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二氧化碳减排措施和技术

2019
04/25
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guona

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建筑界
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【摘要】本篇论文是二氧化碳减排措施和技术,其中包括1 二氧化碳减排的基本技术手段和原理;2二氧化碳减排的具体手段和新型技术等内容,整理如下,供大家参考:

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CO2的加压让其溶解到该溶剂内,再通过减压让CO2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CO2进行溶解捕获,再通过脱析作用完成对CO2的分离和溶剂的再生。该方法适用于大流量低浓度CO2的分离回收。

1.1.2吸附法

通过吸附剂在一定条件下对CO2进行选择性吸附,再将CO2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CO2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CO2,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,由于烟道气中CO2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CO2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CO2的膜有醋酸纤维膜、乙基纤维素膜、聚苯醚等。这些膜对于CO2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CO2的捕获分离的又一重要手段。

1.2捕获封存技术(CCS)

将含有CO2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,CO2气体被溶剂吸收,随后再将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CO2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CO2的排放),加之地球储存CO2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CO2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CO2高浓度产生的直接效应以及CO2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0.01~0.05美元,排放每t CO2的成本是30~70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CO2减排的重要手段。

1.3 CO2的资源化利用

CO2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,CO2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CO2打入油田井下,既隔离封存了CO2,又可以提高油田采收率,是处理大量排放的CO2的出路之一。欧盟委员会估计,到2030年可捕获的CO2大约相当于欧盟建议书要求该地区在2030年减排CO2数量的15%。欧盟已承诺在今后几年支持12项不同技术捕获CO2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CO2。用富氧燃料,可以产生富CO2烟道气,为准备封存而分离和净化CO2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CO2排放气作原料不是一个可行的选择,因为排放的CO2要扩散,过程将是高耗能的,但公司正在研究CO2捕获的化学方法。

近几个月,CO2捕获技术可能更向前推进了一步。UCLA的化学家Omar 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CO2。这种材料是沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF),可以导致CO2捕获系统的成本大幅降低。

2.2向绿色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CO2,用作生产尿素的原料,几年来已消耗了几十万吨的CO2。巴斯夫公司认为,一般而言,鉴于碳在CO2分子中的热力学状态,用CO2作原料是非常有限的。任何使用CO2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CO2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CO2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CO2的清洁燃料技术。这项技术仍处于开发阶段,涉及将CO2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CO2通过一种钴-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1500℃。这种反应器称作反向旋转环接受器反应器恢复器,简称CR5。反应将CO2分解为CO和氧。CR5内的另一室可用来用水生产氢,之后氢和CO可以结合成烃类燃料。

2.3.3利用合成生物学开发碳中性的生物燃料

能源和化工公司正在开发被称为碳中性的生物燃料。壳牌与HR生物石油公司联手创建的合资公司Cellane,正在开发由海藻制生物柴油的工艺,通过喂食工业装置排放的CO2气体,海藻数量可以增加。Cellane 2007年2月宣布已开始在Kona海岸的工厂建设一套试验装置,检验这项技术。这套装置将用瓶装的CO2探索工艺的潜力。海藻生长速度快,一天之内可以繁殖数倍,而且富含植物油,可以在海水池塘中种植,减少了肥料和新鲜水用量。Cellane公司说,海藻系统每公倾土地的产油量比传统的替代作物(如油菜籽、棕榈油或甜菜等)多15倍。

3 结束语

减少二氧化碳排放,首先要在源头加以控制,节约能耗、倡导低碳生活,采用高新技术提高能源利用率及转化率,尤其要在燃煤行业中加强管理;其次,对于已经产生的二氧化碳应采用物理、化学等方法进行吸收分离;捕集到的二氧化碳用于工业生产或注入地质体和深海中进行埋存。尽管有上述进展,但迄今CO2的捕获和应用技术仅仅消耗了化工和电力生产厂排放的废CO2的一小部分。然而,一些化工公司和研究机构积极的评价也在增加,他们认为新颖的催化剂和生物系统能够开发CO2作为丰富的低成本原料的潜力。

参考文献:

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