朱维：为低碳工业和雾霾治理提供新途径
作者：李晓文
来源：《科学中国人》2018年第02期
        2015年12月12日晚，人类在应对气候变化上迈出了“历史性一步”。当晚，全球近200多个国家齐聚巴黎，在召开的巴黎气候变化大会上共同通过了全球气候变化的新协议——《巴黎协定》，这为2020年后全球应对气候变化行动作出全新安排。
        2016年，中国在应对全球气候变化上同样作出重要一举：在国务院公布的100项国家重大工程中，“煤炭清洁高效利用”和“燃煤电厂超低排放及节能改造”赫然排在其中。多年来，人们一直在致力于寻一種既有高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。但治理大气污染，不是一朝一夕之事。全球每年几乎要向大气中排放二氧化碳达340亿吨以上，在全球范围内，降低二氧化碳排放的挑战迫在眉睫。
        山东大学化学与化工学院教授朱维长期从事大气污染物防治的研究工作，其中，他提出的二氧化碳封存利用方法和燃煤烟气污染物干式高效脱除技术，正在为我国治理空气污染的探索之路添砖加瓦。
        二氧化碳封存利用：抓住碳排放命脉
        在空气污染已然拉响警报的今天，一直心系大气污染物防治的朱维，多年来，始终如
一，心怀“重现碧水蓝天”的夙愿，成为我国开展大气污染治理的重要开拓者，同时也是二氧化碳封存利用技术和燃煤烟气污染物干式高效脱除技术的领航人。
        二氧化碳的减排与利用问题由来已久，既是政治问题，同时也是经济和科技问题，需要上到国家部委下到地方政府，众志成城，齐心协力，而首当其冲的任务就是寻一条新的低碳工业路线。朱维紧随国家治理空气污染的发展路线，寻研究突破口。就这样，发展封存利用二氧化碳技术走进了朱维的视线。他基于二氧化碳减排及封存利用理论，提出了化石燃料环境友好的能源工业和材料工业路线，也就是将化石能源转变为清洁能源的氢能进行利用，同时将产生的二氧化碳直接封存利用做成产品。
        听起来就很奇妙，二氧化碳是治理空气污染的“死敌”，可在朱维看来，二氧化碳不仅能“变废为宝”，实现“增值”，还能继续开发成高分子材料，替代一部分高耗能高排放的材料工业。“我们在这条路上要实现的目标很大，所以还是要从一点一滴做起，‘二氧化碳封存利用技术’的开发就是希望。”朱维说道。
        众所周知，氢能源在各种能源中，不仅能量转化率高，使用效率在众多能源中也是“佼佼者”，那么，何不将化石燃料碳氢化合物转化为H2和CO2呢？这样一来，转化出的H2可以
利用燃料电池发电，CO2则进行封存利用。
        先不论国内，就算是在世界范围内，CO2的捕集封存（CCS/CCUS）始终都是一个难以攻破的难点，高成本、高能耗、长期安全性和可靠性不确定，哪一个提出来都会使研究无从下手。此外，CCS还需要额外消耗能源，会造成一定的经济负担；而二氧化碳驱油虽然是较好的CCUS方法，但驱油所用的CO2大约会有三分之二回到地表，长此以往，污染还会持续存在。
        经过长期研究与分析，朱维提出利用转化出的一部分H2，使其与伴生的N2反应成NH3，使NH3与CO2在一定工艺过程条件下得到CO2含量最高能耗最少的稳定固体产品——三嗪醇，剩余的H2用于发电。显然，这种方法能够将化石燃料全部实现“物有所值”，充分得到利用。
        要知道，生产1吨三嗪醇产品需要消耗1吨的CO2，这是封存利用CO2最有效的化学反应，也是氢耗量（能量消耗）最少的固定CO2过程。有了新目标的朱维，不再想方设法尝试怎样降低碳排放量，而是在生产过程中就尽可能将CO2封存，力求从源头就掐断其排放的可能性。
        “我们这条化石燃料环境友好的能源路线在燃气电厂、燃煤电厂、煤制天然气及煤制油等工厂都可进行全部或部分二氧化碳的封存利用。”朱维介绍道。据悉，目前每吨产品利润可达到1500元/吨以上，在治理大气污染的前提下还取得了巨大的经济效益。值得一提的是，以CO2封存产品为原料合成的三嗪类高分子材料无毒无味，耐腐蚀、耐高温、耐低温还极其耐用，在建筑、车辆、航空航天、机电设备等领域中都有用武之地。
        烟气干法脱硫的升级之旅
        雾霾早已成为世界性难题，尤其到了冬天，我国的雾霾污染更是“举世闻名”。长久以来，我国在治霾的道路上投入很大，燃煤烟气常规污染物的治理方面成果显著，但雾霾现象却愈演愈烈，究竟原因何在？
        朱维指出，目前国内大部分电厂烟气处理均采用湿法脱硫装置。但这种装置投资大、费用高暂且不提，在处理过程中竟然还会额外向大气排放大量的废汽，此外脱硫废水难于处理、脱硫产物石膏难以有效利用，因此常常可见大量废物丢弃堆埋，资源浪费惊人。
        湿法脱硫之后加装的湿式电除尘或高效除雾器，虽然在一定程度上能够除去烟气中的部
分固体颗粒，但对PM1.0以下的颗粒及水溶性物质无效。由此大概估算一下，按燃烧1吨煤，湿法脱硫烟气带出1吨水汽，那么每年我国就会向大气排放近40如何治理空气污染亿吨的水汽及5600吨可溶性盐！“这也许就是我国雾霾持续大面积存在的原因吧。”朱维说道。
        问题到了，该如何解决呢？“以现有方法减少水汽排放，还是有些难度。”朱维所说的现有方法，其实就是烟气冷凝和现有烟气干法脱硫。但冷凝水汽的水质不高，操作起来价格却很高，且水汽排放降低有限，还会增加大量成本；再者，现有烟气干法脱硫倒是解决问题的好办法，但其工艺复杂、运行费用较高，还容易造成二次污染。
        难道就无计可施了吗？朱维标新立异，决定开发新的烟气干法脱硫技术。他从烟气湿法脱硫技术存在的缺点入手，开发了一种燃煤烟气污染物干式高效脱除技术。该技术将投资多、成本高、能耗、水耗大等问题一一拿下，所有困扰都不复存在，而且水耗几乎为零。从数据上看，污染物排放量迅速减少，投资成本也降低了，而且使用的脱硫剂和脱硝剂都是固体粉末，也就是说，氨水、液氨带来的安全隐患也不再是困扰了。
        技术的应用效果也很显著，通过各种锅炉试验结果来看，脱硝效率可达85%以上，SO2从4000mg/Nm3脱除至35mg/Nm3以下，脱除率高达99.1%以上。不得不说，燃煤烟气污染
物干式高效脱除技术为烟气脱硫脱硝处理技术带来了一次新的变革生机，也是我国目前降低雾霾最行之有效的方法。
        空气是我们赖以生存的最重要物质之一，据世界卫生组织报告，每年由于空气污染造成的死亡人数约700万人，也就是说，每8位死者中就有1位死于空气污染。朱维每日所做的正是为数以万计的人重获新鲜空气而努力，在他看来，这不仅是科研工作，更是一种情怀，一份责任！