除非等到其他能源能够完全取代煤炭、石油和天然气，摆在人们面前的技术挑战都是显而易见的：在最大限度地依靠现有矿物能源的同时，也要尽可能地减轻其对环境的损害。

使用矿物能源已把人类社会逼入了窘境。世界范围内，人们从燃烧使用煤炭、石油和天然气中获得了88%的能源，而且这一需求仍在继续增长。然而，燃烧排放出来的气体却降低了环境质量，甚至可能带来改变全球气候和危及人类生存的严重后果。

目前，正在开发的技术若要应付由于大量使用矿物能源所造成的酸雨和城市烟雾等局部环境危机，还有相当长的一段路。此外，人们还在寻求解决办法，以减轻潜伏着的更大危机——由于向大气大量排放CO₂及其他温室气体而引致的全球变暖。

人_社会还需要寻求某些技术保障，以应付为避免出现全球变暖而不得不尽快大幅度减少依赖矿物能源将会出现的种种不测。大量有价值的相关低投入战略正层出不穷，它包括从提高矿物能源利用率，到开发能够经济有效地替代矿物能源和改进利用非矿物能源技术的各种思路。

如果强调环境的观点尚不足以促成这一转变，有限的矿物能源本身也将加速其改变（可能100 ~ 200年）。矿物能源供应还可持续一千多年，许多矿物能源仍然蕴藏丰富，尤其是煤炭。无论如何，这些储备资源正被以超过其形成几倍的速度消耗着。

有足够的理由相信，矿物能源分布相当广泛。首先，它们在世界各地以可利用的多种形式存在着；其次，人类已能够有效地、相对清洁地开采并转化其成为自己需要的能源服务，在任何规模上控制这一燃烧使用过程的技术都是相对简单的；再次，这些能源容易转换形式以便于运输，因为它们容易获得，拥有丰富的化学能，而且燃烧所需的氧气无处不在；最后，能源容易迅速从一种形式转变成另一种形式，也即是说，从固体、液体到气体。

由于以上原因，加之在开发出具有竞争力的替代能源之前，使用矿物能源仍可能持续好几十年。从这种意义上讲，它的重要性在相当时间内仍勿容置疑。所以，人们必须致力于技术进步，以改变因燃烧矿物能源而造成的酸雨、城市大气污染和全球变暖等不良影响。

第一个环境问题——酸雨的解决途径，关键在于大范围内控制SO₂和NO_x的排放，这些化合物在大气中与水分子化合后生成酸。燃烧矿物能源特别是煤，所释放出的SO₂和NO_x数量，估计已占人类活动排入大气总量的80%。

不管怎样，成功地降低NO_x排放还将有益于缓解城市上空的烟雾，这是一种太阳光作用于NO_x、CO和其他有机气体分子的产物。多数城市污染源于使用汽车，它们几乎无一例外地依靠石化燃油。无论如何，需要说明的是，人们已为控制汽车尾气排放尝试了许多，美国修订后的“清洁大气法案”就为此提供了可能。事实上，改善城市大气质量的关键在于鼓励大规模的替代能源、发动机甚至运输系统本身改进等方面的尝试。这些努力将可能促进控制由于运输事业带来的大量温室气体排放。

人类活动（主要是燃煤）向大气排入了近一半的SO₂和30%的NO_x，旨在消除这些气体排放的众多技术，已在燃煤发电厂中得以开发应用。在由政府和工业界共同筹资发起的“清洁煤技术计划”支持下，美国降低污染的技术开发正得以顺利开展。

在常规发电厂，煤被粉碎后送入锅炉中燃烧，产生的热能使水变成蒸汽，然后驱动涡轮发电机而使机械能转变成电能。在锅炉中伴随着产生蒸汽的同时，形成的SO₂、NO_x和CO₂经由特别设计的装置排入大气。这种典型的发电厂其热效率只有37%。

当今，被广泛采用的降低SO₂排放方法是烟囱脱硫。在脱硫装置中，被排出的废气将经过石灰浆液或其他吸附剂，反应生成固体废物得以消除。在美国过去的15年里，通过这种脱硫方法或使用低含硫煤，尽管煤的使用量增加了50%，但SO₂排放量却降低了33%，只是NO_x的排放仍相对维持原状。现在标准的脱硫装置能有效降低SO₂排放50-90%，配备这种装置的发电厂热效率约为34%。

现正在改进的先进脱硫装置，可脱除高达97%的SO₂，采用特殊的吸附剂还能部分清除NO_x。燃烧后，NO_x混合物可被分别加以清除：NH₂被注入NO_x混合废气中，反应生成无害的水和氮气。

甚至在燃烧开始之前，煤中的含硫物就可被部分脱除。例如，已商业化的方法是将煤粉碎，然后根据不同密度将其中的硫筛分出来，这通常能脱除其中30%的硫。调查者正在寻找新的机械脱除方法，以及诸如新的化学或生物脱硫方法。

在燃烧过程中，现有技术稍经改进亦可清除部分SO₂和NO_x。例如，可以通过将石灰与煤一道送入锅炉燃烧来脱硫。采用降低炉温如在燃烧区段注入蒸汽等方法来控制SO₂排放。

随着新技术的发展，意料不到的排放还可通过更新动力装置来实现，即采用先进的、更有效的设备取代过时的设备。这种更新改造将比技术改进更加经济。例如，老一代发电系统中的常规蒸汽锅炉，可为一种新型燃烧器如空气流化床炉（AFBC）或压力流化床炉（PFBC）所取代。

这两种现仅限于公共事业和工业商业化使用的系统，是通过吹入高速空气流，将煤与石灰、白云石一起悬于燃烧室中央燃烧。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。通过气体持续搅拌燃烧着的煤，并将热传递给那些管道。SO₂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锅炉，所以减少了NO_x的形成。

比采用空气动力原理更优越的，是采取压力方式在锅炉内维持6 ~ 16个大气压力。运用联合循环原理在燃烧室中获得更高的热效率：当蒸汽发生器产生的蒸汽推动蒸汽涡轮时，高温高压气体也同时推动一台气动涡轮运转。

更富吸引力的一种改进途径是被称做“集中煤气化联合循环”（IGCC）的系统，它的作用已在世界许多地方得到证实。这项技术的核心在于将煤转变成人造气体，这是一种主要由Ha和CO，以及少量CH₄、CO₂和H₂S组成的混合气体。在燃烧这种气体之前，90%的H₂S可用通常适用的技术加以清除。

然后，用这种气体去驱动像上述那样的联合循环过程。在目前的设计中，被加热的气体在燃烧室中燃烧并驱动涡轮。之后，排出的热废气再加热蒸汽发生器，产生的蒸汽再推动蒸汽涡轮。压力流化床或集中煤气化联合循环的热效率大致相同，约为42%。

集中煤气化系统及其它煤气化方法，由于它们提供了更多的灵活性，因而对于煤作为一种长期能源是至关重要的。从煤转化而成的气体，不仅可驱动联合循环涡轮和蒸汽涡轮，而且有助于利用这些工业余热来发电。更进一步地，这种气体能替代天然气，并能为燃料电池提供氢源。

如果人类想要避免出现大的气候变化，则必须减少50~80%由于人类各种活动释放的CO₂。这样大规模减少它们的排放，没有大范围的采用非矿物能源几乎是不可想象的。不管怎样，减少使用矿物能源的废气排放，可采取以下三种策略来实现：更有效地使用现有能源，以天然气替代用煤，以及吸收分离排放出的CO₂。最重要的是能源效率改进，因为这样才能既经济可行又生态安全，才能为其他国家所接受而采纳。

其中，更长远的降低来自矿物能源所释放CO₂的战略，是收集或分离它们。例如，一种可行的方案是植树来吸收排放出来的CO₂。仅吸收一座热效率34%、装机50万千瓦电厂所排出的CO₂量，将需要营植1000平方英里的森林。例如要吸收1988年美国排放的14亿吨CO₂，那么将需要新营植100万平方英里的大片森林，这大约是现在美国陆地面积的1/4。进一步地，造林计划还必须包括保护新植森林的措施。无论如何，植树造林将是迄今可接受的分离CO₂方法中投资最省的。

作为补充，CO₂能在重点排放源处（如发电厂）直接加以处理或贮存。处理措施多种多样，如化学吸附法，然后将反应产物排入贮藏地。贮藏法包括采用管道将CO₂送入深海底或排入已采空的地下天然气贮层。

整个构思可能代价太高，至少目前尚只能是一个设想。问题部分在于：燃烧1吨矿物能源中的碳，将释放3.5吨以上的CO₂。更进一步地，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，地下天然气贮层的能力，也不能应付大规模长达二、三十年而且迅速填充起来的CO₂，以及接下来又一个二、三十年。这种方法可能仅适用于大量固定的CO₂贮藏，在美国这仅能贮藏30~40%的CO₂排放量。

不管怎样，一个国家值得认真考虑矿物能源消费与环境保护问题之间的相关性。虽然各种早期的分析表明，收集或贮藏CO₂成本将比电价高出2倍。但据最近一个美国研究小组的计算，以上成本可能并不太高。研究表明，只要电价上涨30%，以上方案即是可行的。

这个研究小组设想，一座吹氧气化炉运转产生H₂，H₂作为能源被用于一个联合循环。在产生H₂的过程中，CO₂经压缩送往100公里以外的地下贮藏所分离。有人预测，今后50 ~ 100年氢可能成为一种无污染的替代能源，不过其H₂来自用太阳能式核能分解水所获得的。针对这种可能性，有人建议把从煤气化中生产H₂作为一条安全途径，以实现H₂作为能源而广泛使用的转变。H₂能够在邻近采煤场所生产，并通过管道送到用户如驱动高效汽轮机或燃料电池。伴随H₂生成的CO₂则用管道送入分离场所。

燃料电池的工作原理类似一个电池，只是其能源不断得到补充。目前唯一商业化的是磷酸电池，一组燃料电池可以取代一台发电装置。除磷酸电池外，至少其他三种燃料电池正在加紧研究开发，如果所产生的热量也被开发出来的话，这种设计的效率可能高达50 ~ 60%。

明显地，人们冥思苦想的都集中在一个双重问题上：即要么改进矿物能源生产，要么为有益于环境而放弃矿物能源系统。然而，还有许多问题尚待解决。例如，现今世界能源体系具有较大的惰性，改变它势必缓慢，这是因为在这个体系完成其使命之前放弃它，将会付出昂贵的代价。故此，如果当今世界意识到减少温室气体排放的必要性，要实现它却还需要几十年时间。

—些计算机模拟的结果表明，如果按每十年温度仅升高0.05℃计，并假设这十年中其它温室气体排放得到控制，且只引起0.05℃的升温反应。全球每年CO₂排放量达16 ~ 35亿吨，将是导致全球变暖的安全阈值。

当今，仅占世界人口1/3的发达国家，却排放出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例，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？

发展中国家的需求还带来一个问题。根据过去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。达到这一目的，发展中国家必须心甘情愿地投入巨资。不过，筹措资金的困难将促使它们采用较便宜、效率较低的设备。

许多这些问题尚无明确的解决办法，但毕竟一些建议在不久的将来可被采纳。如果可怕的温室升温可能变为现实，如何处理矿物能源似应谨慎对待。这样的应付措施包括采用更有效的技术措施，它们还会带来明显的经济利益。

同样有意义的，任何地方正在采用天然气替代煤炭的做法也是可行的。显然以天然气消费取代煤炭可能抬高其价格，并加速亏空其储量，但是此举将换来宝贵的时间，以部分保护环境，并等待非矿物能源技术日臻完善。如果苏联和中东地区丰富的天然气资源得以充分开发，那么增加其贸易供应，未必会出现大的价格波动。事实上，我们认为，西方发达国家应给予发展中国家和东欧地区技术和资金援助，以促进天然气资源的开发利用，并鼓励这些国家采用先进的能源技术。

与此同时，应进一步深入研究全球碳循环过程，以制定明确的温室气体排放控制目标；必须加强有效的矿物能源技术（如汽轮机和燃料电池）、利用煤气化生产H₂、收集和分离CO₂，以及高效、安全和经济的非矿物能源使用技术研究。

除非等到这些研究取得令人满意的结果，动摇依赖矿物能源的根基似不太可能。若要对这些研究挑剔的话，那就是无论技术复杂程度和技术应用范围如何，这些技术必须保持相对便宜、广泛适用和随机应变的特点。

[Scientific American，1990年9月号］