二氧化碳减排措施和技术

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1、二氧化碳减排措施和技术二氧化碳减排措施和技术摘要：本文主要阐述了关于二氧化碳减排的基本技术手段和基本原理。文章从提 高能源利用效率和转化效率以及二氧化碳的捕集、分离和利用等方面介绍了中国 二氧化碳减排的各种技术现状,并对二氧化碳减排技术的在国外的具体发展方向 作了初步探讨,。许多国外的化工公司通过提供减排产品促进汽车应用绿色化。汽车的绿色化包括用生物基材料替代石油基材料、降低轮胎滚动阻力、发展塑料 汽车、开发更多汽车用绿色产品。另一些化工公司正在开发用二氧化碳作为低成 本化工原材料的新技术，包括将 CO2 转化为燃料、利用合成生物学开发生物燃 料。这些新技术均为中国二氧化碳减排及利用前景提供了

2、一定的参考方向。 关键词：二氧化碳减排；捕获与分离；绿色化工；二氧化碳燃料全球每年有250 多亿吨二氧化碳排放,中国已达60多亿吨,位居世界第一。大 量 CO2 的排放所带来的全球性的极端气候问题已经引起科学界、各国政府及公 众的强烈关注。为此，如何减少 CO2 的排放问题已经被列入各国政府、联合国 会议的首要议题，放在优先考虑的地位，成为全球诸多重大问题亟待解决的战略 课题。2009 年12月7-18 日召开的哥本哈根会议提出,面对气候变化的严峻挑战,我 们必须采取更加强有力的政策措施与行动,努力控制温室气体排放,建设资源节约 型和环境友好型社会。中国政府做出承诺,到2020 年我国单位国内

3、生产总值二氧 化碳排放比 2005 年下降 40% 45%,非化石能源占一次能源消费的比重达到 15% 左右。当前，减排的主要路线首先是从源头上减排，即通过调整产业、经济、能源 结构，鼓励低排放、低能耗企业的建设，对高能耗的企业实行技术改造；大力发 展节能技术，提高能源利用率；寻找新能源；增强公民意识，改变生活方式等； 其次，对迫不得已排放的 CO2 通过回收分离、捕获贮存、资源化利用等技术减 少或消除其排放。1. 二氧化碳减排的基本技术手段和原理1.1 捕获分离 CO2 技术1.1.1 吸收法包括物理吸收和化学吸收。物理吸收是指利用那些对 CO2 具有较大溶解度 的有机溶剂做吸收剂，通过对C

4、02的加压让其溶解到该溶剂内，再通过减压让C02释放 出来，通过这样的交替方式完成 CO2 的捕获分离。当然溶剂的选择非常重要， 一般要求其具有无腐蚀性、无毒性和良好的化学稳定性。常见吸收剂有丙烯酸酯、 甲醇、乙醇、聚乙二醇等等。化学吸收是指利用碱性溶液如碳酸钾等对 C02 进 行溶解捕获，再通过脱析作用完成对 C02 的分离和溶剂的再生。该方法适用于 大流量低浓度C02的分离回收。1.1.2 吸附法通过吸附剂在一定条件下对C02进行选择性吸附，再将C02解析分离的方 法。常用的吸附剂有活性炭、沸石、硅胶、分子筛等。按照改变的条件，吸附法 又可分为：变电吸附(ESA)、变压吸附(PSA)、变温

5、吸附(TSA)等。其中以变压吸附 法发展较为迅速，目前在化肥、化工工业中获得了广泛应用。1.1.3 富氧燃料该技术是利用空分系统获得富氧甚至纯氧，再与纯的 C02 以一定比例混合 后送入炉膛与燃料混合燃烧。这样由于除去了氮，就可以在排放气体中产生高浓 度的C02,通过烟气再循环装置去稀释纯氧，重新回注燃烧炉。采用这种富氧燃 烧方法，由于助燃气体中氧气浓度较高，燃烧比较完全，不但大大降低了烟气黑 度，还因为氮气量的减少，而减少了热损失，节约了能源，故而被发达国家称之 为“资源创造性技术”，有着良好的应用前景。目前的 oxy-fuel 技术又得到了进 一步的发展。在oxy-fuel技术中，由于烟道

6、气中C02的浓度很高，这样就有利于 对 CO2 进行捕获和封存。1.1.4 膜分离法又称分子筛法，利用不同的聚合材料对不同的气体具有不同的渗透率，将 C02 从锅炉尾部烟气中分离出来的方法。其最大优点在于投资少，结构简单，操 作方便。工业上常见的分离 C02 的膜有醋酸纤维膜、乙基纤维素膜、聚苯醚等。 这些膜对于 C02 现出良好的渗透性。随着高分子材料科学的不断发展，膜分离 技术将不断完善，成为 C02 的捕获分离的又一重要手段。1.2捕获封存技术(CCS)将含有 C02 的废气通过一个装有三维网筛的烟囱，废气在上升的过程中与 从上方喷淋下来的化学溶剂相遇， C02 气体被溶剂吸收，随后再将

7、其从溶剂中提 取出来进行压缩，然后用泵注入地下储存。由于地球储存 C02 的潜力十分巨大， 因而地质封存被普遍认为是未来主流的封存方式。由于该方法减排效果较好 (可 捕集90%以上的 C02 的排放)，加之地球储存 C02 的潜力巨大且对环境友好，因 而受到了越来越多的国家的广泛重视。但是，这种技术也有一定的局限性。首先， 它存在一定的环境风险，比如，溶解的 C02 会对地下水的化学性质产生影响， 浅层地下和近表面环境处气态 C02 高浓度产生的直接效应以及 C02 泄漏和盐水 取代对地下水的危害、对陆地和海洋生态系统的危害、诱发地震、引起地面沉降 或升高等。其次，能耗大，成本高。从捕集到运输

8、再到贮存，每一个环节都要耗 能,如果将该技术用于电力生产，每kWh电的费用估计会增加约0.010.05美元， 排放每 t C02 的成本是 3070 美元。由此可见，该技术能否获得广泛应用，还取 决于环境、技术、资金以及政策等问题。但是，随着技术的不断成熟， CCS 技术 将成为未来C02减排的重要手段。1.3 C02 的资源化利用C02 早期主要用来合成尿素、碳酸氢铵等化学肥料，以及用来生产纯碱、小 苏打等基础化工原料。现在， C02 被广泛应用于化工、机械、食品、农业、医药、 烟草等行业。利用现代科学技术，可以将其转化为有机燃料、化工原料、中间体 或有机化工产品。“变废为宝”，对于缓解能源

9、紧张、节能减排不失为一举两得。2 二氧化碳减排的具体手段和新型技术2.1 电站二氧化碳减排应用将电厂和其他高耗能装置排出的大量C02打入油田井下，既隔离封存了 C02, 又可以提高油田采收率,是处理大量排放的 C02 的出路之一。欧盟委员会估计， 到 2030 年可捕获的 C02 大约相当于欧盟建议书要求该地区在 2030 年减排 C02 数量的 15%。欧盟已承诺在今后几年支持 12 项不同技术捕获 C02 的示范项目。富氧燃料(oxy-fuel)技术，即向燃煤电站进纯氧,而不是进空气。这样除去了氮， 就可以在排放气体中产生高浓度的C02。用富氧燃料，可以产生富C02烟道气，为 准备封存而分

10、离和净化 C02 的成本可以降低。空气产品公司现已开发了试验室 规模的技术，准备在示范装置检验这项技术。罗地亚能源服务部也建立了一家负 责能源供应管理和生产的集团。罗地亚认为用 C02 排放气作原料不是一个可行 的选择,因为排放的 C02 要扩散,过程将是高耗能的,但公司正在研究 C02 捕获的 化学方法。近几个月,C02捕获技术可能更向前推进了一步。UCLA的化学家0mar Yanghi 领导的研究人员在科学杂志刊登了一篇文章,强调他们发现了一种新颖的多 孔材料，可以吸收自身体积80倍的C02。这种材料是沸石咪唑酯骨架结构材料 (ZIF),可以导致C02捕获系统的成本大幅降低。2.2 向绿色

11、汽车提供更多新材料和新产品受消费者对环境关注和燃料价格升高的驱动,开发绿色汽车的竞赛正在进行。 焦点主要是开发更便宜的替代能源和减少汽车尾气中有毒的排放物。汽车设备制 造商对材料的开发超过了燃料,正在研究运用可再生或可回收的材料制造各种汽 车部件和产品。2.2.1 用生物基材料替代石油基材料福特公司在其 2008 年的 Mustang 赛车中已经在座椅靠背和坐垫的泡沫塑料 中使用 5%由大豆制成的聚醚多元醇。福特公司计划用大豆作原料的聚醚多元醇 替代40%用石油作原料的聚醚多元醇,福特公司说,这不仅可减少对环境的影响,而 且每年可节约成本 2600 万美元。福特公司的长期目标一直是用一些由植物

12、制得 的材料替代由石油制得的材料,最终目标是减少公司生产汽车对环境的影响。福 特等公司还在研究将低成本的大豆渣加入到复合材料中的技术,以降低生产成本, 同时减轻汽车质量,增加强度。2.2.2 降低轮胎滚动阻力除了生物基纤维外,帝人公司还开发了可以减少燃料消耗的技术,例如用聚碳 酸酯替代发动机罩和车顶的钢和玻璃可以减轻汽车的质量 ;该公司还改进了橡胶 成分,从而可降低轮胎的滚动阻力。 Sulfron 是一种以芳酰胺为主的改性橡胶配混 物，是帝人公司向轮胎市场提供的最新产品。将Sulfron加入到轮胎配混物中，据说 可以降低滚动阻力15%20%,从而可降低燃料消费量3%5%。此外，还可延长 寿命

13、15%。轮胎对于解决燃料消耗问题起着关键作用。低能耗轮胎也是罗地亚的 Zeosil 高性能二氧化硅的开发重点,这种硅胶用作轮 胎的补强剂。滚动阻力几乎对CO2的排放负有30%的责任，是所有汽车和轮胎市 场优化能耗和汽车燃料消耗的要素。2.2.3 发展塑料汽车使用节约燃料的汽车塑料替代用于汽车部件的金属和玻璃 ,在世界各地的汽 车展会上给人以深刻印象。钢占现在汽车质量的 2/3,100kg 的塑料平均可以替代 300kg的钢。估计汽车的质量对其CO排放的影响大于30%。汽车质量只要减轻 10%,每千米就可以减少CO2排放量16g以上。罗地亚公司正在研究用聚酰胺基塑料 Techny 做车体、结构件

14、和引擎罩下的 部件，以减轻汽车的质量，从而减少CO2的排放。对Borealis公司而言，最新一款绿 色汽车是燃料消费最低,而且很容易回收利用的汽车。聚丙烯配混物可以用在这 款车型,特别是将聚丙烯用在结构货架(内装和外装)和美观的车体板。 Borealis 近 来开发的产品之一是全循环的热塑性聚烯烃配混物Daplen ED230HP。这种配混 物可替代传统上用作车外板、后档板和引擎罩的聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT)的掺混物。萨比克公司不仅为汽车部件提供了可以回收利用的塑料,而且用塑料废片开 发了原材料。萨比克专用的向上游循环的塑料Valox iQ PBT和Xenoy iQ树脂(聚碳 酸

15、酯和PBT的掺混物)预计2009年就可用于一些汽车部件。萨比克公司说,它们可 以用PET废片生产Valox iQ材料，每吨Valox iQ可以替代850kg的以石油作原料的 材料。2.3 将二氧化碳转化为工业原料的节能减排技术一些化工公司正在开发用 CO2 作为低成本化工原材料的新技术。巴斯夫公司已经用 CO2排放气作工业原料。工业专家估计,每年大约有 1.2e8 吨的 CO2 可以用作化 工原料,但作为一种减少排放的途径,这个数量可能会明显增加。2.3.1 二氧化碳用于尿素、水杨酸和甲醇等的生产巴斯夫收集合成氨厂排放的C02，用作生产尿素的原料,几年来已消耗了几十 万吨的C02。巴斯夫公司认

16、为，一般而言，鉴于碳在C02分子中的热力学状态，用 C02 作原料是非常有限的。任何使用 C02 的大规模工业工艺都是潜在的耗能工 艺。巴斯夫的生产装置实现了高度的热整合,效率已经很高。巴斯夫在小规模技 术的开发上也取得了进展,该公司近来成功地开发了用C02替代传统的碳-氢单体 的共聚物。2.3.2 将二氧化碳转化为燃料南加州大学已经开发了将 C02 转变为甲醇和二甲醚的基本化学过程,这两种 物质都是传统运输燃料潜在的清洁替代品。位于美国新墨西哥州的 Sandia 国际 实验室的研究人员正在开发一种利用 C02 的清洁燃料技术。这项技术仍处于开 发阶段，涉及将C02转化为CO,后者可用于制造包括氢、甲醇和汽油在内的燃料。 转化是在存在浓缩太阳热能的条件下，将C02通过一种钻-铁酸盐陶瓷材料。这种 神奇的太阳能浓缩器在一个独特的反应器中升温到1500C。这种反应器称作反 向旋转环接受器反应器恢复