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等离子体技术分解二氧化碳还氧于大气的研究建议

已有 5191 次阅读 2018-8-8 08:15 |个人分类:气候环保问题|系统分类:科研笔记|关键词:学者

 

1.引言

目前温室气体特别是二氧化碳的远远超标排放已经产生了严重的全球气候恶化,两极的冰盖已经加快消融,20世纪的全球平均地表温度上升了(0.74±0.18)℃[1]产生了诸如酷暑、严冬、大旱、大涝、暴风雪等极端天气以及海平面上升等严重威胁人类生存 的一系列问题。

美国航天航空局刊登在最新出版的《地球物理研究与大气》上的一项研究表明,如果污染物的排放按现在的增长速度继续下去的话,全球气温会上升12℃,但是如果二氧化碳的排放量不像现在这样快速增长,同时各国又终止排放对人类有害的大气污染物,那么,温度可能仅仅上升0.75℃。研究者认为,气候模型有力地证明,全球气候在过去半个世纪的变化就主要就是气候变暖,主要由于二氧化碳的超大量排放。二氧化碳可使短波辐射畅通无阻,但对长波辐射却有极强的吸收能力,即二氧化碳对热辐射有强烈的截留能力,会导致地球温度上升,产生温室效应,即超大量的二氧化碳就像毛毯一样裹住地球,阻止地球向外热辐射,致使地球气温升高。[2]

美国哥伦比亚大学地球研究所的首席经济学家杰佛瑞·萨克斯在《科学美国人》的一篇文章中说:即使减少能源消耗,利用现有技术也不能同时实现减少二氧化碳排放和全球经济增长。如果我们只使用一些治标不治本的技术来试图限制二氧化碳排放,最终我们会扼杀经济增长,包括全球几十亿人口的发展愿景。[3]

美国发展中心(一个致力于推动美国联邦立法机构立法限制温室气体排放的非盈利性组织)的高级研究员约瑟夫·罗姆在他的博客中写道,如果我们不以现有的技术为未来 25年进行积极部署的话,到时候即便是集中了世界上所有的新技术都不能阻止灾难的发生。[3]

鉴于上述,全球急需寻求以快速消除温室气体的方式保持碳氮氧生态平衡的良性循环经济发展模式。目前已有大量捕集二氧化碳技术,但还没有用二氧化碳快速分解制取氧气并还氧于大气的良策。近年来,一种将二氧化碳制成干冰后深埋于地下的环保技术(简称碳捕获与封存)正逐渐在欧美等国试用。201011,国际石油巨头英荷壳牌石油公司计划在荷兰巴伦德雷赫特市建一座地下二氧化碳填埋场,却引起了当地5万民众的强力抵制。有专家称,该技术或许真的能为缓解全球气候变暖出一份力,但一旦发生泄漏,后果可能不堪设想。[4]

等离子体技术可以使二氧化碳分解,从而还氧于大气,这是有效解决气候问题的最有希望的高新技术之一。等离子体二氧化碳分解制氧的关键技术难题是积炭严重而无法连续操作,或者是能量不足以分解二氧化碳,而且此技术应用本身的较高耗能也是应该权衡利弊的大问题。风力补偿太阳能供电的等离子体二氧化碳制氧器正是基于解决人类生存与发展问题并可以破解等离子体二氧化碳分解中的这两项应用难题而提出的。

通常,二氧化碳等离子体单程分解产物包括碳单质、一氧化碳、氧气和臭氧等。[5]  

为了避免等离子体二氧化碳分解制氧严重积炭的问题,本文介绍一种射流进料的设计技巧,通常等离子体二氧化碳分解产生的碳单质以积炭的形式附着在反应器内壁、放电电极等处。采用二氧化碳工作气体本身射流进料的方式除去二氧化碳分解产生的积炭,可使等离子体二氧化碳放电分解反应连续进行,确保不会因积炭而电极短路,也不会因积炭而管道堵塞。具体装置中可以试验几种形式的电极:各种型号的旋转多尖-同心圆筒形电极以及云电极等。

等离子体反应可以用市电作为供电系统,也可以用太阳能光伏发电代替市电支撑等离子体二氧化碳分解技术,这样可以圆满解决等离子体技术高能耗问题,符合可持续发展和低碳经济战略要求。为了解决等离子体二氧化碳分解技术本身的较高能耗问题,本研究采风力驱动发电与太阳能光伏发电系统联合供电系统下的等离子体二氧化碳分解制取氧气或者释放氧气、还氧于大气的大、中、小型发生器,其中包括与等离子体发生器配套的高压电源和反应器。

为解决等离子体二氧化碳一次反应不完全的问题,本研究在等离子体二氧化碳分解制取或释放氧气的发生器中采取级联反应器的设计技巧:反应器中二氧化碳射流进料放电反应后,产物连同未完全反应的二氧化碳先进入分离系统,其中的碳单质作为副产品直接回收;臭氧可以在紫外光照射下自然分解为氧气;利用一氧化碳和剩余反应物二氧化碳临界性质相差较大的条件,在加压降温时很容易分离。因此,一氧化碳既可以作为副产品被加压降温分离处理后直接回收;也可以与未反应的二氧化碳被加压后循环进行二次或多次反应,直至全部分解成碳单质和氧气。

 

2.实验装置

1是市电和风力补偿太阳能发电系统间可切换供电的等离子体二氧化碳制氧器整体装置示意图。如图1所示,系统1表示采用风力驱动补偿太阳能光伏发电与市电联合供电,也可以切换用市电作为供电系统。系统1提供系统2所需的电源,系统2是与等离子体反应器配套的高压电源。系统3是二氧化碳气体源,操作前,先将系统整体按照附图顺序连接,做好一端电极接地,如图中6所示。操作时,先打开通道8,由系统34提供二氧化碳气体进行初始进料,使反应器5内充满二氧化碳气体。在系统1和系统2提供高压电条件下进行二氧化碳放电反应,然后关闭初始进料口4,同时打开射流进料口13,射流输入二氧化碳,以连续供气并清除电极和反应器壁上的积炭,此间根据不同的电极形式,可采用适当方向的射流。

 

 

                   图1. 等离子体二氧化碳制氧器的整体框架流程示意图

 

1. 太阳能光伏发电加风力发电补偿供电系统2. 高压电源,3. 二氧化碳气源,4. 二氧化碳初次进料系统,5. 等离子体反应器,6. 电极接地端,7. 气体分离器,8. 氧气检测排放系统,9. 二次反应循环进料系统,10. 加压系统,11. 碳单质回收系统,12. 冷却系统,13. 二氧化碳射流进料系统,14. 气态产物排放口,15. 气体循环泵,16. 气体分离器入口,17. 产物液化分离出口,18. 尾气循环系统

 

反应产物有3个出口,氧气出口8检测氧气纯度,放空纯净氧气,截留其它气体返回反应器5或气体分离器7;出口11是纯碳单质;出口14是等离子体二氧化碳分解后的流出物,主要包括氧气、一氧化碳、臭氧以及未反应的二氧化碳;反应流出物经氧气放空排气后返回的气体一同进入循环泵15,经入口16被输入气体分离器7;在气体分离器7中,在冷却系统12和加压系统10控制临界条件作用下,被液化的一氧化碳经出口17分离出来;或者关闭此功能系统,改用循环进料系统9,流出物全部返回级联反应器进行二次反应,直至二氧化碳完全分解,实现还氧于大气的重大目标。

 

3、建议依据与展望

此建议的前期实验依据是甲烷在常压等离子体催化条件下转化为不饱和碳二烃的突破性成果[6]。此建议的采纳研究有望在无二次污染(因不用化学催化剂)且利用清洁能源的可持续发展前提下实现遏制全球气候变暖恶化趋势的急迫战略目标。当然,本建议并不排斥化学催化,等离子体催化不是可以完全替代化学催化的技术。等离子体反应区主要发生分解反应,在其反应区下游可以发生分解产物碎片的重新组合反应,因此,等离子体催化技术特别适用于甲烷分解制备不饱和碳二烃以及二氧化碳部分分解制备一氧化碳或彻底分解为单质等反应。实验研究显示,常压下等离子体催化甲烷偶联采用多尖端旋转电极对同心圆筒形电极放电方法,可产生甲烷转化率与不饱和碳二烃单程收率均在70%左右的可喜成果,远超作为50多年研究瓶颈的25%上限以及作为工业放大可行性标准的30%。以此甲烷前期研究成果的等离子体催化技术,还可以进一步研究发展成为温室气体综合治理研究与产业化模式。甲烷和二氧化碳两种极具化学稳定性的温室气体均可以此等离子体分解技术加以治理:(1)可分离回收甲烷分解产物中的不饱和碳二烃作为合成高分子的单体原材料,此项技术若能产业化,则可作为材料能源支持人类社会可持续发展战略(甲烷作为海底干冰天然储量丰富,且作为沼气主要成份可再生);(2)可分离回收二氧化碳部分分解产物一氧化碳作为燃料、彻底分解产物固态碳作为化工等工业原料。而温室气体中的氮氧化合物也可以加入此项技术研究,或试验直接作为化工原料。

 

 

 

参考文献

[1] 杨红龙,许吟隆,张镭,潘婕陶生才.  SRES A2情景下中国区域21世纪末平均和极端气候变化的模拟.气候变化研究进展. 2010, 63):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] 王润 编译关于全球变暖争论的转变. 环境科学, 2008, (6):16

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

[5] 代斌等离子体协同催化二氧化碳合成低碳化合物的研究. 大连理工大学硕士学位论文, 2000,  p.2

[6] 崔锦华. 非平衡等离子体甲烷常压偶联研究. 天津大学博士学位论文, 2002

 



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