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数据解读碳达峰碳中和误区及其现实路径-4

2021-09-13 , 3212 , 101 , 154


05


雾霾的元凶在哪里?


还有一个碳中和的路线,是跟雾霾相关的。

这些年,我一直在研究雾霾。我对雾霾有亲身体会。如果一直在北京生活我们可能感觉不到,但我家在南加州,早些年回国后,每次从洛杉矶到北京以后,那种强烈的对比让我觉得一定要把中国的雾霾给治理好。


雾霾包括一次颗粒和二次颗粒。

化石燃料如柴油燃烧时尾气中直接排放的颗粒是“一次颗粒(Primary Particulates)”,占雾霾总量的24%左右。

对雾霾贡献最大的是“二次颗粒(Secondary Particulates)”占到其总量的约50%左右。

“二次颗粒”是化石燃料燃烧尾气中的气态污染物(如NOx、SOx)和挥发性有机物(VOC)进入大气后,在一定的水雾状态下与空气中的氨及VOC等物质发生气溶胶反应形成的颗粒。

氮氧化物在天空遇水就变成硝酸,硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我们不使用化肥就只能形成酸雨形不成雾霾。然而大量使用化肥向大气中释放了一定规模的氨,氨在大气中呈碱性,酸碱中和生成硝酸铵盐、硫酸铵等固体细颗粒,这些细颗粒才是PM2.5的主要来源。

头发丝大概是70微米左右,肉眼的分辨率在60微米左右,一个PM2.5的颗粒是看不见摸不着的,但是当无数个PM2.5悬浮在天空中就可以遮天蔽日。


这两年国家在脱硫脱硝上花了上万亿,取得非常大的进展,但是到冬天还有雾霾,一个重要因素是使用化肥以及氨排放没有得到足够的重视。化肥的排放就是氨的排放。

化肥有它的问题和弊性,它使用一年、两年、三年、五年没问题,但是用了三十年、五十年以后,问题来了。早些年硝酸铵、磷酸铵强酸弱碱,氨被吸收,酸留到土壤里面,引起土地酸化,把土壤中的细菌杀死,引起大面积的土地板结。


另外,用了化肥三十年、五十年后的土壤长出来的蔬菜看着个大皮厚,但吃着没有味道了。什么原因?

因为决定食品营养和味道的是生长作物的半米左右深的土壤中微量元素和矿物质的含量。土壤中有很多矿物质不溶于水,但是一遇到酸,会发生酸浸,浸三五十年以后,当半米深的土壤中这些微量的矿物质都没有了的时候,食品不可能不变。

对比1960年的玉米和2013年的玉米情况。1960年是纯粹自然生长的,2013年的是化肥催大的,看着个大饱满,但是每100克里面钙含量下降了78%。

人类大量使用化肥和农药,导致土壤中的微量元素不断下降,并伴随着哮喘、心脏病、癌症等疾病的增加。


中国自1978年改革开放之后,开始大量开始使用化肥,到大概2011年化肥产能接近峰值。这期间全中国粮食增产了87%,但化肥使用量增加到682%。每吨粮食产量需要0.1吨的化肥。2017年全国农作物总播种面积1.6亿公顷,平均化肥施用强度为352公斤/公顷,福建、海南、北京、广东等省市分别为751、724、707、611公斤/公顷;而国际警戒线值为225公斤/公顷(世界平均水平为120公斤/公顷)。


其实随经数百万至数千万年,物质不灭,土壤中宝贵的微量元素及矿物质是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分,基本都是通过光合作用二氧化碳形成的;不可燃的部分从哪里来的?

就是远古时期树根吸收的宝贵的矿物质、微量元素。但这些东西不能用火烧掉,一千多度以后它们就形成了玻璃状的琉璃瓦。 

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微矿分离技术.webp

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图4 微矿分离技术


现在我们有一个核心技术(图4)就是在水中把煤里面可燃的不可燃的分开进行磨细,底下浅色的就是土壤中最宝贵的东西,但是不能直接加,要经过一系列微生物的过程,最后形成最好的土壤改良剂。上层的劣质煤就可以制甲醇,这样甲醇的成本也可以降下来。这是环环相扣的。


为什么要从雾霾开始讲?

因为这种小颗粒像雾霾,过滤下来以后比重比空气重得多,它以2.5微米悬浮在空中不会落下来,除非下雨,因为当粒度到这么小的时候,重力就起不了作用,而是表面力在起作用。

那么既然它悬浮到空气中下不来,我们就让它悬浮到水里面造成类似“黑色牛奶”的燃料。

牛奶表面上看是液体,在显微镜底下其实是几十微米的氮颗粒悬浮在水里的。

我们将微米级的煤炭颗粒、纯碳颗粒悬浮在水里,然后设计一个锅炉,让它燃烧起来比天然气都干净。我们甚至可以直接用汽化炉制甲醇,得到的燃料比现在的船油还干净、还便宜,同时还可以解决中国的煤炭运输问题。

鄂尔多斯、吕梁、榆林等地高速公路上,很多大卡车拉煤,污染很重。

目前,我们储煤的地方海拔大约1500-2000米,运煤的地方比如深圳只有几十米的海拔,这样建一个管路自己就流过来了。


十年前,我说中国的雾霾汽车有贡献但是绝对不是主要的,要治理雾霾首先要把煤搞干净以后再烧;当时推动电动车的一批人,说要治理雾霾就要把汽车变成电动车。但是去年疫情期间很多地方封城,让我有机会做一个大实验,当时,全中国的汽车,包括电动车都停了两个多月,可北京、太原、西安、哈尔滨、郑州雾霾的天还是很多。原因在哪里?主要还是抗疫的时候大冬天家里供暖的问题,中国的天然气不够,大冬天,北方农村取暖还得烧煤。

当时,我以治理雾霾的心态做这个技术,现在已经产业化了,工厂已经开始运转了,而且做了很多大量的农田实验,效果比我们想象的要好。


06


现实的碳中和路径


这样,我们就可以谈碳中和的几个现实路径。


第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。

一方面可以让现有的煤制甲醇实现近零碳排放,

另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,这样让煤制甲醇厂不在排放CO2;再用甲醇取代汽柴油开车,或甲醇和水在线制氢发电推动燃料电池汽车或作为电动车的充电宝;这样可大大降低交通运输业的CO2排放,也可以部分解决中国石油不够的问题。

因为太阳能风能电解水既可以生产制备甲醇需要的氢气,又可以生产煤气化制甲醇需要的氧气;而且我们的微矿分离技术可以用廉价的劣质煤结合太阳能一起制甲醇,成本上在碳中和的背景下也会有竞争力。

这样把中国强大的太阳能风能发电能力释放出来,把风能和太阳能以甲醇液体的形式储存下来;是值得去探索的另外一条储能战略,让太阳能,风能能够大力发展减碳。(图5)


甲醇取代汽油.webp


图5 储能的另外一条途径:通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,制备甲醇无CO2排放。


第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。

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在煤燃烧前,把可燃物及含污染物的矿物质分离开,制备低成本类液体燃料+土壤改良剂,源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题,同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。

因为传统的煤炭使用方式燃烧二氧化碳排放产生的灰渣有10%的碳,不光是浪费能源而且现在变成了固废,整个内蒙古的电厂粉煤灰成灾。通过分离之后,该做燃料就做燃料,该做土壤做土壤,分流以后,这边释放二氧化碳,更多的森林长起来把二氧化碳吸回来,这样做了完全可以达到碳中和。(图6)



图6 微矿分离技术效果示意


当CSF产量达到25万吨时,我们每年碳排放大约69.5万吨,根据治理的面积大约可以吸回来20.8万吨,在施用SRA条件下,可以吸回来48.7万吨、61.9万吨,甚至74.9万吨。(见下表)

这是比较现实的碳中和的路径,而且不需要那么高的成本,适当花一点钱就可以做到的。


第三,实现光伏与农业的综合发展,将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举,实现光伏和沙漠治理结合,及光伏和农业联合减碳。

西部缺水,水一浇就漏下去了,因此,我们可以采用非常保水的材料。但是西部再保水,大太阳晒还是长不出来,怎么办?有了太阳能板,底下的挥发减少了,就可以种东西。太阳能有一个最大的好处,就是要定期冲这个板,有了发电,大家可以花一点钱拿PVC管子接点黄河水过去,每几周给光伏板冲水,同时,水资源宝贵,冲过的水我们还可以用来给农作物做滴灌。这样,发电的同时还可以把底下全部变成绿色,变好了再把太阳能板搬个几百米,一片片土地可以治理出来。(图7) 



图7 利用微矿分离副产的土壤改良剂让光伏与农业及沙漠治理综合发展


第四,峰谷电与热储能综合利用。

火电厂是半夜也不能停的。现在中国的火电厂在半夜12点到早上的6点电这个区间,尽管还在排放大量CO2,但发的电没人用,是浪费掉的。怎么办?电不好储存,可以用热的形式储存下来,利用分布式储热模块,在谷电时段把电以热的形式储下来,再在需要时用于供热或空调,这样可以让1/4甚至是1/3的时间的电不至被浪费,可大大降低CO2排放,实现真正的煤改电,再配合屋顶光伏战略及县域经济,进一步减少电能消耗。能量不仅仅是电能,国内储能领域对于储电关注较多,但实际上大多数的能量从消费端来看都是用在了热能领域,储热技术也是需要我们去关注和发展的。(图8)



图8 现实的碳中和路径4:峰谷电与热储能综合利用


第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。

可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。用甲醇液体作为太阳能及风能的载体,甲醇和水制氢再发电取代柴油发电机做分布式热电联供,结合屋顶光伏及储热及热泵技术在广大农村取代燃煤,不仅低碳,环保而且可以减碳。(图9) 



图9 现实的碳中和路径5:基于绿色甲醇氢能的分布式能源热电联供


最后提一下结论与展望,在“碳达峰、碳中和”的时代背景下,需要对一些误区进行澄清,同时认清技术的发展逻辑,找寻现实发展路径,我在这里总结了以上的碳中和可能的几个现实路径供大家参考。


谢谢大家!


2021.7月于深圳


+甲醇 +颗粒 +化肥 +碳中和 +土壤

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