CO2排放及再利用技术研究现状

李伟伟

(新乡学院化学化工学院，河南 新乡 453003)



CO2排放及再利用技术研究现状

李伟伟

(新乡学院化学化工学院，河南 新乡 453003)

随着经济的飞速发展，我国面对严峻的CO2减排压力。论述了CO2的来源及再利用技术，首先应该在生活和生产中牢固树立减少CO2产生的思想意识，然后多种措施并行，逐步减少环境中的CO2。在CO2的各种转化再利用技术中，最有效的方法是以氢气和CO2为基础原料制备化工产品，而目前最清洁的氢气来源方式是电解水，而这由需要大量的电能，因此必须发展CO2零排放的清洁廉价电能，如太阳能、风能、核能等。

CO2；排放；再利用技术；研究现状

当今世界面临着巨大的环境压力，为了减少温室气体的排放，全球各个国家都在致力于从技术、经济、政策、法律等方面寻找有效地减少以CO2为主的温室气体排放的解决途径。近几年，我国出台了一系列政策减少CO2的排放，并取得了明显的效果。

1 CO2的来源

CO2的来源主要有两个：生活排放和工业排放。生活排放的CO2主要来源于人们生活活动中燃烧各种含碳的燃料，如木材、煤、油品、天然气等，以及交通运输工具的排放。由于我国人口众多，生活中排放的CO2总量巨大，但是这些排放非常分散，单个排放量很小，难于收集利用。减少生活中CO2排放的唯一途径就是使用含碳量少的清洁能源。工业排放的CO2主要来源于火力发电厂、钢铁厂、水泥厂、化工厂和生物、食品发酵等行业，属于固定的CO2排放源，这些行业的CO2排放量大且易于捕集，有条件进行减排及回收再利用。工业CO2减排主要从两个方面进行：一是工业生产过程中尽可能的少产生CO2；二是对已经产生的CO2进行再利用。

2 减少CO2的产生

在工业生产过程中尽可能的少产生CO2，需要在研发新工艺、新设备、新产品等方面下工夫。例如，在煤化工行业中，煤气化是煤化工的龙头，在煤气化过程中尽可能的少产生CO2，多产生氢气就是一个切实可行的办法。目前，煤气化的工艺主要有三种工艺流程：固定床、气流床和流化床。这三种工艺流程如果都以氧气作为氧化剂，固定床工艺产生的粗煤气中CO2占30%左右，而气流床工艺产生的粗煤气中CO2含量不到10%，可见采用气流床工艺能大大减少CO2的排放。为了减少CO2的排放，研究人员开发了将CO2返回气化炉重新利用的技术[1-2]。据悉，河南能源化工集团义马气化厂在碎煤加压气化过程中，将排放的CO2重新返回气化炉，不仅减少了CO2废气和污水排放量，还有效的提高了气化工艺中碳的转化率，降低了蒸汽消耗，具有较高的经济和环保效益[3]。

3 CO2再利用

工业生产中已经产生的CO2，目前主要有三种处理办法：CO2捕集封存技术、CO2循环利用技术和CO2再转化技术。

3.1 CO2捕集封存技术

进行CO2捕集和封存(CCS)是实现CO2减排目标的关键途径，是全人类应对气候变化问题最具发展前景的解决方案之一，是人类实现可持续发展的必然[4]。CO2捕集和封存技术是指CO2从工业或相关能源的排放源中分离出来并加以资源化利用或输送到一个封存地点长期与大气隔绝的过程，这些封存地点主要是油田、采空的煤矿、海洋深处等。根据CO2不同的分离原理，CO2捕集可分为物理吸收法、化学吸收法、吸附法、低温分离法或膜分离法等，这些众多方法中，目前研究应用最多的方法是化学吸收法[5]。

就CCS的技术风险而言，人们的担忧主要集中在两点[6-8]：一是捕获时的高投入和高能耗。环保组织地球之友的《碳捕捉技术无法令炭变洁净》报告指出：每捕获1吨CO2的成本大约70美元，还需要再多消耗25%的煤炭才能将原先产生的CO2去除。二是由于担心封存于地下的CO2会出现泄漏，或者对海洋和陆地生态造成威胁。

目前，很多国家和科研机构都在进行有关CO2捕集和封存的研究工作，我国也已开展了大量的相关研究，并已建立了大型的CO2捕集示范工程。目前国内CO2捕集与封存的项目有十多个[9]。例如，内蒙古鄂尔多斯的神华集团煤直接液化项目配套的CO2捕集、封存项目，华能北京高碑店热电厂、华能上海石洞口第二电厂和四川合川电厂配套的CO2捕集、封存项目等。但是，这些捕集封存的CO2仅仅是产生的CO2的一小部分，要达到大规模的封存，其道路任重而道远。

3.2 CO2循环利用技术

目前，CO2的循环利用主要在食品、生物、消防等行业，最终仍然要释放到环境之中。在食品行业，CO2主要用于食品的保鲜冷却、冷藏和惰化、饮料碳酸化等方面。在我国，预计在5年内对食品级CO2的需求将达到1000万吨以上。在生物行业，CO2主要用于超临界流体萃取技术，例如，从天然香料或天然药物中提取高附加值的热敏性有效成分。利用CO2临界温度仅有31 ℃的特性，另一研究热点是采用跨临界CO2取代氟利昂作为空调介质。跨临界CO2空调系统的压缩机和耐高压系统的研制是降低成本和提高热效率的关键。目前车用CO2空调技术已相对比较成熟[10]。

3.3 CO2再转化技术

CO2再转化就是以CO2为原料之一合成为其它的化工产品。目前，以CO2为原料之一合成最多的是尿素，但是我国现在的尿素市场基本处于饱和状态，而且合成尿素也只是消化了工业生产中产生的CO2的很少一部分，因此，我们必须需求其它的生产工艺来消化工业生产中产生的CO2。

以CO2为原料之一合成的另外一种大宗化学品是碳酸二甲酯(DMC)。碳酸二甲酯是近年来受到国内外广泛关注的环保型绿色化工产品，属于无毒或微毒化工产品，在农业、工业等领域获得广泛应用，被誉为21世纪有机合成的一个“新基块”，其发展将对我国的煤化工、甲醇化工、碳化工起到巨大的推动作用。美国Texaco公司开发了先由环氧乙烷与CO2反应生成碳酸乙烯酯，再与甲醇经过酯交换生产DMC的工艺，于1992年实现了工业化[11]。清华大学与上海石油化工股份有限公司利用超临界CO2的性质，合作开发了一种合成DMC的新型酯交换工艺，即将环氧乙烷、甲醇和CO2通过一步反应合成DMC。这种工艺在反应中没有引入其他溶剂，简化了工序，在节约能源、降低成本的同时，还提高了反应速度和反应收率[12]。尿素通过间接醇也可制备碳酸二甲酯，该工艺是首先由氨和捕集的CO2制备尿素，然后在催化剂作用下，丙二醇和尿素发生醇解反应生成碳酸丙烯酯和氨气，最后由甲醇和碳酸丙烯酯发生酯交换反应生成碳酸二甲酯和丙二醇。整个生产工艺没有有害物质对外排放，是符合现代化工发展方向的一种“零排放”且经济的清洁生产工艺[13-14]。

河南南阳中聚天冠低碳科技有限公司开发了利用CO2生产的全生物降解塑料(PPC)购物袋、垃圾袋产品[15]。据介绍，使用一种高效催化剂，天冠公司将酒精生产过程中排放的CO2废气聚合成全降解塑料——聚碳酸亚丙酯树脂，不仅可以减少CO2排放，节约资源，还从根本上解决白色污染这一世界性难题。目前，中聚天冠采用该技术建设的年产10万吨PPC生产线正在加紧建设中，装置整体处于国际领先水平[16-17]。

2015年11月17日在青岛召开2015中国清洁燃料发展论坛上，冰岛碳循环利用公司(CRI)中国办事处产品经理王文华表示，CRI开发的ETL技术从工业排放物中提取CO2，然后合成甲醇，既能实现减排又能为企业带来创收新途径[18]。

日本静冈大学等机构最近研发出一种将CO2高效转化为甲烷的技术，转化效率高达约90%，有望大大减少工厂排放的CO2[19-20]。

CO2不仅可以合成甲烷、甲醇等，而且还可以合成乙醇，并且合成碳数越多的醇，合成过程约有利[21]。由CO2加氢合成乙醇的催化剂载体一般为SiO2或活性炭，活性组分一般为Rh、Mn、Cu、Fe和Co等元素。但就目前来说，对它的研究好很少，仅仅停留在催化剂的开发上，距离工业化还很远。

对于已经排放到环境中的CO2怎么办呢？目前有一个既经济又环保还可持续的方法，就是种植树木等植物，通过植物的光合作用吸收CO2[22]。在大棚养殖中利用CO2作为肥料，既能促进蔬菜的生长，又消耗掉了人类排放出的CO2[23]。

除了光合作用，科学家还发现了H2O与CO2在光照下的另一种反应。德州大学阿灵顿分校的化学家Frederick M.MacDonnell领导的研究团体发现，使用太阳能、H2O与CO2只需一步就能产生液体烃(碳原子数可高至13)和氧气[24-25]。MacDonnell解释道，在180～200 ℃及6个大气压下，阳光照射到反应器内的光催化剂(涂覆有5%钴的二氧化钛微珠)，释放载荷子，在微珠的表面将水氧化成氧气和电子。随后，在钴原子的作用下，电子与光子和二氧化碳反应，以类似费托合成的过程生成烃类。但是MacDonnell说想要投入实际运行，该系统的量子产率还要再做优化。

除了种植植物吸收CO2外，通过生物吸收CO2实现减排也是工业绿色发展的重要途径。微藻可以作为进行固碳的生物之一，具有光合速率高、繁殖快、适应环境性强等优点。微藻不仅光合生产率高，藻渣还可以综合利用，生产动物饲料、有机肥料和甲烷[26]。但是，利用微藻生物固碳技术在实际应用方面面临许多困难和挑战，还需要找出在微藻大规模培养过程中影响CO2生物固定的各种参数并优化，开发低成本的微藻下游处理技术，进一步降低微藻生物固碳的成本[27]。

最近，一个国际科研小组在美国《科学》杂志上报告说，他们把二氧化碳注入地下玄武岩层，并借助自然化学反应将二氧化碳转化为固态碳酸盐。研究结果显示，所注入的二氧化碳含量的95%～98%在不到两年内便发生了钙化(即转化为固态碳酸盐)[28]。

4 结 语

随着我国经济的飞速发展，我国将面对严峻的CO2减排压力。我们首先应该在生活和生产中牢固树立减少CO2产生的思想意识。上述的各种手段都具有一定的优缺点，我们应该多种措施并行，逐步减少排放到环境中的CO2。在CO2的各种转化再利用技术中，最有效的方法是以氢气和CO2为基础原料制备化工产品，而目前最清洁的氢气来源方式是电解水，而这由需要大量的电能，因此必须发展CO2零排放的清洁廉价电能，如太阳能、风能、核能等。

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[2] 詹俊红,继静静,殷伟民.CO2返炉制备一氧化碳在鲁奇加压气化炉上的应用[J].河南化工,2015,32(3):34-36.

[3] 碎煤加压气化技术优化一箭双雕[OL].http://www.coalchem.org.cn/ technology/html/800204/168135.html.[4] Wilhelm, Kuckshinrichs, 陈宏刚.碳的捕集、封存和利用 技术、经济、环境和社会的观点[J].国外科技新书评介,2015(8):9-10.

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[7] 王小悦,李伟峰,王嘉瑞.CO2捕集及封存应用现状[J].资源节约与环保,2015(9):137-137.

[8] 甘志霞,刘学之,尚玥佟.我国发展CO2捕集与封存技术的挑战及对策建议[J].中国科技论坛,2012(4):135-138.

[9] 王小悦,李伟峰,王嘉瑞.CO2捕集及封存应用现状[J].资源节约与环保,2015 (9):137-137.

[10]发展煤化工所面临的CO2排放问题及其对策(2)[OL].http://www.lw54.com/html/qiyeyanjiu/20090225/32456_2.html.

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[28]科学家成功把二氧化碳变成“石头”[OL].http://news.163.com/16/0611/ 04/BP8JLLDO00014AEF.html.

CO2Emission and Research Situation of Reutilization Technology

LIWei-wei

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Xinxiang University, Henan Xinxiang 453003, China)

With the rapid development of economy, the pressure of CO2emission is very serious in our country. The CO2source and reutilization technology were discussed. The ideological consciousness of reducing CO2production in life and in production should be firmly established, many measures were carried out simultaneously for reducing CO2in environmental. In the various conversion and reuse technology of CO2, the most effective method was to prepare chemical products by using hydrogen and CO2as the basic raw materials, but the clean H2was obtained by water electrolysis which needed a great deal of electricity at present. So it was necessary to develop clean power which cheap and no CO2emission, such as solar energy, wind energy, nuclear energy, etc.

CO2; emission; reutilization technology; research situation

李伟伟(1982-)，男，研究方向为化工及材料。

O643

A

1001-9677(2016)024-0015-03