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　　1. 二氧化碳減排與可持續(xù)發(fā)展

　　1.1 溫室效應與全球氣候變暖

　　2003年末，美國《科學》雜志評選出年度十大科技成就，關(guān)于全球變暖的研究進展獲得第三^[1]。全球氣候變暖可能引起冰川融化、干旱蔓延、作物生產(chǎn)率下降、動植物行為發(fā)生異變等自然災害，已成為當今最為顯著的環(huán)境問題之一，對世界社會政治穩(wěn)定及生態(tài)環(huán)境影響深遠。據(jù)IPCC（政府間氣候變化專業(yè)委員會）報道，20世紀全球地面平均氣溫升高了0.6 0.2℃^[2]；同時，近幾十年來，極端天氣事件的災害次數(shù)和造成的經(jīng)濟損失均呈快速上升的趨勢^[3] （如圖1所示）。

　　全球氣候變化是一個長期的過程，與大自然自身變化規(guī)律有關(guān)，但人為因素亦不可忽視。人類活動的影響主要是指由于人類活動造成大氣中的一些氣體（包括CO₂、CH₄等）濃度升高，這些氣體起著類似于溫室玻璃的作用，只放進陽光，吸收熱能而不反射產(chǎn)生熱能的紅外輻射，從而引起氣候變暖。近1000年大氣中CO₂氣體濃度變化情況如圖2所示^[2]。

圖1 近幾十年氣象災害損失情況

圖2 近1000年大氣中CO₂氣體濃度變化

　　1.2《京都議定書》

　　1997年，第三次聯(lián)合國氣候轉(zhuǎn)變框架公約（UNFCC）締約方會議上簽署的《京都議定書》^[4]對發(fā)達國家和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型國家6種溫室氣體（CO₂、CH₄、N₂O、HFCs、PFCs和SF₆）排放量的削減做出了明確規(guī)定，同時要求包括我國在內(nèi)的發(fā)展中國家制定自愿削減溫室氣體排放的目標。

　　2005年2月，《京都議定書》正式生效，削減和控制溫室氣體排放有了法律依據(jù)，成為大勢所趨。在所有溫室氣體中，CO₂在大氣中含量高、壽命長，對溫室效應的貢獻最大^[5]，而且主要是由人為因素產(chǎn)生，CO₂應當作為溫室氣體削減與控制的重點，CO₂減排是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。根據(jù)美國能源部的預測，在全球范圍內(nèi)必須減少60%的CO₂排放才能真正防止全球氣候變化^[5]。

　　2. 二氧化碳減排方案及評價

　　2.1 調(diào)整能源消費構(gòu)成，提高能源轉(zhuǎn)化和使用效率

　　目前，化石燃料是世界上絕大多數(shù)國家能源消費的主體，其燃燒過程釋放大量的CO₂。以核能和可再生能源（如太陽能、風能和生物燃料）代替化石燃料或以石油、天然氣等低碳化石燃料替代煤等高碳燃料都可以減少CO₂排放。但是，一個國家或區(qū)域的能源消費構(gòu)成是根據(jù)國家或地區(qū)的資源狀況、技術(shù)條件在一個很長的歷史時期內(nèi)形成的，改變能源消費構(gòu)成需要資源、資金和技術(shù)。以我國為例，我國的煤炭資源相對于石油和天然氣資源豐富得多，待開發(fā)的水力資源大都位于交通不發(fā)達、人口相對稀少或開發(fā)難度大的區(qū)域，加之水電開發(fā)需要大資金和長的建設周期，核電的發(fā)展也面臨資金匱乏、技術(shù)落后等因素的制約，難以在短時間內(nèi)有較大規(guī)模的發(fā)展。在21世紀，化石燃料將繼續(xù)主導世界的熱力和電力生產(chǎn)，能源消費構(gòu)成的改變只能作為中長期目標逐步實現(xiàn)。

　　對于能源轉(zhuǎn)化和使用效率較低的發(fā)展中國家，改進發(fā)電技術(shù)，大力推廣節(jié)能降耗生產(chǎn)工藝都是CO₂減排的可行方案，但從世界范圍看，減排空間較小。

　　2.2生物系統(tǒng)攝取二氧化碳^[6]

　　生物系統(tǒng)的光合作用可以吸收環(huán)境中的CO₂，固定在生物體中成為碳的貯存庫，而生物質(zhì)能可以直接替代化石燃料。據(jù)估計光合作用以生物質(zhì)能的形式年均貯存的能量是世界各種能源使用量的8倍，生物質(zhì)能的生產(chǎn)和利用對全球碳循環(huán)有著重要的影響。目前生物質(zhì)能提供的能源僅占全世界能源使用的14%，生物系統(tǒng)作為碳的貯存庫和化石燃料的替代物，對減排CO₂的作用值得注意?？晒┻x擇的生物質(zhì)能的生產(chǎn)和利用策略有以下一些方面：恢復和擴大陸地植被、半干旱地區(qū)種植耐鹽植物、藻類生物的化石化和固定CO₂、海洋養(yǎng)殖場生產(chǎn)能源和食品、籠形化合物固定CO₂等等。

　　2.3 采用化工分離方法捕集回收CO₂，加以存貯和利用

　　CO₂不僅是一種溫室氣體，同時還是非常重要的工業(yè)原料：CO₂氣體在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛用作氣體肥料、殺菌氣、果蔬保鮮劑、發(fā)泡劑、惰性氣體介質(zhì)等；超臨界CO₂作為一種清潔溶劑可在食品、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)上用于分離、提純、監(jiān)測分析等，還可用于提高采收率法（EOR）助采石油；干冰在人工降雨、混凝土生產(chǎn)、環(huán)境保護等方面應用很廣。同時，CO₂逐漸成為在化工合成中的重要原料，隨著“原子經(jīng)濟”的概念逐漸深入人心和相關(guān)研究的不斷深入，CO₂越來越多地被作為有機合成的“碳源”，（例如，由CO₂可以直接合成碳酸二甲酯，而碳酸二甲酯是國際公認的“綠色”有機溶劑和重要的有機合成中間體），CO₂應用領(lǐng)域的不斷拓展成為高附加值化工產(chǎn)品的原料^[7-11]。

　　世界各國的CO₂生產(chǎn)和消費情況存在很大差異。美國是世界上CO₂最大的生產(chǎn)國和消費國，共有90余套生產(chǎn)裝置，其生產(chǎn)能力為7.45 Mt/a，主要來源于合成氨廠、制氫廠、石化廠、乙醇廠、天然氣加工廠副產(chǎn)CO₂的回收；美國最近幾年的CO₂消費量約4.50 Mt/a，其中近一半用于食品的冷卻、冷藏、研磨和惰化，其次是用于飲料碳酸化，油井、氣井操作，碳酸鹽、重碳酸鹽、青霉素的生產(chǎn)及冷卻，滅火劑、氣霧劑，焊接、冷收縮裝配等方面。

　　發(fā)達國家的CO₂廣泛應用于各個領(lǐng)域，而發(fā)展中國家的CO₂大多用在碳酸飲料行業(yè)。但即使是CO₂的消費量最高的美國，其CO₂年消費量與其大于5000Mt的排放量相比，也只占1%左右。

　　目前，CO₂消費市場呈快速增長趨勢，而原料相對緊缺，回收由人類活動產(chǎn)生的CO₂，并進一步拓展其利用領(lǐng)域，不僅可以達到減排二氧化碳的目的，還能通過副產(chǎn)CO₂降低減排成本。我們有理由相信：在不遠的將來，削減CO₂排放不僅有利于環(huán)境保護，還會帶來顯著的經(jīng)濟效益。

　　2.4 減排方案評價

　　與二氧化硫、氮氧化物等大氣污染物相比，二氧化碳并非傳統(tǒng)意義上的主要污染物。減少二氧化硫、氮氧化物等酸性氣體的排放，可以明顯降低酸雨的危害，這是一個誰治理、誰受益的地區(qū)性環(huán)境問題。而溫室效應是全球性環(huán)境問題，一方治理，全體受益，付出的代價與獲得的效益沒有一一對應關(guān)系。因此，實現(xiàn)CO₂減排，防止全球變暖，是一個全球性的戰(zhàn)略性課題，它不可能建立在某一項CO₂的減排技術(shù)上，而應在大系統(tǒng)的規(guī)模上統(tǒng)籌抉擇。

人類大力減排CO₂的初衷是保護地球家園，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，決不能在減排過程中引發(fā)新的環(huán)境問題?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求減排方案“綠色化”，具體原則為：以保護和恢復自然生態(tài)環(huán)境作為長期目標，發(fā)揮自然的自身調(diào)節(jié)作用；以調(diào)整能源結(jié)構(gòu)為中期目標，逐步以可再生能源替代化石燃料等不可再生能源；以開發(fā)新的回收CO₂的“綠色”工藝為近期目標，通過回收工藝的改進降低回收CO₂的成本。

　　3. 從工業(yè)生態(tài)整體出發(fā)，減排二氧化碳

　　3.1 工業(yè)生態(tài)學研究

　　工業(yè)生態(tài)學起源于20 世紀80 年代末R·Frosch等模擬生物的新陳代謝過程和生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)再生過程所開展的“工業(yè)代謝”研究^[12]。工業(yè)生態(tài)學把生物生態(tài)學的原理應用于工業(yè)，其目的是尋找工業(yè)物質(zhì)材料優(yōu)化循環(huán)的理論和方法^[13]，正受到越來越多的國家政府和國際組織所重視。

　　同生物圈一樣，工業(yè)體系也是一個漫長進化的結(jié)果。在生命的開始階段，物質(zhì)流動相互獨立地進行，資源看起來是無限的，廢料也可以無限地產(chǎn)生，這種“開放型”的生態(tài)過程稱為“一級生態(tài)系統(tǒng)”，如圖3所示。

圖3 一級生態(tài)系統(tǒng)示意

　　在隨后的進化過程中，資源變得有限，生物體相互依賴，組成了復雜的、相互作用的網(wǎng)絡系統(tǒng)，不同組成部分（種群）之間的物質(zhì)循環(huán)變得極為重要，資源和廢料的進出量則受到資源數(shù)量與環(huán)境接受廢料能力的制約，此即二級生態(tài)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 二級生態(tài)系統(tǒng)示意

　　與一級生態(tài)系統(tǒng)相比，二級生態(tài)系統(tǒng)對資源的利用已經(jīng)達到相當高的效率，但因為物質(zhì)、能量流是單向的：資源減少，而廢料不可避免地不斷增加，仍然不能長期維持。

　　生物生態(tài)系統(tǒng)只有進化成以完全循環(huán)的方式運行，才能真正實現(xiàn)可持續(xù)形態(tài)。在這種情況下，不能區(qū)分資源與廢料，對一個有機體來說是廢料，對另一個有機體來說是資源，只有太陽能是來自外部的支援，即三級生態(tài)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 三級生態(tài)系統(tǒng)示意

　　當今世界的工業(yè)體系正艱難地從一級生態(tài)系統(tǒng)向二級生態(tài)系統(tǒng)過渡，只是半循環(huán)的。而環(huán)境問題的根源恰恰在于目前的工業(yè)體系開采資源和拋棄廢料。理想的工業(yè)社會（包括基礎(chǔ)設施和農(nóng)業(yè)），應盡可能接近三級生態(tài)系統(tǒng)。 一個理想的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)包括四類主要行為者：資源開采者，處理者（制造商），消費者和廢料處理者。由于集約再循環(huán)，系統(tǒng)內(nèi)不同行為者之間的物質(zhì)流遠遠大于出入生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流，如圖6所示。

       
圖6 理想工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)示意

　　工業(yè)生態(tài)學是與清潔生產(chǎn)、污染防治有一定的聯(lián)系，又進一步提升的新概念，在這里沒有廢物可言，廢物只是放錯了位置的資源，只要對工業(yè)體系內(nèi)的各種原料和產(chǎn)品、副產(chǎn)品物流進行重新分配、優(yōu)化，使系統(tǒng)實現(xiàn)最小投入下的資源的再循環(huán)和重復利用，就可以在與生態(tài)環(huán)境和平相處的前提下，以最小的代價得到最大的利益^[14][15]。

　　3.2建立以CO₂為中心的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)CO₂減排

　　前已述及，CO₂減排是一個全球性的戰(zhàn)略性課題，應遵循工業(yè)生態(tài)學的思想，從工業(yè)系統(tǒng)的整體角度思考CO₂減排策略。

生態(tài)工業(yè)園是實現(xiàn)生態(tài)工業(yè)和工業(yè)生態(tài)學的重要途徑，它通過工業(yè)園區(qū)內(nèi)物流和能源的正確設計模擬自然生態(tài)系統(tǒng)、形成企業(yè)間共生網(wǎng)絡，一個企業(yè)的廢物成為另一個企業(yè)的原材料，企業(yè)間能量及資源梯級利用^[16][17][18]。

　　綜觀CO₂的生產(chǎn)與利用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢可以看出，與CO₂相關(guān)的工業(yè)種類繁多，在一些企業(yè)中CO₂是副產(chǎn)品、廢棄物，在另一些企業(yè)里就是寶貴的原料，研究與之相關(guān)各類型工業(yè)過程，建立一個以CO₂為核心，由多個企業(yè)組成的，類似于丹麥卡倫堡工業(yè)共生體系（Kalundborg EIP）^[19]的工業(yè)系統(tǒng)， 運用工業(yè)生態(tài)學的思想設計企業(yè)間的物流交換，使回收利用CO₂有利可圖，系統(tǒng)獲得整體效益，就能實現(xiàn)CO₂的循環(huán)利用。

　　4.     結(jié)語

　　二氧化碳等溫室氣體引發(fā)的氣候變暖是當前最為突出的環(huán)境問題之一，減排CO₂對人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

　　各種CO₂減排方案各有優(yōu)缺點，而建立生態(tài)工業(yè)園區(qū)，循環(huán)利用CO₂是較為理想的減排策略。

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