第6章 大气污染防治领域的新进展(5)
瑞典瀑布能源公司通过在纯氧中，而不是空气中燃烧煤炭的技术，将传统的火电厂进行改进。由于空气中含有大量氮气，所以传统发电厂，会产生主要由氮气和部分二氧化碳及水组成的，气溶胶混合物；而将二氧化碳与氮气分离需要大量能量，因此捕获二氧化碳的成本很高。在煤基含氧燃料技术中，气溶胶主要由二氧化碳和水组成，而水很容易浓缩和去除，产生纯的二氧化碳很容易收集。
瑞典瀑布能源公司对外界宣称，该公司已经为一个3万千瓦的新型煤基含氧燃料试验电厂，安装了第一套设备。这个试验电厂，可以对这种新型的煤基含氧燃料技术，进行大规模试验。瀑布能源公司的战略董事兼煤基含氧燃料项目经理劳·桑博格表示，到目前为止，机械难题困扰着煤炭汽化技术的发展。
世界上只有四座煤炭汽化电厂，而且都运行得不好。他认为，用煤炭汽化技术生产电力和氢的容量同样被过分夸大，这也导致了燃料电池发展的缓慢。只有通过研发新型的煤基含氧燃料技术，煤炭汽化才能得到应用。
在东西德国合并之后，瑞典瀑布能源公司大规模地参与原东德的电厂重建，在20世纪90年代建成一些世界最先进的火力发电厂。这些电厂在600℃的温度下运行，煤炭的利用效率达到45%，相比之下，早期的发电厂效率不到40%。桑博格认为，煤基含氧燃料技术是这些发展的延伸。瑞典瀑布能源公司的新型试验电厂，将会对他的预言进行检验。运行的试验电厂位于该公司下属的黑水泵市一座200万千瓦火电厂附近，黑水泵市位于沿波兰边境距柏林2小时车程的地方。新型试验电厂产生的蒸气，被输送到附近电厂的大型涡轮发电机产生电能。
试验工厂里最关键的设备是熔炉和蒸气发生器，在这里通过整合低温氧舱将煤粉进行有氧燃烧。传统的煤熔炉中，助燃气体中混有的氮气可以稀释氧气的浓度，从而控制火焰的强度和燃烧的温度。在这一新的纯氧燃烧技术中，把燃烧后气体再次循环进入燃烧炉以控制氧气的浓度，因此具有相同的效果。德国斯图加特研究项目负责人弗兰克·卢戈指出，这次建立的试验燃烧炉，比先前的试验燃烧炉，体积将近大30倍。因此，可以更好更真实地反映燃料在这一新条件下的燃烧状况。不仅如此，该试验燃烧炉还可以选择进行氧气或者空气的燃烧方式，从而相互比较获得更准确的数据资料。
瑞典瀑布能源公司计划在两年后启动该试验项目，到时建成一个60万千瓦的纯氧燃烧炉。公司有关专家指出，全面推行这项技术，在实践中可能还有许多困难，储存燃烧后的二氧化碳就是其中的一个最大难题。储存二氧化碳最可能的实现方式就是通过深的蓄水层和废弃的油井进行地下存储。目前，研究人员正在调查中，包括位于柏林西部的一个盐碱蓄水层。问题是，即便法律同意释放二氧化碳进行重复利用，要把二氧化碳在地下储存也需要征得允许。该提议遭到了环境保护者的强烈反对，其中包括有很大影响力的德国绿色和平组织。
（3）拟建洁净煤技术示范发电站。2006年7月，美国媒体报道，包括美国埃克塞尔能源公司在内的几个公用事业公司，正计划在美国西部建一个造价10亿美元、应用洁净煤新技术的示范发电站，这种新技术被称为综合汽化联合循环发电技术。
据业内官员说，建一个这样的发电站比普通发电站要多花费20%以上，但新技术能使其电站运转更有效，还能避免人们关于污染的争论，并可省去购买防污染装置的钱。
传统的发电站是把煤碾成煤粉放入锅炉里燃烧来发电，污染物在最后的环节收集和过滤。综合汽化联合循环发电技术是把煤先转化为气体，在涡轮机里燃烧气体而得到电力。爱迪生电气协会的丹·里丁格说，污染物在尚未燃烧前就除去了。
怀俄明州立地质学会的地质学家尼克·琼斯说，因为西部的煤更潮且燃烧效率比较低，所以若要产生相同的热量，西部煤的用量要比东部煤多。
怀俄明州基础设施管理局的主管史蒂夫·沃丁顿说，除了处理西部煤的水分有技术难度外，建在空气稀薄的高海拔地区，发电站的效率可能不如其他发电站。
比综合汽化联合循环发电技术更进一步的是未来发电技术，它把煤转化为高浓度的氢气，这样燃烧起来比烧煤要洁净。这种发电站也能把大多数二氧化碳污染物，分离出来注入地下。一些人希望这些注入地下的物质能帮助已经枯竭的油田重新产油。
一些煤电公司，已给综合汽化联合循环发电示范发电站项目，投资2.5亿美元，联邦政府提供约7亿美元资金。
怀俄明州还希望应用未来发电技术，把二氧化碳污染物注入地下，来帮助已枯竭的油田再产油。
（4）开发让煤炭清洁起来的新技术。2009年11月，有关媒体报道，美国哥伦比亚大学的一个研究小组，最近成功开发出一种新型固态煤“汽化”技术，该技术可有效提高能源效率，显著减少二氧化碳排放量。
所谓“汽化”，是指加热有机物，产生一种包括氢气和一氧化碳在内的合成气体，它可以将污染物转化为清洁的可再生燃料。然而，传统的“汽化”需要高温的空气、蒸汽或氧气作为反应条件，属于高能耗技术；此外，“汽化”的效率较低，往往会留下大量固体废物。
为了提高汽化的效率，该研究小组尝试了各种不同的汽化炉成分。他们发现，在蒸汽中加入二氧化碳可显著提高产物量或煤的转化率。这种新型的“汽化”技术将给环境带来双重好处：首先它使原本会逃逸到大气中的二氧化碳得到了合理的利用；其次氢从合成气中分离之后，余下的一氧化碳可安全埋入地下。
2.把未挖掘的地下煤直接转化为清洁燃气
着手建设世界最深煤层地下汽化工程。2009年12月，加拿大阿尔伯塔省政府宣布，将帮助卡尔加里的天鹅山合成燃料公司，建设一个处于地下1400米的煤层汽化项目。它是目前世界上最深的煤层地下汽化工程，在此之前，把深埋地下的煤直接转化为清洁燃气的实验，已在地表下1000米的区间获得成功。
这项技术的具体措施是：采用定向钻孔技术，在煤层上打出给料井和生产井，两井大约相邻五六十米。把氧气通过输气泵送进给料井，点燃煤层，使得温度升高到800℃～900℃，压力也将随之逐步提高。当压力达到一定要求后，氧气、煤层中的碳，将与煤层中原有的和通过给料井注入的水，发生化学反应，形成一种混合气体，其成分包括氢气约占2/3，甲烷约占1/3，同时杂有少量一氧化碳和二氧化碳。这种混合气体，经由相邻的生产井引出地面，其间一氧化碳被转化为氢气和二氧化碳，最终除去所有的二氧化碳，获得全部可清洁燃烧的气体。
该项目将于2015年动工，天鹅山合成燃料公司希望届时能通过产生的煤气，实现30万千瓦的发电能力，同时每年出售130多万吨的二氧化碳。这些二氧化碳，可供石油公司用于使老油田增产的驱油技术，最终被封存在油井里。据测算，2020年前，该项目每年将可能储存1000～2000万吨二氧化碳。不久前，加拿大工业企业联盟发表研究报告称，这能帮助阿尔伯塔省，实现每年2500～3000万吨二氧化碳的捕获目标。
煤层地下汽化工程，不需要把煤挖掘到地面上，就可以直接转变为可清洁燃烧的气体，人类将会由此获得巨大的环境效益，其中最重要的一点，就是可以避免破坏性的采矿过程。
三、发展二氧化碳捕捉及储存技术
1.推进碳捕获和存储的制度与设施建设
（1）专门为碳捕获和存储技术立法。碳捕获和存储（CCS）技术，是把大工业实体排放的二氧化碳捕获并存储于几千米地下特有安全地理结构中的一种技术。这项技术是联合国气候变化政府间专家委员会和国际能源署认可、支持的减排技术，该技术是目前公认可能实现大规模二氧化碳气体减排的技术方案。
加拿大阿尔伯塔省2008年制定了省“气候变化战略”，目标是到2050年减排温室气体2亿吨，其中70%希望通过实施碳捕获和存储项目来完成。同年，该省确定实施总额20亿加元的碳捕获和存储项目，但需要修改省现有法律，以适应该巨大项目的实施。2010年11月初，该省就指导碳捕获和存储项目的法律修正案进入立法程序，标志它成为全加拿大第一个为碳捕获和存储技术立法的省份。
二氧化碳常被用于提高近于枯竭的传统油田石油采收率。碳捕获和存储法案在保证温室气体减排同时，可望通过二氧化碳驱油技术应用，使老油田产能提升，增加政府财政收入。
（2）建成世界最大的碳捕获与封存设施。2012年5月7日，欧盟重点支持的世界最大的碳捕获与封存示范工程，在挪威蒙斯塔德建成。该项工程于2007年开工兴建，总投资10亿美元，由挪威政府提供资金支持，设计能力为年捕获10万吨二氧化碳。
新落成的碳捕获与封存示范工厂与两个大型的二氧化碳生产源相毗邻：28万千瓦热电厂和年产1000万吨的石油冶炼厂，两厂年二氧化碳可捕获量合计为10万吨。挪威的碳捕获与封存示范工厂，将在工厂化层面，验证两项二氧化碳后燃烧捕获技术，即法国阿尔斯通公司的冷氨工艺技术、挪威安基公司的氨气体净化脱硫技术。如果验证结果安全、高效，将在相关产业领域大规模推广应用。
在欧洲主权债务危机，以及财政紧缩的背景下，欧洲其他地区的碳捕获与封存示范工程设施，由于资金紧缺相继停工，唯有挪威的碳捕获与封存示范工程项目得以正常运行。参加项目落成仪式的欧盟能源委员奥廷格对此深表赞赏。他强调说：“这项工程对欧洲发展碳捕获与封存技术是一个重要里程碑，将对欧洲推广应用碳捕获与封存技术带来新的动力。”
2.二氧化碳捕捉技术的新进展
（1）建成最大的二氧化碳捕捉中试发电厂。2006年4月，丹麦埃斯比约市，建成世界上最大的二氧化碳捕捉中试发电厂。
作为京都议定书的签约方，欧盟承诺要减少其二氧化碳的排放量，而据预测，化石能（主要为煤炭），在未来相当长的一段时间内，仍将提供人们所需能源的85%，因此，碳捕捉技术为减少二氧化碳排放提供了解决方案。
这一技术因为可以从化石能中产生不含二氧化碳的氢，因而被看作是对氢基战略的很好补充。其原理是，这一技术把在发电中产生的二氧化碳捕捉并贮存于地下，使之不能够与大气发生作用，从而避免产生温室效应。这一技术，最适用于大型火力（以煤为原料）发电厂和炼油厂等。
这个项目工程得到欧盟第六框架研发计划的支持，其目的是要在实践中验证其相关的技术。科学家们希望通过其运行，来改进碳捕捉的技术程序，欧盟则希望借此，来巩固其在相关科技领域中的领先地位。
（2）探索用藻类生物反应器吸收二氧化碳。2007年7月，加拿大媒体报道，在北美，目前有不少公司都在探索开发藻类生物反应器系统，这种系统可以与煤、天然气发电厂或大型工业设施相结合。开发的思路是把这些大型工业设施排放的二氧化碳气体，引导到一个人工的“藻类农场”，农场里的藻类植物靠吸取二氧化碳生存，待其长大成熟后用作工业原料。长大、成熟的藻类含油量丰富，可以用来生产生物柴油、酒精、动物饲料，以及各种塑料。
位于渥太华的门诺瓦能源公司是该项目的成员公司，该公司以其太阳能产品著称，所研制的太阳热电系统广泛应用于学校、工厂和大楼。另一家成员公司是三叉戟探测公司，该公司是一家天然气开采公司，正在寻求减少其二氧化碳排放的有效方式。这家公司明白，加拿大政府对二氧化碳排放实施罚款只是时间问题，所以它一直在寻求有效的解决办法。该公司从去年起开始与门诺瓦公司进行技术合作。
门诺瓦公司研究人员戈尔文，向当地媒体表示，碳回收技术既是一项创新性技术又是一项拥有很大经济回报潜力的技术。而门诺瓦公司擅长的热与光的技术，在使用藻类回收二氧化碳的技术中又是很关键的技术。
门诺瓦公司开发的功率晶石系统，一方面使用太阳光集中器，将阳光聚焦到光电太阳能电池板上生产电力；另一方面，充满流体的管道又能捕获太阳的辐射热量。这套系统甚至还可以更进一步，把捕捉到的光能，通过光缆输送到需要的地方。
拥有门诺瓦这样的技术，就意味着可以采用以下方式设计藻类农场：把热和光集中到一个相对小的区域，使藻类可以高密度地生长，而无须占据大片土地。戈尔文表示，初步估计，公司可以在70平方米的面积上，每年把100～150吨的温室气体变为生物质，然后将其加工成生物燃料。
戈尔文指出，这项技术的关键是保持常温。他们已经找到一种方式，可以在气温零下30℃时，使藻类在零上70℃的环境中生长。这意味着该公司可以全年进行藻类培植，解决了一些专家早前的疑问。门诺瓦公司现在正在为这套光生物反应器技术申请专利。