高压电弧。插图：Shutterstock/MegSopki

等离子气化炉如何减少 CO2 排放

CO 2 排放通常被认为是我们需要避免的。如果我们能将 CO 2 转化为有用的物质不是很好吗？等离子体技术已被提出作为实现这一目标的一种方式，我们从物理、化学和经济的角度研究了该概念的可行性。

处理工业排放的二氧化碳：全球科学界的共识是，人为气候变化主要是由二氧化碳 (CO2) 释放到大气中造成的。全世界都在共同努力提高工业过程中的能源效率并开发化石燃料的“绿色”替代品。然而，对于某些行业，CO2 排放可能是原材料和产品（例如金属和混凝土生产）的生产过程和化学过程的不可避免的结果。同样，运输仍然依赖液体燃料（例如航空），这也会导致二氧化碳排放。

合成液体燃料的工业生产在很大程度上依赖于经典的费-托过程，在该过程中，合成气（一氧化碳 (CO) 和氢气 (H2) 的混合物）被转化为可用作燃料的液态碳氢化合物。合成气可以由煤、天然气或废物生产，因此费-托工艺提供了化石燃料的替代品。

分裂二氧化碳分子

CO2 分子可以看作是一个 CO 分子和一个氧原子 (O) 之间的结合。尽管他们婚姻幸福，而且他们的关系可以承受很大的张力、压力、振动和摩擦，但 O-CO 键可能会断裂——这被称为 CO2 解离或转化。

虽然 CO 和 O 在一起被认为是被动和没有吸引力的夫妇，但作为个人，他们是社交和和蔼可亲的。因此，虽然 CO2 是一个问题，但 CO 和 O 是许多工业产品中有用的化学成分。因此，有人提议开始在工业规模上分解 CO2 分子，以利用在创造有价值的化学品的同时消除主要问题的机会。

二氧化碳 (CO2) 分子解离成一氧化碳 (CO) 分子和氧原子 (O) 的图示。

过程中必须使用清洁能源

这个想法的主要挑战是需要大量的能量来在 O-CO 键中产生足够的张力，我们需要小心如何获得和利用这种能量。使用“肮脏”能源（例如煤燃烧产生的电力）会排放比转化更多的二氧化碳，因此需要“清洁”能源（例如来自可再生能源的电力）以确保净减少二氧化碳排放量。此外，能源成本高昂，因此必须最大限度地减少能源消耗，同时最大限度地提高生产气体的价值，以产生利润。

然而，如果成功，这个概念将使我们能够通过使用清洁能源和二氧化碳来生产燃料生产等关键原材料，从而一石激起二鸟。主要问题是：1）这在技术上可行吗？如果是这样，2）这在经济上可行/有利可图吗？

技术可行性

提供必要的张力以破坏 O-CO 键的一种方法是加热 CO2。这称为平衡转化。然而，科学告诉我们，在大多数二氧化碳分子决定分离之前，温度必须升高到惊人的水平。例如，在 5000 °C 时，大部分 CO2 会分离，但不是全部。此外，众所周知，当温度下降时，CO 和 O 将倾向于重新加入 CO2。解决方案可能是极快地降低温度，或者在 CO 和 O 重新结合之前进行物理分离。然而，存在与这些建议相关的重大技术和经济挑战。

等离子体被称为“物质的第四态”，表示一种类似气体的状态，在这种状态下，单个原子和分子被触发以促进等离子体外无法发生的化学反应，并增强“正常”化学反应。这是通过大量可以与分子和原子交换能量的自由电子来实现的。

等离子体，虽然通常被认为是地球上一个有点奇特的概念，但已成为我们现代生活方式的关键。事实上，大多数普通家居用品在制造过程中都曾被等离子“接触过”。最近，等离子体也被认为是一种有用的 CO2 转化方式，因为可以以提供非平衡转化的方式设计等离子体。

等离子替代品

因此，等离子体提供了高温处理的替代方案，因为等离子体的成分（特别是 CO2 分子和自由电子）之间的碰撞会在 O-CO 键中引起强烈的、破坏性的振动，而不会显着增加温度。这些类型的等离子体被称为冷等离子体或非热等离子体。然而，由于这项技术的某些限制，迄今为止，它在工业规模上的适用性有限，而必须处理大量的 CO2 以消除任何水泥或钢铁厂的 CO2 排放。

SINTEF 研究了使用所谓的热等离子体来诱导 O-CO 键断裂。更具体地说，我们研究了通过使电流通过二氧化碳气体（如闪电）——一种电弧——产生的热等离子体。好处是热等离子体可以直接利用来自电网的“清洁”能源。

它们在工业规模上也具有广泛的适用性，例如在气化炉中，用于废物焚烧和作为许多化学加工厂的关键部件（例如在合成气生产中）。热等离子体的代价是气体温度非常高，但它们确实提供了与非热等离子体相同的 O-CO 键振动激发。因此，热等离子体可以将平衡转化与非平衡转化结合起来。

等离子的经济可行性

当 CO2 单独或与添加剂（如氢气或水）一起流过电弧时，数学模型用于估计气体的温度和 CO2 转化的程度。计算表明，非平衡转化确实是可能的，并且可以实现非常高的转化效率。然而，估计用于驱动电弧的相对电力成本很高。盈利肯定需要有效处理产生的气体，以最大化其市场价值，并从高温气体中有效回收热量，以减少净能源支出。增加二氧化碳税将产生积极影响，这可能是一个关键工具。

在对该技术的经济可行性得出最终结论之前，必须更详细地评估与冷却和精炼生产的气体混合物相关的重大挑战。此外，必须对实施拟议的二氧化碳捕集概念所需的基础设施的建设和运营进行技术经济评估。