“排放总量和交易制度”

美国国会1990年的《清洁空气法》提出

排放总量制度，要求美国所有燃煤电厂的SO₂的排放总量必须削减50%（大气科学家推荐的使生态恢复生机必须满足的SO₂最小削减量）。排污交易制度，允许火电厂对其SO₂污染排放进行比法律要求的更多的消减，并把额外消减的额度进行销售；同时也允许一时难以找到污染减排良方的火电厂购买这些额度。这样，一家火电厂可以在实现消减目标的同时获得能够销售获利的资产，并成为开发进一步减排方案的财务刺激手段。

重新考虑煤炭

1 提高燃烧效率

世界第二大发电设备制造商法国阿尔斯通（Alstom）的数据，如果用一座效率为47%的超超临界发电厂代替一座效率为37%的亚临界发电厂，每kW/h电量的CO₂排放量会减少20%。为使燃煤电厂效率接近50%，Alstom正组织研发在超高温和超高压下不会变形的新金属合金和陶瓷，从而将运行温度提高到760^oC。稳定气候需要削减更多的碳排放，这些改进远远达不到要求。

2 燃烧后的干预——可再生的CO₂捕获剂

CO₂数量巨大，燃煤电厂产生的SO₂:CO₂≈1:6。若用NaOH基液与酸性的CO₂反应生成NaCO₃，那么发电厂每年要处理上千万吨的碳酸钠固体。所以要开发一种反应剂，捕获二氧化碳后，可以释放并封存高浓度的二氧化碳，然后继续利用。化学工程师埃利·盖尔改进了二氧化碳捕集器——“冷却氨水”的工艺：首先，将燃煤发电厂的烟气冷却到5^oC-10^oC，此时碳酸铵浆液与二氧化碳反应，生成碳酸氢铵。碳酸氢铵进入再生器，由电厂废热加热到120^oC，释放出可以注入地下的纯气流形式的二氧化碳。由于碳酸铵浆液的配置浓度可以高于胺溶液，所以相比于用胺来捕集二氧化碳（市场上多见），每单位体积可捕集两倍体积的二氧化碳，而再生所需的热量减少一半以上。

3燃烧后的干预——仿生材料捕碳

聚丙纤维薄膜上涂起催化作用的碳酸酐酶，中间充满了盐溶液。碳酸酐酶在高碳环境下吸收碳，在低碳环境下释放碳。当烟气通过管道输送到薄膜时，二氧化碳进入液体中心，在压差的驱动下与酶发生反应，生成碳酸氢盐并储存在盐溶液中。而在薄膜的背面，通低碳气流，这一过程逆向进行，以收集高浓度二氧化碳气体。

4 烧烧时的干预——“富氧燃烧”

当煤在空气中燃烧时，空气有78%的氮气，因此燃烧主要产物是氮氧化物。二氧化碳需要与氮氧化物分离后才能捕集。“氧燃法”锅炉用纯氧来助燃，可以获得几乎100%的二氧化碳。但是，制造氧气要将空气冷却到-180^oC以下来分离氮气，耗能不低。

5 燃烧前的干预——将煤炭转化为气体

煤炭气化，生成二氧化碳和氢气。这样的合成气在高压下体积急剧减小，分离出的二氧化碳可以用现成的物理吸附剂吸收，只留下氢气用于纯净燃烧，产生无碳的电力。（同类的应用还有，见12月7日的博文）

6 激进的尝试——地下煤层气化（UndergroundCoal Gasification，UCG）

地下煤层气化即将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧气化，通过对煤的热作用及化学作用产生可以利用的气体能源，变物理开采为化学开采。从而把有用成分取出，将污染物如煤矸石、二氧化碳等废物留在地下，既减少了碳排放、防止了安全事故发生，又可以生产氢气、甲烷、甲醇等化工产品。

地下气化炉（反应器成了地球本身）是地下煤炭进行热化学反应的场所，构成U型地下气化炉的三要素是进气孔、排气孔和气化通道。气化通道是在煤层中连接进、排气孔的通道，是生产煤气的空间。根据希望生成的产品在进气孔注入空气、氧气或蒸汽，并点火。当煤炭开始燃烧时，会将前面的固体煤炭变为气体。产生的高温气体就像切削工具一样，在煤层内挖出一个通道。工程师通过调节注入气体的压力和成分，在出气孔调节抽取气体的流量，这样就可以控制反应的进行。

UCG最大的价值在于它可以成倍地增加煤的资源开采量，传统机械采煤方法难以利用的劣质煤、薄层煤、陡倾斜煤层、埋藏深度大于1000米、废矿区残留煤（1953~2003年达300亿吨）均有可能通过UCG技术得到充分开发利用。

  需要解决的问题是地下水污染和煤层塌陷的问题。在地下水面以下作业，并且作业压力很低的情况下，可以使水始终向下流入煤层，而不是相反。

利用燃烧造成的地下孔洞，可以储存从煤气化产生的气体中捕集的二氧化碳，将二氧化碳就地压缩并回注即可。

7. 碳的地质封存是否有效

如何确保被泵入地下的二氧化碳能够保留在地层中？

斯坦福大学全球气候和能源项目的执行主任Sally Benson指出，全世界的深层含盐盐池、成熟的气田和深层煤层具有足够的容量来容纳几百个世纪的排放量。北海和墨西哥湾底部的多孔含盐砂岩多为非渗透性的页岩所覆盖，非常有利于封存二氧化碳。岩石将意图到处扩散的二氧化碳截留在其孔隙内，使得二氧化碳必须从一个孔隙移动到另一个孔隙。十几年后，随着部分二氧化碳的液化，密度接近石油，形成被毛细力约束的连通气泡，进一步丧失活动能力。经过几百年的时间，二氧化碳将会与其它矿物发生反应，生成碳酸盐并变成固体岩石基质的组成成分。

参考《决战新能源》2010

英文原版

Earth: TheSequel: The Race to Reinvent Energy and Stop Global Warming 2008

By Fred Kruppwith Miriam Horn

参考科学网《能源变局新思路——煤炭地下气化中国进展》

http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2010/9/236927.html