CO2减排研究进展

1 CO2减排研究进展 刘诚 摘摘 要要 在全球变暖越来越被广泛关注的同时 CO2的减排成为一个热点话题 因为它关系到人类生活 环境的未来和命运 本文首先综述了全球CO2上升的事实 然后分列出当前主要国家CO2温室气体的排放 现状 减排政策与措施 分析了当前CO2减排技术的研究进展与热点 最后结合我国的实情 提出了相关 的减排对策 关键词关键词 全球变暖 CO2 减排措施 减排技术 1 1 引言 引言 全球变暖是当今人类面临的严峻挑战 是国际社会公认的全球性环境问题 全球变暖 的主要原因是大气中温室气体的急剧 持续增加 大量的观测和研究表明 全球大气 CO2 CH4 Nx0浓度显著增加 目前已经远远超出工业化前几千年来的浓度值 1 工业革命以前的几千年时间里 大气中的CO2的浓度平均值约为280ppmv 变化幅度大 约在10ppmv以内 工业革命以后 碳循环的平衡开始被破坏 人为排放的CO2量急剧上升 造成大气中CO2浓度的增加 2000年大气中的CO2浓度达到368ppmv 这主要是由于森林植 被遭到大规模的破坏 CO2的生物转化清除在不断减少 加之煤炭 石油和天然气等矿物 燃料的消费一直在增加 而海洋和陆地生物圈并不能及时地完全吸收人类活动排放到大气 中的CO2 从而导致大气中的CO2浓度不断增加 目前 全世界每年燃烧煤炭 石油和天然气等矿物燃料排放到大气中的CO2总量折合 成碳大约为6Gt左右 每年由于土地利用的变化和森林植被的破坏可能释放大约1 5Gt碳 而每年大气中碳的净增加量大约为2 0Gt 陆地生物圈吸收约1 7Gt 可见 每年排放到大 气中的CO2大约有50 滞留在大气层中 假如由于矿物燃料燃烧所排放到大气中的CO2以每 年2 的速率增长 到2040年前后CO2浓度就将达到550ppmv 若以每年1 的速率增长 则到 2085年前后CO2浓度将达到550ppmv 2 因此 引起温室效应和全球气候变化的CO2的减排技术成为各国关注的焦点 2 2 CO2CO2温室气体排放 减排现状及目标温室气体排放 减排现状及目标 联合国气候变化框架公约 明确规定 全球温室气体的排放量主要源于发达国家 主要是以美国为首 但2001年 中国二氧化碳排放量约占全球温室气体排放的12 仅次于 美国 居世界第二位 3 发达国家的能源消费激增出现在20世纪5O年代以后 到20世纪70年代初 工业化国家 GDP比1950年增长了2倍以上 但能源消费大多增长了3倍以上 到了2O世纪后期 发达国 家依然保持着较高的能源消费增长速度 造成大量温室气体CO2的排放 发达国家在其发 展过程中对全球气候变化负有不可推卸的主要责任 在1751 1860年的100多年里 人为 CO2排放基本上是由发达国家产生的 1861 1950年的9O年间 发达国家的CO2排放占全球 CO2累计排放的95 直到1950年以后 发展中国家CO2排放的比例才开始增长 4 从 2 1951 2000年的50年里 人口不到全球20 的发达国家的排放量仍占总排放量的77 仍是 全球温室气体最主要的排放者 4 1997年12月在日本京都召开了 联合国气候变化框架公 约 第3次缔约方会议 通过了 京都议定书 规定发达国家在2008 2012年期间 将其 温室气体排放量在1990年的排放水平上减少5 欧盟减少8 根据该公约公布的最新排放 数据表明 1 发达国家1990年的温室气体排放总量为1 731 9 1010t CO2当量 2000年和 2005年的排放总量分别为1 6257 1010t和1 646 5 1010t CO2当量 分别较1990年降低了 6 1 和4 9 从总量方面看 似乎达到了 京都议定书 所规定的减少5 的要求 但其中 主要的减排贡献来源于原苏联和东欧经济转型国家 这些国家因经济滑坡而出现了温室气 体排放的大幅降低 其降幅远高于5 的总体要求 从而平衡和掩盖了其他主要发达国家温 室气体排放量的增长 主要发达国家 不包括经济转型国家 2000年和2005年的温室气体排 放总量分别较1990年的排放水平上升了7 6 和9 3 出现了进一步增长的趋势 美国是全 球温室气体排放第一大国 2005年的排放水平较1990年增加了16 7 第二排放大国的日本 增长了7 1 加拿大则激增了54 2 另一方面 欧盟2005年的排放水平则较1990年降低了 4 是发达国家中积极减排的代表 但仍较 京都议定书 的要求有一段距离 由此看出 发达国家温室气体减排的效果并不太理想 联合国开发计划署 UNDP 发 布的 2007 2008年人类发展报告 强调 在许多欧盟国家 关于温室气体减排的政治既 定目标与现行的能源政策不符 平均起来 欧盟的实际减排仅为2 而不是其在 京都议 定书 中承诺的8 1990年以来 尽管美国国内生产总值中每一美元产生的CO2排放量下 降了1 4 但其碳排放总量却上升了1 4 造成这种现象的深层次原因在于一些发达国家对 京都议定书 所持的不同态度 美国一直以拖累本国经济发展和中国 印度等发展中国 家不承担减排义务等为由 拒绝加入 京都议定书 并试图以民间自愿减排的方式取代 约束性减排 日本和加拿大等国与美国同属一个阵营 减排态度较为消极 并试图绕开或 搁置 京都议定书 的限排约束 欧盟在气候变化问题上处于全球领导地位 态度十分积 极 减排也初见成效 在 2009 年 12 月 7 18 日召开的哥本哈根世界气候大会上 来自 192 个国家的谈判代表 召开峰会 商讨 2012 2020 年的全球减排协议 美国 减排 4 目标亦难以承诺 奥巴马上任之初曾希望借助自己的超高人气 推动美 国在哥本哈根会议前通过一项气候法案 尽管美国的承诺仅相当于在 1990 年基础上减排温 室气体 4 左右 与发展中国家期望的仍有巨大差距 俄罗斯 俄罗斯总统宣布 到 2020 年温室气体排放量将下降百分之二十五 也就是说 在 1990 年至 2020 年期间 俄罗斯将保证温室气体的总排放量减少逾三百亿吨 欧盟 承诺于 2050 年减排 95 欧洲在气候变化问题上试图重新确立自己的国际领导 地位 指出如果哥本哈根峰会能够达成气候变化协议 欧洲将在 2050 年前削减高达 95 的 温室气体排放 在 2020 年前减少 30 印度 印度环境部长拉梅什 3 日宣布 印度将在 2020 年前将其单位国内生产总值 GDP 二氧化碳排放量在 2005 年的基础上削减 20 25 英国 2009 年英联邦政府首脑会议 28 日发表 西班牙港气候变化共识 英联邦气候 变化宣言 强调在哥本哈根联合国气候变化会议上各方应该达成有法律约束力的协议 发达国家应该对困难国家给予帮助 尤其是资金援助 澳大利亚 澳大利亚国会参议院 2 日却再度否决了澳工党政府提出的气候变迁法案 这使得澳总理陆克文将空手赴会 澳大利亚是全球最大的煤碳出口国 澳人均排放量超过 美国 提议未来十年内温室气体排放量将较 2000 年减少 5 到 15 中国 到 2020 年单位国内生产总值 CO2排放比 2005 年下降 40 45 5 3 3 各国减排措施各国减排措施 3 发达国家为了履行规定的义务 制定了国家级的气候变化战略 但绝大多数政策和措 施的着眼点都不是为了减缓气候变化 而是出于提高经济效率 促进能源部门改革 提高 能效 改善本国空气质量和减轻交通堵塞等目的 一些主要国家的减排措施如下 3 1 美国 作为当时全球第一大碳排放国 美国没有加入 京都议定书 受到了 国际社会的一致谴责 但近l0余年 美国政府对温室气体减排的问题给予了高度的重视 小布什就职第二周成立了国家能源政府规划小组 该小组于2001年提交了 国家能源政策 报告 这份报告对当时美国的能源状况进行了分析 提出要为美国的未来提供可靠 经济 并且环境友好的能源 2005年8月 小布什颁布了 能源政策法案 法案的基本精神融合 了能源 经济和环境三大要素 是美国当时范围最广 内容最丰富的能源政策 2007年7月 美国第110届国会发布了 低碳经济法案 该法案的首要目标是到2020年 美国温室气体 的排放量达到2006年水平 2030年达到1990年水平 并完善碳交易 发展碳捕获技术 实 现国际合作 6 2008年11月 奥巴马在选举中胜出 成为美国新一届总统 奥巴马在竞选中多次提到 要改变布什政府有关气候变化的保守政策 他提出在2020年前将温室气体排放量降低到 1990年水平 到2050年再减少80 并且到2050年时 让全美国25 的能源来自风能 核能 和清洁煤炭等清洁能源 创建后京都框架 重新开创全球气候变化合作的新时代 在国内 启动 总量控制和碳排放交易 美国从最初拒绝签署 京都议定书 到发布法案限制温 室气体排放 发展新能源 到如今的创建后京都框架 这一历程反映出 美国政府重新认 识了气候变化与经济发展之间的联系 意识到发展低碳经济的重要性和必然性 并推进了 减少温室气体减排全球合作的进程 6 3 2 欧盟 在温室气体减排上 欧盟无论是在行动还是态度上都是积极的 并已初 见成效 根据各成员国的具体情况 欧盟在不同水平上制定和实施了温室气体减排计划 减排措施主要针对减排潜力大且成本低的领域 重点是能源 民用和第三产业 工业和交 通等领域 减排的主要途径是开发清洁能源和新能源 提高化石燃料效率 使用低碳燃料 和减缓电力需求 提高能效标准 利用高效 清洁能源技术提高能源效率 欧盟内部建立 了温室气体限排制度 各成员国均制定了高度透明和详细的国家减排分配方案 具体到各 个行业和企业 对超额排放的企业进行罚款 通过减税或提供补贴等政策 措施 鼓励利 用再生能源 另外 还积极推动碳交易市场 成立欧盟碳交易体系 欧盟温室气体排放贸 易计划 EU ETS 于2005年1月正式挂牌运营 是目前全球最大的温室气体配额型交易市场 1 3 3 日本 早在2004年 日本环境省发起了 面向2050年的日本低碳社会情景 研 究计划 其目标是为2050年实现低碳社会目标提出具体的对策 2007年5月25号 日本内阁 会议通过了 2007能源白皮书 提出要在亚洲和世界范围解决能源 环境问题过程中发 挥主动性 强调运用自己处于世界领先地位的节能技术 在减少温室气体排放 推进与亚 洲各国的能源合作方面发挥主动性 2008年5月 该研究小组发布了 面向低碳社会的l2大 行动 2008年6月 日本首相福田康夫提出日本新的应对全球气候变暖的对策 即著名的 福田蓝图 这是日本低碳战略形成的正式标志 其中提出的目标是 日本温室气体排 放量比目前减少60 80 2009年4月 日本又公布了名为 绿色经济与社会变革 的政策草 案 目的是通过实行减少温室气体排放等措施 强化日本的低碳经济发展 6 3 4 中国 中国也已经从科学和社会发展等多方面认识到了气候变化的巨大影响 并且开始进行着积极的应对 2007年6月 中国正式发布了 中国应对气候变化国家方案 同年7月 温家宝总理主持召开国家应对气候变化及节能减排工作领导小组会议和国务院会 议 l2月 国务院新闻办发表 中国的能源状况与政策 白皮书 提出中国能源发展坚持 节约发展 清洁发展和安全发展 我国于2005年通过了第一部 中华人民共和国可再生能源 4 法 在这个积极政策的引导下 截至2008年底 我国风电发电量128亿度 比上年增加 126 79 风力发电已经成为这场能源革命中的主要力量 我国也已成为全球最大的光伏产 业基地 去年太阳能发电量达到1 1GW 占全球太阳能发电总量的27 5 此外 我国还 提出了到2010年实现单位国内生产总值能源消耗比2005年降低20 左右 到2010年努力实现 森林覆盖率达到20 2020年可再生能源在能源结构中的比例争取达到16 等一系列目标 5 4 4 减排技术及研究热点减排技术及研究热点 对温室气体减排技术的研究 目前主要分为源头控制和后续处理 包括减少温室气体 排放技术 增加碳汇技术 陆地生态系统碳汇 海洋碳汇等 以及碳捕获和封存技术 国 外研究人员提出了 稳定楔 理论 即15种减缓气候变化的温室气体减排技术 15种减排 技术综合归纳起来主要有以下5种 1 1 提高能源效率和加强管理 表现在提高燃料的使用效能 减少车辆的使用 降低建筑耗 能 提高发电厂效能等方面 2 燃料使用的转换 以及CO2的捕获与封存以天然气取代煤作燃料 捕获并储存发电厂 CO2 3 核能发电用核能技术替代燃煤发电的技术 4 可再生能源及燃料 如风能 太阳能 可再生燃料 生物质能 5 对CO2的吸收森林和耕地对CO2的吸收作用 其中 CO2捕获和封存技术是当前该领域研究的热点 被认为是最具应用前景的温室 气体减排技术之一 CO2捕获技术主要有以下3种 4 1 1 4 1 1 燃烧后脱碳 7 燃烧后脱碳是从烟气中分离CO2 CO2的收集法主要有化学溶 剂吸收法 吸附法和膜分离等方法 当前最好的收集法为化学溶剂胺吸收法 胺与CO2发 生化学反应后形成一种含CO2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CO2 由于燃烧产生的烟气中含有很多杂质 而存在的杂质会增加捕集的成本 因 此烟气进行吸收处理前要进行预处理 水洗冷却 除水 静电除尘 脱硫与脱硝等 去除 其中的活性杂质 硫 氮氧化物和颗粒物等 否则这些杂质会优先与溶剂发生化学反应 消耗大量的溶剂并腐蚀设备 烟气在预处理后 进入吸收塔 吸收塔的温度保持在 40 60 CO2被胺吸收剂 一乙醇胺 二乙醇胺和三乙醇胺等物质 吸收 吸收剂在温 度为100 140 和比标准大气压略高的压力条件下得到再生 在目前的工艺条件下 溶 剂再生以及为便于运输而压缩CO2 都需要消耗大量的能量 因而会大大折减净发电量 4 1 2 4 1 2 燃烧前脱碳 7 燃烧前脱碳主要应用在以气化炉为基础 如联合循环技术 的发 电厂 首先 化石燃料与氧或空气发生反应 产生由CO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CO转化为CO2 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CO2含量可达15 60 总压力 2M 7MPa CO2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人 燃气轮机 进行燃气轮机与蒸汽轮机联合循环发电 这一过程也即考虑碳的捕获和存储的 煤气化联合循环发 IGCC 4 1 3 4 1 3 富氧燃烧技术 7 富氧燃烧捕集是指燃料在氧气和CO2的混合气体中燃烧 燃 烧产物主要是CO2 水蒸汽以及少量其他成分 经过冷却后CO2含量在80 90 通常 氧 气由空气分离方法产生 少部分烟气再循环与氧气按一定比例进入燃烧室 使用氧气和 CO2混合气的目的是为了控制火焰温度 如果燃烧发生在纯氧中 火焰温度就会过高 在 富氧燃烧系统中 由于CO2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 5 高 另外 由于燃烧发生在低氮环境中 因而大大降低了氮氧化合物的生成量 CO2的封存技术主要有海洋封存 陆地生态系统封存和地质封存3种 1 4 2 1 4 2 1 海洋封存 尤其是深海储存是有可能实现大规模长期储存CO2的理想方式 被 溶解和消散的CO2随后会成为全球碳循环的一部分 不过能否实现这个方式还有很多技术 问题需要解决 如被储存的CO2是否会从海洋中突然或大规模地释放到大气中 对海洋pH 值和生态环境的影响等目前还不太清楚 目前仍处于研究阶段 4 2 2 4 2 2 陆地生态系统封存 森林和陆地生态储存是最理想的廉价储存方式 不过一个 功率为500MW的燃煤电厂约需2000 m2的森林来捕集其所排放的CO2 由此看出该方式不 可能作为主要的储存方式 4 2 3 4 2 3 地质封存 是永久储存CO2的有效方法 1 该技术通过管道将分离后得到的 CO2注入地下深处具有适当封闭条件的地层中储存起来 利用地质结构的气密性来永久封 存CO2 适合于CO2封存的地点包括已废弃石油天然气田和矿山 地内的咸水蓄水层 开采 中的油气田 可提高石油开采率 无商业开采价值的深层煤层 可促进煤层气回收 在该 领域中率先得到政府支持的是德国 2009年4月德国政府内阁通过了允许实施 CO2捕捉和 封存 的