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深度分析国外环保相关产业的发展

点击:1761 时间:2014年4月26日 来源:中国环境科学学会网站

狭义的环保产业是指终端(end-of-pipe)治理产业,或称为传统的环保产业。二次大战以后,人类社会生产规模空前扩大,大量资源和能源被消耗。受到科学技术和生产水平的局限,大量废弃物被排放到环境中,引起严重的环境污染和大量公害事件。针对治理这些污染而形成的环保产业一度得到很大的发展,治理对象是工业废水和生活污水;主要大气污染物如颗粒物(PM)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、铅(Pb)、挥发性有机物(VOC)等;固体废弃物及噪声(固定源噪声和交通噪声)。

由此而形成的产业主要有:工业废水治理设施和生活污水处理厂、旋风除尘、静电除尘和布袋除尘、火力发电厂烟气脱硫工程、电厂脱硫脱氮工程、汽车尾气催化转换器、生活垃圾焚烧厂和固体废弃物填埋场所、各类消声降噪设备等。这些终端治理产业耗费巨大,效果却不甚理想,因此不是治理环境污染的根本途径。

我国在进行环境污染的终端治理中经历了曲折的途径,付了不少学费。从上世纪七十年代开始起步的不少治理装置经不起时间的考验,大多在使用不久后就不得不进行检修或报废,造成巨大浪费。详情此处不赘述。

下面就一些主要的传统环保产业作简短的评述。

大气污染治理

固定源大气污染治理的两个最大产业是除尘设备和烟气脱硫装置(FGD)。经历了几十年的发展,可以认为现在除尘设备以静电除尘和袋式除尘设备为主,而且技术都已经成熟,今后除一些技术上的改进以外,不大可能有突破性的进展。当然人们可以举出一些新技术,而且在某些特殊领域获得一定应用,但应用的规模远不能同以上两种技术相比。

烟气脱硫技术的发展经历了饱经磨难的历程,无论国内国外都是如此。上世纪七、八十年代是各种烟气脱硫技术竞争最激烈的时期,到九十年代情况却逐渐明朗。据说有约200种左右烟气脱硫流程先后被提出,进行小试、中试乃至示范装置,但最终世界范围内约80%的市场被湿式石灰石法占领,美国和日本领先。不同点在于吸收塔的类型、材质和副产物的利用。因此,到九十年代后期,发达国家烟气脱硫新技术的开发已经停止,但国内直至最近仍有人提出开发烟气脱硫新流程。

发达国家大多数燃煤电厂安装了烟气脱硫装置,以日本普及率较高。美国新建燃煤电厂必须安装烟气脱硫装置,但一些老式电厂却至今仍未安装,一则因为老电厂加装烟气脱硫装置费用要更贵一些,二则这些老电厂不久即将退役。

汽车尾气污染。从上世纪中叶开始,美国不断制定一次比一次更加严格的排放标准。这一做法推动了汽车工业技术的发展,被证明是成功的(与此成为鲜明对照的是,对燃煤电厂排放氮氧化物制定严格的排放标准未能取得同样的成功)。现在普遍采用三元汽车尾气催化转换器,而汽车尾气排放标准有进一步严格的趋势,但这仍然不能从根本上解决问题。美国有些城市和地区的臭氧浓度仍然超标。

污水处理厂

尽管有不断的改进和革新,污水处理技术几十年来没有根本性突破。有人打趣地说,如果有一个现代的Rip Van Winkle在上世纪60年代昏睡过去,那么当他30年后醒来时将会发现世界很多地方变样了,但是污水处理厂却基本上还是二级生化处理技术。这一技术对改善水质和水环境保护作出了重要的贡献,但是同样不能根本解决问题。而在发展中国家,先进的污水处理厂远未普及,恶劣的水环境严重影响了人群健康和生态环境。

固体废物处置和噪声

固体废物包括生活垃圾处置技术。目前仍以卫生填埋为主。过去有人大力提倡生活垃圾以焚烧为主,现在看来未必如此。危险废物的处置需要大量资金投入。噪声污染治理技术已相对成熟。此外,恶臭处理技术取得一定进展,但人们有理由对这些进展并不感到满足,所以一句话,传统的末端治理技术不能根本解决环境问题。

污染预防和清洁生产

上世纪九十年代前后,时任美国环保局长的William Reilly认识到这一问题,竭力强调从源头控制污染。结果美国国会1990年通过了污染预防法,明确提出从源头控制污染的重要性以及要求实现清洁生产。于是有了产品的生命周期评价,提出从摇篮到坟墓进行产品的环境影响评价和在生产过程中消灭污染。污染预防的概念为新世纪环保产业的发展指明了方向。

事实上,由于资源和化石能源的日趋短缺以及巨大的环境压力,一些重要工业领域正悄悄进行着重大的变革。试举一些为例:

电力工业 美国十余年来煤炭年产量始终稳定在10亿吨左右,其中90%以上用于发电。有人把煤炭用于发电的比例视作工业发达程度的一个标志。我国在上世纪60年代煤炭产量不足8亿吨,其中仅1/3左右用于发电。目前煤炭产量居世界第一,将近20亿吨,用于发电的约占总产量的60~70%。

尽管美国和中国煤炭储藏量足够我们使用至少几百年,燃煤是造成环境污染的重要因素,例如,电力工业是美国头号污染大户。每年排放的颗粒物、二氧化碳和氮氧化物数量极为可观,环境影响严重。现在布什总统提出10年后美国电力工业要实现零排放,当然是一个奢望。他把希望寄托在整体气体联合循环(IGCC)技术,经过多年发展以后,IGCC示范电厂已达到了30万瓦规模,这类电厂管理得好,确实可以实现污染物极低的排放。

但是燃料电池的发展将进一步实现电力工业的革命,那时电网将可以实现分散化,电厂的标志高烟囱也将消失。

汽车工业 同样是燃料电池技术的进一步发展将使汽车实现零排放。燃料电池以氢和氧作为原料,通过燃料电池产生电力,副产物是水,因此不造成污染。通过燃料电池发出的电力将驱动汽车,是未来理想的交通工具。[page]

现在已批量生产的混合型汽车是实现这一革命的重要一步。乐观的预期是到下一个十年燃料电池汽车将会基本普及。人类对石油的需求届时将会急剧减少。

化学工业 污染预防法中对清洁生产的要求对化学工业具有特殊意义。过去,由于化学工业是环境污染的重要污染源以及发生了一系列重大的环境污染事故(最有名的是1984年印度博帕尔事故)而使化学工业的形象不佳,博帕尔事故造成的几千人死亡使美国联合碳化物(Union Carbide)公司受到致命打击,以后美国化学生产商协会(CMA)即现在的美国化学理事会(ACC)推出“向社会负责”(Responsible Care)项目,订出十项原则减少化学工业的环境影响,收到一定效果。更重要的是引入了绿色化学(Green Chemistry)的概念,要求从原料开始选用环境友好型的物质。绿色化学涉及鼓励环境无害化的生产工艺的设计,这种工艺对有毒物质的使用量最小,并通过减少污染环境的副产品,特别是有毒物质,使生产工艺的整体效率达到最大化。绿色化学包含了所有类型的、减少对人类健康和环境的负面影响的化学工艺。美国并由此设立总统绿色化学挑战奖,从克林顿总统任职期间开始,每年颁发。一旦绿色化学概念深入人心,化学工业必将发生根本变革而更好地造福人类社会。

能源工业 能源问题与环境息息相关。从保护环境角度出发,最好是少用或不用化石燃料。现在面临的最大环境问题全球气候变化,主要就是由大量使用化石燃料引起的。最好的替代能源是可再生能源(太阳能、风能、潮汐能和生物质能)和核能。可再生能源中太阳能的直接利用最引人关注。

太阳能 太阳每小时发射出3.8×1023千瓦小时的能量,其中170000TW的能量照射在地球上,地球将其中的1/3反射回太空。地表每小时从太阳接收的能量远远超过人类一年的能源消费。但是要收集其中仅仅一小部分的能量却并不是件容易的事情。目前大量普及利用太阳能的关键技术是光生伏打电池或称光伏电池(photovoltaic cell)。现有的技术水平将太阳能转化为电能仅有10%的转化效率,因此要使用光伏电池来收集20TW的能量需要0.16%的土地都铺满光伏电池。即使美国7千万未使用的土地铺满光伏电池,也仅能产生0.25TW电,这仅是美国2000年电能消耗量的1/10。

全球太阳能的利用面临着诸多挑战。其中最主要的便是能量的传输和存储问题。如果在沙漠及其他人口稀疏地区建设大量太阳能收集站,政府必须同时建立大型的电力设施将能量传输到城市,这当然是可行的,然而费用却非常昂贵。

更困难的一点便是如何存储太阳能。电能是无法存储的,它必须要转化为其他形式的能量才能加以存储。由于全球电能需求量的庞大,因而目前已有的能量存储方式都是不可行的。另外一种方法是使用电能提高水位将水存入水库,这样以后可以释放出来发电。电能也可以生产氢气或其他化学燃料,然后通过管道输送到需要的地方,或者直接作为交通能耗。然而,这也需要建设一个新型的昂贵设施,这个费用还不包括在收集太阳能的高昂费用中。

光伏电池 尽管地球到太阳的距离约为1亿公里,太阳到达地球表面的能量仍可达平均每平方米1000瓦。光伏电池可以将这些能量转化为无污染的电能。光能转化为电能的机制其实很简单,但要将光伏电池普遍使用却不那么容易,光伏电池产生电流的价格是关键。现在太阳能电池的市场价格在每瓦3美元以下,随着薄膜技术的发展,将会有大量厂家生产光伏电池。光伏电池的市场正在以年增长率10%的速度增长。利用光伏电池模组发电不会造成任何大气污染,太阳能电池没有噪声,也不需要更换电线。所以光伏电池及其配套装置工业将会有大的发展。

风能 以目前的技术水平来看,利用风能已经能够使成本达到一千瓦时0.05美元,这比天然气和煤炭之外的其他能源都要廉价。然而其应用范围仍然有待探讨。据估计,即使在风力资源丰富的地方全部安装风力发电机并且价格合理,这仍然只能生产2~6TW能量。(斯坦福大学的研究人员也曾经做过估算,风能充分利用的话可以产生72TW能量,这个数字要高得多,它是基于地面以上80米高处风能潜力估算的,而这个高度正是现代风轮机的工作中心,风速也要大的多。)无论如何,风能是一种重要的可再生能源,将会得到充分利用,这一点是毋庸置疑的。

核能 核能是高度浓集的能源,可以建立在最需要用电的地方,另外,核能又是清洁能源,有利于保护环境。然而人类对核电站使用的担心主要集中在核安全问题上,如核燃料的放射性、核废料处理等。自1979年发生三哩岛核电站事故以来,美国未曾新建一个核电站,考虑到所需的高额资金支出、废物处理、社会责任,核扩散以及恐怖主义,这一切都使得对核能进行大规模推广的态度不太可能有大的改变。然而幸运的是,目前的核电厂比以往任何时候都运行得更为安全,将来一代的核反应堆还要进行改进,进一步加强安全防护。

氢经济

直接利用太阳能的光伏电池尽管有光明的应用前景,但应用范围毕竟有限。利用氢和氧的燃料电池将是替代化石燃料能源的主力。氢气产业早已建立,整个产业每年以5~10%的速率增长,而商业氢气制造业的增长率达到12~17%。氢是宇宙中数量最多的元素,然而氢气只是能量的载体,与自然界中传统的燃料不同,它只有使用其他能源才能制取出来。目前几乎一半的氢气是用天然气作原料,采用热解催化和气化工艺生产的;其次是重油和石脑油;然后是煤炭;只有4%是用电力从水中提取的。在制备氢气使用的可再生能源中,风能和生物能目前最为便宜,其次是潮汐能。氢也可以利用太阳能电解水产生。由于太阳能和风能的无限潜力,电解似乎可以提供未来社会所需要的任何数量氢气。一旦氢可以大量生产并能解决其储存和运输中的安全问题,人类社会可以说是进入了一个氢经济时代。那时由交通运输引起的严重的城市大气污染将从根本上得到解决。温室气体排放引起的全球气候变化将因此逐渐缓解。

甲醇经济

如果使氢跟二氧化碳直接反应,可以生成甲醇(CH3OH)。甲醇是一种工业化学品,是新一代“直接甲醇燃料电池”(DMFC)的燃料,这一燃料电池将甲醇转化为CO2和H2O,并产生电力。另外,甲醇可以脱水生成乙烯,利用乙烯可以生成所有碳氢化合物燃料以及当前从化石燃料生成的各类产品。因此,如果人类可以从非化石燃料来源有效地生产甲醇,它将最终取代石油和天然气成为燃料和化学原料。此外,二氧化碳通过还原转化为甲醇也可以减轻全球变暖,加上甲醇较之氢是一种更为安全的载体,因此可以考虑将“甲醇经济”作为“氢经济”的替代者。

从以上介绍可以看出,随着全球能源短缺及人类生存环境的恶化,以化石燃料为主的“碳经济”将逐步被利用可再生能源的氢经济或甲醇经济等新的发展模式所代替。进入21世纪以来,人类社会实际上正经历着一个悄悄的巨大变革。[page]