低碳能源技術創新思維

茍仲武

人類碳排放主要來自于化石燃料的使用以及其他工業生產。煤炭、天然氣、石油、水泥產生的碳排放在1960～2012年間的累計排放量占總排放量的比例依次為39.2%、17.2%、40.5%、3.1%。2012年的比例依次為42.8%、19.0%、33.0%、5.2%。從上述數據得知化石燃料能源生產和利用的碳排放占排放量2/3，因此一般性認為減少碳排放的出路是減少石化燃料消耗。

能源是經濟增長的基礎，所有的發展中國家都面臨兩難境地，既要發展經濟，又要應對、減緩氣候變化。在現有理念和技術條件下，如果減少碳排放，就意味著它們要承擔經濟放緩甚至停滯的巨大成本。這無論從現實和道義上都講不通。對于中國特別不是一件容易的事情。即使采取較積極的能源政策，包括提高可再生能源和油氣等清潔能源的比例，到了2020年我國煤炭消費仍占約60%。

本文將通過用一種新的角度對碳排放現狀進行重新分析，提出系列創新理論來減少碳排放、加大碳固定，并以資源化高效利用來保證減排全過程的市場化動力，實現可持續的碳資源循環利用和經濟的低碳發展。

一、碳排放現狀成因的創新分析

現在學術界認為森林、海洋吸收二氧化碳的能力是有限的，只能吸收人類活動新增排放的很小一部分。但事實上，人類活動產生的碳排放和自然界本來已有的碳循環總量相比只占很小的一部分。僅僅土壤碳呼吸過程中對環境的碳排放就達到3000～5000億噸，是人類每年約500億噸碳排放的8～10倍。在2010年時，這個比例曾經是12～16倍。每年全球由于毀林造成碳循環破壞所產生的二氧化碳排放與同期化石燃料燃燒釋放量相當，也能證明這一觀點

我們也都知道，不論是陸生植物還是水生植物或藻類，都是碳水化合物，絕大多數植物的碳元素的唯一來源就是二氧化碳，植物每生成1kg干物質就要消耗二氧化碳約1.6kg。在進行無土栽培植物的過程中，只要營養液中有少量必要的無機鹽，不需要任何有機物，也就是說不需要碳元素，就可以完全保證植物正常生長發育。那么我們在糧食作物種植的過程中施的有機肥為什么能促進作物生長發育呢？其作用主要是有機物在微生物作用下分解產生二氧化碳和熱量。沒有有機肥，作物不是不能生長，而是長不好，究其原因也是沒有足夠的二氧化碳來進行高效率的光合作用。試驗研究表明，人類生產生活的環境大氣的二氧化碳濃度約在100～2000ppm（0.01%～0.2%）內，作物產量隨二氧化碳濃度增加而提高。如果把二氧化碳濃度降到50ppm，光合作用就會停止。生產實踐中發現，農業溫室大棚中夜間二氧化碳氣體因植物呼吸作用和土壤有機物分解釋放的積累，達到較高水平，在日出前一般都在600～1500ppm之間，日出后作物開始光合作用，溫室內二氧化碳濃度迅速下降，如果沒有充足的補充，2小時左右二氧化碳濃度將降至100ppm以下，作物處于二氧化碳饑餓狀態！

一般認為植物光合作用最適宜的二氧化碳濃度是800～1500ppm，溫棚中噴施二氧化碳，將空氣中二氧化碳濃度從野外平均濃度200ppm，提高到1200ppm，即達到或接近我們辦公室內的二氧化碳濃度，不同品種農作物的生長速度和產量提高了60%～200%。也就是說提高二氧化碳的濃度可以大大改善植物光合作用的條件，促進光合作用，改善植物的養分合成和加工。當然，也意味著植物固定二氧化碳的能力成倍增加。

顯然，大自然植物的主要碳元素來源，不是依靠人類活動提供，植物吸收、再利用的碳元素主要來自其附近土壤因其含有的有機物分解，釋放的二氧化碳。通過空氣對流、擴散帶來的二氧化碳只是占有很小的比例。即便是地球大氣層二氧化碳濃度上升50%，從280ppm達到現在的約380ppm，這個濃度還是難以讓植物的光合作用有大的變化。因此，靠增加水生、陸生植物面積來大幅度增加環境固碳能力的思路是行不通的。

我們曾經到數個化工廠調研，這種工廠通常都有大量的二氧化碳排放，規模都達到每小時數十、數百噸碳排放。交流中，工廠的朋友都不約而同說到一個現象，工廠建成開工短短幾年內，周邊小環境、小氣候發生很大改觀，沒有進行人工的特殊干預，不毛之地很快變得郁郁蔥蔥，風調雨順。感覺植物非常容易生長、發育。我們分析，這應該就是二氧化碳“氣肥”起到的“意外”作用。

因此，我們大膽的提出一個結論：自然界的植物碳匯的潛力是巨大的，遠遠大于人類活動產生的排放。森林植被破壞能造成碳排放快速增加，而通過植樹種草產生的碳固定效果則是緩慢和長期的。利用、影響、恢復碳循環來解決碳排放問題，遠比通過減少石化燃料消耗、化學利用二氧化碳、直接物理存貯封存、增加森林植被面積吸收等方式更快速有效。

讓我們把新產生的碳排放盡可能“捕集”起來，輸送到海洋、森林、草原，農田、溫棚里去，造成局部二氧化碳濃度大幅度增加，影響碳呼吸、碳循環過程，讓植物固碳的作用成倍提高，同時也促進植物的快速生長，農作物產量也大幅度增加。實現低碳、減排、增效多贏的局面。

二、碳排放來源的創新控制

我們現在還有必要分析一下人類工業化過程產生大量碳排放的歷史成因。即使到了今天，工業領域和人們日常生活中都把排放二氧化碳當成一件理所當然的事。進行環境評價的時候，排放物里面如果沒有特殊化合物，如硫化物、氮氧化物、粉塵即達到清潔排放的標準，排放物含有二氧化碳、水蒸氣、熱量其實都是局部環境空氣的增量和干擾，也將影響局部環境指標，本應同樣得到處理。

每個鍋爐都有煙囪，煤炭燃燒后碳排放成為習慣，但是仔細分析一下，煤炭的燃燒過程是一個化學反應過程，在生成近4倍重量二氧化碳的同時，釋放燃燒熱。排放的二氧化碳其實是比燃燒過程釋放的熱更有價值的資源，目前市場批發價每噸高達500～800元，淘寶零售價更達到每噸一萬元。化學產物的價值比釋放的熱能價值高2～3倍，人們長期以來都是抓了燃燒熱這個“芝麻”，扔了燃燒化學產物這個“西瓜”。

造成這個結果也有其歷史原因，倒退幾十年，煙氣中二氧化碳幾乎無法回收，回收了也沒有什么太多用途，人類當時也沒有減少碳排放的環境保護壓力。但是今天則完全不同了，回收煙氣二氧化碳的技術已經成熟，回收成本低廉，回收的二氧化碳用途廣泛。人們也已經認識到碳排放對環境的危害，到了應該徹底處理碳排放、必須處理碳排放問題、可以從根本上解決碳排放問題的時候了。

我們再提出一個建議，對我們人類普遍使用的燃煤、燃油、燃氣過程進行改革，讓每一臺鍋爐、每臺燃燒裝置像化工廠的反應設備那樣工作，既利用燃燒反應釋放的熱量，還要利用化學反應產生的化學產物，把化石資源的價值“吃光榨凈”，在減少環境污染物排放的同時，實現效益的大幅度增加，實現低碳、減排、增效的有機統一。

我們還提醒，對于那些建設在遠離城市的化工企業、大量碳排放企業，也許沒有必要進行碳捕集，只要要求他們周圍小環境加強植物培育，相信很快就可以和前面所說的化工企業一樣，通過碳排放的“自產自銷”，就地實現低成本、高效率、環境友好的碳固定。而那些周圍沒有大量植被實現碳固定的碳排放企業、碳排放設備，應該加強碳捕集、碳回收，通過城市捕集、野外排放的空間轉移、冬季捕集、夏季排放的時間轉移，借助綠色植物的光合作用，高效率實現碳固定，同時實現直接、間接創造新的經濟效益。

三、碳排放資源化利用的創新

目前工業領域的碳排放比較容易集中捕集，捕集的方法很多，每捕集一噸二氧化碳的成本約合100多元人民幣或更低。但近年來碳排放的資源化利用幾乎沒有大的突破，究其原因是理論界思想觀念陳舊，需要進行觀念創新和理論創新，才能徹底改變碳排放資源化利用的現狀。本文將以干冰作為一種動力轉化介質入手，探討一下碳排放資源化利用的創新。

多年來，有無數的科學家試圖讓二氧化碳能再次逆變成為某種“燃料”。這些人幾乎都在化學逆向反應上做文章。但是這樣的過程，都是需要能量，實現燃燒逆向反應也非常困難，而且除了考慮采用太陽能、模擬植物光合作用的方案以外，即便實現逆向反應，也只能算是對高品位能源的儲能再釋放，得不償失。

近年來，我們通過對熱機的工作原理進行再認識，提出“讓熱機冷下來”的觀點。熱機的本質是熱量引起介質升溫膨脹、做功，加熱升溫是手段，膨脹增壓是目的。人們不應該將熱機的工作溫段僵化、固定在從常溫到高溫，而從低溫升溫到常溫也會引起某種介質升溫、膨脹，推動活塞、渦輪葉片運動做功，將常溫、低溫的熱量同樣轉化為機械能。

二氧化碳是個很神奇的物質，常壓下，它可以以-78.5℃超低溫、固態的形式“干冰”存在；到了約10個大氣壓的環境中，二氧化碳又會變成液體流動便于輸送。用干冰作為工質，可以吸收利用環境介質空氣、水的熱量受熱氣化，如果限制在一個封閉的容器中，就可以得到數十個大氣壓壓力的常溫二氧化碳氣體。這個高壓、常溫的二氧化碳氣體完全可以推動氣動機械輸出動力做功。由于熱機的原理沒有改變，熱機也無需大的改動，只需要對現有的汽車稍加改進，就可以使得原來消耗燃料，工作在高溫溫段的發動機，改為利用超低溫工質，撬動環境熱能參與，讓氣缸內產生同樣大小的膨脹壓力來推動活塞，讓發動機在常溫溫段繼續工作。

改造前，汽車是帶著能源物質，吸入不需要付費的環境空氣，燃燒后釋放的熱量讓反應后的混合氣體升溫、膨脹，高壓高溫氣體的膨脹勢能在發動機內轉換為動能，帶動車輛運動，做功后尚有余熱的高溫廢氣被排放到環境中；改造后，汽車是帶著超低溫的工作介質干冰，通過換熱器，吸收不需要付費的常溫空氣的熱量，汽化、氣化，升溫膨脹，最后是高壓常溫二氧化碳氣體推動發動機運轉，帶動車輛運動，膨脹釋放內能后大幅度降溫的低溫二氧化碳氣體則被排放到空氣中。這個過程已經在實驗中得到驗證。初步估算，讓發動機輸出同樣的動力消耗的“工作介質”體積雖是原來燃料消耗的5～8倍，而綜合成本是使用燃料時的近三分之一，相當于又回到了蒸汽機時代，不同的只是工質從水變成了干冰，熱量的來源不是依靠燃煤，而是取自于環境空氣或水等常溫物質。

改裝實驗中還注意到，干冰首次氣化的過程，其實是一個吸熱過程，也就是一個制冷降溫過程，是一個非常不錯的“冷源”，可以在提供動力的同時，為冷藏、冷凍運輸設備提供大量冷量；為冷凍法海水淡化設備提供優質冷源。做功后，氣體溫度因為內能減少而再次下降，又達到-50℃或更低，還可以再次作為冷源輸出冷量。

用于改造農用機械，在提供動力的同時，干冰氣化后的二氧化碳也成為農作物的氣肥，降低了農機使用成本，減少石化燃料消耗，還給農作物、農田施了氣肥，一舉數得。

冬季使用燃料燃燒供暖的時候利用新型可以回收制備干冰的鍋爐回收煙氣中二氧化碳，制作干冰的過程也實現燃料燃燒熱量的高效率、最大化回收再利用。冬天沒有植物，應將干冰儲存起來；到了夏天，利用干冰吸熱制冷，氣化后高壓二氧化碳氣體推動汽輪機輸出動力發電，最終排放的低壓二氧化碳氣體成為夏季植物的氣肥，實現碳排放資源的跨時間、跨空間的高效利用、綜合利用。

四、二氧化碳綜合利用范例

本文提出解決碳排放的思路主要是設法通過大幅度提高植物生長環境周圍二氧化碳的濃度，來充分發揮自然界的植物通過光合作用吸收、固定二氧化碳的巨大潛力來從根本上解決大氣層二氧化碳氣體積累、增加的問題。實現這個過程主要有碳捕集、碳運輸、碳布撒等若干環節。其中碳捕集的有關技術已經相當成熟，本文不再贅述。

二氧化碳的運輸曾經是一個較大的問題，因為這個過程中是個消耗能源、成本較高，沒有經濟回報的過程。現在，利用干冰作為介質，吸收環境的熱量，并通過熱機轉化為動力輸出，解決了碳運輸過程的高能耗成本的問題。運輸過程中少量的消耗其實也實現了某種意義的碳肥“布散”過程。下面通過幾個利用二氧化碳的應用范例，來進一步解釋說明。

（一）干冰用于森林滅火

森林火災時有發生，常用的滅火方法很多，但都是常規的手段。以水滅火為例，如果噴灑的消防滅火用水、滅火干粉沒有直接噴淋到火源，則幾乎不能發揮降溫和隔絕空氣的作用，即便有條件大量使用，滅火效果也不好。

以前限于經濟條件和技術條件，使用干冰滅火都是“高端消費”和“奢侈品”。但是到了今天，干冰容易生產、運輸、儲存，目前的成本也不高了，應該考慮大量采用干冰這個非常理想的滅火材料來實現森林應急滅火。采用干冰進行森林滅火，制作成一個個干冰炸彈，通過提前布設形成阻火帶，通過定時、定溫起爆，或者飛機空投，觸地爆炸，或者巨型迫擊炮拋射、近炸引信引爆。不管干冰是否能接觸火源，只要炸碎的干冰顆粒布撒在火源附近、火源的上風口、火源的高處，都能迅速氣化實現降低火場溫度，隔絕空氣阻止燃燒的作用。氣化的二氧化碳就像一張巨大的“冷氣毯”，覆蓋整個火場，并且隨著氣流的流動自動流向火源，持續氣化的干冰還能有效阻止火災復燃，實現快速、徹底滅火。

最后殘留在森林火場的二氧化碳氣體，是森林很好的氣肥，逐漸被周圍的林木吸收，沒有任何污染物殘留，滲入地下土壤、水分吸收的二氧化碳氣體，也有利于火災現場的植被恢復生長，一舉數得。人類使用水滅火，已經數千年歷史了，今天該創新、改進一下了，該淘汰這種陳舊、低效率的傳統滅火方式了，

（二）干冰作為動力介質

大型漁輪功率在500馬力以上，每小時消耗燃油數十公升。需要消耗大量的燃油作為動力。固體二氧化碳（干冰）吸收海水的熱量可以氣化為50個大氣壓以上的高壓氣體，為遠洋漁輪提供動力；這個過程中，約10公斤干冰相當于1公斤燃油，輸出的動力相當于2～4千瓦時電力。吸熱的過程還相當于制冷，提供的“冷量”可以用于冰凍海產品、淡化海水，這10公斤干冰同時累計可以吸收的熱量，相當于0.5公斤燃油做功制冷的冷量。10公斤干冰氣化過程還能同時淡化產生10公斤以上的淡水。綜合估算干冰替代燃油的重量比為6：1，即干冰的使用量比燃油大6倍。而干冰的價格是燃油的十分之一或更低，因此使用干冰的成本是燃油的二分之一，而且實現了真正的“零”排放。

使用干冰作為動力介質，是一個非常好的環保、節能、增效的方案。首先采用的干冰是從其他直接排放到環境中的二氧化碳捕集制取而來，不是增量排放。使用過程中能量的來源取自于環境，沒有消耗化石燃料；排放的二氧化碳“尾氣”增加了海洋、海平面的二氧化碳濃度，甚至可以直接注入水中，增加了水體的二氧化碳溶解度，促進海洋植物、藻類的光合作用，通過食物鏈促進了海洋生物、海洋水產資源的再生和恢復，實現安全、低碳、減排、增效、環境友好的綜合效益。這種應用方案也同樣適用于海島、遠洋貨輪、郵輪采用。

我們現在的高鐵的每一節車都叫動車，都有獨立的動力系統，高鐵的車頭僅僅是控制室，反而沒有動力，合在一起稱為動車組。如果每節車廂都能攜帶5噸干冰作為動力工質，則在運行中可以提供500匹馬的動力長達6～8小時。在列車進入人口稠密區域時使用電力牽引，行駛到曠野、草原、森林的時候切換到“干冰”介質的環境熱能動力模式，既提供了一種清潔的動力，又實現了碳布撒、碳轉移，強化、利用了綠色植物固碳能力，實現了綠色動力。

這些絕非科幻，具體實施過程不存在理論障礙和技術壁壘，推廣應用就在眼前。馬戲團里表演的大象，都是從小就開始訓練的。小象很調皮，故常把小象拴在木樁上。由于小象力量小，經過很多次試驗，它都無法將木樁拖出來，時間久了，只要把小象拴在木樁上，它就知道自己無法掙脫，也就會很安分了。小象長成了大象，力大無窮，可以輕松拔起一棵大樹，但卻能很老實地被繩子拴在木樁上。因為從小的經驗告訴它們，木樁的力量比自己大，是唯一可以拴住自己的東西。

基礎科學理論確實已經發展完善，但是我們是不是還存在對理論的認識偏頗或慣性思維？應用科學理論和歷史生產力發展水平相關，早期提出并沿用至今的一些應用理論肯定存在時代和歷史的局限性和不足。《國際歌》有一句歌詞唱得好：“要沖破思想的牢籠”。而一旦沖破思想的牢籠，走出思維定勢，甩掉那根“木樁”，我們的潛力將會得到極大釋放，將會創造各種奇跡。

五、后記

在撰寫這篇文章的時候，開始作者的思路是為了解決溫室氣體對環境的影響，而“科學家們”特別是掌握先進科技手段和話語權的國外“專家”們“一致”認為二氧化碳、水蒸氣、臭氧層破壞是造成氣候變暖、海平面上升、南極冰川消融的主要原因。但隨著相關資料的收集整理，一個意外的結論出現了，碳排放真的是造成氣候異常的主要原因嗎？

大氣中水蒸氣的含量占1%，是二氧化碳含量的25倍，靠近地面的水汽含量則更高，達到二氧化碳的100倍。二氧化碳的分子結構決定只能和陽光中15微米帶、10 微米帶、5.2 微米帶等波段的長波輻射產生共振。而水汽的共振區間幾乎覆蓋了所有波段。翻譯過來就是水汽的吸收熱量、紅外線的能力遠遠大于二氧化碳。更可怕的是我們現在推廣“清潔能源”的一個重要舉措就是將燃煤改為天然氣和燃油，這個過程造成大量的水汽排放，不僅僅是增加了空氣中吸收熱量的氣體，也是大幅度增加了霧霾的主要載體水蒸氣的排放。

再冷靜的思考一下也讓人啞然失笑，地球熱容量如此巨大的地表空氣和土壤、海洋，怎么就能被含量不到0.04%的微量氣體所吸收的熱量影響了呢？我們所學的科技理論知識已經難以解釋這一結論了。回答這個問題已經超越科技領域，屬于政治的范疇了。因此作者為了維護自己的科技道德，從自己的科技素養和認識水平出發，在文章中最終刪除了所有關于二氧化碳和溫室效應的關聯文字，避免對文章的嚴肅性帶來損害。本文提出的技術方案都是出于對環境資源、能源的合理利用、循環利用、高效利用，以創造更好的社會效益和經濟效益為出發點，具有實現的可行性和商業價值。