將二氧化碳變廢為寶

文/ Dominik Stephan

將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成炭黑——現(xiàn)在有許多以二氧化碳為原料的研發(fā)項目，但這些項目大多是從煙囪開始的。現(xiàn)在卡爾斯魯厄理工學(xué)院KIT與Power to X技術(shù)專家和流程工業(yè)工程師們一起合作，希望將周圍空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為炭黑。項目的參加者既有朝氣蓬勃的年輕人也有成熟老道的年長者。

現(xiàn)在市場上對于煤炭有著很大的需求。不管是壁爐取暖還是美食燒烤等活動都需要煤炭，而且煤炭也是一種重要的工業(yè)原料。炭黑是以煤炭為原材料生產(chǎn)出來的基礎(chǔ)材料通用名稱，這種基礎(chǔ)材料在輪胎生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，也用于顏料、填料或者電氣工業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域中。因為這些產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域背后都隱藏著一個大眾都熟知的東西：碳。

炭黑，也有人將其稱為工業(yè)炭黑。盡管炭黑有著許多不同的質(zhì)量等級，但炭黑中99.5%的組成成分都是直徑很小的（一般為10 nm~300 nm）、有著高表面積-體積比的碳。炭黑恰恰是從化石燃料中提取的，而化石燃料不僅代表著氣候變化和環(huán)境污染，而且還代表著自2019年以來的氣候變化和環(huán)境污染元兇：石油，天然氣和煤焦油。源于古生物化石燃料的炭黑使現(xiàn)代化世界處于進(jìn)退兩難的境地，因為人們對化石能源有著很大的依賴。2015年時世界各國承諾，到21世紀(jì)末將全球變暖的溫度控制在2℃以下。這需要大量的努力和經(jīng)濟(jì)建設(shè)最大程度的“去碳化”，也就是需要減少化石燃料的消耗。

在集成式的示范設(shè)備中，將嘗試從環(huán)境大氣中直接獲取二氧化碳的工藝技術(shù)

然而二氧化碳一旦“被生產(chǎn)”出來，它就會在大氣中保留很長的時間。因此有相當(dāng)多的聲音主張捕獲、存儲或利用大氣中的二氧化碳。CCS碳捕集和碳封存技術(shù)就是從空氣中分離出二氧化碳，將其固化成無機(jī)碳酸鹽進(jìn)行保存或者地質(zhì)封存的技術(shù)。而簡稱為CCU的方案則更先進(jìn)了一步：它表示的是碳捕集和碳利用，將二氧化碳當(dāng)作原材料的技術(shù)。

煙囪里的化學(xué)反應(yīng)

世界各地的許多研究所、企業(yè)和開發(fā)商都在研究煙囪里的化學(xué)反應(yīng)，通過他們的研究也得出了一些驚人的研究結(jié)果：無論是在商用PUR聚氨酯泡沫塑料中將二氧化碳加入到聚合物鏈中，還是將冶金高爐的廢氣作為原材料使用，或者是將廢氣重新轉(zhuǎn)化為汽油，這些項目或許有著這樣或者那樣的區(qū)別與差異，但都有著一個共同點：實驗室和技術(shù)中心里的試管都含有共同的物質(zhì)“碳”，都來自于煙囪。而那些大型“煙囪”，例如煉鋼廠或者水泥廠的煙囪則是項目開發(fā)人員關(guān)注的焦點。這并不奇怪，因為這些煙囪氣流中的二氧化碳濃度非常高。被研究的行業(yè)中有不少都是二氧化碳的排放大戶（例如水泥工業(yè)的二氧化碳排放量占全球排放的8%），因此在這些行業(yè)領(lǐng)域中有著很大的減排潛力可以挖掘。

不論廢氣中二氧化碳的濃度是多少，都要減少或者避免排放它們。如果不僅僅是要實現(xiàn)碳中和，還想得到比碳中和更好的效果，那么現(xiàn)在就必須作出實際行動。聯(lián)合國的政府間氣候變化專門委員會IPCC解釋說道：僅僅是種一棵樹或者領(lǐng)取一張環(huán)保證書是不夠的。但是，除了植樹造林和創(chuàng)建濕地的可能性還有哪些方法能夠從空氣中獲取二氧化碳?xì)怏w呢？

從大氣中獲取二氧化碳

從大氣中獲取二氧化碳?xì)怏w的技術(shù)被稱之為DAC直接捕捉空氣技術(shù)：大型的鼓風(fēng)機(jī)將空氣吹向空氣分離裝置，并盡可能地保留下純凈的二氧化碳，然后可以安全地儲存或者做進(jìn)一步的處理。TVT熱工程技術(shù)研究所和KIT卡爾斯魯厄理工學(xué)院ITES熱能技術(shù)研究所液態(tài)金屬實驗室的領(lǐng)導(dǎo)人Thomas Wetzel教授解釋說道：“這就能夠?qū)⒂泻Φ臏厥覛怏w變成高科技應(yīng)用所需的原材料了。”在卡爾斯魯厄理工學(xué)院的一個研究項目中使用DAC數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器直接捕獲空氣，將二氧化碳和甲烷熱解融合。“我們項目采用的方法是從大氣中將二氧化碳分離出來，并將其轉(zhuǎn)化為高純度的炭黑粉末。” Wetzel教授解釋說道。

不過令人驚訝的是，卡爾斯魯厄理工學(xué)院項目最初的研究對象根本不是炭黑，與二氧化碳更是沒有一點關(guān)系。研發(fā)人員最初是盯著另一種分子：目前被稱為“奇跡物質(zhì)”——氫。要了解這一點就必須知道這一項目的核心：甲烷熱解。在高溫下，甲烷（即CH4）分解為碳和氫兩種組成成分。利用這種方法生產(chǎn)氫的想法并不新鮮，但到目前為止以固體形式析出的碳的使用適應(yīng)性有限。粉狀的碳會粘附在反應(yīng)器上、沉積在反應(yīng)器壁部和底部。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院液態(tài)金屬實驗室（簡稱Kalla）與波茨坦市可持續(xù)發(fā)展高級研究所合作，通過液態(tài)金屬反應(yīng)器解決了這一問題。其結(jié)果是用裝滿液態(tài)錫的泡罩塔控制熱金屬的溫度，在熱泡罩的作用下甲烷分解為氣態(tài)的氫和固態(tài)元素碳。借助于兩種元素的密度差異，可以將碳排出到反應(yīng)器外，從而能夠?qū)崿F(xiàn)真正的連續(xù)操作。不僅如此，通過這種方式還可以獲得大量易于運輸和使用的碳，這是煙囪炭黑項目開始的信號。

綠色的甲烷

研發(fā)人員設(shè)想：如果不需要與蒸汽重整器中的氫氣競爭呢？為什么不瞄準(zhǔn)在油漆、輪胎或者電子工業(yè)中的重要原材料的碳呢？工業(yè)煙塵本身并不罕見，但不需要煤炭、天然氣、煤焦油或者石油的“綠色”炭黑則是非常稀缺的。因為要想獲得炭黑不僅需要“熱解反應(yīng)”，而且無論什么時候都必須保證需要連續(xù)不斷的甲烷供給。

于是，KIT卡爾斯魯厄理工學(xué)院就開始尋找合適的合作伙伴了，初創(chuàng)公司Ineratec是KIT卡爾斯魯厄理工學(xué)院畢業(yè)生創(chuàng)立的，是專門從事研究氫能和二氧化碳利用的模塊化工廠。這一技術(shù)先鋒企業(yè)研發(fā)的微結(jié)構(gòu)反應(yīng)釜可以在非常狹小的空間里實現(xiàn)大型一體化生產(chǎn)基地才能完成的流程工藝過程，這是分布式配置實施的Power-to-X項目中最理想的設(shè)備。

Mini-Verbund技術(shù)能實現(xiàn)甲烷循環(huán)使用

從每一個Power-to-X項目中可以知道：在二氧化碳甲烷化成為NH4時，還需要用最合理的方法從上游“綠色”電解工序中生產(chǎn)出來的氫氣。然而在此過程中，氫氣并沒有完全轉(zhuǎn)化為甲烷，其中的一部分與二氧化碳中的氧相結(jié)合而形成了甲烷化中的副產(chǎn)品水。

在隨后的熱解過程中，除了生產(chǎn)出碳以外，還會釋放出氫氣。這就是蒸汽重整或者水電解生產(chǎn)H2的最初推動力。在Necoc項目中，Mini-Verbund方法能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷循環(huán)使用，將有助于減少對電解質(zhì)的需求量。

反向水煤氣變換和費托反應(yīng)或者甲烷化合成天然氣始終是二氧化碳轉(zhuǎn)換中的重點。不管是哪種變換反應(yīng)，微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器模塊采用的創(chuàng)新性汽化冷卻技術(shù)都能在溫度控制和冷卻表面負(fù)荷之間實現(xiàn)最佳的平衡。這不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)化率的有效反應(yīng)控制，而且也可以使用無毒和不易燃的水作為溫控介質(zhì)。緊湊型反應(yīng)器模塊大約和一個電磁爐一樣大，與化學(xué)工業(yè)的大型分離柱體積相差甚遠(yuǎn)。但由于催化劑壽命長和選擇性高，依舊可以實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)需要更大的生產(chǎn)能力時，研發(fā)人員只需在同一廠房車間里多安裝幾個反應(yīng)器模塊就可以了，而不需要擴(kuò)大工廠規(guī)模。

逐步實現(xiàn)“綠色”炭黑：Necoc項目的四大基石（DAC、電解、甲烷化和熱解）

將廢氣轉(zhuǎn)化為合成天然氣：在COSIN研發(fā)項目中，研發(fā)人員已經(jīng)展示了利用風(fēng)能和太陽能實現(xiàn)甲烷化的工作成果。由于這一流程工藝技術(shù)所需的設(shè)備以及廢氣和可再生能源在地理上的分布，這種方法到目前為止一直都沒有很好的經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)在情況就有所不同了，在出現(xiàn)了緊湊型的微型反應(yīng)器和集裝箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計的模塊化流程設(shè)備之后，以及此方案還不需要特殊的原材料，所用的催化劑也是常用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)催化劑，都可以在市場中很容易就購買到。工廠中所使用的微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器數(shù)量的多少決定了進(jìn)料氣體到甲烷的轉(zhuǎn)化率，這樣方便甲烷化裝置的容量適應(yīng)相應(yīng)的要求。原來，Ineratec公司的工程師們考慮的只是如何將生產(chǎn)出來的甲烷送入天燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在可以增加甲烷作為原材料并加以使用的可能性了。

迷你網(wǎng)絡(luò)微型合成設(shè)備

在轉(zhuǎn)換過程中可以采用從大氣環(huán)境中直接提取二氧化碳的CCS碳捕集技術(shù)，生產(chǎn)出來的“綠色”可燃?xì)怏w甲烷可作為原材料。為實現(xiàn)這一目的，需要找到一個熟悉空氣分離技術(shù)的合作伙伴。而瑞士蘇黎世的Climeworks公司就是使用DAC數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器直接捕獲空氣技術(shù)領(lǐng)域中的先驅(qū)者之一，這家年輕公司有目前世界上第一個可以每年捕獲900 t CO2的商業(yè)工廠以及冰島的二氧化碳地質(zhì)保存項目。

Climeworks公司研發(fā)生產(chǎn)的設(shè)備模塊外觀會讓人聯(lián)想到空調(diào)系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)或者是冷卻塔，但在這一模塊的內(nèi)部卻是一套有著循環(huán)吸附和解吸的過濾裝置。經(jīng)化學(xué)制劑可以使氣體中的二氧化碳吸附在結(jié)構(gòu)化的吸附材料上，當(dāng)吸附到飽和狀態(tài)時，將結(jié)構(gòu)化的吸附材料結(jié)構(gòu)件加熱至100℃，使吸附的二氧化碳解吸而脫落，以高純度濃縮氣體的形式被收集起來。與胺洗工藝技術(shù)相比較，這一工藝技術(shù)的能源消耗相對較低，，并因為采用了模塊化設(shè)計而有著更加緊湊的結(jié)構(gòu)，而且如瑞士和冰島的項目所示那樣更加有易于擴(kuò)大生產(chǎn)能力。

現(xiàn)在的技術(shù)可以讓我們用炭黑來替代過去原材料二氧化碳了，在過去二氧化碳作為一種輪胎生產(chǎn)的原材料是必不可少的，但現(xiàn)在二氧化碳的用量在不斷減少。之所以出現(xiàn)這種情況并不僅是因為處理工業(yè)炭黑比處理二氧化碳更加簡單，而是因為可以更好地利用這種“有害材料”。

卡爾斯沃市的研究人員將不同的流程工藝技術(shù)以模塊化的形式組合到一起，啟動了名為Necoc二氧化碳轉(zhuǎn)逆向化為碳技術(shù)的研究項目，在KIT卡爾斯魯厄理工學(xué)院建造了一套利用大氣中的二氧化碳生產(chǎn)炭黑的示范設(shè)備，并在實踐中作為一個微型復(fù)合體研究這些工藝。 “我們非常熟悉各個組成模塊，但它們從未在一個集成系統(tǒng)中作為一個整體實現(xiàn)過。工藝模塊的巧妙集成和正確的流程工藝控制對能源利用效率和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。” Necoc項目的協(xié)調(diào)員Benjamin Dietrich博士說道。

這是對抗化工巨頭和大型炭黑生產(chǎn)廠的舉措嗎？并不全是，雖然KIT卡爾斯魯厄理工學(xué)院建造的展示設(shè)備采用了項目合作伙伴的模塊，但展示設(shè)備的主要目的是證明這一技術(shù)的可行性。 “這一方法從多方面證明了是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展未來的一項技術(shù)，將解決氣候變暖和使用古生物化石原材料的問題直接聯(lián)系到一起了。” Dietrich博士說道。把炭黑都收集了就能拯救世界氣候環(huán)境嗎？KIT卡爾斯魯厄理工學(xué)院的人回答道并不是那么容易。他們認(rèn)為，從大氣中分離出來和使用二氧化碳僅僅是“未來技術(shù)工具箱”中的一件工具。拯救氣候環(huán)境仍然是一大難題，就像初創(chuàng)企業(yè)的微型反應(yīng)堆一樣，一切只是開始。