二氧化碳减排与生态工业

独处

1. 二氧化碳减排与可持续发展 　　1.1 温室效应与全球气候变暖
　　2003年末，美国《科学》杂志评选出年度十大科技成就，关于全球变暖的研究进展获得第三[1]。全球气候变暖可能引起冰川融化、干旱蔓延、作物生产率下降、动植物行为发生异变等自然灾害，已成为当今最为显著的环境问题之一，对世界社会政治稳定及生态环境影响深远。据IPCC（政府间气候变化专业委员会）报道，20世纪全球地面平均气温升高了0.6 0.2℃[2]；同时，近几十年来，极端天气事件的灾害次数和造成的经济损失均呈快速上升的趋势[3] （如图1所示）。
　　全球气候变化是一个长期的过程，与大自然自身变化规律有关，但人为因素亦不可忽视。人类活动的影响主要是指由于人类活动造成大气中的一些气体（包括CO2、CH4等）浓度升高，这些气体起着类似于温室玻璃的作用，只放进阳光，吸收热能而不反射产生热能的红外辐射，从而引起气候变暖。近1000年大气中CO2气体浓度变化情况如图2所示[2]。
由图2可见，在工业革命前大气中CO2浓度相对稳定，而工业革命后CO2浓度迅速增加了31%（其他温室气体的浓度变化也存在相似的规律）。一般认为，这反映了人类活动对地球环境的影响。

图1 近几十年气象灾害损失情况

图2 近1000年大气中CO2气体浓度变化

　　1.2《京都议定书》
　　1997年，第三次联合国气候转变框架公约（UNFCC）缔约方会议上签署的《京都议定书》[4]对发达国家和经济转型国家6种温室气体（CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs和SF6）排放量的削减做出了明确规定，同时要求包括我国在内的发展中国家制定自愿削减温室气体排放的目标。
　　2005年2月，《京都议定书》正式生效，削减和控制温室气体排放有了法律依据，成为大势所趋。在所有温室气体中，CO2在大气中含量高、寿命长，对温室效应的贡献最大[5]，而且主要是由人为因素产生，CO2应当作为温室气体削减与控制的重点，CO2减排是可持续发展的必然要求。根据美国能源部的预测，在全球范围内必须减少60%的CO2排放才能真正防止全球气候变化[5]。
　　2. 二氧化碳减排方案及评价
　　2.1 调整能源消费构成，提高能源转化和使用效率
　　目前，化石燃料是世界上绝大多数国家能源消费的主体，其燃烧过程释放大量的CO2。以核能和可再生能源（如太阳能、风能和生物燃料）代替化石燃料或以石油、天然气等低碳化石燃料替代煤等高碳燃料都可以减少CO2排放。但是，一个国家或区域的能源消费构成是根据国家或地区的资源状况、技术条件在一个很长的历史时期内形成的，改变能源消费构成需要资源、资金和技术。以我国为例，我国的煤炭资源相对于石油和天然气资源丰富得多，待开发的水力资源大都位于交通不发达、人口相对稀少或开发难度大的区域，加之水电开发需要大资金和长的建设周期，核电的发展也面临资金匮乏、技术落后等因素的制约，难以在短时间内有较大规模的发展。在21世纪，化石燃料将继续主导世界的热力和电力生产，能源消费构成的改变只能作为中长期目标逐步实现。
　　对于能源转化和使用效率较低的发展中国家，改进发电技术，大力推广节能降耗生产工艺都是CO2减排的可行方案，但从世界范围看，减排空间较小。
　　2.2生物系统摄取二氧化碳[6]
　　生物系统的光合作用可以吸收环境中的CO2，固定在生物体中成为碳的贮存库，而生物质能可以直接替代化石燃料。据估计光合作用以生物质能的形式年均贮存的能量是世界各种能源使用量的8倍，生物质能的生产和利用对全球碳循环有着重要的影响。目前生物质能提供的能源仅占全世界能源使用的14%，生物系统作为碳的贮存库和化石燃料的替代物，对减排CO2的作用值得注意。可供选择的生物质能的生产和利用策略有以下一些方面：恢复和扩大陆地植被、半干旱地区种植耐盐植物、藻类生物的化石化和固定CO2、海洋养殖场生产能源和食品、笼形化合物固定CO2等等。
　　2.3 采用化工分离方法捕集回收CO2，加以存贮和利用
　　CO2不仅是一种温室气体，同时还是非常重要的工业原料：CO2气体在工农业生产中被广泛用作气体肥料、杀菌气、果蔬保鲜剂、发泡剂、惰性气体介质等；超临界CO2作为一种清洁溶剂可在食品、医药、环保等行业上用于分离、提纯、监测分析等，还可用于提高采收率法（EOR）助采石油；干冰在人工降雨、混凝土生产、环境保护等方面应用很广。同时，CO2逐渐成为在化工合成中的重要原料，随着“原子经济”的概念逐渐深入人心和相关研究的不断深入，CO2越来越多地被作为有机合成的“碳源”，（例如，由CO2可以直接合成碳酸二甲酯，而碳酸二甲酯是国际公认的“绿色”有机溶剂和重要的有机合成中间体），CO2应用领域的不断拓展成为高附加值化工产品的原料[7-11]。
　　世界各国的CO2生产和消费情况存在很大差异。美国是世界上CO2最大的生产国和消费国，共有90余套生产装置，其生产能力为7.45 Mt/a，主要来源于合成氨厂、制氢厂、石化厂、乙醇厂、天然气加工厂副产CO2的回收；美国最近几年的CO2消费量约4.50 Mt/a，其中近一半用于食品的冷却、冷藏、研磨和惰化，其次是用于饮料碳酸化，油井、气井操作，碳酸盐、重碳酸盐、青霉素的生产及冷却，灭火剂、气雾剂，焊接、冷收缩装配等方面。
　　发达国家的CO2广泛应用于各个领域，而发展中国家的CO2大多用在碳酸饮料行业。但即使是CO2的消费量最高的美国，其CO2年消费量与其大于5000Mt的排放量相比，也只占1%左右。
　　目前，CO2消费市场呈快速增长趋势，而原料相对紧缺，回收由人类活动产生的CO2，并进一步拓展其利用领域，不仅可以达到减排二氧化碳的目的，还能通过副产CO2降低减排成本。我们有理由相信：在不远的将来，削减CO2排放不仅有利于环境保护，还会带来显著的经济效益。

　　2.4 减排方案评价

　　与二氧化硫、氮氧化物等大气污染物相比，二氧化碳并非传统意义上的主要污染物。减少二氧化硫、氮氧化物等酸性气体的排放，可以明显降低酸雨的危害，这是一个谁治理、谁受益的地区性环境问题。而温室效应是全球性环境问题，一方治理，全体受益，付出的代价与获得的效益没有一一对应关系。因此，实现CO2减排，防止全球变暖，是一个全球性的战略性课题，它不可能建立在某一项CO2的减排技术上，而应在大系统的规模上统筹抉择。

人类大力减排CO2的初衷是保护地球家园，实现可持续发展，决不能在减排过程中引发新的环境问题。可持续发展战略要求减排方案“绿色化”，具体原则为：以保护和恢复自然生态环境作为长期目标，发挥自然的自身调节作用；以调整能源结构为中期目标，逐步以可再生能源替代化石燃料等不可再生能源；以开发新的回收CO2的“绿色”工艺为近期目标，通过回收工艺的改进降低回收CO2的成本。

　　3. 从工业生态整体出发，减排二氧化碳
　　3.1 工业生态学研究
　　工业生态学起源于20 世纪80 年代末R·Frosch等模拟生物的新陈代谢过程和生态系统的循环再生过程所开展的“工业代谢”研究[12]。工业生态学把生物生态学的原理应用于工业，其目的是寻找工业物质材料优化循环的理论和方法[13]，正受到越来越多的国家政府和国际组织所重视。
　　同生物圈一样，工业体系也是一个漫长进化的结果。在生命的开始阶段，物质流动相互独立地进行，资源看起来是无限的，废料也可以无限地产生，这种“开放型”的生态过程称为“一级生态系统”，如图3所示。

图3 一级生态系统示意

　　在随后的进化过程中，资源变得有限，生物体相互依赖，组成了复杂的、相互作用的网络系统，不同组成部分（种群）之间的物质循环变得极为重要，资源和废料的进出量则受到资源数量与环境接受废料能力的制约，此即二级生态系统，如图4所示。

图4 二级生态系统示意

　　与一级生态系统相比，二级生态系统对资源的利用已经达到相当高的效率，但因为物质、能量流是单向的：资源减少，而废料不可避免地不断增加，仍然不能长期维持。
　　生物生态系统只有进化成以完全循环的方式运行，才能真正实现可持续形态。在这种情况下，不能区分资源与废料，对一个有机体来说是废料，对另一个有机体来说是资源，只有太阳能是来自外部的支援，即三级生态系统，如图5所示。

图5 三级生态系统示意

　　当今世界的工业体系正艰难地从一级生态系统向二级生态系统过渡，只是半循环的。而环境问题的根源恰恰在于目前的工业体系开采资源和抛弃废料。理想的工业社会（包括基础设施和农业），应尽可能接近三级生态系统。 一个理想的工业生态系统包括四类主要行为者：资源开采者，处理者（制造商），消费者和废料处理者。由于集约再循环，系统内不同行为者之间的物质流远远大于出入生态系统的物质流，如图6所示。

      
图6 理想工业生态系统示意

　　工业生态学是与清洁生产、污染防治有一定的联系，又进一步提升的新概念，在这里没有废物可言，废物只是放错了位置的资源，只要对工业体系内的各种原料和产品、副产品物流进行重新分配、优化，使系统实现最小投入下的资源的再循环和重复利用，就可以在与生态环境和平相处的前提下，以最小的代价得到最大的利益[14][15]。
　　3.2建立以CO2为中心的工业生态系统，实现CO2减排
　　前已述及，CO2减排是一个全球性的战略性课题，应遵循工业生态学的思想，从工业系统的整体角度思考CO2减排策略。

生态工业园是实现生态工业和工业生态学的重要途径，它通过工业园区内物流和能源的正确设计模拟自然生态系统、形成企业间共生网络，一个企业的废物成为另一个企业的原材料，企业间能量及资源梯级利用[16][17][18]。

　　综观CO2的生产与利用现状和发展趋势可以看出，与CO2相关的工业种类繁多，在一些企业中CO2是副产品、废弃物，在另一些企业里就是宝贵的原料，研究与之相关各类型工业过程，建立一个以CO2为核心，由多个企业组成的，类似于丹麦卡伦堡工业共生体系（Kalundborg EIP）[19]的工业系统， 运用工业生态学的思想设计企业间的物流交换，使回收利用CO2有利可图，系统获得整体效益，就能实现CO2的循环利用。
　　4.     结语
　　二氧化碳等温室气体引发的气候变暖是当前最为突出的环境问题之一，减排CO2对人类社会可持续发展具有重要意义。
　　各种CO2减排方案各有优缺点，而建立生态工业园区，循环利用CO2是较为理想的减排策略。
　　
　　参考文献：
　　[1] Kennedy D. Breakthrough of the Year. Science, 2003, 302(12/19): 1
　　[2] IPCC. Climate Change 2001- The Scientific Basis, Summary for policymakers of the working group &<030; report . Cambridge University Press, Cambridge, 2002, 152-158
　　[3] IPCC. Climate Change 2001-Impacts, Adaptation, and Vulnerability, Technical summary of the working group &<030;I report. Cambridge   University Press, Cambridge, 2002, 255-256

    [4] UNFCC. Kyoto Protocol to the united nations framework convention on climate change. 1997. (available at: http://www.unfccc.int)

　　[5] 张峥. 温室效应及其生态影响综述. 环境保护科学, 2000, 26-29(6): 36-38
　　[6] DOE. Carbon sequestration research and development. 1999. (available at: http://www.doe.gov/bridge )

    [7] 胡蓉蓉, 钟顺和. Cu/MoO3-TiO2/SiO2上光催化CO2和C3H8合成异丁烯醛的研究[J]. 高等学校化学学报. 2006, 27(1): 134-139

    [8] 岳晓东, 何良年. 超临界二氧化碳参与的两相体系及其在有机合成反应中的应用[J]. 有机化学. 2006, 26(5): 610-617

    [9] 姜瑞霞, 谢在库. 二氧化碳和甲醇直接合成碳酸二甲酯研究进展[J]. 化工进展. 2006, 25(5): 507-511

    [10] 倪小明, 谭猉生, 韩怡卓. 二氧化碳催化转化的研究进展[J]. 石油化工. 2005, 34(6): 505-512

    [11] 岳晓东, 何良年. 聚碳酸酯的绿色合成工艺研究进展[J]. 化学研究. 2005, 16(3): 94-98

    [12] Thomas Graedel. Industrial Ecology : Definition and Implementation[A] . Industrial Ecology and Global Change [C] . The Press Syndicate of the University of Cambridge , 1994. 23.

　　[13] 林道辉, 朱利中. 工业生态学的演化与原理[J]. 重庆环境科学. 2002, 24(4): 14-18
　　[14] 杜存纲, 车安宁, 周美瑛. 工业生态学和绿色工业[J]. 科学·经济·社会. 2000, 18(1): 43-46
　　[15] 段宁. 清洁生产、生态工业和循环经济[J]. 环境科学研究. 2001, 14(6): 1-5
　　[16] 陈亮, 王如松, 徐毅, 等. 生态工业系统分析方法[J]. 城市环境与城市生态. 2004, 17(6): 30-32
　　[17] 陈定江, 李有润, 沈静珠, 胡山鹰. 工业生态学的系统分析方法与实践[J]. 化学工程. 2004, 32(4): 53-57
　　[18] 邱德胜, 钟书华. 生态工业园区概念的理论渊源[J]. 中国人口资源与环境. 2004，14(3): 127-130
    [19] 徐大伟, 王子彦, 谢彩霞. 工业共生体的企业链接关系的分析比较[J]. 工业技术经济. 2005, 24(1): 63-66