等離子體技術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遠超標排放已經產生了嚴重的全球氣候惡化，兩極的冰蓋已經加快消融，20世紀的全球平均地表溫度上升了（0.74±0.18）℃[1]，產生了諸如酷暑、嚴冬、大旱、大澇、暴風雪等極端天氣以及海平面上升等嚴重威脅人類生存 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》上的一項研究表明，如果污染物的排放按現在的增長速度繼續下去的話，全球氣溫會上升1～2℃，但是如果二氧化碳的排放量不像現在這樣快速增長，同時各國又終止排放對人類有害的大氣污染物，那么，溫度可能僅僅上升0.75℃。研究者認為，氣候模型有力地證明，全球氣候在過去半個世紀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，但對長波輻射卻有極強的吸收能力，即二氧化碳對熱輻射有強烈的截留能力，會導致地球溫度上升，產生溫室效應，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]

 

美國哥倫比亞大學地球研究所的首席經濟學家杰佛瑞·薩克斯在《科學美國人》的一篇文章中說：“即使減少能源消耗，利用現有技術也不能同時實現減少二氧化碳排放和全球經濟增長。如果我們只使用一些治標不治本的技術來試圖限制二氧化碳排放，最終我們會扼殺經濟增長，包括全球幾十億人口的發展愿景。”[3]

 

美國發展中心（一個致力于推動美國聯邦立法機構立法限制溫室氣體排放的非盈利性組織）的高級研究員約瑟夫·羅姆在他的博客中寫道，“如果我們不以現有的技術為未來 25年進行積極部署的話，到時候即便是集中了世界上所有的新技術都不能阻止災難的發生。”[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平衡的良性循環經濟發展模式。目前已有大量捕集二氧化碳技術，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保技術（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劃在荷蘭巴倫德雷赫特市建一座地下二氧化碳填埋場，卻引起了當地5萬民眾的強力抵制。有專家稱，該技術或許真的能為緩解全球氣候變暖出一份力，但一旦發生泄漏，后果可能不堪設想。[4]

 

等離子體技術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之一。等離子體二氧化碳分解制氧的關鍵技術難題是積炭嚴重而無法連續操作，或者是能量不足以分解二氧化碳，而且此技術應用本身的較高耗能也是應該權衡利弊的大問題。“風力補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展問題并可以破解等離子體二氧化碳分解中的這兩項應用難題而提出的。

 

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

 

為了避免等離子體二氧化碳分解制氧嚴重積炭的問題，本文介紹一種射流進料的設計技巧，通常等離子體二氧化碳分解產生的碳單質以積炭的形式附著在反應器內壁、放電電極等處。采用二氧化碳工作氣體本身射流進料的方式除去二氧化碳分解產生的積炭，可使等離子體二氧化碳放電分解反應連續進行，確保不會因積炭而電極短路，也不會因積炭而管道堵塞。具體裝置中可以試驗幾種形式的電極：各種型號的旋轉多尖-同心圓筒形電極以及云電極等。

 

等離子體反應可以用市電作為供電系統，也可以用太陽能光伏發電代替市電支撐等離子體二氧化碳分解技術，這樣可以圓滿解決等離子體技術高能耗問題，符合可持續發展和低碳經濟戰略要求。為了解決等離子體二氧化碳分解技術本身的較高能耗問題，本研究采用風力驅動發電與太陽能光伏發電系統聯合供電系統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、小型發生器，其中包括與等離子體發生器配套的高壓電源和反應器。

 

為解決等離子體二氧化碳一次反應不完全的問題，本研究在等離子體二氧化碳分解制取或釋放氧氣的發生器中采取級聯反應器的設計技巧：反應器中二氧化碳射流進料放電反應后，產物連同未完全反應的二氧化碳先進入分離系統，其中的碳單質作為副產品直接回收；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物二氧化碳臨界性質相差較大的條件，在加壓降溫時很容易分離。因此，一氧化碳既可以作為副產品被加壓降溫分離處理后直接回收；也可以與未反應的二氧化碳被加壓后循環進行二次或多次反應，直至全部分解成碳單質和氧氣。

 

2．實驗裝置

 

圖1是市電和風力補償太陽能發電系統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1表示采用風力驅動補償太陽能光伏發電與市電聯合供電，也可以切換用市電作為供電系統。系統1提供系統2所需的電源，系統2是與等離子體反應器配套的高壓電源。系統3是二氧化碳氣體源，操作前，先將系統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，先打開通道8，由系統3和4提供二氧化碳氣體進行初始進料，使反應器5內充滿二氧化碳氣體。在系統1和系統2提供高壓電條件下進行二氧化碳放電反應，然后關閉初始進料口4，同時打開射流進料口13，射流輸入二氧化碳，以連續供氣并清除電極和反應器壁上的積炭，此間根據不同的電極形式，可采用適當方向的射流。

 

 

圖1. 等離子體二氧化碳制氧器的整體框架流程示意圖

 

 1. 太陽能光伏發電加風力發電補償供電系統，2. 高壓電源，3. 二氧化碳氣源，4. 二氧化碳初次進料系統，5. 等離子體反應器，6. 電極接地端，7. 氣體分離器，8. 氧氣檢測排放系統，9. 二次反應循環進料系統，10. 加壓系統，11. 碳單質回收系統，12. 冷卻系統，13. 二氧化碳射流進料系統，14. 氣態產物排放口，15. 氣體循環泵，16. 氣體分離器入口，17. 產物液化分離出口，18. 尾氣循環系統

 

反應產物有3個出口，氧氣出口8檢測氧氣純度，放空純凈氧氣，截留其它氣體返回反應器5或氣體分離器7；出口11是純碳單質；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、臭氧以及未反應的二氧化碳；反應流出物經氧氣放空排氣后返回的氣體一同進入循環泵15，經入口16被輸入氣體分離器7；在氣體分離器7中，在冷卻系統12和加壓系統10控制臨界條件作用下，被液化的一氧化碳經出口17分離出來；或者關閉此功能系統，改用循環進料系統9，流出物全部返回級聯反應器進行二次反應，直至二氧化碳完全分解，實現還氧于大氣的重大目標。

 

3、建議依據與展望

 

此建議的前期實驗依據是甲烷在常壓等離子體催化條件下轉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（因不用化學催化劑）且利用清潔能源的可持續發展前提下實現遏制全球氣候變暖惡化趨勢的急迫戰略目標。當然，本建議并不排斥化學催化，等離子體催化不是可以完全替代化學催化的技術。等離子體反應區主要發生分解反應，在其反應區下游可以發生分解產物碎片的重新組合反應，因此，等離子體催化技術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等反應。實驗研究顯示，常壓下等離子體催化甲烷偶聯采用多尖端旋轉電極對同心圓筒形電極放電方法，可產生甲烷轉化率與不飽和碳二烴單程收率均在70%左右的可喜成果，遠超作為50多年研究瓶頸的25%上限以及作為工業放大可行性標準的30%。以此甲烷前期研究成果的等離子體催化技術，還可以進一步研究發展成為溫室氣體綜合治理研究與產業化模式。甲烷和二氧化碳兩種極具化學穩定性的溫室氣體均可以此等離子體分解技術加以治理：（1）可分離回收甲烷分解產物中的不飽和碳二烴作為合成高分子的單體原材料，此項技術若能產業化，則可作為材料能源支持人類社會可持續發展戰略（甲烷作為海底干冰天然儲量豐富，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物一氧化碳作為燃料、徹底分解產物固態碳作為化工等工業原料。而溫室氣體中的氮氧化合物也可以加入此項技術研究，或試驗直接作為化工原料。

 

參考文獻

 

[1] 楊紅龍，許吟隆，張鐳，潘婕，陶生才.  SRES A2情景下中國區域21世紀末平均和極端氣候變化的模擬.氣候變化研究進展. 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.  關于全球變暖爭論的轉變. 環境科學, 2008, (6):16

 

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

 

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

 

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