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國(guó)外研制太陽(yáng)熱能電化學(xué)生產(chǎn)水泥工藝

中國(guó)低碳網(wǎng) · 2012-04-12 00:00

  雖然人為溫室氣體排放的最大來源是電力行業(yè),但是,第二大來源就是常常被忽視的水泥行業(yè),它占所有人為二氧化碳排放量的5-6%。每生產(chǎn)10公斤的水泥,水泥行業(yè)就會(huì)釋放9公斤的二氧化碳。世界每年消耗約3萬億公斤水泥,因此,這個(gè)行業(yè)最有可能減少二氧化碳排放量。盡管有些工藝正在進(jìn)行探索,可以封存水泥生產(chǎn)中的二氧化碳,但是,到目前為止,沒有工藝可以完全消除它。

  傳統(tǒng)上生產(chǎn)石灰要采用石灰石,燃燒化石燃料,在脫碳過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)品。采用太陽(yáng)熱能電化學(xué)生產(chǎn)工藝,太陽(yáng)熱能用來加熱石灰石,促進(jìn)電解,可誘發(fā)不同的化學(xué)反應(yīng),不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)品。

  要抓住這個(gè)機(jī)會(huì),進(jìn)行改進(jìn),有一個(gè)研究小組,來自弗吉尼亞州(Virginia)阿西布恩(Ashburn)喬治·華盛頓大學(xué)(George Washington University),他們已經(jīng)開發(fā)出一種方法,可生產(chǎn)水泥,沒有二氧化碳排放。此外,科學(xué)家們估計(jì),這種新的生產(chǎn)工藝更便宜,勝過水泥行業(yè)現(xiàn)在使用的工藝。

  他們的研究發(fā)表在最近一期的《化學(xué)通訊》(Chemical Communications)上,科學(xué)家們描述這種工藝,稱為“太陽(yáng)熱能電化學(xué)生產(chǎn)”(STEP :Solar Thermal Electrochemical Production)水泥,或斯太普(STEP)水泥。這個(gè)小組以前曾使用類似的斯太普工藝,進(jìn)行碳捕獲,有望減少大氣中的二氧化碳含量,使降低到工業(yè)化前的水平。

  科學(xué)家解釋說,水泥生產(chǎn)過程中,60-70%的二氧化碳排放量的產(chǎn)生,是因?yàn)榘咽沂D(zhuǎn)換成石灰。這種轉(zhuǎn)換需要脫碳,或者說去除石灰石(碳酸鈣:CaCO3)中的碳原子和兩個(gè)氧原子,獲得石灰(CaO)和二氧化碳副產(chǎn)品。其余的排放來自燃燒化石燃料,比如用煤加熱干燥爐反應(yīng)器,產(chǎn)生脫碳過程所需的熱量。

  這種太陽(yáng)熱能電化學(xué)生產(chǎn)工藝解決了這兩個(gè)問題,首先是取代化石燃料熱源,采用太陽(yáng)熱能。太陽(yáng)熱能不僅直接用來融化石灰石,而且也提供熱量,促進(jìn)石灰石電解。在電解中,電流施加到石灰石上,會(huì)改變化學(xué)反應(yīng),這樣,石灰石不是分解為石灰和二氧化碳,而是分解成石灰和其他一些混合的碳原子和氧原子,這取決于反應(yīng)溫度。當(dāng)電解低于800攝氏度時(shí),熔化的石灰石會(huì)形成石灰和氧氣。當(dāng)電解高于800攝氏度時(shí),產(chǎn)品是石灰、一氧化碳和氧氣。

  “電解可改變反應(yīng)的產(chǎn)品,因?yàn)槭沂D(zhuǎn)換為石灰,”合著者斯圖爾特·利希特(Stuart Licht)說,他是喬治·華盛頓大學(xué)化學(xué)教授?!安皇钱a(chǎn)生二氧化碳,而是減少二氧化碳(增加電子),產(chǎn)物只有氧和石墨(可以直接存儲(chǔ)為固體碳)或一氧化碳燃料,塑料或藥品。這一成果,能耗低,產(chǎn)量高?!?/FONT>

  分解后,碳原子和氧原子不再對(duì)大氣構(gòu)成威脅,這不同于二氧化碳。里希特解釋說,在更高溫度的反應(yīng)中,一氧化碳副產(chǎn)品可用于其他行業(yè),如生產(chǎn)燃料、凈化鎳(nickel),生成塑料和其他碳?xì)浠衔铮╤ydrocarbons)。此外,一氧化碳的生產(chǎn)顯著低于市場(chǎng)價(jià)值,因?yàn)槭遣捎眠@種太陽(yáng)能熱電解工藝。主要產(chǎn)品是石灰,不與其他副產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng),而是形成泥漿,就在容器底部,很容易移除。

  “這項(xiàng)研究提出了一種低能耗的全新合成方法,可制成石灰,沒有任何二氧化碳排放,而且依靠的是熔鹽意想不到的溶解度屬性,”利希特說。“這種合成的完成,也可以不用太陽(yáng)能,也不用我們的斯太普工藝,但是,特別有吸引力的地方,就是可以結(jié)合這項(xiàng)新的太陽(yáng)能工藝。另外,這項(xiàng)新的合成技術(shù)可以用于工業(yè)中,生產(chǎn)水泥可以使用任何非太陽(yáng)能的可再生能源或核能,沒有任何二氧化碳排放,或者說可以大大減少二氧化碳,只需使用化石燃料,促進(jìn)新的水泥生產(chǎn)(在后一種,也就是最壞的情況下,產(chǎn)品是石灰、石墨和氧氣;仍然沒有二氧化碳產(chǎn)品,但是,二氧化碳可用作能源,以促進(jìn)這一進(jìn)程)?!?/FONT>

  據(jù)研究人員介紹,這一斯太普工藝可以實(shí)施,預(yù)計(jì)成本低于水泥行業(yè)現(xiàn)有的工藝。事實(shí)上,在計(jì)算一氧化碳副產(chǎn)品的價(jià)值時(shí),石灰生產(chǎn)成本實(shí)際上是負(fù)數(shù)。研究人員的粗略分析表明,總成本中的石灰石材料、太陽(yáng)熱能和電力,是每噸石灰173美元,再加上0.786噸一氧化碳(每噸石灰產(chǎn)生0.786 噸一氧化碳)。一氧化碳的市場(chǎng)價(jià)值是每噸600美元,或每0.786噸471美元。所以,售出一氧化碳后,石灰生產(chǎn)成本是 173 美元-471美元 =每噸-298美元。相比之下,傳統(tǒng)的方式生產(chǎn)石灰,成本是每噸70美元左右。研究人員強(qiáng)調(diào),這樣分析是不全面的,但它表明了斯太普水泥的成本效益,這甚至還沒有考慮,很有價(jià)值的是消除了二氧化碳排放。

  科學(xué)家補(bǔ)充說,這種斯太普工藝可以擴(kuò)展,超越水泥生產(chǎn),進(jìn)行其他應(yīng)用,除把石灰石轉(zhuǎn)化成石灰以外,還可以凈化鐵和鋁;生產(chǎn)玻璃,造紙,制糖,用于農(nóng)業(yè);清潔煙囪;軟化水;消除污水中的磷酸鹽。

  研究人員的下一步挑戰(zhàn),是升級(jí)這項(xiàng)工藝,進(jìn)行商業(yè)化。他們指出,蓋馬太陽(yáng)能公司(Gemasolar)這家大型太陽(yáng)能熱電廠已在運(yùn)作。其他太陽(yáng)能熱發(fā)電廠也在跟進(jìn),預(yù)計(jì)會(huì)減少用電成本。要保持穩(wěn)定運(yùn)營(yíng),熔鹽儲(chǔ)存熱能,可以使生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行,就是在波動(dòng)的日照下和夜間也可以。另一個(gè)問題是找到足夠的碳酸鋰(lithium carbonate),用作電解質(zhì),但是,這種金屬在斯太普工藝中并不消耗,因此也不是一項(xiàng)經(jīng)常性的成本。

  “我們計(jì)劃升級(jí)戶外斯太普水泥原型,這一般需要增加各種有益的化學(xué)品,也都是我們新的太陽(yáng)能工藝產(chǎn)生的,”利希特說?!澳繕?biāo)是取代今天的化石燃料經(jīng)濟(jì),采用可再生的化學(xué)品經(jīng)濟(jì)。升級(jí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然這個(gè)工藝是全新的,但是,個(gè)別組件(太陽(yáng)能塔,24/7運(yùn)行熔鹽存儲(chǔ)太陽(yáng)能)已經(jīng)到位。太陽(yáng)能可以用來有效制備各種產(chǎn)品,不產(chǎn)生二氧化碳,而且太陽(yáng)能效率高于光伏產(chǎn)品。”


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