【学术研究】甲烷对全球气候变暖的影响及减排措施_张福凯

2 0 0 4年1 0月　　　　　　　　　矿业安全与环保　　　　　　　　第3 1卷第5期甲烷对全球气候变暖的影响及减排措施张福凯徐龙君（重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室重庆 4 0 0 0 4 4）摘　要：随着全球人口的增长人类活动的加剧使得大气中温室气体的含量成倍增加全球变暖已经成为全世界所关注的热点甲烷作为一种重要的温室气体对大气增温的作用仅次于二氧化碳。目前全球每年排放的甲烷总量为5． 3 5×1 0 t其中人类活动产生的甲烷排放量为3． 7 5×1 0 t。作者主要阐 8 8 述了甲烷对温室效应的影响机理和作用并论述了减排甲烷的意义及措施。关键词：甲烷；温室效应；气候；全球变暖中图分类号： TD7 1 2　　　　　文献标识码： A　　　　文章编号： 1 0 0 8－4 4 9 5（2 0 0 4）0 5－0 0 0 6－0 4 　　随着人口的增加和科学技术的突飞猛进人类不断向大自然夺取生存的空间对环境的影响不断地加速而且影响的范围也不断扩大。在创造工业文明、追求实现完美生存状态的同时付出了沉重的代价：能源危机、大气污染、水土流失、植被退化、厄尔尼诺、赤潮、臭氧层消耗等诸多的全球气候变迁问数下同） 2 0 0 0年为3 6 7×1 0 （增加了约 3 1％）；－6 CH4 从工业革命前的（0． 6～0． 8）×1 0 增加到1 9 9 2 －6 年的1． 7 2×1 0 增加了大约1 4 5％。其结果直接－6 ［1］导致了地表增暖和海平面上升。自1 9世纪以来全球平均气温上升了0． 3～0． 6 ℃ 。预计如果没有［2］减少温室气体排放的特殊政策措施到2 1 0 0年全球表面平均温度将上升0． 9～3． 5℃ ；同时由于海洋［1］题使得大气、土壤和水源饱受污染。人类对自然的影响已经不再仅仅局限于地表而是扩张到了大气。近年来由于全球人口的增长人类活动的加剧排入大气中大量的二氧化碳、氧化亚氮、甲烷等温室气体使得大气中温室气体的含量成倍地增加这些气体通过气候系统控制着自然能量的流向即借助于大气的运动加速全球气候变暖的可能性从而影响全球气候的变化。温室气体包裹在地球的周围具有很强的吸收热膨胀和冰川、极冰区的融化全球海岸线将上升3 0 ～5 0 cm 。科学家推算到2 1 0 0年海平面将升高［3］ 1m 。世界气象组织宣布： 2 0世纪1 0个最暖的［4］［5］年份都在1 9 8 3年以后其中7个年份在9 0年代 1 9 9 8年不仅是2 0世纪最暖的年份还是近千年来最暖的年份。全球平均气温比基准时间的平均值高 0． 5 8℃ 。［4］大气中造成温室效应的温室气体主要有二氧化热辐射的能力它们选择性的吸收了地球的辐射能碳、水蒸气、甲烷、一氧化碳、臭氧等。在这些温室气后部分会再反射回到地球使得大气保存了部分辐体中二氧化碳、甲烷和氯氟碳化合物（CFCs）是作用射能因而阻止了热辐射向外层空间的散射结果使最强的3种气体。而且为了便于比较各种不同温大气中的热能积聚于是造成了地球温度比其辐射室气体对温室效应的影响程度人们引入了综合温平衡时的温度高形成了温室效应。温室效应是地球大气层上的一种物理特性它是由太阳－大气－自工业革命以来人类活动使大气中的温室气体含量不断增加。以大气中的温室气体 CH4、 CO2 为例： CO2 的含量在工业革命前为2 8 0×1 0 （体积分－6 　　收稿日期： 2 0 0 4－0 3－0 2 基金项目：重庆大学骨干教师基金资助项目（2 0 0 3年度）作者简介：张福凯（1 9 7 8－）男山东人重庆大学在读硕 ·6· 个数值测量的是10 0 0g 质量的气体在一定期限内所能吸收的总的能量值（一般假定二氧化碳的地球系的物理学相互作用造成的。士研究生主要研究方向：煤层气开发。热势（Global Warming Potential简称 GWP）。GWP 这 GWP 值为1． 0）。表1列出了几种重要温室气体的 GWP 值。 1　大气中甲烷的增长趋势大气中的痕量气体甲烷（CH4）是一种公认的温室气体是仅次于 CO2 的重要温室气体。它在大气中的浓度虽比CO2 少得多但增长率则大得多。据 2 0 0 4年1 0月　　　　　　　　　矿业安全与环保　　　　　　　　第3 1卷第5期表1　主要温室气体的 GWP 温室气体列反应涉及臭氧（O3）、H2O、氢氧化合物（HOx ）、甲 ∗ 醛、卤烃、氯氟烃、氯气及 SO2 等多种大气成分其中　　综合温热势（GWP）二氧化碳 Carbon dioxide（CO2） 1　甲烷 Methane（CH4）主要的反应如下： CH4＋OH·→CH3·＋H2O 2 1　一氧化二氮 Nitrous oxide（N2O） 3 1 0　 HFC－2 3 大气中大约8 7． 8％的甲烷是通过该反应消耗 1 17 0 0　 HFC－1 2 5 的。通过该反应甲烷的汇可表示为－ KcOH· cCH4 其 28 0 0　 HFC－1 3 4a 中 cOH·和 cCH4 分别表示 OH·和 CH4 的浓度K 代表 13 0 0　 HFC－1 4 3a 38 0 0　 HFC－1 5 2a 二者的反应系数由此可知 OH·的浓度降低反过来 1 4 0　 HFC－2 2 7ea 29 0 0　 HFC－4 3 1 0mee 13 0 0　 HFC－2 3 6fa 又会加剧 CH4 浓度的增加。在对流层 CH4 通过与 OH·反应而被清除但反应生成的水气不仅是另外 63 0 0　 CF4 一种温室气体而且该反应作为平流层水气的重要源还影响着许多重要的大气物理和化学过程。 65 0 0　 C2F6 92 0 0　 C4F10 另外一个比较重要的反应就是： CH4＋Cl2→CH3Cl＋HCl 70 0 0　 C6F14 74 0 0　六氟化硫 SF6 CH4 与 Cl2 反应生成 HCl 和 CH3ClHCl 不像游 2 39 0 0　离 Cl2 那样对 O3 有吸收能力因此某种程度上缓解悉全世界一年排入大气的温室气体约为3． 8×1 0t 9 3 5× 等价的 CO2 。全球每年甲烷的排放量达到5．［6］ 1 0 t通过人类活动产生的甲烷量为3． 7 5×1 0t 8 8 ［7］（参见表2）。进入2 0世纪8 0年代甲烷的温室效应已达到2 0％。目前大气中甲烷的平均浓度为1． 7 2 ×1 0 （即 1． 7 2 cm /m ）而且每年以 0． 8％～－6 1． 0％ 3 ［8］ 3 的速度增加如果甲烷的浓度仅仅保持 0． 9％的年增长速度到 2 0 5 0年就有可通达到 8cm /m 可见甲烷对温室效应的影响越来越大；而 3 3 且在未来的几年中甲烷还将呈现增长的趋势。　　　　　　表2　甲烷的主要人为排放源 1 0 t/a ［7］ 6 了 Cl 对 O3 的破坏作用实际上直接影响了大气的氧化动力学特征；但这个反应的另外一种产物 CH3Cl 却是一种重要的温室气体。除此之外卤烃、氯氟烃、氯气及 SO2 等都直接或间接地受到 CH4 和 OH·的影响因此也直接或间接地影响到大气温室效应增强了甲烷对温室效应的影响。 3　控制甲烷排放的意义每年6月5日是“ 世界环境日” 1 9 8 9年的主题便是“警惕全球要变暖”。而联合国环境规划署确定的1 9 9 1年“世界环境日” 的主题是“ 气候变化－需主要人为排放源当前不加控制合理控制要全球合作”。气候的变化确实已经成为限制人类石油 4 7 7 8（2 0 2 5年） 9． 4（2 0 1 0年）生存和发展的重要因素成为全球所关注的话题。 2 2 2 8（2 0 1 0年）－天然气煤固体废弃物处理污水处理水稻栽培家畜胃肠发酵生物量燃烧 3 2 6 2（2 0 2 5年） 6 5 6 5 3 5 4 9 3 0 － 5 8（2 0 2 0年） 3 2（2 0 2 0年）－ 2 3（2 0 2 0年） 3 7（2 0 2 0年） 3 9（2 0 2 0年） 2 4． 7（2 0 2 0年） 2　甲烷的“加热”机理甲烷对进入大气的太阳辐射能、红外线具有很强的吸收能力而且以其温度向外发射红外辐射因而具有“加热”效应。在大气中甲烷是最为丰富的烃类成分它通常还要参与一系列的化学反应这一系可见抑制全球变暖已经成为全世界共同的责任。抑制全球变暖的关键就是减少温室气体的排放量。但是提到温室气体人们首先想到的就是二氧化碳。却忽视了对甲烷排放的控制。科学家估计到2 0 3 0年甲烷的贡献将达到5 0％成为头号温室气体。可见控制甲烷的排放量对抑制温室效应的作用也是很重要的。其意义在于： 1）甲烷在对温室效应的贡献上其“ 加热潜力” 要比二氧化碳大。因而将甲烷作为温室气体减排的 “突破口”是很重要的。 2）甲烷在大气中的停留时间只有1 0a 左右而 CO2 的驻留周期大约是1 2 0a抓住甲烷相对“ 短命” 的特点减少甲烷排放可以比控制 CO2 排放更快并且更为有效地缓解气候变化易收到立竿见影的功 ·7· 2 0 0 4年1 0月　　　　　　　　　矿业安全与环保　　　　　　　　第3 1卷第5期效。［9］ 3）甲烷是一种可利用资源。有效的利用它具有双重的意义可创造客观的经济效益。首先它是一种能源可用作燃料而且技术并不复杂费用也低廉；同时还是一种重要的化工原料可用于制备甲根据我国已经具备的开采煤层气技术可采取如下措施减排：从煤矿安全生产的角度抽放的瓦斯中含 CH4 约3 0％～5 0％可采用变压吸附技术提高其中 CH4 的含量后并入送气系统；回风巷当中抽出的低浓度瓦斯可用于辅助发电；从煤矿床直接抽放出的甲烷一般纯度很高（超过9 0％）可以直接输送醇、合成氨、二甲醚等化学产品。到天然气配送系统、发电厂、供热站使用或出售给第 4　