产业发展论文环保与经济发展论文温室气体二氧化碳的回收与资源化

1、 产业发展论文环保与经济发展论文：温室气体二氧化碳的回收与资源化摘要:从温室效应的概念出发,介绍了6种典型温室气体的来源、含量及其对地球环境的影响。由于CO2 含量日益增多,国际上作出了相应的对策以减少CO2 的排放量。因此对削减二氧化碳的技术和发展方向作了概要评述,以废物资源化的原则,将分离回收的CO2 进行综合利用,还对其应用的三个方面进行了归纳总结。关键词:温室效应; 二氧化碳; 分离; 回收; 综合利用1 概述温室效应是近半个世纪以来比较热门的研究课题,也是关乎全球环境的重要问题。它不仅是全球气候、环境的问题,也是涉及到人类社会的生产、消费和生活方式以及生存空间的社会和经济发展各个领域

2、的重大问题。111温室效应与温室气体1896年,诺贝尔化学奖得主瑞典科学家S. 阿仑纽斯首创地球“温室效应”概念 1 ,大气中的某些成分,如CO2、H2O等气体能透过太阳光的短波辐射,但却强烈地吸收长波辐射,因此,地表就像罩了一层玻璃的温室,使大气温度提高,所以称为“温室效应”。当前,已知有6种气体在地球变暖方面起着重大作用,它们是甲烷(CH4 ) 、二氧化碳(CO2 ) 、氧化氮(N2O) 、氢氟碳化物(HFCs) 、全氟烃( PFCs)和六氟化硫( SF6 ) ,后3种通常被总称为氟烃化合物(CFCs) ,其中引起温室效应的主要温室气体特征及其大气中含量如表1所列 2 。从表1 中可以看出

3、,在所有的温室气体中,CO2 在大气中含量高、寿命长,对温室效应的贡献最大。然而,随着人类对燃料的使用量日益增加,向大气中排放的CO2 越来越多,同时,人类对森林的大量砍伐,使地球上的森林面积急剧减少,植物对CO2 的光合再生作用日趋减弱,大气中CO2 的浓度逐步升高,促使全球气候变暖。此外,温室效应也对全球的生态系统产生了一系列的其它影响 (表2) 3 ,这些影响直接对全球工农业生产、人类健康和生存环境以及生物物种等产生危害,成为人们普遍关注的环境问题。表2气候变化对生态环境产生的影响项目观测到的气侯变化现象海平面20世纪全球平均每年上升12 cm河流湖泊结冰期北半球中高纬度地区约减少两周北

4、极海冰的范围和厚度近年夏末秋初变薄40%, 20世纪50 年代以来,春夏季面积减少10% 15%非极地冰川20世纪广泛退却雪盖20世纪60年代以来,面积减少10%冰冻土层极地部分地区解冻、变暖、退化植物生长季节40年以来,北半球尤其是高纬度地区每10年约延长14 d动植物分布植物、昆虫、鸟类和鱼类的分布向高纬度、高海拔转移动物生育和迁徙、植物开花北半球开花、侯鸟回归、剩余季节和昆虫出现时间均提前珊瑚礁白化频率增加,尤其在厄尔尼诺年相关经济损失含通货膨胀, 40年来,全球经济损失增加14倍造成二氧化碳(CO2 )增加的原因,主要是工业生产与汽车、飞机、轮船废气排放量的增加;工业生产中煤炭、石油、

5、天然气等化石燃料的大量消耗,农业化学药剂的使用;电冰箱排放的氟里昂等,都能导致CO2、氮氧化物、甲烷等温室气体的大幅度增加,加速了温室效应的作用,造成全球气候变暖。112 全球CO2 的排放情况图1给出了大气中CO2 的浓度变化 4 ,从中可以看出:各国在经济迅速发展的时段, CO2 排放量增长很快, CO2 浓度已由工业革命前的280L /L增加到368L /L。图2给出了各国GDP、人口、能源消费和CO2 排放量间的关系 5 ,由图2可看出:1999年世界上具代表性的国家单位能耗所产生的GDP的高低,反映了能源利用及其CO2 的释放情况。由图1、2可分别从CO2 排放总量和人均排放量两个方

6、面说明CO2 减排仍然任重而道远。113各国对温室效应的对策日益变暖的气候,给人类的生存和发展带来了巨大的压力。1992年,国际社会在巴西举行了联图1大气中CO2 浓度的年度变化图2各国GDP、人口、能源消费和CO2 排放量合国环境与发展大会,包括中国在内的153个国家和欧共体,正式签署了气候变化框架公约(Unit2ed Nations Framework Convention on ClimateChange,UNFCCC) 6 , 大会呼吁各国积极采取措施,限制温室气体的排放,尽早使其恢复到1990年的排放水平。为了使全球温室气体排放量控制在预期水平,需要世界各国作出更加细化且具有强制力的

7、承诺。1997年12月, 149个国家和地区的代表在日本东京召开的联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议,通过了旨在限制发达国家温室气体排放量,以抑制全球变暖的京都议定书 7 。这一公约使签约国在国际上承担了义务和责任,同时也使各国科技工作者在研究开发抑制温室气体排放对策和控制技术方面迎来了压力和挑战。2CO2 的减排及分离回收技术2. 1CO2 的减排技术措施源头治理是目前比较有效的方法,要从源头上减少CO2 的排放,可以从以下几方面着手。(1)提高能源的利用率:温室气体排放主要是化石燃料燃烧的产物。提高化石燃料的能源利用效率就等于减少了化石燃料的使用量,比如优化燃料供给,改进燃烧装置,提高

8、燃烧效率;采用循环流化床燃烧技术;开发煤的多联产综合利用新技术。( 2)开发新型的洁净能源,如风能、太阳能等可再生能源。在污染严重的电力行业,风电成本已经可以与燃煤发电相竞争,风能发电具有广阔的发展前景。对太阳能的利用,体现在光电利用和光热利用两方面。光电利用主要是基于半导体材料的光电效应,采用光电器件把太阳能转化为电能。例如太阳能热水器等装置,即能把太阳能转化为热能。( 3)提高植被面积,消除乱砍滥伐,保护生态环境。但是,无论是改变能源结构,还是保护生态环境,都是一个长期的过程,尤其是中国在今后相当长的时期内,仍将以燃煤为主要能源,很难在短时间内达到理想的治理效果。2. 2CO2 的分离回收

9、技术大气中蕴藏着丰富的碳资源,若从资源综合利用的角度考虑,分离回收碳资源,使之变废为宝不失为一种好方法。现有的分离回收CO2 的方法有吸收法、吸附法、膜分离法、吸收2膜分离联合法等。2. 2. 1吸收法工业上采用的气体吸收法,可分为物理吸收法和化学吸收法。(1)物理吸收法。采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作为吸收剂,利用CO2 在这些溶剂中的溶解度随压力而变化的原理来吸收的方法。工业上常用的物理吸收法有Flour法、Rectiso法、Selexol法等。其关键在于吸收剂的选择,要求吸收剂必须对CO2 的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性以及性能稳定 8 。物理吸收法的优点是吸收在低温、高压

10、下进行,吸收能力强,吸收剂用量少,吸收剂再生不需要加热,通常采用降压或常温气提(惰性气提洗提)的方法,因而能耗低,溶剂不起泡,不腐蚀设备。但由于CO2 在溶剂中的溶解服从亨利定律,因此这种方法仅适用于CO2 分压较高的条件,而且CO2 的去除程度不高。(2)化学吸收法化学吸收法是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应, CO2 被吸收至溶剂中成为富液, 富液进入脱析塔加热分解出CO2 ,从而达到分离回收CO2 的目的。该方法的关键是控制好吸收塔和解析塔的温度与压力 9 。所选用的吸收剂应具有对溶质CO2 具有选择性、吸收剂不易挥发,并避免在气体中引进新的杂质,腐蚀性小、粘度低、毒性小、不易燃

11、。常用的吸收剂有醇胺、立体障碍醇胺及碳酸盐等水溶液,吸收剂浓度通常不超过50 % (因浓度过高时,会产生严重的腐蚀) 。目前,吸收法发展方向为,不只使用单一醇胺,而是使用多个醇胺之配方,以增加吸收量、降低腐蚀和挥发性以及降低成本。美国能源部推进零排放CO2 ,以甲醇取代汽油的计划,以及日本的温室气体研究中心R ITE 均以这一回收方法为主。2. 2. 2吸附法吸附法是一种利用固态吸附剂(活性炭、天然沸石、分子筛、活性氧化铝和硅胶等)对原料气中的CO2 进行有选择性的可逆吸附作用来分离回收CO2 的新技术。吸附剂在高温(或高压) 条件下吸附CO2 , 降温(或降压) 后将CO2 解吸出来,通过周

12、期性的温度(或压力)变化,实现CO2 与其它气体的分离。采用吸附法时,一般需要多座吸附塔并联使用,以保证整个过程中能连续的输入原料气,连续地取出CO2 气及未吸附气体,其关键是吸附剂的载荷能力,其主要决定因素是温差(或压差) 10 。固体吸附剂吸附CO2 的能力视温度及压力而定。通常CO2 分压愈高以及气体温度愈低,所能吸附CO2 量愈多。由于排放气体中带有水气及微粒,水气会与CO2 产生竞争吸附而降低CO2 吸附量;微粒则会进入吸附剂而造成吸附剂失活,而且进入吸附剂孔径之后,即不易由减压或升温予以去除。基于这些因素,物理吸附相较于化学吸收,是比较不具竞争力的,虽在文献中已有报导使用分子筛活性

13、碳及沸石可达到近百分之百的CO2 回收,但均是在不存在水气及微粒的条件下操作的。目前研制出对CO2 具有较高吸附性能的固体吸附剂是吸附法的主要研究方向。2. 2. 3膜分离法膜分离法是利用某些聚合材料,如醋酸纤维、聚酰亚胺、聚砜等制成的薄膜,对不同气体的渗透率不同来分离气体的。膜分离的驱动力是压差,当膜两边存在压差时,渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜,形成渗透气流,渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流,两股气流分别引出,从而达到分离的目的。使用薄膜法处理含大量CO2 废气时,无论使用那类薄膜,除要对CO2 具高选择率外, CO2 透过率亦需愈高愈好,只是排放气中主要成分N2

14、及CO2 的分子大小十分相近,高选择率及高透过率不易同时实现。除选择率及透过率外,使用薄膜时尚需考虑薄膜寿命、薄膜保养及更换成本等。高分子薄膜材质的选择及制备是决定能否应用于CO2 回收的关键之一。2. 2. 4膜分离2吸收联合法膜分离2吸收联合法,膜分离装置简单,投资费用比溶剂吸收法低,但难以达到吸收法对CO2 的分离程度。两者结合起来可取长补短,前者作粗分离,后者作精分离,既可达到有效分离,又可节省投资费用。例如, 挪威Statoil公司从天然气开采中回收CO2 ,原用胺系溶液吸收洗气法,吸收塔、洗气塔体积庞大,后改用氟聚合物膜作预处理的联合法,使吸收塔、洗气塔的重量减轻70%75% ,占

15、地面积减少65% 11 。2. 2. 5几种分离回收方法的比较上述几种CO2的分离回收方法各有特点,视原料气和CO2 产品气的纯度要求而不同,可以选用一种适合的方法,表3列出了各种方法的优缺点。方法优点缺点物理吸收吸收能力大,吸收剂用量少,吸收剂再生不需要加热,能耗低,溶剂不起泡,不腐蚀设备适用于CO2 分压较高的情况, 分离效率不高,成本较高化学吸收吸收效果好,分离回收纯度高,可有效脱除H2 S易出现起泡、夹带现象,能耗、投资大吸附法工艺过程简单,能耗低吸附容量有限,需大量吸附剂, 吸附解吸频繁,自动化程度不高膜分离法装置、操作简单,投资费用低难以得到高纯度CO2膜分离2吸收联合法效果好,能

16、耗低流程复杂3CO2 的应用领域3. 1物理应用CO2 物理应用领域有 12 : (1)用作惰性气体、冷却剂、压力剂、临界萃取剂、清洗剂等; (2)用于提高石油开采率:将高压CO2 注入油田后,有助于提高采收率; (3)其它, CO2 可用作泡沫材料的发泡剂, CO2可使烟气中水分蒸发、细胞膨胀、提高香烟等级。3. 2生物应用CO2 生物应用领域有: (1)用作气肥, CO2 可用于覆盖植物的气肥,能提高光合作用的效率,使产品早熟,产量提高; (2)用作果蔬保鲜剂,通过注入高浓度CO2 ,降低O2 含量,以抑制果蔬中微生物呼吸和病菌发生; ( 3)其它, CO2 还可用作呼吸促进剂、灭杀害虫、

17、柿子脱涩、CO2 培菌等。3. 3化学应用CO2 在化学领域的应用主要是化学合成 13 :(1)传统应用,传统的化学应用主要是合成尿素,合成无机金属碳酸盐材料以及其它化工产品,如白炭黑、轻质氧化镁等; ( 2)合成有机物,如合成醇、二甲醚、高分子化合物、羧酸及其衍生物、有机碳酸脂等; (3)催化重整制合成气; ( 4) CO2 加H2 合成异构烷烃; ( 5)合成金刚石:中国科学技术大学以CO2 为碳源、金属Na 为还原剂, 在440 、80. 8MPa条件下,反应12 h得到250m甚至mm级的钻石,合成产率达8. 9%。4 结论CO2 是温室气体中一种排放量最大的气体,它的主要来源是化石性

18、燃料的燃烧和工业生产排放的废气,就世界范围的CO2 减排而言,重点应放在减少化石性燃料的使用、清洁可再生能源的开发、CO2 的分离回收技术和CO2 的综合利用上。CO2的综合利用将是今后重点开发和研究的对象。参考文献 1 郑京. 温室效应对环境的影响 J . 环境科普, 2003, 1: 51- 521 2 徐世晓,赵新全. 温室效应与全球气候变暖 J . 青海师范大学学报(自然科学版) , 2001, 4: 43 - 471 3 王涛. 温室效应和CO2 的处置技术 J . 世界钢铁, 2005,4: 55 591 4 吴宗鑫. 全球气候变暖问题A . 环境模拟与污染控制学术会议 C . s. 1. : s. n. , 20051 5 金川. 世界二氧化碳排放量较多的十国 J . 能