互动科普

在清洁能源普遍应用之前，世界仍然需要煤。可我们不能眼睁睁地看着燃煤排放的二氧化碳充斥大气。应该立即行动起来，围剿煤电厂，拘捕二氧化碳，将它埋葬在地底。

大多数人已经意识到，我们要对付气候变化，就必须处理燃煤电厂的碳排放问题；如果人类不立即行动起来，严格限制燃煤发电过程中向大气排放的二氧化碳量，我们就很难占据主动，掌控全球变暖的趋势。

煤——这种曾经推动工业革命车轮滚滚前进的燃料，其实让人左右为难：一方面，燃煤排放的二氧化碳（CO2）总量远远高于石油或天然气的排放量；另一方面，即使世界上的石油和天然气全部耗尽，煤还能保持相当大的可采储量。由于储量巨大、价格便宜，全世界的煤使用量都在增长，而且在煤资源丰富的地区，还保持着持续增长的势头。实际上，美国的能源供应商希望，在2003年到2030年间，建造起具备280,500兆瓦发电能力的燃煤电厂。到2030年，这批新增的燃煤设施将开始全面运转，在此后长达60年的服役期限中，它们向大气排放的CO2总量，将超过工业革命以来所有燃煤排出的CO2总和。

燃煤需求量的增长不仅威胁到气候状况，还会给环境、人类健康以及安全方面造成危害。煤的市场价格可能较低，但开采、加工和消耗的真实代价却不容小视：矿山被削平、酸性和有害气体污染大气、水源因煤废料而被毒化等等，还会威胁，甚至夺去矿工的生命。这些效应累加到一起，开采煤矿、把煤转化为可用能源的过程，就成了地球上最具破坏性的行为之一（见第25页的框图）。

为了紧扣本期《环球科学》聚焦气候的主题，我们将不再详细说明采煤和燃煤导致的环境、安全及健康问题，而是集中介绍如何避免燃煤排放的CO2进入大气。所幸，应对CO2排放及相关问题的技术已经存在，只不过人们似乎还没有迅速采用这些技术的意愿。

地质封存战略

我们可以采用一些技术，避免能源生产过程中排放的大部分CO2进入大气，这些技术被统称为“CO2捕集封存”技术（CO2 capture and storage, 简称CCS），也就是“地质碳截存 ”技术(geological carbon sequestration)。整个过程包括，把煤转换成电能时产生的大部分CO2提取出来，传输到储存地点，封存到地下深处的有孔介质中。这里提到的有孔介质主要是已经开采枯竭的油田和天然气田，以及咸含水层（即充填咸水的可渗透岩石层）[参见《科学美国人》2005年7月号罗伯特·H·索科洛所著《把温室气体埋起来》一文]。

燃煤电厂实施CCS所需的全部技术，在商业上已经相当成熟，而且在许多项目中经受了实践的检验（虽然这些项目与延缓气候变化无关）。CO2对捕集技术已经在全球范围内得到了广泛应用，在化工领域（如化肥厂）和天然气提纯方面（清除“酸气”中的CO2和硫化氢）大显身手。工业界通过进行天然气纯化（主要在加拿大）和注入CO2提高石油的采收率，积累了不少经验。提高石油采收率是目前人类将CO2注入地下储层的最主要原因。目前，美国每年都要向日趋老化的油田注入大约3,500万吨CO2，由此增收的原油产量占美国原油总产量的4％。现在，我们只须扩大这些技术应用的规模，将它们组合在一起，就能建立起一套完整的、适用于燃煤电厂的CCS系统。

如果我们想把大气中的CO2浓度限制在可以容忍的水平，那么，实施CCS势在必行。1992年通过的《联合国气候变化框架公约》号召世界各国，将大气CO2浓度稳定在一个“安全”的水平，却没有明确指出“安全”可以容忍的最大浓度。目前，许多气候专家认为，为了避免发生人类难以承受的气候变化，我们应该把大气CO2体积浓度稳定在450ppmv（part per million by volume，体积浓度单位，1ppmv就代表着CO2的体积与空气体积的比例为百万分之一）以下。为了实现这个目标，工业界必须在今后几年内，着手开发商用规模的CCS项目，并保持项目的高速增长。要稳定CO2的浓度，单靠CCS远远不够，还需要与其他生态措施结合起来，协同作战（如大范围提高能源效率、大规模采用可再生能源等）。

2005年，政府间气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC)公布，全世界可封存于地下的CO2总量极可能在2万亿吨以上，大于21世纪所有采用化石燃料的发电厂CO2排放量的总和。不过，在CCS普遍实施之前，首先需要对潜在地质封存地点进行详细的CO2封存能力评估，合格的封存地点必须排除以下两种风险：突然泄漏和逐渐逸出。

大量CO2突然泄漏有可能造成生灵涂炭。1986年，非洲喀麦隆尼奥斯湖底的火山活动，大量CO2突然爆发，使附近1,700多位村民和几千头牲畜因窒息而死于非命。不过，IPCC指出，在封存计划中，CO2都储存在经过严格筛选的、多孔的深层地质岩层中，不太可能发生突然泄漏。

CO2从地下逐渐逸出也是个问题，因为长期逸散与CCS的初衷相悖，此前所做的一切就变得徒劳无功。根据2005年IPCC特别报告的估计，如果仔细地挑选封存地点，注入地下的CO2中，99％以上至少会保存100年，甚至很可能超过1,000年。不过在日常工作中，实际作业者能否保证CO2逸出的水平不会影响当地环境和居民健康，这仍是一个有待证明的问题。

为电厂量体裁衣

研究表明，现存发电技术可以利用煤中85％～95％的碳（以CO2的形式），其余的碳将直接排放到大气中。

煤转化技术中，以最低成本满足缓解气候变化要求的技术，将会成为主流技术。燃煤电厂目前采用的技术包括以下两种：传统粉煤蒸汽技术和整体煤气化联合循环技术（IGCC），它们所需的CCS技术完全不同。尽管在今天看来，配备了CO2清除装置的IGCC燃煤电厂的成本略高于粉煤蒸汽电厂，但从CCS技术的角度来看，IGCC却是效率最高、成本最低廉的选择。

标准电厂在常压锅炉中燃烧煤粉，由此产生的热量将水变成蒸汽，驱动汽轮机，把机械能转变为电能。在现代电厂中，燃烧产生的气体（烟道气）通过特定的装置，清理排除其中所含的颗粒状杂质，以及硫和氮的氧化物，再经由烟囱排放到大气之中。

对这类蒸汽电厂实施CCS，只须在除去常规污染物之后，再从烟道气中提取CO2就可以了。可是这些烟道气中含有大量氮气（煤在空气中燃烧的结果，因为氮气在空气中约占80％），CO2处在低浓度和低压力状态。这意味着我们必须采用高能耗和高成本的技术，才能从体积巨大的烟道气中提取CO2，压缩这些捕集来的CO2，输送到封存地点。

在IGCC系统中，煤并非直接燃烧，而是在高压气化器中被部分氧化（与空气分离装置提供的、数量有限的氧气和蒸汽发生反应），气化所得的产物被称为合成气。它主要由一氧化碳和氢气组成，没有被氮气稀释。在目前的电厂中，IGCC先从合成气中清除掉大部分常规污染物，再将气体送去燃烧，驱动蒸汽汽轮发电机和气轮机运转发电，这个过程被称为联合循环。

在设计了CO2捕集装置的IGCC电厂中，气化器生成的合成气冷却，清除其中的颗粒状杂质，再与蒸汽发生反应，产生主要由CO2和氢气组成的气体混合物。接下来，提取CO2，经过干燥处理和压缩，输送到封存地点。剩余的气体富含氢气，它们会被送往联合循环装置中燃烧发电（见上页的框图）。

针对消耗优质烟煤的IGCC电厂的分析表明，采用CO2捕集技术会明显降低后续流程的能量和成本消耗，与增加了碳捕集及封存能力的传统燃煤电厂相比，这种电厂的总发电成本反而更低。与燃煤蒸汽发电厂不同的是，气化系统从高浓度和高压力的气流中回收CO2，让整个过程变得易如反掌（目前对使用低级亚烟煤和褐煤的IGCC电厂研究较少，尚不清楚碳捕集技术会带来多大益处）。在燃烧前除去包括汞在内的常规污染物，将在实现低排放的前提下，让成本和能耗都大大低于传统电厂的烟道气清洁系统。

一个燃煤电厂，仅凭捕集时对CO2的压缩，就能通过管道把它们传输到几百千米以外的合格封存点，注入地下实现封存。不过，如果距离再长点，为了消除管道摩擦的影响，气体就需要经过再次压缩。

总的来说，与放任CO2排放到大气之中的电厂相比，采用CCS技术的煤电设施制造等量的电力，需要耗费更多的煤——对燃煤蒸汽发电厂而言，耗煤量需要增加约30％，而IGCC电厂则要增加20％左右。增加CCS设备带来的额外开支，必然会抬升煤电的价格，使人们对煤电的需求日渐降低，对可再生能源和高效节能产品的需要却与日俱增，燃煤的总用量并不一定会因此而提高。

CCS的成本取决于电厂的类型、电厂与封存地的距离、地下封存库的性质。另外，捕集到的CO2也可以出售（例如为增加油田的采收率，就需要购买CO2注入地下储层），这种可能性也会影响到采用CCS的成本。最近，本文作者威廉斯参加了一项研究，估算出IGCC煤电厂在典型的生产、运输和封存条件下，分别采用两种不同CCS技术所增加的发电成本。直接将CO2排入大气的IGCC煤电厂，发电成本为每千瓦时4.7美分；如果采用了CCS技术，并且假设CO2被封存在离电厂100千米远的咸含水层中，每千瓦时的发电成本将增加1.9美分，增幅在40％左右。不过，研究也指出，如果CCS捕集的CO2被注入100千米以外的油田，用于增加石油采收率的话，只要原油价格高于每桶35美元，净发电成本就不会增加——而目前的油价显然要比35美元高得多。

宜早不宜迟

许多电力生产商已经意识到，如果继续用煤发电，人们对环境的关注总有一天会迫使他们实施CCS。但大部分人还是计划建造能“为CO2捕集作好准备”的传统粉煤蒸汽电厂，而非直接建造可以捕集和封存CO2的燃煤电厂。他们声称，一到CCS必须上马的时刻，这些电厂立即就能进行改造。

这些电力生产商常常拿政策作借口，为自己开脱。他们辩称，虽然大多数高煤耗国家（包括美国在内）也制定了一些缓解气候变化的法规，不过，在CCS无法与强化采油结合的情况下，所有这些法规都不能有效地保障CCS电厂的利益。在现有的技术条件下，要将采用CCS的新型燃煤电厂的发电成本降到最低，使它们在市场上极具竞争力，除了将CO2卖给油田换取收益之外，唯一的办法就是对排入大气的CO2课以重税，可能要超过每吨25～30美元。但是，在美国目前的多份相关政策提案中，对电力生产商排放CO2所处的罚金（或者对减少CO2排放给予的奖励）却远远低于这个数字。

不过，如果一直等到CO2的经济控制成本高于CCS的成本，才着手在燃煤电厂中实施CCS，是目光短浅的表现。马上开始建设具备CCS能力的电厂，将使煤电行业和全社会都受益匪浅。

首先，降低CCS成本的最佳捷径就是“在实践中学习”——在建设和运行CCS电厂的过程中积累经验。知识积累得越快，掌握新技术的能力就提高得越快，成本降低的步伐也就越快。

其次，从长远来看，尽快安装CCS设备将为电厂节省一大笔钱。大部分正在建设的发电厂还将运转几十年，几十年后实施CCS将变得刻不容缓。如果将日后为了CCS而改造电厂的费用计算在内，现在这批电厂的成本肯定比直接建造CCS新电厂的开销更大。此外，在没有规定CO2排放限额的时候，大多数新电厂倾向于采用传统的燃煤蒸汽发电技术，而放弃了更新型的气化联合循环技术。实际上，在实施CCS的时候，后一种技术在经济上更加合算。

最后，迅速实施CCS，将允许人们在短期内——在更有益环保的能源初具规模之前，继续使用化石能源，同时避免大气CO2浓度上升到“危险”的地步。我们的研究发现，如果以煤为基础的能源供应能够完全除碳，其他在左边的坐标图中提到的措施也能贯彻落实，那么，我们就能在随后的半个世纪里，把大气中CO2的水平稳定在450ppmv。这些举措包括：在2020年之前，完全除碳的新建煤电厂的发电能力达到360亿瓦（相当于正常情况下，世界各国在2011年到2020年间新建煤电厂总发电能力的7％）；在2020年以后的35年间，封存的二氧化碳量应该以每年12％的速度增长。这种持续增长速度高于通常能源市场的增长速度，但并不是没有先例。核电扩张的全盛时期(1956年－1980年)，增长速度就远远超过这个数字，全球核电的年均增长率一度达到40％。另外，自20世纪90年代初期以来，全球风力和太阳能发电一直保持着每年30％左右的上升速度。没有公共政策措施的支持，所有这些高速发展都是不可能的。

我们的计算表明，实施CCS在经济上也是可行的。根据保守估计（比如现有技术不会随时间推移而有所改善），捕集和封存今后200年内煤电厂排放的全部CO2所需的开支约为1.8万亿美元（以2002年的美元价值计算）。乍看上去，这似乎是个天文数字，其实只不过是同期世界总产值的0.07％。因此，迅速除碳的方案似乎在物质和经济两方面都是可行的，当然，我们还需要进行详细的区域性分析，来证实这个结论。

政策推动必不可少

上述这些尽快启用CCS的理由，也许还不足以打动业界，除非政府能够出台刺激业界的新政策。控制CO2的排放需要动员各界的力量，相关的政策法规将是其中不可或缺的一环。

在美国，必须尽快实施一个在全国范围内限制CO2排放的计划，才能在政府的指引和市场的激励机制下，促使人们迅速且大规模地将资金投入到低污染能源技术领域。强行对温室气体排放做出定额定量的严格限制，是绝对必要的，美国的政商界领袖也越来越认同这一点。为了保证电力公司能以一种经济可行的方式实现减排，必须建立起CO2排放限额的交易市场——为了减少酸雨的出现，美国已经针对硫的排放建立了限额交易机制。按照这样的机制，需要超额排放的企业，可以向那些平均排放量低于限额的企业购买指标，保证总排放量不超出排放目标。

如果要以最低的成本来限制CO2的排放量，那么提高能源利用率、增加可再生能源的发电量就显得尤为关键。CO2限额交易计划带来的排放收益中，应该抽取一部分建立基金，帮助其他可行的CO2减排技术，克服在推广过程中面临的制度障碍和技术风险。

即使CO2限额交易计划能在今后几年内出台，初期CO2减排的经济价值，可能也不足以说服电力供应商投资建造拥有CCS设备的发电系统。为了避免人们继续兴建大型传统电厂，政府必须出台促进CCS的激励机制。

比如，政府可以提出一个硬性标准，要求所有由煤转化的电力中，必须有一定的份额是由满足CO2低排标准的电厂供应的，这个份额还可以逐渐提高。至于CO2的低排标准，也许可以设定为每千瓦时最多排放30克碳，这是现有CCS技术可以达到的目标。当然，其他办法也能达到这个目标，政府还可以强制煤电供应商，逐渐提高他们供电计划中除碳煤电的比重。政策范围内的每个电力供应商都有两种选择：要么自己生产足够份额的除碳煤电，要么从市场上购买相应的除碳电力份额。这种政策体系能将实施煤电CCS系统造成的额外成本，分摊到全国范围内的煤电厂和消费者身上。

如果正在规划中的一大批传统燃煤电厂还是按照原设计建造的话，把大气CO2水平保持在450ppmv以下的梦想就会化为泡影。实际上，如果能改善能量利用效率、加快开发可再生能源，并在制定新一轮煤电投资计划的时候，把CCS技术也考虑在内，我们就有能力在满足全球能量需求的同时，把CO2水平稳定在450ppmv。即使所谓的“清洁煤”并不存在，我们也可以而且必须显著降低煤的生产和消费对环境造成的威胁和破坏。更重要的是，在未来的几十年内，这个世界仍然离不开煤。CCS技术所提供的一整套低碳能源策略，将帮助煤在继续贡献能量的同时，避免引起灾难性的气候变化。

我们得到了能量失去了……

近来，“清洁煤”的提法十分盛行，但实际上，根本就没有什么清洁煤，煤造成的污染相当严重。尽管碳捕集和封存可以避免大量CO2进入大气，但煤的生产和消耗仍然是破坏性最大的工业过程之一。只要世界还需要煤，我们就必须采取更多行动，减轻它带来的破坏。

采煤危险

开采煤炭是世界上最危险的行业之一。煤矿涌水、矿井塌方、火灾、爆炸和职业病威胁着矿工的生命。世界各国每年直接死于煤炭开采的矿工多达千人，遭受矽肺病和黑肺病折磨的矿工更是数以十万计。我们还无法完全消除矿工面临的危险，但是健康标准和安全标准的加强和贯彻，将尽可能降低这种威胁。

影响环境

传统的煤炭开采、加工和运输过程会破坏地形、污染水源，进而危及人类健康和生态环境。最具破坏性的采煤技术，会砍光森林、炸平山头。在不断挖掘的过程中产生的废料，一般会被倾倒在附近的山谷中，常常掩埋河川。露天采矿改变地形地貌，割裂了生态系统。尽管有规定要求修复土地，实际却往往不了了之。森林被非原生的草地取代，土壤日渐板结，溪流被严重污染。

地下开采会给地面带来严重问题：矿井坍塌造成地面塌陷、摧毁房屋和道路；煤废渣里滤出的硫化合物一旦汇入地表水，就会污染成千上万条溪流，而且这种酸性滤出物含有重金属，会毒化地下水。

排放有毒物质

在美国，2/3以上的二氧化硫和1/5左右的氮氧化物来自燃煤电厂。二氧化硫在大气中发生反应，生成硫化物颗粒，除了会形成酸雨以外，还能形成细粒污染物。全美国有上千人因此感染肺病而过早去世。氮氧化物与碳氢化物结合，则会在地面上形成臭氧，导致烟雾污染。

在美国，燃煤电厂每年还要释放大约48吨汞。汞是一种在生态系统中能够长期存在的毒性物质。当汞转变为甲基汞后，便可以在鱼类的身体组织中聚积，最后通过食物链进入人体。汞的摄入对处于脑成长期的胎儿和婴儿危害极大，会造成发育和神经方面的损伤。