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夏亚沈:CO2资源化和燃料合成——绿色机会和未来

2018-01-18 09:36:23 中国能源网

2018年1月12日,由中国科学院科技战略咨询研究院、国际能源署(IEA)、联合国项目事务署(UNOPS)指导,中国能源研究会分布式能源专业委员会、中国能源网等联合主办,国家电网公司、汉能控股集团等协办的“2018未来能源大会”在北京隆重召开。美国HyCharEnergy公司创始人,海加控股集团公司总裁和首席科学家夏亚沈作了题为“CO2资源化和燃料合成——绿色机会和未来”的演讲。 

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以下内容根据演讲实录整理摘编:

夏亚沈:非常荣幸到这里来跟大家交流。我今天给大家介绍一下我们做的这个项目。这个项目做了大概十几年,主要是跟西北大学还有美国其他院校合作,研究一个重大的问题-我们一直在关注的,就是二氧化碳的资源化。

这些事情我们应该都比较清楚,二氧化碳问题跟能源有关系。我们现在要用很多很多的石油,也要用很多很多的煤炭。原油大量的依赖国外,依存度达到65%。煤炭也是我们的一个主要的应用,这样我们就会产生很多的二氧化碳。二氧化碳问题,不管是从美国到欧洲,包括中国,这个问题在学术界和工业界都在考虑怎么样能够解决。

我们把这个东西做了一个课题,要把二氧化碳用掉。首先我们是煤炭大国,就必然要进行煤炭燃烧,这是主要一个取得能量的办法。现在讲究煤清洁化,但其转化过程也产生很多的二氧化碳。不管是用煤来生产合成油,或者是合成甲醇,都无法避免,排放非常巨大。二氧化碳成了一个世界非常关注的问题。

二氧化碳问题到底能不能解决?我们的观点,或从开始研究这个课题的时候,我们就认为这个问题是可以解决的。原因在我们地球的早期,45亿年左右,在地球形成的时候,地球冷却成一个球体的时候,从几千度冷却到现在的平均温度15度,经历过一个非常长的过程,当地球形成固体以后,有很多很多的火山爆发。科学界经过多少年的研究,做了很多的模型,做了很多的地质调查,发现当时地球的二氧化碳可能有10个大气压,浓度非常高,地球上主要的成分是二氧化碳和水气从火山喷发出来,并没有氧气。这些二氧化碳和水气,在某种条件下,逐步地还原,当然这里面发生了很多的过程,逐步的还原,最后大量的下降,最后下降到工业革命的时候,大概是200个PPM,现在又上升到400个PPM。实际上早期这些碳和水气中的氢,已经大量的合成出碳氢化合物。这些碳氢化合物就变成了植物和生物。那么,在什么样的条件下,才能够把它们合成出碳氢化合物呢?又怎么样能够放出这么多氧气,最后变成一个目前的有氧气的地球?我们认为,是由于当时大量的负电性的闪电产生的作用生成了碳氢化合物。这样一来,它才有很多很多的碳氢化合物。水气和二氧化碳合成,最后合成出一些不同的碳氢化合物,使地球放出了很多的自由氧分子或氧气。在这个过程当中,经历了大概25亿年。25亿年以后,地球的碳氧平衡主要是靠光和作用来维持平衡,但以前是电合作用,包括我们石油的形成也跟这个有关。这种电合作用,我们很可能重新实现,来解决二氧化碳的问题。我的团队的博士生、硕士生做了一些电合作用的实验,做了一些小的反应器,这些反应器已经合成了很多的东西,当然有一种东西是明显对我们现在有利,就是它们能够在负电场里面形成乙醇。我们主要用放电的金属,放出的电子,这些电子通过不同的金属表面会有不同的电子放出来。不同的电子如果用钢针、金针放出的电子能量是不一样的。在一定的电能条件下形成的负电场,最后可以轻易的形成乙醇。它的机理大概是这么一个化学过程,中间经过了很简单的二氧化碳分解,形成一氧化碳,水蒸气变换生成氢气,形成乙醇。乙醇大量的供应,在全世界仍然是个大问题,在美国是靠玉米来生产,4500万吨,中国现在乙醇的产量是250万吨,也是用粮食。我们现在提出的方案就可以用二氧化碳的废气来合成乙醇。2000万吨的二氧化碳可以合成1000万吨的乙醇。

乙醇可以做什么呢?未来可以做氢燃料电池车,日产汽车做了模型示范车,是用乙醇来进行分解产氢,乙醇作为储氢的办法。车上装的是乙醇和水,乙醇会分解,分解完了以后产生合成气,经过一个固体氧化燃料电池发电。他们的试运行,加一次燃料可以行驶600公里以上。

我们已经做了好几个系统,用不同的结构做了不同的反应器来合成乙醇,还可以合成各种各样的碳氢化合物。我们已经合成出各种各样的碳氢化合物,这种直流的负电场反应器耗电很少,测试显示,生产每公斤有机燃料耗电一度电左右,不超过4度电。现在这个小的20升单电场反应器每年产能是一吨有机原料。我们要用这个技术,这个机理,合成出燃料达到二氧化碳的资源化。我们这是一个例子,包括有碳7、碳8、和碳16成份。庚烷是汽油的主要成分,16烷是柴油的成分。现在我们能够合成出不同的有机混合物,包括丙烷、庚烷、甲基环己烷、甲基苯甲醛、甲基苯甲醇、甲基十四烷和16烷等等这些不同的产品。这样的反应器实际上是一个小的电子-气体反应器,相当于一个小电容器,里面是各家各户常用的负离子发生器。可以简单的把一个一个的电场连接在一起,串联起来。我们现在演示的是一个单电场反应器。我们还有两个电场,12个电场反应器。这些电场连接起来以后,就可以把一定流量的二氧化碳全部都处理掉,最后把它合成成燃油和有机物。西北大学的学生们也合成出尿素,就是用二氧化碳加上氨气生产尿素,都是常温常压下进行的。

未来它可以把这样的东西,这样的反应器,处理烟道器排放气,加上水蒸气,就是和蒸汽锅炉结合起来,可把二氧化碳变成燃料。还可以用这种技术,处理煤层气、页岩气、沼气,都可以把它们变成液体燃料。所有的这些反应器都是在常温常压操作,非常简单,非常容易放大,而且里面没有一点催化剂。

它的优势是很明显的。它放大容易,工艺简单,不需要任何的贵金属催化剂,不同的反应器结构可以合成出不同的燃料组合,很容易分离。比如,400万吨煤制油过程可能产生大约4000万吨的二氧化碳,排放是非常大的,就是说煤制油产生的二氧化碳非常多。如果把这些二氧化碳在这个过程中进行处理,用电也不多,能把它变成碳氢化合物,最后二氧化碳的问题就能解决。这样的话,我们整个过程,用这种技术,能够合成乙醇,能够用于氢燃料电池车,也可以把二氧化碳变成可以利用的有机原料,不管是燃油还是用于塑料的原料。最后,使用这样的过程技术,我们也可以解决电力的储能,所有的电厂也可以把它不用电的时候或低谷电期间用它处理二氧化碳。如果这样处理二氧化碳,电能就被碳氢化合物作为化学能储存起来了。这些碳氢化合物都是可以用的,又可以变成燃料,变成能源,这样电厂的电能就被储存起来,这个技术推广起来,将来可以为可持续的发展开辟一条光明的道路。谢谢大家!




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责任编辑: 张学坤

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