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温室效应及CO2的排放与治理 摘要：本文介绍了温室气体的类别以及当前二氧化碳的排放源并且讨论了二氧化碳的各类控制方法。关键字：温室气体 二氧化碳 控制引言：随着人们对环境问题的日益关注，二氧化碳及其他一些温室气体日益受到关注，而随着上次哥本哈根会议前曝光的一次学术造假事件，二氧化碳是否会引起温室效应以及二氧化碳的排放问题再一次收到人们的强烈关注。各方的学者都有不同的见解。鉴于此，我认为二氧化碳在大气中保持一定的比例是十分必要的，因此，控制二氧化碳的排放还是应当继续执行的。1.温室效应温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射,并重新发射辐射的一些气体,如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。它们的作用是使地球表面变得更暖,类似于温室截留太阳辐射,并加热温室内空气的作用。这种温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”。水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮 (N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)是地球大气中主要的温室气体。温室气体之所以有温室效应，是由于其本身有吸收红外线的能力。温室气体吸收红外的能力是由其本身分子结构所决定的。在分子中存在着非极性共价键和极性共价键。分子也分为极性分子和非极性分子。分子极性的强弱可以用偶极矩来表示。而只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，则拥有偶极矩的分子就是红外活性的；而=0的分子振动不能产生红外振动吸收的，则是非红外活性的。 由于水蒸气及臭氧的时空分布变化较大，因此在进行减量措施规划时，一般都不将这两种气体纳入考虑。2.二氧化碳的排放关于二氧化碳到底是不是温室气体以及全球的气温是否在上升等问题的争论十分激烈。牛笛1提供的物理证据显示,二氧化碳与温度的变化关系,只有从1975年到1998年是符合的。1935年到1975年,二氧化碳排放暴涨,全球却冷化; 2000年至今,二氧化碳继续稳定增长,全球温度却没有继续上升,反而略有下降。在人类几乎不产生二氧化碳排放的5千年前,中国河南有象,山东有竹,气温比现在平均高2度以上,冬季更高出35度。中国近五千年来,经历了四个温暖期和四个寒冷期的交替变化。四个温暖期分别为:从仰韶文化到商朝后期(从公元前3000年到公元前1100年),春秋时期到西汉末年(公元前770年至公元初年),唐朝和北宋前期(从公元600年到1000年),元朝(13至15世纪)。每一个温暖期都是中国的大繁荣、大发展时期。并且表示碳排放与气候变暖之间并无科学有效的联系。另外的观点认为二氧化碳是全球变暖的罪魁祸首。在联合国气候变化框架公约中，把“大气中那些吸收和重新放出红外辐射的自然和人为的气体成分”称为温室气体。大气中主要的温室气体有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、臭氧（O3）和氟利昂类物质（CFCs）、水汽（H2O）等。其中，二氧化碳对温室效应的贡献最大。通过对他们提供的证据分析表明，过去100多年中，全球地表温度平均上升了0.6。而且，有关气候模式模拟结果还说明本世纪内全球平均气温将以每10年0.20.5的速率持续升高。这样的升温将给地球上各种类型的生态系统形成巨大威胁，对人类生活也产生直接和间接的影响，因此对全球变暖的趋势必须进行遏制。虽然对导致全球变暖的真正原因说法不一，但是温室效应增强肯定是其中原因之一，温室气体让太阳短波辐射自由通过，同时又能吸收地表发出的长波辐射。这些气体有二氧化碳、甲烷、氟利昂、臭氧、氮氧化物和水蒸气等，学术界认为二氧化碳最主要罪魁祸首。近几十年的观测研究表明，大气中的温室气体浓度正在不断增加，其中CO2在大气中的浓度由工业化前的280ppmv上升到了2004年的379ppmv。近一个多世纪以来，全球大气中CO2浓度增长率大约为每年0.4。因此1997年12月，于日本京都召开的联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议通过了旨在限制发达国家温室气体(主要为CO2)排放量以拟制全球变暖的京都议定书。2009年12月7日18日在丹麦首都哥本哈根召开，192个国家的环境部长和其他官员们在哥本哈根召开联合国气候会议，商讨京都议定书一期承诺到期后的后续方案，就未来应对气候变化的全球行动签署新的协议。2二氧化碳的排放主要来自于资源能源密集型行业工业企业，特别是钢铁产业。(国家发改委规定我国资源能源密集型行业包括钢铁业、水泥业、化学工业、交通运输业、居民生活和电力工业)，消耗了大量的化石燃料，排放出大量的温室气体2007年，国际钢铁协会(IISI) 和国际能源署(IEA) 发表声明认为世界钢铁企业所有碳排放中约有 51%是由中国排放的。3在农业中，温室气体的排放主要来自畜牧业。据估计，农业排放 CH4占人类活动造成的 CH4排放总量的 50%，N2O 占60%。4另外，一些地方的作物耕作习惯也会引起二氧化碳的排放增加，如一些种植玉米的地方的农民喜欢在玉米收割完毕后将玉米植株的叶子在地理烧干净后再将其运走。此外，有环保部的人士认为二氧化碳的排放主要来自于人的生活方式。这与人们普遍认为的二氧化碳的主要排放来源为工业的的观点有一些出入，但这表明人们的生活方式所引起的二氧化碳的排放的量也是相当大的。人们日常的燃气做饭，取暖，农村中燃烧农作物秸秆，沼气利用，餐饮行业等都会造成二氧化碳的排放。3.二氧化碳控制对温室气体的控制需要通过多种技术的组合来解决5。可以从以下几个方面进行：3.1生态固碳近些年来,许多生态学家在致力于森林生态系统碳贮量研究,并取得了一些成果。自1981年起到2000年止，我国工业碳排放总量达到132亿吨，而森林生态系统抵消了同期工业总排放的226，在未来50年里，如果面积不变，仅仅改善林分结构，增加密度，我国森林还可以增加22亿吨碳汇；如果按照林业规划到2050年我国森林覆盖率达到284，我国的森林碳库可以再增加30亿吨碳汇。这是中国科学院院士、北京大学教授方精云日前向国家林业局介绍的其在碳循环与森林作用方面的最新研究成果。不仅如此，生态固碳还有十分良好的经济效益，2009年湖北省森林生态系统固定二氧化碳价值为445.02亿元/年。6有不少学者的研究证明,不同种类的植物及同一种植物的不同组织器官中碳含量是有差别的。梁宏温,罗宏,温远光7等人的研究表明,巨尾桉植株的碳含量平均为47. 32%,比马尾松(50. 17% )的低5. 7%;其中干皮和树叶的碳含量在两种林木之间差异极显著(p枝根干皮叶,马尾松的为干皮叶干材枝根。同种灌木或草本植物碳含量在两种林分之间的差异不显著(p0. 05),而不同灌木之间或不同草本植物之间碳含量的差异则较大,表明物种特性对森林植被碳含量的影响更大。并表明巨尾桉人工林具有较强的固碳潜力,采取集约经营措施后可以有效提高森林植被的碳贮量。除森林生态系统外，湿地生态系统也有较强的固碳能力。湿地是高碳汇生态系统，适合高生物量草本植物生长，特别是芦苇湿地是河湖湿地和沿海滩涂湿地的主要生态系统类型。8毛志刚等对江苏盐城滨海湿地盐沼植被进行了调查研究9.，而芦苇生物量高达129.4 t/hm2。而且，芦苇作为非粮作物且含有较高的纤维素含量，具有开发纤维素生物质能的可能性。芦苇茎杆中的纤维素含量达40%60%，可以转化生产乙醇。1 t芦苇可生产180 L纯度96%的乙醇和3 L甲醇，其能源替代性潜力十分可观。 由此可见，生态系统固碳是一种非常好的减少二氧化碳含量的途径。3.2二氧化碳地址封存碳封存技术主要是将工业和相关能源产业所生产的 CO2分离出来， 再通过碳封存手段将其输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程，被称之为碳封存。 目前也将 CO2固化成无机碳酸盐和用于工业生产中列入碳封存技术。 碳封存可阻止或显著减少 CO2向大气中排放， 封存 CO2是避免或减缓气候变化的有效途径。3.2.1陆地封存CO2的地质封存是将 CO2压缩液注入地下岩石构造中。 目前，CO2的地质封存主要有5种相对技术较成熟、可行的方案:将 CO2注入废弃的油田和气田；在改进的石油气体回收系统中使用 CO2；在深层盐沼池构造中注入 CO2；在油气田中注入 CO2提高油气藏采收率（EOR），强化采油分为混相驱油和非混相驱油； 在提高煤层气采收率中使用 CO2（ECBM）。 其中对于 EOR 的 CO2注入是一项成熟的市场技术，但是当这项技术用于 CO2封存时，其仅是在特定条件下经济可行；将 CO2注入废弃的油、气田和在盐沼池构造中注入 CO2的技术在特定条件下经济可行；CO2注入用于提高煤层气采收率（ECBM）仍处于示范工程研究阶段。3.2.2海洋封存利用海洋巨大碳封存潜力，从工业或相关能源大排放点源中捕获的 CO2直接注入深海（深度在1000 m 以上），大部分CO2在此与大气隔离。在实验室条件下试验得到，液态的 CO2在 35 MPa 以上的压力下可以保持长期稳定。海洋封存有2种潜在的实施途径：一种是经固定管道或移动船只将 CO2注入并溶解到水体中 （以 1000 m以下最为典型）；另一种则是经由固定的管道或者安装在深度 3000 m 以下的海床上的沿海平台将其沉淀，此处的 CO2比水更为密集，预计将形成一个“湖”，从而延缓 CO2分解在周围环境中。这里指的封存不涉及通过海洋肥化作用所产生的生物固碳，CO2注入海洋封存及其生态影响尚处于研究阶段， 需进一步完善。尤其在大面积海域和长期时间尺度上，CO2直接注入海洋对于海洋生态系统的慢性影响尚未深入研究10。往深地质结构层中注入 CO2并封存， 在长时期内稳定存储， 不使其在地壳活动或人为因素而逸出到大气层对人体健康与安全的潜在危害，诱发地震， 引起地面沉降或升高的风险以及对陆地和海洋生态系统的其它危害。海洋封存中无论是液态封存还是固态封存，都存在CO2挥发和溶解在海水中的问题，可能会对海洋环境和海洋生物产生危害。而且，CO2还存在成本高，能耗大，投资回收期长，法律法规的缺失等问题。3.3二氧化碳的捕集和储存二氧化碳的捕集和储存是利用吸附、吸收、低温及膜系统等现已较为成熟的工艺技术将废气 中的二氧化碳捕集下来，并进行长期或永久性的储存。11一般而言，有三种基本的二氧化碳捕捉路线，即燃烧后脱碳、燃烧前脱碳和富氧燃烧技术。123.3.1燃烧前脱碳燃烧前脱碳：首先，化石燃料与氧或空气发生反应，产生由一氧化碳和氢气组成的混合气体。混合气体冷却后，在催化转化器中与蒸汽发生反应，使混合气体中的一氧化碳转化为二氧化碳，并产生更多的氢气。最后，将氢气从混合气中分离， 干燥的混合气中的二氧化碳含量可达 15 60，总压力 2 7 MP a 。 二氧化碳从混合气体中分离并被捕获和储存，氢气被用作燃气联合循环的燃料送入燃气轮机，进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电。缺点是投资成本较高，并且该工艺对现有设备的兼容性较差，不利于设备改造。3.3.2富氧燃烧捕集富氧燃烧捕集是指燃料在氧气和二氧化碳的混合气体中燃烧， 燃烧产物主要是二氧化碳、 水蒸汽以及少量其他成分，经过冷却后二氧化碳含量在80 98。在富氧燃烧系统中，由于二氧化碳浓度较高，因此捕获分离的成本较低，但是供给的富氧成本较高，并且纯氧燃烧通常情况下燃烧器的温度比较难控制，这对包括耐火材料在内等诸多指标要求更高。3.3.3燃烧后脱碳燃烧后脱碳是从燃料燃烧后的烟气中分离二氧化碳。燃烧后捕获(PCC) 省去 了对目前现有燃烧燃烧后过程和设施的改造。二氧化碳的收集法主要有化学溶剂吸收 法、吸附法、膜分离、深冷分离和微藻生物固定化等方法。燃烧后捕集CO2的技术方案因其适用于现有燃煤电厂的改造，被认为是短期内最具潜力的技术。13 3.3.4吸收法吸收法主要应用于化学和石油工业的二氧化碳捕捉体系。物理吸收决定于吸收条件下的温度和压力，高温低压有利于其吸收。气态如烟道气的化学吸收决定于其和溶剂的酸碱中和反应。脱碳常用溶剂为胺(例如乙醇胺一胺 ME A)，氨溶液，聚乙二醇二甲醚，低温甲醇洗(低温甲醇)，氟化溶剂等。当前最好的收集法为化学溶剂胺吸收法翻。胺与二氧化碳发生化学反应后形成一种含二氧化碳的化合物。然后对溶剂加温，化合物分解，分离出溶剂和高纯度的二氧化碳。3.3.5膜分离法膜分离法：膜用于气体分离是基于气体和膜之间不同的物理或化学作用，即允许一个物质比另一种物质通过膜的速度更高。膜模块即可以用作为常规膜分离装置又可以用作为气体吸收塔。在前一情况下，脱碳是通过二氧化碳和其他气体对膜的内在选择性的不同进行的，而在后一种情况下，脱碳是由通过膜对气体吸收进行的，通常是多微孔、疏水性和非选择性的膜被用为固定的CO2 传输界面。这种气膜分离法是比较新的，且选择性普遍偏低的，而能源消耗高的分离方法。143.4其他3.4.1能效验证中国、澳大利亚、欧洲和北美洲的许多国家和地区已主动制定了节能标准，以帮助减少二氧化碳的排放。能效认证是应对温室效应问题的有力手段之一。所谓的能效验证即要求产品制造商把产品能耗数据提交给负责执行能效法规的机构验证其是否符合相应的规定，若符合然后由该机构授权其使用能效标志。15对于制造商来说，能效验证标志可以帮助其顺利进入市场并增加销售；对于消费者来说，他们可以更加简便地识别高能效的产品。3.4.2发展新技术大力发展清洁能源如太阳能，风能，核能，地热能等替代传统的化石燃料；开发环境友好的产品；创新技术使设备的能量利用效率提高；优化建筑结构，充分利用太阳光，减少照明工具的使用；废弃物减量，以降低废弃物焚化、掩埋或其他物理化学处理程序之负荷。 3.4.3倡导低碳生活有环保部的人士认为二氧化碳的排放主要来自于人的生活方式。这与人们普遍认为的二氧化碳的主要排放来源为工业的的观点有一些出入，但这表明人们的生活方式所引起的二氧化碳的排放的量也是相当大的。为此，我们应当尽量改变高能耗的生活方式，尽量回收废物并再利用；使用节能设备；减少私家车的使用，出行使用公共交通工具等。有国外的学者曾做过一项实验：他让三名男士步行一公里的距离后，在让其乘坐汽车行驶相同的距离。两者对比后发现步行的碳排放量较大。这与通常的看法相差较大，可见，低碳生活并不如想象中的那样简单。3.4.4经济制度根据国内外研究和实践，目前碳减排常用的经济手段，主要包括以碳税（Impose Carbon Tax）为核心的价格管制工具和以碳排放权交易、联合履约及清洁发展机制（CDM）为内容的数量管制工具等四项。3.4.4.1碳税根据新古典经济学的理论，征收碳税是减少碳排放最具市场效率的经济措施，也是成本有效的重要手段。目前有关碳税的讨论主要包括理论的探讨，如何设定最优碳税税率，及其对国内产业结构、能源结构、及经济成长的影响等方面。很多国家都承认碳税对碳减排的重要性，包括丹麦、芬兰、荷兰、挪威、意大利和瑞典等，而且都采取国家碳税模式。但从各国实施效果看，只有挪威和瑞典的碳税制度才具有足够有效的刺激作用。163.4.4.2碳汇国际碳汇贸易，是一种“碳补偿”交易，其基本原理是合同一方，通过支付给另一方费用，而获得温室气体减排额度。国际碳汇贸易是通过市场机制实现生态价值补偿的一种有效途径，也是一种双赢合约发达国家通过“资金技术”，在不改变生产模式前提下，购买发展中国家的减排额度，换取温室气体“排放权”。目前，国际碳汇贸易问题已经成为可持续发展领域和国际贸易领域研究的前沿问题，国际碳汇贸易主要发生在发达国家与发展中国家之间。171 牛笛. 碳排放与气候变暖的谎言J. 吉林省教育学院学报, 2010.7,26(7):124-126.2 李焰环境科学导论北京：中国电力出版社20003 韩颖