國外研制太陽熱能電化學生產(chǎn)水泥工藝
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,在脫碳過程中會產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)品。采用太陽熱能電化學生產(chǎn)工藝,太陽熱能用來加熱石灰石,促進電解,可誘發(fā)不同的化學反應,不會產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)品。
要抓住這個機會,進行改進,有一個研究小組,來自弗吉尼亞州(Virginia)阿西布恩(Ashburn)喬治·華盛頓大學(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,科學家們估計,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《化學通訊》(Chemical Communications)上,科學家們描述這種工藝,稱為“太陽熱能電化學生產(chǎn)”(STEP :Solar Thermal Electrochemical Production)水泥,或斯太普(STEP)水泥。這個小組以前曾使用類似的斯太普工藝,進行碳捕獲,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,是因為把石灰石轉(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器,產(chǎn)生脫碳過程所需的熱量。
這種太陽熱能電化學生產(chǎn)工藝解決了這兩個問題,首先是取代化石燃料熱源,采用太陽熱能。太陽熱能不僅直接用來融化石灰石,而且也提供熱量,促進石灰石電解。在電解中,電流施加到石灰石上,會改變化學反應,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,這取決于反應溫度。當電解低于800攝氏度時,熔化的石灰石會形成石灰和氧氣。當電解高于800攝氏度時,產(chǎn)品是石灰、一氧化碳和氧氣。
“電解可改變反應的產(chǎn)品,因為石灰石要轉(zhuǎn)換為石灰,”合著者斯圖爾特·利希特(Stuart Licht)說,他是喬治·華盛頓大學化學教授?!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),生成塑料和其他碳氫化合物(hydrocarbons)。此外,一氧化碳的生產(chǎn)顯著低于市場價值,因為是采用這種太陽能熱電解工藝。主要產(chǎn)品是石灰,不與其他副產(chǎn)品發(fā)生反應,而是形成泥漿,就在容器底部,很容易移除。
“這項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?!斑@種合成的完成,也可以不用太陽能,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)合這項新的太陽能工藝。另外,這項新的合成技術(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,以促進這一進程)。”
據(jù)研究人員介紹,這一斯太普工藝可以實施,預計成本低于水泥行業(yè)現(xiàn)有的工藝。事實上,在計算一氧化碳副產(chǎn)品的價值時,石灰生產(chǎn)成本實際上是負數(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)。一氧化碳的市場價值是每噸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,很有價值的是消除了二氧化碳排放。
科學家補充說,這種斯太普工藝可以擴展,超越水泥生產(chǎn),進行其他應用,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),是升級這項工藝,進行商業(yè)化。他們指出,蓋馬太陽能公司(Gemasolar)這家大型太陽能熱電廠已在運作。其他太陽能熱發(fā)電廠也在跟進,預計會減少用電成本。要保持穩(wěn)定運營,熔鹽儲存熱能,可以使生產(chǎn)繼續(xù)進行,就是在波動的日照下和夜間也可以。另一個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,因此也不是一項經(jīng)常性的成本。
“我們計劃升級戶外斯太普水泥原型,這一般需要增加各種有益的化學品,也都是我們新的太陽能工藝產(chǎn)生的,”利希特說?!澳繕耸侨〈裉斓幕剂辖?jīng)濟,采用可再生的化學品經(jīng)濟。升級是一個挑戰(zhàn)。雖然這個工藝是全新的,但是,個別組件(太陽能塔,24/7運行熔鹽存儲太陽能)已經(jīng)到位。太陽能可以用來有效制備各種產(chǎn)品,不產(chǎn)生二氧化碳,而且太陽能效率高于光伏產(chǎn)品?!?/FONT>
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