人民日报中国经济周刊官方网站国家一类新闻网站

经济网 中国经济论坛

首页 > 发现中国原创技术 > 正文

中国化学家发明碳回收革命性技术

文章导读: “速生草本植物碳转化刈割封存技术,可促进生物质飞跃大增产,获得足量的生物质,将其制备成固体、气体、液体形态的能源产品,替代化石能源,实现大气温室气体负增长,可降碳除霾,解决相关环境问题。

降碳除霾,引领全球“碳汇革命”

【发现中国原创技术】中国化学家发明碳回收革命性技术

《中国经济周刊》 记者 胡维佳 | 湖南报道

“速生草本植物碳转化刈割封存技术,可促进生物质飞跃大增产,获得足量的生物质,将其制备成固体、气体、液体形态的能源产品,替代化石能源,实现大气温室气体负增长,可降碳除霾,解决相关环境问题。”中国的一位化学家雷学军自信地对《中国经济周刊》介绍说。

雷学军研究员,湖南省精细化工研究所所长、全国劳动模范、国务院政府特殊津贴专家。他发明的“速生草碳转化刈割封存技术”,即利用速生草的光合作用,将大气中的二氧化碳转化成固态的有机碳化合物,从而减少大气中的二氧化碳含量,在全球二氧化碳的回收方面实现了革命性突破。

与此同时,来自环保、科技等相关机构和领域的多位专家,在对雷学军的专利技术和科研基地进行调研和考察后认为,此技术的另一革命性意义在于,将有限的森林碳汇变成无限的植物碳汇,改虚拟的“指标”碳排放权交易为可计量的实物碳产品交易。

“如果此项技术在实践应用中,确能达到减碳、固碳、除霾效果,并能推广形成产业规模,那么其现实意义不可忽视。”一位权威政策研究专家分析说,“既解决中国节能减排和除霾的技术难题,又可以缓解中国节能减排的巨大压力,改善中国在世界上的环保负面形象。”

雷学军对自己技术的自信及其潜在意义,远超过专家的预估和评价。“我们经过科学测算,如果此技术得到规模化推广应用,那么,中国只需要用50年时间,种植和加工4369亿吨碳产品,全球二氧化碳的浓度就可以降低恢复到工业革命前的水平,实现人类碳排放与碳回收的自然平衡状态,二氧化碳的减排就会成为历史。”

令雷学军没想到的是,他的专利技术得到了一位地方官员的高度认可,并自愿为他做试验试点:位列中国百强县第7位的湖南省长沙县,确定2014年创建全国首个“零碳县”试点发展模式,县委书记杨懿文亲任试点领导小组组长。

杨懿文说,长沙县之所以自愿率先试点,他们的考虑是,长沙县是工业大县,但同时也一直高度重视生态发展,“如果借助此项中国原创发明技术,长沙县能在全国率先实现‘零碳县’目标,那么全国2856个县也可以通过复制实现零碳。中国的节能减排目标也许可以由此实现。”

p63-1

1.雷学军研究员(右)与他的博士生学生在其速生草科研基地。

p63-2

2.速生草固碳后的有机碳块

碳回收的革命性技术——依靠速生草吸收工业革命带来的二氧化碳增量

全人类都在努力,但也都不明白:为何没人能将工业革命带来的历史遗留问题——二氧化碳排放增量或存量给解决掉?

对于普通人来说,二氧化碳的回收是个知识盲点和技术难题;但对于化学家雷学军来说,难题似乎只是一个简单的化学原理:二氧化碳的排放和回收,原本是自然界自我完成的一个循环平衡,即地质运动、人类和动物等生存排放,海洋、森林和草原等植物吸收;但是,从工业革命开始,化石能源的使用人为地将碳排放一下子陡增。根据联合国政府间气候变化专门委员会统计公布的数据,工业革命前,即1750年,大气中的二氧化碳总质量约为1.462万亿吨,而工业革命以来将这一数字骤然扩大为2.1万亿吨,增加了6380亿吨。也就是说,目前,人类节能减排需要从大气中回收的二氧化碳,就是这6380亿吨。

如何回收和减少呢?雷学军介绍说,从科学原理看,二氧化碳的回收途径很简单,通过自然界中的植物吸收。他算了一笔账:现在的世界森林总面积约40 亿公顷,储存的碳储总量为2890亿吨。换句话说,现有的世界森林面积能够形成的森林碳储总量只有2890亿吨。城市化和工业化使森林面积不断减少,因此,对全球节能减排目标中需要减少的6380亿吨二氧化碳来说,森林已是尽力了。

“现有的森林面积是经过6500万年才形成的,地球陆地面积有限,因此用扩大森林面积来减碳的思路根本行不通。”雷学军断然否定。

除此之外,他还对寄希望于秸秆等生物质能源来实现减排目标的美好愿望,用数据泼了一盆冷水:现在世界能源年使用总量约160亿吨标煤,相当于 320亿吨碳产品,而世界秸秆年总产量43.8亿吨,仅占世界总能耗的13%。因此,秸秆不能替代化石能源,不能实现大气二氧化碳负增长。

“既然依靠森林自然回收和依靠减少新排放,都解决不了化石能源带来的二氧化碳存量问题,我们就必须转换思路,回到治本这一起点。”雷学军说。

何为治本?

雷学军将复杂的科学难题翻译为通俗语言:种植既速生、体积又高大的草本植物(代替生长缓慢的森林),通过光合作用吸收空气中的二氧化碳;然后再将速生草通过干燥和成型,减小体积、做成标准碳产品,最后封存在仓库中,从而达到固定空气中二氧化碳的作用,降低大气二氧化碳浓度。

何谓速生草本植物?

在雷学军的科研基地,第一次来参观的人都会被一种从未见过、比人还高的速生植物吓一跳:2~3米高、叶子宽大、种植密集,外形类似玉米和高粱,而且在湖南地区每年可以像割韭菜一样重复收割3到4次。更令人吃惊的是,他们的研究发现,以乔木普遍50年的生长周期计算,速生草由于一年可多次收割,同样的种植面积,50年在一个单位地块反复收割种植的速生草加起来,叶面总面积是乔木的260~370倍;叶绿体总数量是乔木的250~350倍;生物质总量和捕碳总量是乔木的50~80倍。

这些速生高大的草本植物被收割后,便被送到科研基地的“固碳加工流水线”:鲜草通过干燥、粉碎、压缩,最后成为“压缩饼干式的标准碳产品”。

据介绍,这些速生草的选育、栽培、加工、储碳、封存,可实现大气二氧化碳负增长,并能代替化石能源、化学肥料、化学农药,制备精细化工产品,修复生态环境等进行综合利用,雷学军已经申请获得了29项发明专利。

在科研基地,记者看到了整齐封存的标准碳产品。但它们真的将二氧化碳吸收并储存了吗?

面对记者的疑问,雷学军提供的“南方林业生态应用技术国家实验室”为其所做的技术检验报告显示:有机碳块中有机碳含量达49.2%,封存1吨有机碳块相当于封存1.46吨二氧化碳。

为了帮助记者更通俗地理解标准碳产品的碳储量与现实中二氧化碳排放的关系,雷学军又算了一笔账:钢铁企业一直是碳排放“大户”,例如宝钢,按其1500万吨产量计算,二氧化碳排放量约为3000万吨;为固化这些二氧化碳,就需要2054.8万吨碳产品。

从一个企业扩展到全球,数字又如何?雷学军测算,将全球大气中二氧化碳浓度从当前的0.0391%降低到工业革命前的0.0275%,需封存4369亿吨标准碳产品;若每年封存90亿~110亿吨,需种植土地、湿地和水面面积约10000万公顷,“我国的土地、海洋资源完全能够满足”,雷学军说,这一过程只需50年时间,就能使大气中二氧化碳浓度降低至工业革命前的水平,让空气污染、温室效应和雾霾问题得到根本性的解决。

湖南启动中国首个“零碳县”试点

速生草固碳的技术理论如何从实验室向实践推广应用?

今年1月21日,中共长沙县委下发了关于成立“零碳县”发展模式试点工作领导小组的通知,由县委书记杨懿文亲自担任领导小组组长。

长沙县,中国百强县排名第7,有令人羡慕的经济发展速度和经济效益。“只有经济发展快还远远不够,还必须走低碳经济道路,将财政资金用好,用于生态保护。”杨懿文对记者说。

所谓“零碳县”,就是将全县生产生活产生的二氧化碳排放用速生草固碳封存,实现全县二氧化碳零排放。

据了解,工业排放是长沙县空气污染的主要来源。县规模以上企业达到400余家,其中销售额过亿的企业超过100家,2014年长沙县将对规模以上工业企业进行二氧化碳排放量测定,进而完成全县的碳排放普查工作。

按照《长沙县“零碳县”发展模式试点实施方案》,今年全县将封存标准碳产品10万吨,实现2000亩种植基地、20亩加工基地与50亩仓储基地;2015年,封存30万吨;2016年,封存60万吨,并完成县委提出的100万吨级标准碳仓库的建设目标。杨懿文表示,除标准碳仓库外,碳产品还可以存放在附近的废旧矿坑里等等,并不会占用工业和农业用地。

10万吨、30万吨、60万吨,大规模固封二氧化碳,钱从何来?

杨懿文表示,刚开始试点时,县财政会对项目给予财政支持。2013年长沙县财政总收入达到180亿元,同比增长19.7%,预计2014年财政收入超过200亿没有问题,县政府将从中拿出约1000万对项目进行补贴。但最终,二氧化碳固封项目必须实现商业化运作,也只有这样,才能保证项目的可持续性。

按规划,从2015年开始,长沙县将在各领域确定试点企业3~5个,启动试点企业的碳排放权模拟交易系统。杨懿文介绍说,目前对于包括二氧化硫在内的4种污染物,长沙县对企业收取排污费用,未来县里或将适当减少这一部分排污费的收取,将其置换为国际通行的“碳税”,所谓“碳税”,就是多排放多交钱、少排放少交钱,按照二氧化碳排放量来收取,做到谁污染谁治理。

不过,与以往税收不同的是,“碳税”拟将与标准碳产品绑定,即排放多少二氧化碳,就要购买相应数额的标准碳产品,目前的计划是,一吨标准碳产品430元。

这种“碳税”运作模式,不但能实现固碳项目的有效运转,提供持续资金,也能自动淘汰一批高污染、高能耗的企业,倒逼企业创新减排。

尽管试点已正式启动和实施,但杨懿文书记坦言,零碳县由于是全国首家试点,推行中也遇到了不少困难,例如速生草种植过程中滩涂地的确权、如何积极动员农民种植速生草、调动企业的积极性,以及建立“碳税”的法律执行体系等等,“许多问题都必须在国家层面上才能得到解决,因此固碳项目若能在全国范围内铺开,势必对项目的局部试点起到巨大的推动作用。”杨懿文说。

日前,雷学军领导的项目组已在长沙县首次固封10吨二氧化碳,形成6.8吨碳产品,完成了二氧化碳的首次固封。按照现有数据计算,2011年长沙县二氧化碳排放量约为164万吨。减去县域境内森林、水体等碳汇约155.8万吨,碳源减碳汇后,仅需固化8.2万吨标准碳产品,堆放成10米高的碳堆占地10.3亩,就能达到二氧化碳“排”、“固”平衡,实现零排放。

为中国政府变革碳汇交易争取主动权

就在长沙县积极试点“零碳县”,建立碳排放权模拟交易系统的同时,2013年11月11日,在华沙召开的2013年度联合国气候变化大会谈判持续了40多个小时,其中,“碳汇交易”成为各方广泛关注的热词。

所谓碳汇交易,是基于《联合国气候变化框架公约》及《京都议定书》对各国分配二氧化碳排放指标的规定,创设出来的一种虚拟交易。发展工业而制造了大量温室气体的发达国家,在无法通过技术革新降低温室气体排放量达到《联合国气候变化框架公约》及《京都议定书》对该国家规定的碳排放标准时,可以采用在发展中国家投资造林的方式,增加碳汇,抵消碳排放,从而降低发达国家本身总的碳排量的目标。

简单地说,所谓碳汇交易,就是发达国家出钱向发展中国家购买碳排放指标,一些国家通过减少排放或者吸收二氧化碳,就可以将多余的碳排放指标转卖给需要的国家,以抵消这些国家的减排任务。

“中国如果通过速生草固碳技术大量固定二氧化碳,就可以将相应的碳排放指标转卖给其他国家,不但能产生巨大的经济效益,还能从根本上逆转我国在气候变化谈判中所遭遇的困境,变被动为主动,履行减排承诺,推翻国际社会对中国日益增加碳排放的指责,为中国积极制定国际规则争取主动权。”雷学军说。

相比目前二氧化碳买卖指标的虚拟交易,速生草固碳交割的是标准碳产品,这一“实体交割”模式,或将在诸多方面改革现有的碳汇交易方式。首先,标准碳产品的固碳量是可准确计量的,将标准碳产品制成体积、重量相同的标准碳,可实现碳汇交易的准确计价,填补了国际碳交易产品不能准确计量的空白;其次,标准碳产品相比“森林碳汇”固碳效率更高,且不用占用大量土地,成本大大降低了。

从虚拟交易到实体交易,从森林碳汇到植物碳汇,“打开了碳汇交易的新思路。”杨懿文书记介绍说,未来长沙县将加大对项目的扶持力度,争取制定出第一个速生草固碳封存技术标准,创设标准封存仓库和标准碳交易制度,加快推进项目建设。

对于未来标准碳交易制度的推广,雷学军建议创立《国际植物碳产品封存与碳排放权交易新公约》,将标准碳交易推向国际。此外,据了解,在中国国内,有关国家层面碳排放控制、碳交易的顶层设计也正在研究之中。未来标准碳交易制度,或将在更大范围内得到普及推广。

记者在科研基地采访时,遇到了来此调研的相关政府部门的几位领导和专家,其中一位专家评价说,当年苹果砸出了英国物理学家的“牛顿定律”,刈割韭菜则启迪了中国化学家雷学军;“种植速生草本植物实现大气二氧化碳负增长”这一朴实的科学思路,蕴藏了革命性技术的大智慧,希望这一中国自主创新的技术,经过进一步的科学探索和实践应用,真正为解决大气污染问题找到一条新出路。

p66

专家点评

科技部调研室主任胥和平:

速生草固碳技术为固碳、碳汇开拓新思路

寻找适宜的固碳技术,真正实现碳收集和封存,以减少大气中存在的碳存量,对解决全球气候变化非常关键。人们过去的努力,一方面是通过专用技术收集人类生产生活的碳排放(如重大动力装备的碳排放),但目前仍然是技术成本高、数量规模小;另一方面,则是希望通过森林吸碳、固碳,但森林固碳周期长且是阶段性的,最终仍形成碳排放,未必真正形成碳封存,因而仍没有解决碳存量的减少问题。

通过速生植物固碳,为我们解决碳排放问题打开了新思路。

这种技术利用植物的自然光合作用转化二氧化碳,能将大量的二氧化碳固封在植物体内,并通过速生植物加工实现碳封存。大面积种植一年多次刈割的速生草,如种植皇竹草、芦苇等速生草,可以充分利用劣质土地,像河滩、海岸等资源,实现大规模的碳收集、封存,可以大大降低碳收集、封存成本,有效降低大气中二氧化碳浓度,为高效解决碳排放、碳捕捉问题找到了一条重要途径,对推动从高碳经济向低碳经济转型具有开创性的意义。

近年来,由于我国二氧化碳排放量的不断上升,受到国际社会不少指责。对此我们要客观地、历史地看问题,要积极应对措施。虽然我们历史排放量少、人均排放量少、转移排放量大(西方高碳产业转移到中国),但近年来我国人均排放量和排放总量迅速上升的形态,确实对我们提出了严峻挑战。大规模的碳排放,已经严重影响经济和生态环境的可持续发展,已经成为关系到中国经济社会转型发展的重大问题。在解决问题的思路上,我们不仅要控制高碳产业的发展规模和速度,同时更要致力于碳收集和封存,以真正实现大气碳含量的降低。速生草固碳技术及其引发的固碳产业发展(碳收集、封存、使用、服务等),以及碳汇交易方式变革(将森林碳汇变为植物碳汇),对中国探索新的发展模式,在国际谈判上争取主动,具有重要的意义。

驾驭高碳是赢家

湖南省精细化工研究所所长、国务院政府特殊津贴专家 雷学军

低碳经济还只是个空洞概念

近年来,很多人在盲目推崇低碳经济。但低碳经济不仅需要强大的技术基础,还会遏制经济发展速度。低碳经济不适合正处于发展阶段的中国。

所谓“低碳经济”是以低能耗、低排放、低污染为基础的经济模式。最早出现在英国能源白皮书《我们能源的未来》。在此背景下,“碳足迹”、“低碳经济”、“低碳技术”、“低碳发展”、“低碳生活”、“低碳社会”、“低碳城市”、“低碳世界”等一系列新概念、新政策应运而生。同时,碳政治、碳课税、碳产品、碳汇林、碳商人等统统被倒进一个锅里,炒出了一个个让人迷糊的碳概念。

其实,大家都明白,在没有找到实用、经济、安全和充足的新型能源替代化石能源之前,低碳经济只能是一个空洞的概念。对于中国这样的发展中国家来说,如果盲目遵从西方发达国家倡导的低碳经济模式,不仅会遏制经济发展速度、丧失发展权利和发展机遇,还会在碳交易的国际竞争和国际谈判中丧失主动性和主动权。

中国短期内难以摆脱高碳经济

首先,中国正在加快推进工业化、城市化和现代化建设,正处在能源需求和能源消费的快速增长阶段,碳排放总量仍会不断增加,短期内碳排放总量有可能位列世界第一。在现有能源结构下,要想有效地降低碳排放总量,唯一的办法就是停止经济发展,这显然是不可能的。因此,中国正经历“高碳”特征突出的“发展排放”。

其次,富煤、少气、缺油的资源条件,决定了中国能源结构以煤为主,低碳能源资源的选择有限。电力中,水电占比只有20%左右,火电占比达77%以上,“高碳”占绝对比例。

第三,我国经济的主体是第二产业,这决定了能源消费的主要部门是工业,而工业生产技术水平落后,决定了我国经济的“高碳”特征。例如,工业能源消耗占能源消耗总量高达约70%,特别是采掘、钢铁、建材、水泥、电力等高耗能工业行业的能源消耗量又占了能源总消耗量的约60%。

第四,粗放的工业技术是降低碳排放量的瓶颈。我国整体科技水平落后,技术研发能力有限。尽管《联合国气候变化框架公约》规定,发达国家有义务向发展中国家提供技术转让,但实际情况与之相差甚远,我国发展低碳经济所需高端技术,主要依靠商业渠道高价引进。

第五,商品出口和化石能源进口带来的碳排放转移。我国是一个商品出口大国,为外国人生产提供了大量的商品,丰富了他国的物质生活,却把生产排碳的烟囱架在了中国大地上。

但是,已伴随工业革命完成经济发展的发达国家,现在却大力提倡低碳经济模式,主导国际碳交易规则,设置碳关税等壁垒,借低碳经济遏制中国发展。

谁驾驭了高碳,谁就是赢家

低碳经济是一种积极的节约行为,但也是一种消极的发展概念,它必然会产生制约经济社会发展的负面效应。因此,必须转变思路,寻找解决“高碳”出路。

目前,世界碳封存方法主要是工业封存和森林碳汇两种。工业碳捕集和封存技术(CCS)的弊端是投资大、能耗高、成本高、存储有泄漏风险等;森林碳汇则存在种植面积有限和残枝落叶腐烂等二次排放问题。

碳捕集和碳封存,难道真的就是人类无法解决的世纪难题吗?

其实,从化学角度看,碳排放和碳捕集是一个极其简单的自然过程:生物质的使用和燃烧,向大气中释放CO2,再利用植物通过光合作用吸收大气圈中的CO2转化成生物质。再使用,再获得,周而复始地循环,谓之循环经济。

基于这一思路,我发明了用速生草本植物捕碳、储碳的专利技术,这是中国人在全球高碳领域的技术突破。速生草本植物制备的碳产品是目前世界上唯一可准确计量的碳交易产品,可改变现有的国际碳汇交易标准,引导国际碳排放权交易市场新秩序的建立。同时,我国应迅速建立科学的碳税制度,用碳税支持新技术实施,应对和破解发达国家设立碳关税遏制我国对外贸易壁垒。

进行碳交易的碳产品,应该是存世量大,可实现大气CO2负增长和可准确计量的、碳处于非循环状态的静碳产品。最好的碳交易产品应该是碳分子和碳分子间能固定位置和体积的固态碳产品;其次是碳分子间能固定体积不能固定位置的液态碳产品;碳分子间不能固定位置和体积的气态碳产品,只有在密闭容器内处于封存状态时,才能作为碳交易产品;能够向大气中释放碳的动碳产品不能参与碳交易。

研究掌握碳循环规律,对碳释放、碳转化、碳计量、碳封存、碳应用等碳循环过程实施技术控制、统筹和顶层设计,使我国能充分合理地利用没有国界、没有纷争的大气碳资源,获得可持续发展的大量物质财富,创造生态文明,走出低碳经济困局,成为驾驭高碳的赢家。

  • 微笑
  • 流汗
  • 难过
  • 羡慕
  • 愤怒
  • 流泪
责任编辑:正正
0