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国外研制太阳热能电化学生产水泥工艺
双击自动滚屏 发布者:协会 发布时间:2012/5/18 【字体:

来自弗吉尼亚州(Virginia)阿西布恩(Ashburn)乔治·华盛顿大学(George Washington University),他们已经开发出一种方法,可生产水泥,没有二氧化碳排放。此外,科学家们估计,这种新的生产工艺更便宜,胜过水泥行业现在使用的工艺。

虽然人为温室气体排放的最大来源是电力行业,但是,第二大来源就是常常被忽视的水泥行业,它占所有人为二氧化碳排放量的5-6%。每生产10公斤的水泥,水泥行业就会释放9公斤的二氧化碳。世界每年消耗约3万亿公斤水泥,因此,这个行业最有可能减少二氧化碳排放量。尽管有些工艺正在进行探索,可以封存水泥生产中的二氧化碳,但是,到目前为止,没有工艺可以完全消除它。

传统上生产石灰要采用石灰石,燃烧化石燃料,在脱碳过程中会产生二氧化碳副产品。采用太阳热能电化学生产工艺,太阳热能用来加热石灰石,促进电解,可诱发不同的化学反应,不会产生二氧化碳副产品。

要抓住这个机会,进行改进,有一个研究小组,来自弗吉尼亚州(Virginia)阿西布恩(Ashburn)乔治·华盛顿大学(George Washington University),他们已经开发出一种方法,可生产水泥,没有二氧化碳排放。此外,科学家们估计,这种新的生产工艺更便宜,胜过水泥行业现在使用的工艺。

他们的研究发表在最近一期的《化学通讯》(Chemical Communications)上,科学家们描述这种工艺,称为“太阳热能电化学生产”(STEP Solar Thermal Electrochemical Production)水泥,或斯太普(STEP)水泥。这个小组以前曾使用类似的斯太普工艺,进行碳捕获,有望减少大气中的二氧化碳含量,使降低到工业化前的水平。

科学家解释说,水泥生产过程中,60-70%的二氧化碳排放量的产生,是因为把石灰石转换成石灰。这种转换需要脱碳,或者说去除石灰石(碳酸钙:CaCO3)中的碳原子和两个氧原子,获得石灰(CaO)和二氧化碳副产品。其余的排放来自燃烧化石燃料,比如用煤加热干燥炉反应器,产生脱碳过程所需的热量。

这种太阳热能电化学生产工艺解决了这两个问题,首先是取代化石燃料热源,采用太阳热能。太阳热能不仅直接用来融化石灰石,而且也提供热量,促进石灰石电解。在电解中,电流施加到石灰石上,会改变化学反应,这样,石灰石不是分解为石灰和二氧化碳,而是分解成石灰和其他一些混合的碳原子和氧原子,这取决于反应温度。当电解低于800摄氏度时,熔化的石灰石会形成石灰和氧气。当电解高于800摄氏度时,产品是石灰、一氧化碳和氧气。

“电解可改变反应的产品,因为石灰石要转换为石灰,”合着者斯图尔特·利希特(Stuart Licht)说,他是乔治·华盛顿大学化学教授。“不是产生二氧化碳,而是减少二氧化碳(增加电子),产物只有氧和石墨(可以直接存储为固体碳)或一氧化碳燃料,塑料或药品。这一成果,能耗低,产量高。”

分解后,碳原子和氧原子不再对大气构成威胁,这不同于二氧化碳。里希特解释说,在更高温度的反应中,一氧化碳副产品可用于其他行业,如生产燃料、净化镍(nickel),生成塑料和其他碳氢化合物(hydrocarbons)。此外,一氧化碳的生产显着低于市场价值,因为是采用这种太阳能热电解工艺。主要产品是石灰,不与其他副产品发生反应,而是形成泥浆,就在容器底部,很容易移除。

“这项研究提出了一种低能耗的全新合成方法,可制成石灰,没有任何二氧化碳排放,而且依靠的是熔盐意想不到的溶解度属性,”利希特说。“这种合成的完成,也可以不用太阳能,也不用我们的斯太普工艺,但是,特别有吸引力的地方,就是可以结合这项新的太阳能工艺。另外,这项新的合成技术可以用于工业中,生产水泥可以使用任何非太阳能的可再生能源或核能,没有任何二氧化碳排放,或者说可以大大减少二氧化碳,只需使用化石燃料,促进新的水泥生产(在后一种,也就是最坏的情况下,产品是石灰、石墨和氧气;仍然没有二氧化碳产品,但是,二氧化碳可用作能源,以促进这一进程)。”

据研究人员介绍,这一斯太普工艺可以实施,预计成本低于水泥行业现有的工艺。事实上,在计算一氧化碳副产品的价值时,石灰生产成本实际上是负数。研究人员的粗略分析表明,总成本中的石灰石材料、太阳热能和电力,是每吨石灰173美元,再加上0.786吨一氧化碳(每吨石灰产生0.786 吨一氧化碳)。一氧化碳的市场价值是每吨600美元,或每0.786471美元。所以,售出一氧化碳后,石灰生产成本是 173 美元-471美元 =每吨-298美元。相比之下,传统的方式生产石灰,成本是每吨70美元左右。研究人员强调,这样分析是不全面的,但它表明了斯太普水泥的成本效益,这甚至还没有考虑,很有价值的是消除了二氧化碳排放。

科学家补充说,这种斯太普工艺可以扩展,超越水泥生产,进行其他应用,除把石灰石转化成石灰以外,还可以净化铁和铝;生产玻璃,造纸,制糖,用于农业;清洁烟囱;软化水;消除污水中的磷酸盐。

研究人员的下一步挑战,是升级这项工艺,进行商业化。他们指出,盖马太阳能公司(Gemasolar)这家大型太阳能热电厂已在运作。其他太阳能热发电厂也在跟进,预计会减少用电成本。要保持稳定运营,熔盐储存热能,可以使生产继续进行,就是在波动的日照下和夜间也可以。另一个问题是找到足够的碳酸锂(lithium carbonate),用作电解质,但是,这种金属在斯太普工艺中并不消耗,因此也不是一项经常性的成本。

“我们计划升级户外斯太普水泥原型,这一般需要增加各种有益的化学品,也都是我们新的太阳能工艺产生的,”利希特说。“目标是取代今天的化石燃料经济,采用可再生的化学品经济。升级是一个挑战。虽然这个工艺是全新的,但是,个别组件(太阳能塔,24/7运行熔盐存储太阳能)已经到位。太阳能可以用来有效制备各种产品,不产生二氧化碳,而且太阳能效率高于光伏产品。”

                                          来源:工信部网站

 
 

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