等離子體技術(shù)分解二氧化碳還氧于大氣的研究建議

1．引言

 

目前，溫室氣體特別是二氧化碳的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)排放已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的全球氣候惡化，兩極的冰蓋已經(jīng)加快消融，20世紀(jì)的全球平均地表溫度上升了（0.74±0.18）℃[1]，產(chǎn)生了諸如酷暑、嚴(yán)冬、大旱、大澇、暴風(fēng)雪等極端天氣以及海平面上升等嚴(yán)重威脅人類生存 的一系列問題。

 

美國航天航空局刊登在最新出版的《地球物理研究與大氣》上的一項(xiàng)研究表明，如果污染物的排放按現(xiàn)在的增長速度繼續(xù)下去的話，全球氣溫會(huì)上升1～2℃，但是如果二氧化碳的排放量不像現(xiàn)在這樣快速增長，同時(shí)各國又終止排放對(duì)人類有害的大氣污染物，那么，溫度可能僅僅上升0.75℃。研究者認(rèn)為，氣候模型有力地證明，全球氣候在過去半個(gè)世紀(jì)的變化就主要就是氣候變暖，主要由于二氧化碳的超大量排放。二氧化碳可使短波輻射暢通無阻，但對(duì)長波輻射卻有極強(qiáng)的吸收能力，即二氧化碳對(duì)熱輻射有強(qiáng)烈的截留能力，會(huì)導(dǎo)致地球溫度上升，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，即超大量的二氧化碳就像毛毯一樣裹住地球，阻止地球向外熱輻射，致使地球氣溫升高。[2]

 

美國哥倫比亞大學(xué)地球研究所的首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家杰佛瑞·薩克斯在《科學(xué)美國人》的一篇文章中說：“即使減少能源消耗，利用現(xiàn)有技術(shù)也不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)減少二氧化碳排放和全球經(jīng)濟(jì)增長。如果我們只使用一些治標(biāo)不治本的技術(shù)來試圖限制二氧化碳排放，最終我們會(huì)扼殺經(jīng)濟(jì)增長，包括全球幾十億人口的發(fā)展愿景。”[3]

 

美國發(fā)展中心（一個(gè)致力于推動(dòng)美國聯(lián)邦立法機(jī)構(gòu)立法限制溫室氣體排放的非盈利性組織）的高級(jí)研究員約瑟夫·羅姆在他的博客中寫道，“如果我們不以現(xiàn)有的技術(shù)為未來 25年進(jìn)行積極部署的話，到時(shí)候即便是集中了世界上所有的新技術(shù)都不能阻止災(zāi)難的發(fā)生。”[3]

 

鑒于上述，全球急需尋求以快速消除溫室氣體的方式保持碳氮氧生態(tài)平衡的良性循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。目前已有大量捕集二氧化碳技術(shù)，但還沒有用二氧化碳快速分解制取氧氣并還氧于大氣的良策。近年來，一種將二氧化碳制成干冰后深埋于地下的環(huán)保技術(shù)（簡稱碳捕獲與封存）正逐漸在歐美等國試用。2010年1月1日，國際石油巨頭英荷殼牌石油公司計(jì)劃在荷蘭巴倫德雷赫特市建一座地下二氧化碳填埋場(chǎng)，卻引起了當(dāng)?shù)?萬民眾的強(qiáng)力抵制。有專家稱，該技術(shù)或許真的能為緩解全球氣候變暖出一份力，但一旦發(fā)生泄漏，后果可能不堪設(shè)想。[4]

 

等離子體技術(shù)可以使二氧化碳分解，從而還氧于大氣，這是有效解決氣候問題的最有希望的高新技術(shù)之一。等離子體二氧化碳分解制氧的關(guān)鍵技術(shù)難題是積炭嚴(yán)重而無法連續(xù)操作，或者是能量不足以分解二氧化碳，而且此技術(shù)應(yīng)用本身的較高耗能也是應(yīng)該權(quán)衡利弊的大問題。“風(fēng)力補(bǔ)償太陽能供電的等離子體二氧化碳制氧器”正是基于解決人類生存與發(fā)展問題并可以破解等離子體二氧化碳分解中的這兩項(xiàng)應(yīng)用難題而提出的。

 

通常，二氧化碳等離子體單程分解產(chǎn)物包括碳單質(zhì)、一氧化碳、氧氣和臭氧等物質(zhì)。[5]  

 

為了避免等離子體二氧化碳分解制氧嚴(yán)重積炭的問題，本文介紹一種射流進(jìn)料的設(shè)計(jì)技巧，通常等離子體二氧化碳分解產(chǎn)生的碳單質(zhì)以積炭的形式附著在反應(yīng)器內(nèi)壁、放電電極等處。采用二氧化碳工作氣體本身射流進(jìn)料的方式除去二氧化碳分解產(chǎn)生的積炭，可使等離子體二氧化碳放電分解反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，確保不會(huì)因積炭而電極短路，也不會(huì)因積炭而管道堵塞。具體裝置中可以試驗(yàn)幾種形式的電極：各種型號(hào)的旋轉(zhuǎn)多尖-同心圓筒形電極以及云電極等。

 

等離子體反應(yīng)可以用市電作為供電系統(tǒng)，也可以用太陽能光伏發(fā)電代替市電支撐等離子體二氧化碳分解技術(shù)，這樣可以圓滿解決等離子體技術(shù)高能耗問題，符合可持續(xù)發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略要求。為了解決等離子體二氧化碳分解技術(shù)本身的較高能耗問題，本研究采用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合供電系統(tǒng)下的等離子體二氧化碳分解制取氧氣或者釋放氧氣、還氧于大氣的大、中、小型發(fā)生器，其中包括與等離子體發(fā)生器配套的高壓電源和反應(yīng)器。

 

為解決等離子體二氧化碳一次反應(yīng)不完全的問題，本研究在等離子體二氧化碳分解制取或釋放氧氣的發(fā)生器中采取級(jí)聯(lián)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)技巧：反應(yīng)器中二氧化碳射流進(jìn)料放電反應(yīng)后，產(chǎn)物連同未完全反應(yīng)的二氧化碳先進(jìn)入分離系統(tǒng)，其中的碳單質(zhì)作為副產(chǎn)品直接回收；臭氧可以在紫外光照射下自然分解為氧氣；利用一氧化碳和剩余反應(yīng)物二氧化碳臨界性質(zhì)相差較大的條件，在加壓降溫時(shí)很容易分離。因此，一氧化碳既可以作為副產(chǎn)品被加壓降溫分離處理后直接回收；也可以與未反應(yīng)的二氧化碳被加壓后循環(huán)進(jìn)行二次或多次反應(yīng)，直至全部分解成碳單質(zhì)和氧氣。

 

2．實(shí)驗(yàn)裝置

 

圖1是市電和風(fēng)力補(bǔ)償太陽能發(fā)電系統(tǒng)間可切換供電的等離子體二氧化碳制氧器整體裝置示意圖。如圖1所示，系統(tǒng)1表示采用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償太陽能光伏發(fā)電與市電聯(lián)合供電，也可以切換用市電作為供電系統(tǒng)。系統(tǒng)1提供系統(tǒng)2所需的電源，系統(tǒng)2是與等離子體反應(yīng)器配套的高壓電源。系統(tǒng)3是二氧化碳?xì)怏w源，操作前，先將系統(tǒng)整體按照附圖順序連接，做好一端電極接地，如圖中6所示。操作時(shí)，先打開通道8，由系統(tǒng)3和4提供二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行初始進(jìn)料，使反應(yīng)器5內(nèi)充滿二氧化碳?xì)怏w。在系統(tǒng)1和系統(tǒng)2提供高壓電條件下進(jìn)行二氧化碳放電反應(yīng)，然后關(guān)閉初始進(jìn)料口4，同時(shí)打開射流進(jìn)料口13，射流輸入二氧化碳，以連續(xù)供氣并清除電極和反應(yīng)器壁上的積炭，此間根據(jù)不同的電極形式，可采用適當(dāng)方向的射流。

 

 

圖1. 等離子體二氧化碳制氧器的整體框架流程示意圖

 

 1. 太陽能光伏發(fā)電加風(fēng)力發(fā)電補(bǔ)償供電系統(tǒng)，2. 高壓電源，3. 二氧化碳?xì)庠矗?. 二氧化碳初次進(jìn)料系統(tǒng)，5. 等離子體反應(yīng)器，6. 電極接地端，7. 氣體分離器，8. 氧氣檢測(cè)排放系統(tǒng)，9. 二次反應(yīng)循環(huán)進(jìn)料系統(tǒng)，10. 加壓系統(tǒng)，11. 碳單質(zhì)回收系統(tǒng)，12. 冷卻系統(tǒng)，13. 二氧化碳射流進(jìn)料系統(tǒng)，14. 氣態(tài)產(chǎn)物排放口，15. 氣體循環(huán)泵，16. 氣體分離器入口，17. 產(chǎn)物液化分離出口，18. 尾氣循環(huán)系統(tǒng)

 

反應(yīng)產(chǎn)物有3個(gè)出口，氧氣出口8檢測(cè)氧氣純度，放空純凈氧氣，截留其它氣體返回反應(yīng)器5或氣體分離器7；出口11是純碳單質(zhì)；出口14是等離子體二氧化碳分解后的流出物，主要包括氧氣、一氧化碳、臭氧以及未反應(yīng)的二氧化碳；反應(yīng)流出物經(jīng)氧氣放空排氣后返回的氣體一同進(jìn)入循環(huán)泵15，經(jīng)入口16被輸入氣體分離器7；在氣體分離器7中，在冷卻系統(tǒng)12和加壓系統(tǒng)10控制臨界條件作用下，被液化的一氧化碳經(jīng)出口17分離出來；或者關(guān)閉此功能系統(tǒng)，改用循環(huán)進(jìn)料系統(tǒng)9，流出物全部返回級(jí)聯(lián)反應(yīng)器進(jìn)行二次反應(yīng)，直至二氧化碳完全分解，實(shí)現(xiàn)還氧于大氣的重大目標(biāo)。

 

3、建議依據(jù)與展望

 

此建議的前期實(shí)驗(yàn)依據(jù)是甲烷在常壓等離子體催化條件下轉(zhuǎn)化為不飽和碳二烴的突破性成果[6]。此建議的采納研究有望在無二次污染（因不用化學(xué)催化劑）且利用清潔能源的可持續(xù)發(fā)展前提下實(shí)現(xiàn)遏制全球氣候變暖惡化趨勢(shì)的急迫戰(zhàn)略目標(biāo)。當(dāng)然，本建議并不排斥化學(xué)催化，等離子體催化不是可以完全替代化學(xué)催化的技術(shù)。等離子體反應(yīng)區(qū)主要發(fā)生分解反應(yīng)，在其反應(yīng)區(qū)下游可以發(fā)生分解產(chǎn)物碎片的重新組合反應(yīng)，因此，等離子體催化技術(shù)特別適用于甲烷分解制備不飽和碳二烴以及二氧化碳部分分解制備一氧化碳或徹底分解為單質(zhì)等反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究顯示，常壓下等離子體催化甲烷偶聯(lián)采用多尖端旋轉(zhuǎn)電極對(duì)同心圓筒形電極放電方法，可產(chǎn)生甲烷轉(zhuǎn)化率與不飽和碳二烴單程收率均在70%左右的可喜成果，遠(yuǎn)超作為50多年研究瓶頸的25%上限以及作為工業(yè)放大可行性標(biāo)準(zhǔn)的30%。以此甲烷前期研究成果的等離子體催化技術(shù)，還可以進(jìn)一步研究發(fā)展成為溫室氣體綜合治理研究與產(chǎn)業(yè)化模式。甲烷和二氧化碳兩種極具化學(xué)穩(wěn)定性的溫室氣體均可以此等離子體分解技術(shù)加以治理：（1）可分離回收甲烷分解產(chǎn)物中的不飽和碳二烴作為合成高分子的單體原材料，此項(xiàng)技術(shù)若能產(chǎn)業(yè)化，則可作為材料能源支持人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略（甲烷作為海底干冰天然儲(chǔ)量豐富，且作為沼氣主要成份可再生）；（2）可分離回收二氧化碳部分分解產(chǎn)物一氧化碳作為燃料、徹底分解產(chǎn)物固態(tài)碳作為化工等工業(yè)原料。而溫室氣體中的氮氧化合物也可以加入此項(xiàng)技術(shù)研究，或試驗(yàn)直接作為化工原料。

 

參考文獻(xiàn)

 

[1] 楊紅龍，許吟隆，張鐳，潘婕，陶生才.  SRES A2情景下中國區(qū)域21世紀(jì)末平均和極端氣候變化的模擬.氣候變化研究進(jìn)展. 2010, 6（3）：157-163

 

[2] Solomon S, Qin D, Manning M, et al. Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [M]. Cambridge, UK and New York, USA: Cambridge University Press, 2007: 996

 

[3] 王潤 編譯.  關(guān)于全球變暖爭論的轉(zhuǎn)變. 環(huán)境科學(xué), 2008, (6):16

 

[4] 高峰.  阻止地球變暖的新思路——深埋二氧化碳. 環(huán)境教育, 2010, (1):67-68

 

[5] 代斌.  等離子體協(xié)同催化二氧化碳合成低碳化合物的研究. 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2000,  p.2

 

[6] 崔錦華. 非平衡等離子體甲烷常壓偶聯(lián)研究. 天津大學(xué)博士學(xué)位論文, 2002