人类大量使用矿物能源已使自己面临了困境。现在，世界88%左右的能源需求要依靠燃用煤炭、石油和天然气等矿物能源来满足，而且这一需求仍在增长。然而，燃烧它们所释放出的大量有害气体却显著降低了环境质量，甚至将带来改变全球气候并危及人类自身生存的严重后果。

目前，一些正在开发的技术尚不能解决由于大量使用矿物能源所造成的酸雨、城市烟雾等局部环境危机。人类还必须致力于寻求新的有效途径，以遏制潜在的更大危机一一由于向大气排放大量CO₂及其它气体而引致的全球变暖。

那么，为避免出现全球变暖而不得不作出尽快大幅度减少使用矿物能源的痛苦选择，以及接踵而至的种种可能后果，人类社会又需要哪些新的技术保障呢？大量有价值的低投入战略正层出不穷，它们包括提高矿物能源利用效率，开发经济、有效的替代能源及其先进利用技术。

日益加剧的环境危机促使人类对现有的能源体系进行重新反省，但也必须清楚地意识到：世界矿物能源蕴藏十分丰富，分布相当广泛，还能够维持使用1000年以上。而且，它们以多种可利用的方式存在着，人类已经能够相对清洁、有效地开采并转化使用它们，在任何规模上控制这一转化使用过程的技术都是相对简单的。正因为此，在开发出具有竞争性的替代能源以前，矿物能源的重要性在相当时期内仍勿容置疑。所以，人类必须首先致力于开发新的矿物能源利用技术，以缓解酸雨、城市大气污染和全球变暖等不良影响。

解决酸雨影响的有效途径，关键在于大范围控制SO₂和NO_x的排放，它们在大气中与水分子化合生成了酸性物质。燃烧使用矿物能源特别是煤，是SO₂和NO_x的最主要排放源，约占因人类活动所排放总量的80%。有效地降低NO_x的排放，将有利于减少城市上空的烟雾，这是一种因太阳光作用于NO_x、CO及其它有机气体分子所产生的现象。多数城市大气污染缘于使用汽车，它们几乎无一例外地依靠矿物燃油。无论如何，需要指出的是，人们已为控制汽车尾气排放进行了许多尝试，如美国修订后的“清洁大气法案”（Clean Air Act）为进一步控制其排放提供了可能。事实上，根本改善城市大气质量的核心，还在于开发新的替代能源、改进发动机甚至运输体系本身等。

鉴于人类大量使用燃煤向大气排放SO₂和NO_x已分别达50%和30%，旨在控制这些气体排放的多种技术，首先应在大型燃煤发电厂中得到推广应用，因为在美国的这些发电厂燃烧使用了占全国80%的煤。在由政府和工业界共同筹资发起的雄心勃勃的“清洁煤技术计划”支持下，美国正在加紧开发各种降低污染的技术。

在常规发电厂，煤被粉碎后送入锅炉中燃烧，产生的热能将水变成蒸汽，L后驱动涡轮发电机而使机械能转变成电能。在锅炉中伴随着蒸汽的产生，形成的SO₂、NO_x和CO₂等废气经由特殊装置排入大气。这种典型发电厂的热效率为37%。

今天被广泛采用的降低SO₂排放方法是烟道脱硫。在脱硫装置中，排出的废气通过石灰浆液或其他吸附剂，反应生成固体废物得以清除。在美国过去的15年里，通过这种脱硫方法或使用含硫低的煤种，尽管煤的使用量增加了50%，但是SO₂排放量却降低了30多，只是NO_x的排放仍相对维持原状。现在标准的脱硫装置能够有效降低SO₂排放50 ~ 90%，不过要损失部分热效率。配备这种装置的电厂热效率约为34%。

即使在燃烧之前，煤中的含硫也可被部分脱除。例如，已商业化的方法是将煤粉碎后，再根据不同密度将其中的硫筛分出来，通常这能脱除其中30%的硫。研究人员还正在寻找新的机械脱除方法，以及新的化学或生物脱硫方法。

在燃烧过程中，现有技术经改进后亦可清除部分SO₂和NO_x，例如可通过将石灰与煤一道送入锅炉中燃烧来脱硫，或者采用在燃烧区段注入蒸汽等降低炉温的方法来控制NO_x排放。

随着新技术的发展，还可通过更新燃烧装置来更有效地控制排放。例如，老一代发电系统中的常规蒸汽锅炉，可以一种新型燃烧装置如空气流化床炉（AFBC）或压力流化床炉（PFBC）所取代。这两种现在还限于工业和公益事业采用的装置，是运用通过吹入高速空气流，将煤与石灰、白云石等一起悬于燃烧室中央燃烧的原理。这种流化床的高温燃烧气体包围着一排排蒸汽发生器管道。通过持续搅拌装置搅动燃烧着的煤，并将热量传递给那些管道。燃烧中，石灰吸附剂吸收了近90%的硫。由于这两种系统的燃烧温度低于常规的锅炉，所以减少了NO_x的形成。较之采用空气动力学原理更优越的是，采取压力方式在锅炉内维持6 ~ 16个大气压力。

另外，运用联合循环原理可获得更高的热效率：当蒸汽发生器产生的蒸汽推动蒸汽涡轮时，高温高压燃烧气体也同时推动一台燃气轮机运转。被称做“集中式煤气化联合循环”（IGCC）系统，是一种有前景的改进途径。该技术的核心是把煤转变成合成气，即一种主要由H₂、CO₂以及少量CH₄、CO₂和H₂S组成的混合气体。在合成气燃烧之前，可采用常规技术脱除其中90%的H₂S。接着，再将合成气用于上述联合循环过程中，在现有的设计中，被加热的合成气在燃烧室中燃烧并驱动涡轮_之后，用释放出的热废气加热蒸汽发生器，产生的蒸汽再推动蒸汽涡轮发电。压力流化床或集中式煤气化联合循环的热效率大致相同，约为42%。

集中式煤气化系统及其它煤气化方法，由于具有较多的灵活性，因而对于煤作为一种持久能源十分重要。从煤气化产生的合成气，还可用于替代天然气，或为燃料电池提供氢源。

假如要避免出现大的气候变化，人类必须减少因其各种活动所释放CO₂的50 ~ 80%。这样大规模地减少其排放，没有大范围地采用非矿物能源几乎是不可想象的。无论如何，降低CO₂等废气的排放，可采取以下三种策略：更有效地使用现有矿物能源，以天然气替代燃煤，以及回收和分离其中最重要的是提高能源效率，因为这样才能做到既经济可行又生态安全，既能在各种用途上采用又能为各国所接受。

有多种理由选择使用天然气来补充能源效率改进之不足：与煤相比较，燃烧天然气排出每单位CO₂将多释放出70%的能量。此外，天然气也易在燃气设备中充分燃烧，没有灰质，而且含硫量低。甚至像尖端的喷气发动机技术，现也正在开发使用天然气的新方法。

蒸汽注入式燃气轮机（STIG）就是这样一种尝试。它通过燃烧天然气（或来自煤气化的合成气）驱动燃气轮机来发电，排出的热废气通过管道送入锅炉产生蒸汽，这些蒸汽并不用于推动第二个蒸汽涡轮，而是注入到燃烧室中。这种蒸汽注入的方式增加了能源产量，提高了能源效率，同时还降低了NO_x的排放。这种改进的ISTIG构思，可获得52%以上的热效率。这一过程包括天然气与水蒸气的预热催化裂化反应，从而生成H₂和CO，这些生成物含有比天然气更多的能量。

尽管有效使用天然气的各种技术日益成熟起来，但以天然气取代用煤的战略也有一定局限。首先，天然气储量有限。按照当今世界煤炭的消费速度，并采用现有技术，估计仍可持续使用1500年左右。比较起来，天然气储量仅够用120年。如果以天然气全而取代用煤，则只能维持55年左右。其次，天然气在开采和运输过程中发生的泄漏，足以抵消利用它的所有长处。这是因为甲烷也是一种温室气体，尽管它在空气中停留的时间十分短暂，但却比CO₂更易吸收红外辐射。

或许泄漏问题并不是技术上的难题，然而天然气资源的非均衡分布所带来的诸多问题，是远非技术解决得了的。例如，美国若采用天然气全面取代煤，其供应仅能维持18年，而苏联却够用70 ~ 80年。这种非均衡分布状况引起了人们对这种替代进程的关注。是否世界各国都愿意采用天然气取代煤，恐怕也得另当别论。至少现在由于天然气价格高于煤，其被广泛使用尚受到限制，况且，像美国和其他拥有丰富煤炭储量和有限天然气资源的国家，也未必愿意让本国能源供应过分依赖于他国。

另一方面，虽然大多数天然气是在生产国内使用，但自1970年以来，其贸易量已显著增长了。今天，通过管道输送的天然气贸易量已占使用总量的11%，海上液化天然气运输占3%，一个潜在的全球天然气贸易网络已初见雏形。随着世界天然气贸易的增加，像东、西欧地区广泛采用天然气则是完全可行的。若是苏联成为该地区主要的天然气供应国，肯定它自己的经济实力也会得到增强，CO₂排放也会减少。所以，帮助苏联采用先进的天然气开采、运输和利用技术，应作为一项符合西方发达国家利益和对今天苏联“公开性”作出响应的政策。相同地，敦促中东国家向欧洲以及巴基斯坦和印度出口天然气，也是一项明智的环境政策。帮助太平洋沿岸国家使用来自印度尼西亚、马来西亚和泰国的天然气，同样是一项经济且对环境有利的发展战略。

更长远的减少使用矿物能源释放出CO₂的战略，是回收或分离它们。其中，一种可行的方案是植树造林。吸收一座热效率34%、装机容量50万千瓦电厂排放的CO₂，需要造林1000平方英里、由此推算，假如要吸收1988年全美排出的14亿吨CO₂，则需要营造100万平方英里的大面积森林，约占全美陆地面积的1/40无论如何，植树造林可能是迄今可接受的投资最省的吸收CO₂方法。

作为补充，CO₂能在重点排放源发电厂）直接加以处理或贮存。处理措施多种多样，如采用化学吸附法并将反应产物排入贮藏地，也可采用管道直接将CO₂送入深部海底或排入已采空的地下天然气贮层。后一种构思可能代价较高，至少目前尚只能是一个设想。部分问题在于：燃烧每吨矿物能源中的碳，将释放3.5吨以上的CO₂。何况，没有人知道“海底贮藏”会给生态系统带来什么影响，以及这些气体究竟能在那里（或地下贮藏所）贮藏多久。此外，地下天然气贮层的容量，也不能应付今后持续好几十年甚至上百年迅速填充起来的CO₂。

不管怎样，一个国家由于矿物能源消费与环境危机之间的冲突加剧，上述设想仍不失其意义。虽然各种早期分析结果，认为收集或贮藏CO₂的成本高出电价2倍，但据最近荷兰乌得勒支大学一个研究小组的研究表明，这一数字被明显夸大了。他们指出，只要电价上涨30%，这一方案便是可行的。该研究小组设想，采用吹氧炉生成H₂，再将其作为能源用于联合循环发电。在H₂的生产过程中，CO₂经压缩后被送往100公里以外的地下贮藏所。

显而易见地，人们的许多思考都围绕着一个问题展开，即要么改革现有的矿物能源体系，要么为保护环境而放弃它。然而，仍有不少问题有待解决，例如，当今世界能源体系具有较大的惰性，改变它的进程势必缓慢，这是因为在这个体系完成其使命之前放弃它，将要付出高昂的代价。所以，虽然今天人们已意识到减少温室气体排放的必要性，但做起来却仍需几十年的时间。

这种惰性问题还与其他问题牵扯在一起。如果“温室效应”的影响确因CO₂排放变得紧迫起来，那么匆忙地作出反应恐怕代价太大，这不仅是因为对原有能源设施不可逆转的巨额投资，也是因为目前正在开发的非矿物能源技术成本太高，而且推广应用受限。况且，这一巨大代价还将不平均地分摊，发展中国家对此将承受更大的压力，因为它们资金紧缺而且能源需求仍在迅速增长。

现在，仅占世界人口1/3的发达细家，却排放出占总量80%左右的温室气体，另一方面，发展中国家人均能源消费却少得可怜。是否发达国家应降低它们的消费比重，以使发展中国家相应增加能源消费量，以换来更大的经济发展？

发展中国家的能源需求才是最终的问题。根据对过去10年发展中国家能源使用比例推测，未来10年它们（包括中国）的CO₂排放量将超过发达国家。采用有效的能源技术，将使发展中国家达到一个与70年代中期西欧国家相当的富裕水平，但是人均能源消费比例仍只及今天西欧的1/3。为达到这一目标，发展中国家必须心甘情愿地大量投资以节约更多的能源。然而，资金短缺的窘境迫使它们采用了廉价、低效的设备。

许多问题尚无明确的解决办法，但一些建议在不久的将来仍将派上用场，如果可怕的温室升温将成为现实，如何处理矿物能源似乎就应该认真对待，其对策应包括采用更有效的能源技术方法，如燃气轮机和燃料电池，利用煤气化生成H₂，回收或分离CO₂；开发天然气替代用煤的新技术；研究高效、安全和经济的非矿物能源利用技术等。与此同时，应进一步深入地研究全球碳循环过程，以制定明确的控制温室气体排放的标准。

除非这些研究取得令人满意的结果，动摇长期依赖矿物能源的根基似乎不太可能。假如说对这些研究要加以挑剔的话，那就是无论技术复杂程度和应用范围如何，它们必须具有相对便宜、广泛适用和随机应变的特点。

[Scientific American，1990年9月］