国外专家开发出太阳热能电化学生产水泥工艺 无碳排放

虽然人为温室气体排放的蕞大来源是电力行业，但是，弟二大来源就是常常被忽视的水泥行业，它占/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，这个行业蕞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/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。

　　他们的研究发表在蕞近一期的《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，”合著者斯图尔特·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，一氧化碳的生产显著低于市场价值，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，也就是蕞坏的情况下，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0.786吨471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/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。”