2020年内燃机学会论文集

彻底解决碳排放的思路和方法摘要：随着现代工业产业逐步形成，人类也养成一些习惯行为和做法。比如烧锅炉排烟、汽车尾气排放，好像是必然发生和天经地义的行为。今天，是时候通过理念的更新，打破惯性思维的牢笼，让我们的工业生产过程来一次变革，从根本上解决碳排放及其他污染气体排放问题，让污染物质资源化，同时实现热量、能量的充分利用，达到减排、节能、增效的综合目的。 一、 碳排放现状和危害自工业革命以来,人类活动大量排放的二氧化碳使全球出现变暖趋势,北极冰雪也加速融化，引起极端性气候灾害频发，严重危害人类生存和发展。对于全球变暖,科学家已经基本达成共识:最近50年来气温的上升主要是由于二氧化碳等温室气体增加造成的。因为二氧化碳是一种可长期存留的温室气体，它的排放量最终必须降到接近零的水平，中国目前是世界最大的碳排放国。随着经济的发展，今后仍将持续增加。尽管中国的碳排放总量仍在增长，但排放增速自2005年以来已“稳步下降”了大约30%，2014年增速甚至放缓至接近于零，并且中国的发电厂平均能源使用效率也处在世界领先水平。中国承诺其二氧化碳排放量将在2030年左右达到峰值，有推算认为最高将达到150亿吨。作为全球最大的二氧化碳排放国，为达成这一目标中国将投入超过41万亿元人民币。二、 碳排放来源及控制人类活动造成的碳排放是温室气体剧增的主要因素！人类碳排放主要来自于化石燃料的使用以及其他工业生产。煤炭、天然气、石油、水泥在1960～2012年间的累计排放量占总排放量的比例依次为39.2%、17.2%、40.5%、3.1%。2012年的比例依次为42.8%、19.0%、33.0%、5.2%。近十多年来，由于煤炭使用量快速增长，来自于煤炭的排放也快速增长。从上述数据可以看出，化石燃料能源生产和利用的排放占温室气体排放2/3，减少碳排放的根本出路是减少石化燃料消耗！而能源又是经济增长基础。既要确保世界经济增长和能源安全，解决70多亿人的衣食住行，又要顾及各国不同国情逐步减少对化石燃料的依赖。所有的发展中国家目前也都面临两难境地，既要发展经济，又要应对、减缓气候变化。在现有技术条件下，如果减少碳排放，就意味着它们要承担经济放缓甚至停滞的巨大成本。这无论从现实和道义上都讲不通。对于中国特别不是一件容易的事情。即使采取较积极的能源政策，包括提高可再生能源和油气等清洁能源的比例，到了2020年我国煤炭消费仍占约60%。三、 碳排放吸收固定地球空气中含有约不到0.03%的二氧化碳，而且在过去很长一段时期中，含量基本上保持恒定。在自然生态系统中,陆地植物和海洋生物通过光合作用从大气、水中摄取并固定碳的速率,与自然环境生物、火山、温泉等排放源释放到大气中的速率基本是相同的, 二氧化碳始终处于“边增长、边消耗” 的动态平衡状态。大气中的二氧化碳有80％来自人和动、植物的呼吸，20％来自燃料的燃烧。散布在大气中的二氧化碳有75％被海洋、湖泊、河流等地面的水及空中降水吸收溶解于水中。还有5％的二氧化碳通过植物光合作用，转化为有机物质贮藏起来。而现在,随着工业的迅速的发展,使积存在地层中千百万年的碳元素,在很短时间内释放出来,而破坏了原有的碳循环的平衡，积累的二氧化碳估计需要50~100年才能自然消耗、固定。对于空气中微量的二氧化碳等温室气体，除了依赖环境自然消耗以外，人类目前没有更好的办法。我们所能做的，就是设法增加、强化海洋、陆地吸收、固定、储存碳的能力。四、 减排理论创新除了保护海洋环境，保护陆地植被来帮助环境增加吸收二氧化碳的能力以外，人类能做的主要在于减少碳排放。目前，减少碳排放主要有以下几种技术方向和选择。1、 采取清洁能源首先一个方法就是使用含碳量低的清洁化石能源。但是采用天然气、页岩气等替代煤炭，同样存在很多问题，首先还是使用化石能源，存在枯竭的问题；其次含碳比例虽然下降，但仍有一半的排放；再次，有专家认为，这类石化燃料排放的水蒸气，是城市雾霾的成因之一，因为有雾才有霾的物理条件，局部空气含水量增加，容易随着气候变化快速形成污染物的“气溶胶”，这就是霾！再有就是发展非化石能源，如核能、水电、风电、太阳能。但是就电力供应总量而言，可再生能源所占的比例仍很小。全球来看，新型可再生能源，也就是风能和太阳能，在全球主要能源供应量中所占的比重仍不足5%。1990年，化石燃料在全球电力供应中所占的比重为88%，2012年这个比例是87%。学术界也对于风能造成环境生态变化、草原沙化，太阳能光伏在产业链过程的污染、效率问题提出很多疑问，这些能源供应方式到底是不是人类的最终出路，还没有得出定论。使用低碳能源和可再生能源显然是出路，但一国的能源结构涉及的因素太多，并非一朝一夕所能解决。2、 提高能源的利用率现在全社会倡导节能减排，呼吁每个人通过改变用能习惯，实现低碳生活，参与到拯救环境、拯救人类自己的行动中来。但是个人的能力有限，并且少数发达国家的人均耗能长期居高不下，从某种角度来讲，这条路显然不是好的出路！传统的能源利用观念是习惯于消耗能源来满足能源需求，节能减排手段也习惯于追求能源消耗过程中尽可能百分之百的利用。这样的思路和方法已经无法实现高耗能环节的大比例节能降耗。社会能耗水平随着经济社会的发展只能不断增加。人们熟知的能量守恒定律，让我们许多人忽略了使用一种叫“热泵”技术的热能搬运 “杠杆”作用。即消耗一份能量，带动其它介质中已有热量的再利用，目标得到同样热能，但新消耗的高品位能源、石化燃料大大减少，通过能量的流动，替代能量简单消耗，实现大幅度节能减排。热泵技术有很多种，空调、制冷系统采用的是一种压缩式热泵系统，空调可以高效率地将室内外的热量来回搬运，能效比普遍在3倍以上，换句话说，比直接消耗能源物质获得热量的方法，节约能源三分之二以上！而人们使用空调、冰箱已超百年，这些年逐步推广开的水源热泵、地源热泵，也都是该原理的典型应用。热泵有太多种类，驱动热泵工作的能量来源也包括电能、热能、势能等。现有的热泵系统输出可以很容易地达到100℃以上，介入“水-汽”沸腾高耗能环节，并且长时间高效率运行，如果我们的锅炉能从现在努力追求100%的效率，变成起步就是200%～300%的效率或更高，节能50%以上，从原来需要热量就消耗能源物质转换获得，变为从其他环节高效率回收、搬运获得，系统新增的能量消耗、环境热排放仅是原有直接能耗模式的几分之一、几十分之一，大大提高了能源的利用效率。事实上要想实现人类能源资源的成倍增加几乎不可能，采用技术创新将社会能耗降低三分之一、三分之二甚至更多则完全可能！只要设法“让能量动起来”，能量守恒定律就能保证人类有了用不完的能源，地球也就没有日益变暖的危险了。3、 发展能源利用基础理论现在理论界都在研究新的理论、新的能源，对于传统能源和能源应用基础理论则没有人反思和研究。目前中国电力能源的约70%靠火电提供，但是火力发电的工作原理还是基于100多年前诞生的郎肯循环，几乎没有发展！汽车、飞机还用的是“卡诺循环”，也没有突破进展。即便到了今天，郎肯循环仍产生世界上90％的电力，包括几乎所有的太阳能热能、生物质能、煤炭与核能的电站。从哲学意义上讲，郎肯循环诞生的年代有必然的历史局限性，那个时代研究热力学的机械条件、流体力学理论和现在差距很大，难免存在一些理论限制和认识不足。即便是能量守恒定律都已经发展到了质能守恒，且还在发展，“卡诺循环”、“郎肯循环”就无懈可击、十全十美了？其实人类一百多年的技术进步已经有理由对郎肯循环进行发展、创新。射流技术能实现利用非机械动力的方式实现对完成做功后的乏蒸汽进行再利用，可压缩流体热力学理论也能让我们设法直接回收再利用未能直接利用的乏汽凝结释放的冷凝热，让未能通过汽轮机一次转化为功的热量有机会参与下一次做功循环，经过多次转化做功，在理论上实现蒸汽动力循环整体热效率的大幅度提高。我们提出了一种“新的蒸汽动力循环”设法实现“能量动起来”，也对卡诺循环进行再认识和应用创新，提出“热机冷下来”。希望藉此带来理论界的新的探索，改变能源应用主要模式，提高热机的效率，实现各行业大幅度的节能、减排、增效。4、 碳捕获并资源化利用l 碳捕集二氧化碳利用的前提是如何持续稳定地获取二氧化碳资源，而这方面的技术已经基本成熟。对于大量分散型的CO2排放源是难于实现碳的收集，因此碳捕获的主要目标是像化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂、合成氨厂等CO2的集中排放源。首先有一种方法通过“富氧燃烧”提高排放废气中二氧化碳的浓度，便于高效率回收，采用直接冷却、压缩就可以实现碳捕捉。针对二氧化碳含量不同的各种废气，也已经形成了相应的回收方法，包括低温蒸馏法、膜分离法、催化燃烧法和变压吸附法等。本文将提出一种简单、高效、环保、低成本，可以适用各种浓度、不同成分的含二氧化碳废气的冷凝回收方法，还可以同时分类回收其他温室气体和有害气体。l 碳埋存近年来人们尝试把集中收集到的二氧化碳浓缩液化、固化后深埋地下、深海。但从长远来说，这只是一个“鸵鸟政策”，并且能处理的碳和自然界消化、固定的碳相比，微乎其微，也留下严重生态危机隐患。还有一种利用金属和金属化合物与二氧化碳再反应生成金属固化物封存的办法，反应过程还能释放热量，是一种另类的燃烧过程，通常需要在2000℃以上或更高的温度下实现，但产生其他更复杂污染物的情况将更加严重，目前行业技术进展不大。l 碳利用二氧化碳可以用于食品、化工、消防、农业、石油、人工降雨等诸多领域。从每吨600~800元的价格，就能反映出他的价值。二氧化碳作为化学品原料加以利用已初具规模。尿素是固定二氧化碳的最大宗产品，其次是无机碳酸盐，还有利用二氧化碳制碱、制糖、合成可降解塑料等。虽然二氧化碳是非常优秀的灭火剂，但是实际使用还不够普及，特别当它用于大范围常规火灾（如森林火灾）或一般性危化品火灾（天津滨海新区危化品火灾）时，有非常好的灭火效果。今后应进一步推广应用，同时也实现了大量的碳存储。二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，一定范围内，二氧化碳的浓度越高，植物的光合作用也越强，因此二氧化碳是最好的气肥。有实验证明二氧化碳在农作物的生长旺盛期和成熟期使用，效果显著。在这两个时期中，如果每周喷射两次二氧化碳气体，喷上4～5次后，蔬菜可增产90%，水稻增产70%，大豆增产60%，高粱甚至可以增产200%。我们可以利用这种方式，给森林“施肥”，主动促进植被的生长，大幅度增加环境绿色植物吸收二氧化碳的能力。收集到的二氧化碳不是低温就是高压存储，根据我们的“热机冷下来”理论，固态、液态二氧化碳还可以吸收环境或其它介质里免费的热量，气化膨胀为高压气体，用于推动机械工作。实验室里已经将现有内燃机稍加改动，就可以成为一个“气动机”，使用高压二氧化碳气体作为动力源。有实验证明，使用液态二氧化碳作为“动力”，携带介质体积比汽油大5~8倍，但综合成本是汽油的二分之一或相近，有推广应用的商业价值。想象一下不久的将来，一个远洋货轮，携带大量液态二氧化碳作为媒介，吸收海水的热量膨胀为高压二氧化碳气体，成为轮船的动力来源，最后排放到大海里，增加海洋吸碳量，减少兴波阻力，一举数得！一辆经过改装的长途汽车、火车头，携带液态二氧化碳，当途径一个山路、草原的时候，启动气动模式，二氧化碳吸收环境空气的热量变成高压二氧化碳气体，继续推动车辆前进，排出的二氧化碳尾气成为山间、草原绿色植物的“气肥”。五、 冷凝回收碳排放现有的气体冷凝收集虽然是一种常用的手段，但是采用极低的温度来对沸点很低的废气、污染气体进行吸收的具体应用还不多。我们提出一个利用超低温冷源，对成分复杂的工业尾气、废气进行分级冷却、冷凝处理，将尾气中所含的温室气体液化，初步分离、分类存放，可以变废为宝，进一步集中处理，实现尾气零排放。同时可以将尾气所含的显热、潜热部分转换为电能、机械能的解决方案。1、 利用液态空气冷源液态空气是把空气制冷降温到空气的沸点以下，空气从常温的气态变为接近-200℃的液态。利用这样的液体作为冷源，通过一个装置，对废气进行制冷，最后沸点较高的二氧化碳等气体液化、固化，低沸点的液态空气吸热气化后排放，通过液体置换，实现了废气中污染气体、温室气体的收集。系统 示意图如下：废气从废气入口进入风冷蒸发器进一步降温，再进入回热换热器（如板翅换热器或套管式换热器）利用处理后的冷气逐步降温，进一步到换热器进一步降温；到低温冷凝器达到最低温度，废气中二氧化碳冷凝，处理后干净的气体再回到回热换热器，利用排气低温对新进入的废气预冷，冷量充分利用，最后回升到接近进气温度后再排放；液态空气被低温泵送入低温冷凝器作为冷源，同时吸热气化成为高压气体，再经换热器进一步换热升温后，进入膨胀机做功带动发电机发电；膨胀机排出的气体也进入回热换热器对进气预冷。废气中的水蒸气冷凝后再次喷淋到风冷蒸发器蒸发，提高冷量的利用率。这样的系统，设备成本约每吨位15000元；用1Kg、-191℃、汽化热约37、气体比热0.25的液态空气，经过膨胀机做功发电后再次吸热，大约可以置换 -78℃、汽化热137的二氧化碳0.6Kg，同时可以发电0.15KwH。1吨液态空气批发价150元，回收的0.6吨二氧化碳按批发价650元计算价值390元，还能发电150KwH价值75元，毛利润约315元；还能回收少量浓硫酸盐、硝酸盐溶液。2、 利用热泵冷源以现有的二级制冷压缩式热泵系统，很容易实现-80℃ 的输出，利用这样的冷源，通过一个装置，对废气进行制冷，将废气中的二氧化碳等气体液化、固化，实现了废气中沸点低于冷源温度的污染气体、温室气体的收集。系统示意图如下：废气从废气入口进入回热换热器（如板翅换热器或套管式换热器）利用处理后的冷气逐步降温，到低温冷凝器达到最低温度，废气中二氧化碳冷凝，处理后干净的气体再回到回热换热器，利用排气低温对新进入的废气预冷，冷量充分利用，最后回升到接近进气温度后再排放；冷凝热被热泵转移到储水罐的热水中备用。这样的系统，设备成本约3000元/KwH；用1KwH的电能，成本0.5元，制冷效率0.85（理论值是2），能输出大约可以输出“冷量”714Kcal，约回收-78℃、汽化热137、气体比热0.25的二氧化碳4.4Kg，按批发价650元/吨计算价值2.86元。同时还能输出120℃的水蒸气2Kg，或者温升50℃的热水31Kg，按每吨热水25元计算，价值0.7元，毛利润约3元。根据中欧煤炭利用近零排放合作项目在2009年年底作出的报告，二氧化碳的捕集成本为18欧元/吨, 捕集和封存二氧化碳的综合成本为25-30欧元/吨。本文提出的方案和已有数据接近甚至更低，综合效果也更好。从上述两种方式分析，均具有较好的经济性，设备成本不高，通用性强，投资回收期短，社会推广的价值很大，企业的积极性会很高！六、 实施阶段展望在推广应用上述碳收集资源化方案的步骤，应该首先从碳排放比较集中的环节下手。例如各种锅炉、窑炉、大型内燃机等。例如从采暖锅炉、工业生产蒸汽锅炉、发电厂的燃煤锅炉排烟口、烟囱，获取本来要排放的烟气，将其中的污染气体、温室气体回收。热泵冷源系统采用的设备，都是工业领域里成熟的系统，制冷冷源从数千瓦到数千千瓦都可以生产，换热系统、冷凝器也都是成熟产品，低温储罐早都有国家标准，很快可以实现规模化生产。这样的系统安装试用过程中，对原有的生产系统不需要改造，具有很好的可行性、安全性，易于工程化，系统安装调试、投入使用过程可以逐阶段实施，实现平稳过渡。后续使用过程中也可以灵活启动、停止。由于具有良好的经济性，企业的改造、使用的积极性会很容易调动起来，市场化操作非常容易整合各方的产能、资金、资源。液态空气冷源方法具有系统简单，可以输出辅助电力、动力等特点，适用于机动车尾气回收。可以由政府带头示范，在城市公交、环保环卫车辆上优先试用，逐步向重点运输单位、物流等企业推广，让他们在减排的同时，也能从节约燃料、销售回收的资源等多方面获得更好的经济效益。针对有条件利用二氧化碳作为动力介质，将二氧化碳带到海洋、森林、草原等环境释放的企业，可以进一步给予奖励、补偿，实现国家、企业、环境多方受益的目的。七、 结束语一位生物学家在玻璃杯里放了一只跳蚤，这个可跳到自己身体400倍高度的“跳高冠军”，毫不客气就跳了出来。后来，试验者在玻璃杯口上放了一个玻璃盖，这只不知情的跳蚤便连续不断地撞在玻璃盖上。不断地撞击之后，这只跳蚤适应了这个高度，再也没有一次撞到玻璃盖。这时，试验者取走了玻璃盖。却发现，这只跳蚤再也跳不出杯子了。一周过去，情形依旧。这只跳蚤只会把自己的跳跃保持到这个高度了。怕撞头，不敢再跳？已经习惯，懒得再跳？还是已经默认这只杯子，就是自己无法逾越的高度？看来，它是被自己通过亲身实践而总结的成功经验束缚住了。今天，我们人类不能当那个跳蚤，需要打破惯性思维，对已经习惯了、想当然的、传统的工业生产过程重新梳理，利用技术进步的成果进行基本理论、工艺过程的再认识，实现创新发展，再来一次能充分发挥自己能力的“飞跃”！我们需要通过能量、动力、排放的变革，彻底解决能源、资源高效利用和环境污染问题。 参考文献：【1】李芬芬等，电厂烟气中二氧化碳的捕获，化学工程与技术 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