捕风捉碳——碳捕集、储存及利用技术

　　康夫

　　2012年就要到了，像1999年新千年的到来让各种末日论甚嚣尘上一样，2012年作为某种玛雅纪年方式的最后一年，也催生了各种各样的末日说。不过，我相信如果世界真有末日的话，它必然不会是一部电影或者早已作古的几个神棍所能预言的。

　　世界末日也许将是以一种缓慢而无法察觉的方式到来，我们每天吃饭、上班、睡觉，都在以一种微妙的方式影响着人类文明的走向，而如果我们对一些威胁视若无睹的话，很可能最后会发现我们已经处于人类文明的最后阶段，而我们可以做的极为有限。

　　以现在的眼光看，气候变化应该算是人类最不应该熟视无睹的威胁之一。与大众文化中广泛涉及的各种末日原因和意象不同的是，气候变化的根本原因和解决的方法都取决于人们的行动。从瓦特改良蒸汽机以来，人类已经向大气中排放了数以亿吨计的温室气体。目前，大气层中二氧化碳的浓度是百万分之四百三十（一般写成430ppm），并在以每年2.5ppm 的速度增长。

　　这数字看起来不是很大，但根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的一些模型，当二氧化碳浓度达到450ppm 时，地球的平均温度将比工业革命前升高2摄氏度。这个幅度意味着许多地方的最高温度可能比以前上升10摄氏度以上，同时台风、雪灾等极端天气现象增多，生态环境遭到破坏，被当成世界末日前兆的非正常天气，在今后可能会越来越多地出现。

　　虽然越来越多的人意识到了二氧化碳等温室气体可能产生严重的环境影响，也承认燃烧化石燃料与温室气体排放之间的因果关系，但我们的文明已经太依赖化石燃料，一时不能找到经济上和技术上都适合大规模应用的新能源。既然不能治本，许多科学家转而寻求在现有能源结构条件下控制二氧化碳排放量的方法。碳捕集与储存（CCS）技术就是他们提出的较为靠谱的一个选择。

　　首先应该说说碳的捕集。碳捕集就是捕捉和收集化石燃料燃烧产生的二氧化碳的过程，根据产生二氧化碳的工序不同，可以分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和氧化燃烧三类。燃烧前捕集，就是让氧气或空气在一定条件下气化或重组燃料，让氧气与碳元素结合生成二氧化碳，剩下氢气作为提供能量的物质；燃烧后捕集，则是收集燃烧产生的废气，把其中的二氧化碳分离出来；氧化燃烧法是指为燃烧过程提供充足的氧气，让碳充分反应生成二氧化碳。这三种方法分离出的二氧化碳都要经过吸收和压缩过程，方便之后的储存。

　　这几种方法当中，燃烧后捕集是技术最成熟的，因为对现有的燃烧系统进行改造，加入捕集二氧化碳的步骤并不困难。但是它的缺点也很明显，包括成本高、能耗高、占地大等等。燃烧前捕集技术适合二氧化碳排放强度较低的场合，能耗和技术要求都比较低，但还没有大规模应用。至于氧化燃烧法，能耗和成本也很高，但随着方法的改进，成本正在降低。

　　收集到二氧化碳后，怎样把它运送到进行存储的地点，也很有学问。目前应用最多的方法，还是用管道运输，这也是因为二氧化碳早在上世纪70年代就已被石油工业用来泵进油井，以便开采地层深处的石油。但是，二氧化碳的储存场所并不仅仅限于油田，因此人们势必要建立新的管道系统来输送二氧化碳。管道规划过程中，要考虑沿途的地形和地质因素，还要考虑途经的各种道路、河流、山脉以及其他管道的位置关系，所以要建立一个完善的二氧化碳管道系统并不容易。还有一种办法，是将二氧化碳液化后像石油和液化天然气那样通过船舶和车辆运输，不过有研究表明这种运输方法在进行大规模的远洋运输时还可以接受，但对少量二氧化碳来说，在成本上是不合算的。

　　碳储存也有两条主要的途径，即地下储存和深海储存。地下储存就是将二氧化碳注入不容易发生渗透和泄漏的岩层中间，如果选址得当并进行有效的监控，99%的二氧化碳都能在地底老老实实地呆1000年以上，在这个过程中它们还将不断地与岩石的成分发生反应，从而进一步减少泄漏的风险。但是，储存在地下的二氧化碳一旦泄漏，可能造成的危害也是很大的。土壤中低浓度的二氧化碳会影响植物的生长，而高浓度的二氧化碳泄漏将会直接杀死地面一定范围内的动植物。

　　深海储存也已经过了近30年的研究，但目前仍然是不成熟的技术。人们对这项技术的主要担忧在于，深海也并非风平浪静，海水在不同深度的交换仍然有可能造成二氧化碳的泄漏，将二氧化碳存到更深的海域，可以减少泄漏的风险，但相应地储存成本也会大大增加。而且，不论二氧化碳被储存在哪片海域，它都可能会与海水反应，增加海水的酸度，这会导致很多海洋生物的数量减少甚至灭绝。虽然人们还没有专门做过实验验证这个现象，但在不少海区，人们已经观测到大气中增加的二氧化碳浓度导致海水变酸，结果是珊瑚和浮游动物减少，水母却大量繁殖。在大规模进行二氧化碳的深海储存之前，我们必须先弄清它的环境风险。

　　正是由于碳捕集和储存技术目前还有很高的成本和环境风险，应用受到不少限制。所以在学术界和工业界都有人怀疑它是不是解决温室气体问题的合适途径。但相应的，也有人在不断研究，试图解决技术和经济上的这些难题。例如，美国哥伦比亚大学的科学家研究了一种多孔材料，用它制成的吸附装置可以放在一个标准集装箱里，每天能直接从空气中吸附相当于75辆汽车一天排放的二氧化碳。因为这种装置可以在任何地方工作，如果能大规模部署，它可以省去人们在热电厂安装二氧化碳捕集装置，再把二氧化碳千里迢迢运输到储存地点的麻烦。

　　一个更为大胆的想法，是把大气中的二氧化碳重新变为燃料。不论煤或石油，其用于燃烧的有效成分都是碳氢化合物。美国能源部正在研究通过太阳能分离出二氧化碳中的碳元素和水中的氢元素的方法，而一家企业则在探索将二氧化碳和天然气在金属催化剂辅助下结合成更复杂的碳氢化合物，并提炼燃油的方法。英国一家公司，据说已经完成了一个验证装置，可以利用二氧化碳和风能生产航空燃油。

　　虽然饱受争议，但碳捕集和储存以及最近提出的碳捕集和利用技术，似乎是当前人类应对气候变化危机的最有力手段。经济和技术上的困难是可以克服的，最重要的是，面对气候变化这一全人类共同的挑战，我们有必要利用现有的技术能力采取果断而有成效的行动，而不是以技术的不成熟作为不行动的托辞。人们捕捉看不见摸不着的二氧化碳的努力，是人类的科技文明创新和适应能力的表现，也是人类对地球家园的责任。

　　（作者系英国诺丁汉大学地理系博士）