理的空气从顶端吹入，在那里用氢氧化钠溶液对空气进行喷淋，氢氧化钠和空气中的二氧化碳进行反应后形成碳酸钠液滴。
捕获二氧化碳并不困难。事实上，在不久的将来，我们就有可能将发电厂和工厂烟囱排放的大量二氧化碳进行压缩，并深深地埋在地下。2005年，政府间气候变化问题研究小组（IPCC）的一个特别委员会得出结论，这一碳捕获和储存（CCS）战略很可能将对应对气候变化产生重要的作用。由各国政府和能源公司大力支持的整个CCS产业，已经像雨后春笋般地冒出来使之成为了现实。
油气公司也常成吨地购买二氧化碳来冲刷废弃油田中的石油。拉克纳估计，滤清器每天捕获的二氧化碳达到1吨之时，也就是他的滤清器在油气和园艺市场大展宏图之时。但他此刻必须面对的现实是：等待风险资本来建立一个日产1吨二氧化碳的原型装置。由于缺乏投资，一家准备将其成果进行商业化的小公司最近终于关张了。
使用空气捕获技术来应对气候变化正面临着巨大的经济挑战。只有等到政府为碳投资设置一个合理的价格，该项技术才能起飞。如果这样的情况一旦成为现实，就可能开辟出一个新的潜力巨大的市场：从稀薄的空气中合成燃料。凯斯说，将捕获的二氧化碳和氢混合就可以制作出燃料。从空气中捕获二氧化碳制作的燃料不会导致净排放量，因为他们释放的二氧化碳本身就来自空气。
但他认为，该项技术将廉价到足以适于商业化应用。水果和蔬菜种植者经常在温室中利用大量的二氧化碳来使空气富营养化，生产每吨产品需要额外支付300美元的成本。拉克纳认为，将其空气滤清器直接连到温室就可以大幅降低生产成本。
微型温室
拉克纳的示范装置其实就是一个大约1米长的微型温室。一端附有装满离子交换树脂的塑料管，它可以吸收空气中的二氧化碳。当大部分氢氧化钠树脂转换成碳酸氢钠时，拉克纳就排空管子，将管子插入温室中的潮湿空气中，此时二氧化碳可快速释放到温室中。该装置每天可产生1公斤左右的二氧化碳，这将转化为温室中番茄植株的生物量。
但是，二氧化碳一旦泄露到露天，捕获起来就要复杂一些。大气中的二氧化碳含量大概是烟道中的百分之一，对此IPCC的结论是，就所耗费的能源而言，从空气中直接捕获二氧化碳是得不偿失的。
美国哥伦比亚大学的克劳斯·拉克纳却提出了不同意见。他也是IPCC的成员之一，作为一名粒子物理学家，他多年来一直在致力于推动从空气中捕获二氧化碳的技术。他制定了从空气中消除二氧化碳所需的最低能源的理论值，并认为IPCC的数字是错误的。他说，从空气中捕获二氧化碳确实要比从烟道中需要更多的能源，但两者的差异并不大。
这个计算结果使拉克纳深信，空气滤清器是一个较实用的建议，但他并没能说服IPCC里的同行。为此，他意识到，他必须亲手做一个出来。
拉克纳也确实这样做了。2008年年中，他和他的同事阿伦·莱特用塑料制成了一个从空气中捕获二氧化碳的滤清器，并获得了专利。该设备每天能从穿过垂直塑料片间的空气中搜集几十公斤的二氧化碳。拉克纳说，如果给他两年时间，加上2000万美元的风险投资，当然现在并不容易得到，他就能建造出一个模型，每天可消除1吨的二氧化碳，正好装满一个标准的集装箱。拉克纳认为，这样的设备很快将会引起那些不得不购买二氧化碳排放配额公司的兴趣，数以百万计的这样的设备最终将会部署以从大气中吸走二氧化碳，这有助于将我们从全球气候变暖中拯救出来。
这种树脂还有第二个主要优势：潮湿时会变形，降低了其与二氧化碳的亲和力。拉克纳说：“这样，我们只需加些水，就可以推进二氧化碳的吸收。”
卡尔加里大学和瑞士理工学院的空气滤清器需要900℃的温度才能再生其二氧化碳吸收材料，但拉克纳的设计在40℃的条件下就能做到这一点。拉克纳正在对极少量的能源进行处理，不过处理每吨二氧化碳的成本到底有多少，他还没有作出详尽的分析。
凯斯承认，空气滤清器永远不可能是解决全球气候变化问题的最经济方式，但他认为我们也许不管怎样都得使用他们。
在凯斯忙于调整其现有技术的同时，其他研究人员也在寻求更创新的技术。在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）专长研究太阳能技术的艾尔多·施泰因菲尔德，在参观了拉克纳的研究所后，对空气滤清器表现出了极大的兴趣。他说：“我们决定，将用太阳能技术来做到这一点。”
在不到15分钟的时间里，颗粒大多转化为碳酸钙。此时，施泰因菲尔德关闭进气阀，加强了光度，将反应器中的温度提高到800℃。这可将二氧化碳作为一股纯气流分离出来，并被送去隔离，用以把碳酸钙转化为氧化钙。研究人员已将他们的反应器运行了5个吸收和释放的循环，而性能并无下降。施泰因菲尔德认为他的装置可按比例放大，从大气中去除大量的二氧化碳，但他尚不清除去除每吨二氧化碳的成本是多少。
利用日光将二氧化碳从空气中去除，明显要比凯斯的炉子具有优势。但是，拉克纳认为，如果你打算要将沙漠充满太阳能聚光器，这可能要比只是将日光变为电力更具环境意义。
拉克纳的策略是要降低从空气中带走二氧化碳所需的能源使用量。他和他的同事尝试了各种不同的设计，但是这些设计的核心是离子交换树脂，这是一种可浸渍在氢氧化钠中的聚合物。钠离子紧密附着于聚合物，但氢氧化物是松散的，很容易被二氧化碳取代，二氧化碳跟钠结合就会形成碳酸氢钠。拉克纳说，卡尔加里的装置基本上也是基于同样的化学原理，但由于树脂片的表面积要大得多，因此反应也要快得多。