產(chǎn)業(yè)發(fā)展論文環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展論文溫室氣體二氧化碳的回收與資源化

1、產(chǎn)業(yè)發(fā)展論文環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展論文：溫室氣體二氧化碳的回收與資源化摘要:從溫室效應(yīng)的概念出發(fā),介紹了6種典型溫室氣體的來(lái)源、含量及其對(duì)地球環(huán)境的影響。由于CO2 含量日益增多,國(guó)際上作出了相應(yīng)的對(duì)策以減少CO2 的排放量。因此對(duì)削減二氧化碳的技術(shù)和發(fā)展方向作了概要評(píng)述,以廢物資源化的原則,將分離回收的CO2 進(jìn)行綜合利用,還對(duì)其應(yīng)用的三個(gè)方面進(jìn)行了歸納總結(jié)。關(guān)鍵詞:溫室效應(yīng); 二氧化碳; 分離; 回收; 綜合利用1 概述溫室效應(yīng)是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)比較熱門的研究課題,也是關(guān)乎全球環(huán)境的重要問(wèn)題。它不僅是全球氣候、環(huán)境的問(wèn)題,也是涉及到人類社會(huì)的生產(chǎn)、消費(fèi)和生活方式以及生存空間的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展各個(gè)領(lǐng)域的

2、重大問(wèn)題。111溫室效應(yīng)與溫室氣體1896年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主瑞典科學(xué)家S. 阿侖紐斯首創(chuàng)地球“溫室效應(yīng)”概念 1 ,大氣中的某些成分,如CO2、H2O等氣體能透過(guò)太陽(yáng)光的短波輻射,但卻強(qiáng)烈地吸收長(zhǎng)波輻射,因此,地表就像罩了一層玻璃的溫室,使大氣溫度提高,所以稱為“溫室效應(yīng)”。當(dāng)前,已知有6種氣體在地球變暖方面起著重大作用,它們是甲烷(CH4 ) 、二氧化碳(CO2 ) 、氧化氮(N2O) 、氫氟碳化物(HFCs) 、全氟烴( PFCs)和六氟化硫( SF6 ) ,后3種通常被總稱為氟烴化合物(CFCs) ,其中引起溫室效應(yīng)的主要溫室氣體特征及其大氣中含量如表1所列 2 。從表1 中可以看出,

3、在所有的溫室氣體中,CO2 在大氣中含量高、壽命長(zhǎng),對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大。然而,隨著人類對(duì)燃料的使用量日益增加,向大氣中排放的CO2 越來(lái)越多,同時(shí),人類對(duì)森林的大量砍伐,使地球上的森林面積急劇減少,植物對(duì)CO2 的光合再生作用日趨減弱,大氣中CO2 的濃度逐步升高,促使全球氣候變暖。此外,溫室效應(yīng)也對(duì)全球的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一系列的其它影響 (表2) 3 ,這些影響直接對(duì)全球工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類健康和生存環(huán)境以及生物物種等產(chǎn)生危害,成為人們普遍關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。表2氣候變化對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響項(xiàng)目觀測(cè)到的氣侯變化現(xiàn)象海平面20世紀(jì)全球平均每年上升12 cm河流湖泊結(jié)冰期北半球中高緯度地區(qū)約減少兩周北極

4、海冰的范圍和厚度近年夏末秋初變薄40%, 20世紀(jì)50 年代以來(lái),春夏季面積減少10% 15%非極地冰川20世紀(jì)廣泛退卻雪蓋20世紀(jì)60年代以來(lái),面積減少10%冰凍土層極地部分地區(qū)解凍、變暖、退化植物生長(zhǎng)季節(jié)40年以來(lái),北半球尤其是高緯度地區(qū)每10年約延長(zhǎng)14 d動(dòng)植物分布植物、昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類和魚(yú)類的分布向高緯度、高海拔轉(zhuǎn)移動(dòng)物生育和遷徙、植物開(kāi)花北半球開(kāi)花、侯鳥(niǎo)回歸、剩余季節(jié)和昆蟲(chóng)出現(xiàn)時(shí)間均提前珊瑚礁白化頻率增加,尤其在厄爾尼諾年相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失含通貨膨脹, 40年來(lái),全球經(jīng)濟(jì)損失增加14倍造成二氧化碳(CO2 )增加的原因,主要是工業(yè)生產(chǎn)與汽車、飛機(jī)、輪船廢氣排放量的增加;工業(yè)生產(chǎn)中煤炭、石油、天

5、然氣等化石燃料的大量消耗,農(nóng)業(yè)化學(xué)藥劑的使用;電冰箱排放的氟里昂等,都能導(dǎo)致CO2、氮氧化物、甲烷等溫室氣體的大幅度增加,加速了溫室效應(yīng)的作用,造成全球氣候變暖。112 全球CO2 的排放情況圖1給出了大氣中CO2 的濃度變化 4 ,從中可以看出:各國(guó)在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的時(shí)段, CO2 排放量增長(zhǎng)很快, CO2 濃度已由工業(yè)革命前的280L /L增加到368L /L。圖2給出了各國(guó)GDP、人口、能源消費(fèi)和CO2 排放量間的關(guān)系 5 ,由圖2可看出:1999年世界上具代表性的國(guó)家單位能耗所產(chǎn)生的GDP的高低,反映了能源利用及其CO2 的釋放情況。由圖1、2可分別從CO2 排放總量和人均排放量?jī)蓚€(gè)方面

6、說(shuō)明CO2 減排仍然任重而道遠(yuǎn)。113各國(guó)對(duì)溫室效應(yīng)的對(duì)策日益變暖的氣候,給人類的生存和發(fā)展帶來(lái)了巨大的壓力。1992年,國(guó)際社會(huì)在巴西舉行了聯(lián)圖1大氣中CO2 濃度的年度變化圖2各國(guó)GDP、人口、能源消費(fèi)和CO2 排放量合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì),包括中國(guó)在內(nèi)的153個(gè)國(guó)家和歐共體,正式簽署了氣候變化框架公約(Unit2ed Nations Framework Convention on ClimateChange,UNFCCC) 6 , 大會(huì)呼吁各國(guó)積極采取措施,限制溫室氣體的排放,盡早使其恢復(fù)到1990年的排放水平。為了使全球溫室氣體排放量控制在預(yù)期水平,需要世界各國(guó)作出更加細(xì)化且具有強(qiáng)制力的承

7、諾。1997年12月, 149個(gè)國(guó)家和地區(qū)的代表在日本東京召開(kāi)的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約締約方第三次會(huì)議,通過(guò)了旨在限制發(fā)達(dá)國(guó)家溫室氣體排放量,以抑制全球變暖的京都議定書(shū) 7 。這一公約使簽約國(guó)在國(guó)際上承擔(dān)了義務(wù)和責(zé)任,同時(shí)也使各國(guó)科技工作者在研究開(kāi)發(fā)抑制溫室氣體排放對(duì)策和控制技術(shù)方面迎來(lái)了壓力和挑戰(zhàn)。2CO2 的減排及分離回收技術(shù)2. 1CO2 的減排技術(shù)措施源頭治理是目前比較有效的方法,要從源頭上減少CO2 的排放,可以從以下幾方面著手。(1)提高能源的利用率:溫室氣體排放主要是化石燃料燃燒的產(chǎn)物。提高化石燃料的能源利用效率就等于減少了化石燃料的使用量,比如優(yōu)化燃料供給,改進(jìn)燃燒裝置,提高燃

8、燒效率;采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù);開(kāi)發(fā)煤的多聯(lián)產(chǎn)綜合利用新技術(shù)。( 2)開(kāi)發(fā)新型的潔凈能源,如風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源。在污染嚴(yán)重的電力行業(yè),風(fēng)電成本已經(jīng)可以與燃煤發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng),風(fēng)能發(fā)電具有廣闊的發(fā)展前景。對(duì)太陽(yáng)能的利用,體現(xiàn)在光電利用和光熱利用兩方面。光電利用主要是基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),采用光電器件把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。例如太陽(yáng)能熱水器等裝置,即能把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。( 3)提高植被面積,消除亂砍濫伐,保護(hù)生態(tài)環(huán)境。但是,無(wú)論是改變能源結(jié)構(gòu),還是保護(hù)生態(tài)環(huán)境,都是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,尤其是中國(guó)在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),仍將以燃煤為主要能源,很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的治理效果。2. 2CO2 的分離回收技

9、術(shù)大氣中蘊(yùn)藏著豐富的碳資源,若從資源綜合利用的角度考慮,分離回收碳資源,使之變廢為寶不失為一種好方法。現(xiàn)有的分離回收CO2 的方法有吸收法、吸附法、膜分離法、吸收2膜分離聯(lián)合法等。2. 2. 1吸收法工業(yè)上采用的氣體吸收法,可分為物理吸收法和化學(xué)吸收法。(1)物理吸收法。采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作為吸收劑,利用CO2 在這些溶劑中的溶解度隨壓力而變化的原理來(lái)吸收的方法。工業(yè)上常用的物理吸收法有Flour法、Rectiso法、Selexol法等。其關(guān)鍵在于吸收劑的選擇,要求吸收劑必須對(duì)CO2 的溶解度大、選擇性好、沸點(diǎn)高、無(wú)腐蝕、無(wú)毒性以及性能穩(wěn)定 8 。物理吸收法的優(yōu)點(diǎn)是吸收在低溫、高壓下

10、進(jìn)行,吸收能力強(qiáng),吸收劑用量少,吸收劑再生不需要加熱,通常采用降壓或常溫氣提(惰性氣提洗提)的方法,因而能耗低,溶劑不起泡,不腐蝕設(shè)備。但由于CO2 在溶劑中的溶解服從亨利定律,因此這種方法僅適用于CO2 分壓較高的條件,而且CO2 的去除程度不高。(2)化學(xué)吸收法化學(xué)吸收法是使原料氣和化學(xué)溶劑在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng), CO2 被吸收至溶劑中成為富液, 富液進(jìn)入脫析塔加熱分解出CO2 ,從而達(dá)到分離回收CO2 的目的。該方法的關(guān)鍵是控制好吸收塔和解析塔的溫度與壓力 9 。所選用的吸收劑應(yīng)具有對(duì)溶質(zhì)CO2 具有選擇性、吸收劑不易揮發(fā),并避免在氣體中引進(jìn)新的雜質(zhì),腐蝕性小、粘度低、毒性小、不易燃。

11、常用的吸收劑有醇胺、立體障礙醇胺及碳酸鹽等水溶液,吸收劑濃度通常不超過(guò)50 % (因濃度過(guò)高時(shí),會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕) 。目前,吸收法發(fā)展方向?yàn)?不只使用單一醇胺,而是使用多個(gè)醇胺之配方,以增加吸收量、降低腐蝕和揮發(fā)性以及降低成本。美國(guó)能源部推進(jìn)零排放CO2 ,以甲醇取代汽油的計(jì)劃,以及日本的溫室氣體研究中心R ITE 均以這一回收方法為主。2. 2. 2吸附法吸附法是一種利用固態(tài)吸附劑(活性炭、天然沸石、分子篩、活性氧化鋁和硅膠等)對(duì)原料氣中的CO2 進(jìn)行有選擇性的可逆吸附作用來(lái)分離回收CO2 的新技術(shù)。吸附劑在高溫(或高壓) 條件下吸附CO2 , 降溫(或降壓) 后將CO2 解吸出來(lái),通過(guò)周期

12、性的溫度(或壓力)變化,實(shí)現(xiàn)CO2 與其它氣體的分離。采用吸附法時(shí),一般需要多座吸附塔并聯(lián)使用,以保證整個(gè)過(guò)程中能連續(xù)的輸入原料氣,連續(xù)地取出CO2 氣及未吸附氣體,其關(guān)鍵是吸附劑的載荷能力,其主要決定因素是溫差(或壓差) 10 。固體吸附劑吸附CO2 的能力視溫度及壓力而定。通常CO2 分壓愈高以及氣體溫度愈低,所能吸附CO2 量愈多。由于排放氣體中帶有水氣及微粒,水氣會(huì)與CO2 產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附而降低CO2 吸附量;微粒則會(huì)進(jìn)入吸附劑而造成吸附劑失活,而且進(jìn)入吸附劑孔徑之后,即不易由減壓或升溫予以去除。基于這些因素,物理吸附相較于化學(xué)吸收,是比較不具競(jìng)爭(zhēng)力的,雖在文獻(xiàn)中已有報(bào)導(dǎo)使用分子篩活性碳

13、及沸石可達(dá)到近百分之百的CO2 回收,但均是在不存在水氣及微粒的條件下操作的。目前研制出對(duì)CO2 具有較高吸附性能的固體吸附劑是吸附法的主要研究方向。2. 2. 3膜分離法膜分離法是利用某些聚合材料,如醋酸纖維、聚酰亞胺、聚砜等制成的薄膜,對(duì)不同氣體的滲透率不同來(lái)分離氣體的。膜分離的驅(qū)動(dòng)力是壓差,當(dāng)膜兩邊存在壓差時(shí),滲透率高的氣體組分以很高的速率透過(guò)薄膜,形成滲透氣流,滲透率低的氣體則絕大部分在薄膜進(jìn)氣側(cè)形成殘留氣流,兩股氣流分別引出,從而達(dá)到分離的目的。使用薄膜法處理含大量CO2 廢氣時(shí),無(wú)論使用那類薄膜,除要對(duì)CO2 具高選擇率外, CO2 透過(guò)率亦需愈高愈好,只是排放氣中主要成分N2 及

14、CO2 的分子大小十分相近,高選擇率及高透過(guò)率不易同時(shí)實(shí)現(xiàn)。除選擇率及透過(guò)率外,使用薄膜時(shí)尚需考慮薄膜壽命、薄膜保養(yǎng)及更換成本等。高分子薄膜材質(zhì)的選擇及制備是決定能否應(yīng)用于CO2 回收的關(guān)鍵之一。2. 2. 4膜分離2吸收聯(lián)合法膜分離2吸收聯(lián)合法,膜分離裝置簡(jiǎn)單,投資費(fèi)用比溶劑吸收法低,但難以達(dá)到吸收法對(duì)CO2 的分離程度。兩者結(jié)合起來(lái)可取長(zhǎng)補(bǔ)短,前者作粗分離,后者作精分離,既可達(dá)到有效分離,又可節(jié)省投資費(fèi)用。例如, 挪威Statoil公司從天然氣開(kāi)采中回收CO2 ,原用胺系溶液吸收洗氣法,吸收塔、洗氣塔體積龐大,后改用氟聚合物膜作預(yù)處理的聯(lián)合法,使吸收塔、洗氣塔的重量減輕70%75% ,占地

15、面積減少65% 11 。2. 2. 5幾種分離回收方法的比較上述幾種CO2的分離回收方法各有特點(diǎn),視原料氣和CO2 產(chǎn)品氣的純度要求而不同,可以選用一種適合的方法,表3列出了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)物理吸收吸收能力大,吸收劑用量少,吸收劑再生不需要加熱,能耗低,溶劑不起泡,不腐蝕設(shè)備適用于CO2 分壓較高的情況, 分離效率不高,成本較高化學(xué)吸收吸收效果好,分離回收純度高,可有效脫除H2 S易出現(xiàn)起泡、夾帶現(xiàn)象,能耗、投資大吸附法工藝過(guò)程簡(jiǎn)單,能耗低吸附容量有限,需大量吸附劑, 吸附解吸頻繁,自動(dòng)化程度不高膜分離法裝置、操作簡(jiǎn)單,投資費(fèi)用低難以得到高純度CO2膜分離2吸收聯(lián)合法效果好,能耗

16、低流程復(fù)雜3CO2 的應(yīng)用領(lǐng)域3. 1物理應(yīng)用CO2 物理應(yīng)用領(lǐng)域有 12 : (1)用作惰性氣體、冷卻劑、壓力劑、臨界萃取劑、清洗劑等; (2)用于提高石油開(kāi)采率:將高壓CO2 注入油田后,有助于提高采收率; (3)其它, CO2 可用作泡沫材料的發(fā)泡劑, CO2可使煙氣中水分蒸發(fā)、細(xì)胞膨脹、提高香煙等級(jí)。3. 2生物應(yīng)用CO2 生物應(yīng)用領(lǐng)域有: (1)用作氣肥, CO2 可用于覆蓋植物的氣肥,能提高光合作用的效率,使產(chǎn)品早熟,產(chǎn)量提高; (2)用作果蔬保鮮劑,通過(guò)注入高濃度CO2 ,降低O2 含量,以抑制果蔬中微生物呼吸和病菌發(fā)生; ( 3)其它, CO2 還可用作呼吸促進(jìn)劑、滅殺害蟲(chóng)、柿

17、子脫澀、CO2 培菌等。3. 3化學(xué)應(yīng)用CO2 在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是化學(xué)合成 13 :(1)傳統(tǒng)應(yīng)用,傳統(tǒng)的化學(xué)應(yīng)用主要是合成尿素,合成無(wú)機(jī)金屬碳酸鹽材料以及其它化工產(chǎn)品,如白炭黑、輕質(zhì)氧化鎂等; ( 2)合成有機(jī)物,如合成醇、二甲醚、高分子化合物、羧酸及其衍生物、有機(jī)碳酸脂等; (3)催化重整制合成氣; ( 4) CO2 加H2 合成異構(gòu)烷烴; ( 5)合成金剛石:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以CO2 為碳源、金屬Na 為還原劑, 在440 、80. 8MPa條件下,反應(yīng)12 h得到250m甚至mm級(jí)的鉆石,合成產(chǎn)率達(dá)8. 9%。4 結(jié)論CO2 是溫室氣體中一種排放量最大的氣體,它的主要來(lái)源是化石性燃

18、料的燃燒和工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣,就世界范圍的CO2 減排而言,重點(diǎn)應(yīng)放在減少化石性燃料的使用、清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)、CO2 的分離回收技術(shù)和CO2 的綜合利用上。CO2的綜合利用將是今后重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和研究的對(duì)象。參考文獻(xiàn) 1 鄭京. 溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境的影響 J . 環(huán)境科普, 2003, 1: 51- 521 2 徐世曉,趙新全. 溫室效應(yīng)與全球氣候變暖 J . 青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) , 2001, 4: 43 - 471 3 王濤. 溫室效應(yīng)和CO2 的處置技術(shù) J . 世界鋼鐵, 2005,4: 55 591 4 吳宗鑫. 全球氣候變暖問(wèn)題A . 環(huán)境模擬與污染控制學(xué)術(shù)會(huì)議 C . s. 1. : s. n. , 20051 5 金川. 世界二氧化碳排放量較多的十國(guó) J . 能