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浅谈碳氧化合物的控制和处理技术
一、前言
自世界工业革命以来，由于工业的迅速发展和现代生活的出现，大量的生产能源废气、工业生产尾气、交通运输工具的排放气和人类生活过程产生的废气，都排放在大气层中，随着废气排放量的增长，远远超过大气自身清洁的能力，从而破坏了原有的良性循环，使大气受到严重的污染，长此下去，将给人类带来严重的灾难。

现在看来，对人类至关重要的燃烧，是产生空气污染物的主要来源.如CO,CO2,等大部分来自徽烧;其次，工业生产尾气的排放也是重要的空气污染源。

而其中碳氧化合物如CO,CO2对大气有相当大的影响。

因此.具体弄清空气污染物的种类、数量及危害性，分清主次加以研究和利用，变废为宝，减少对空气的污染，是摆在人们面前的一个至关重要的问题。

本文将着重介绍CO,CO2的危害和控制处理技术。

二、碳氧化合物的性质及危害
2.1CO的性质及危害
凡是含碳物质不完全燃烧都会产生CO它是广泛存在的一种有毒气体，如吸烟、取暖、炊事和汽车驱动都会产生CO，不注意通风时，CO中毒事件时有发生。

在工业生产中，CO更是大量地高浓度地存在，如高炉气、转炉气、焦炉气、电石炉气、黄磷炉气、炭黑尾气等都含有浓度较高的CO，通常CO含量为8-90%(体积比)。

随着工业的发展，越来越多。

并且发展中国家随着基础工业的发展，含CO的废气的工业数量还会增加。

这些废气中，除大部分高炉
气用于燃烧供热外，其它大多没有充分利用。

有的点火烧掉，有的直接排放在大气中。

此外，火力发电厂、工业和生活锅炉、汽车和民生等燃烧过程都产生CO，其数量是巨大而不易估算的。

由于CO对人体红细胞中血红蛋白的结合能力比氧大210倍，当CO经肺泡进入血液后，很快与血红蛋白结合成碳氧红血蛋白，从而使血红蛋白失去正常的携氧功能，造成组织缺氧而引起窒息性中毒。

中毒的程度与空气中CO的浓度和接触时间密切相关。

特别是CO无色无臭，在中毒进行中往往不易被人们所发觉，常常造成严重的后果。

另外，CO在大气中停留时间很长，一般可达二到三年，因而对环境的危害性加大了。

当CO上升至对流层后，大气清除这种污染气体的能力下降，从而对全球气候造成影响。

2.2CO2的性质及危害
常温下二氧化碳无色无嗅、气态, 分子量44.01,俗称碳酸气, 又名碳酸酐。

在自然界中,大气里的CO2 含量为0.03%～0.04%,是最丰富的化学物质之一二氧化碳是一种弱酸性气体, 常温下无色无臭, 在高温时具有轻微刺激性, 为直线型三原子分子。

在标准大气压下, CO2不能以液体存在, 在温度和压力高于三相点,但低于31.1℃时, 在封闭容器中, 其液汽处于平衡状态。

CO2不能维持生命。

大气中的CO2本来是通过生物循环链进行循环的，即CO2和水通过植物的光合作用，转变为碳水化合物和氧气，而人和动物消耗碳水化合物和氧，排出CO2，从而在一定程度上建立了CO2在大气中的平衡。

同时，动植物的生长和腐烂也参予了这一平衡。

可是，由于人类的活
动，特别是大规模发展工业和生活现代化，消耗大量能源，使得煤、石油和夭然气等含碳燃料消耗大增，因此，人为排放的CO2达到惊人的程度，严重破坏了CO2在大气中的天然平衡。

目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二。

1990-2001 年，我国二氧化碳排放量净增 8.23 亿吨，占世界同期增加量的 27% ；预计到 2020 年，排放量要在 2000 年的基础上增加 1.32 倍，这个增量要比全世界在 1990 年到 2001 年的总排放增量还要大。

预测表明，到 2025 年前后，我国的二氧化碳排放总量很可能超过美国，居世界第一位；从人均来看，目前我国人均二氧化碳排放量低于世界平均水平，到 2025 年可能达到世界平均水平，虽然仍低于发达国家的人均二氧化碳排放量水平，但已丧失人均二氧化碳排放水平低的优势。

CO2本身是一种无害气体，但当人为CO2排放超过了自然界的平衡能力以后，CO2在大气中的积累就会日益增长。

而CO2是一种“温室效应”气体，即它能让太阳的较短波长(约0. 475μ)射线通过而加热地球表面，但却大量地吸收地球辐射的长波(约11μ)能量，阻碍地球上的热量向外传递。

长此下去，就会影响全球的热量平衡，从而导致地表气温上升。

给人类带来如冰雪融化、海平面上升、干旱增加等一系列严重恶果。

三、碳氧化合物排放的控制和处理技术
3.1 CO的吸收处理技术
无论是以煤、石油和天然气通过部分氧化都会产生是含CO混合
气体，为了从混合气中有效地利用CO，减少其排放。

对CO分离和精制是十分必要的。

现在盛行对已有分法的改良，集中在耐水性液状吸收剂的开发上。

新方法的开发主要是固体吸附剂的变压吸附法。

下面对儿个主要方法作简要讨论。

3.1.1 铜氨液吸收法
这种方法是为了从合成氨原料气中除去对催化剂有毒性的CO而发展起来的，应用时间较一长。

现在，由于低温变换触媒的开发，微量CO可以转变为甲烷，使得铜氨液吸收法在合成氨生产中已不采用。

若运用此法分离CO，由于存在一些根本性的缺点，如吸收液中Cu+不安定、对CO2也吸收、分离的CO中混入氨和需要高压与低温条件等，使它显得陈旧了。

为了克服铜氨液吸收法对CO2的吸收和氨的挥发这两个缺点，已开发CuCl一碱土类金属卤化物系吸收液。

它不吸收原料混合气中的CO2，分离的CO中溶剂蒸汽比氨容易除去。

3.1.2 深冷分离法
这是一种物理分离方法，应用较早，但尚在改进中。

它是先将混合气冷却液化，然后在165一一210℃的低温下分馏。

此法缺点较多，如混合气中的水和CO2等在低温下易阻塞管道、对混合气中沸点接近的N2和CO难于分离和冷冻、热回收系统复杂等，因此，应用不普遍。

3.1.3 Cosorb法
该法是70年代初由美国Tennec。

公司开发成功的，它适合于从含CO气流中经济地回收CO。

国内已有许多文章对它进行过详细介绍。

Cosorb，法与铜氮镶吸收法、深冷分离法祖比，在吸收效率、经济效益、工艺操作和环境保护等方面都显示较大的优越性。

被认为是美国化学工业界划时代的开发工作，曾获得1977年度美国化学工程“KrikPatrick”奖。

我国有许多单位，如浙江大学、上吴淞化工厂、化工部第八设计院等也对Cosorb法作了较多的研究，建立了以钢厂炉气为原料的200吨/年CO提纯装置，在中试基础上，提出了5000吨/年CO提纯装置的可行性研究报告。

但是，该法所使用的AlCuCl4甲苯溶液的吸收能力随着其同含有水、硫化氢、氨等C混合气体接触时间的增长而迅速下降。

因为吸收液中的AlCuC14同这些气体发生不可逆反应，例如:
2 AlCuC14+H2O一HCl+AlCuCl4Al(OH)Cl2+CuCl
这样，1分子水能使2分子络合物失活。

因此，实施Cosorb法时，必须对原料混合气中水、硫化氢和氨等进行前处理，使其含量分别降至lppm、5ppm和1ppm。

这就使得前处理工艺变得很复杂，吸附剂的再生也消耗很多能量，还必须除去分离后混入CO中的甲苯蒸汽。

为了解决Cosorb法中吸收液不抗水的缺点，开发了抗水的AlCuCl4一聚苯乙烯高分子络合物吸收液。

它是由CuCl、AlC13和直链聚苯乙烯在甲苯中调制而成的。

这种吸收液适用于水饱和的合成气中H/CO摩尔比的调整。

3.1.4 Hisorb法
本法的吸收液具有优异的选择性和耐水性特点。

吸收液有两种，即Hisorb一A液(以氯化亚铜和金属氯化物的络合物为主要成份的水
溶液系吸收液)和Hisorb一B液(氯化亚铜和衍磷酸衍生物的络合物溶于芳烃的非水系吸收液)。

可根据原料气的性质、压力和温度等条件来选择使用吸收液。

两种吸收液均能在常温、常压或加压下吸收CO，然后在80一120℃下解吸。

原料气不经特别的预处理就能直接进入吸收系统。

Hisorb法的CO回收率达99.5%以上，CO纯度达99%以上。

它的显著特点是不需要对原料气中的水和COZ进行预处理，可以减少设备和运转费用，设备紧凑，CO回收量为9万吨/年的工厂只需占地900m2。

可见它比Cosorb法更先进。

3.1.5 固体吸附分离法
固体吸附分离是采用固体吸附剂通过气固接触来分离，有温度变换和压力变换两种吸附分离法。

都是近几年开发的。

它们的共同点是由于分离的CO气体中不混入溶剂蒸汽，不存在溶剂损失和溶剂回收问题，分离精制技术采用充填塔形式，比液状吸收剂简便。

例如铜(1)一沸石吸收剂用CO在300一400℃下将载于Y型沸石上的Cu2+还原成Cu+，这种固体吸附剂吸收的CO能在300一400℃和几百帕斯卡的压力下被回收。

具有高硅/铝比的沸石是疏水性的，所固载Cu+的吸附剂能从水饱和的混合气中分离CO。

但是，水和氨存在时，氧和空气能将Cu+氧化。

还有，高硅/铝比的沸石使铜离子交换率变小。

3.1.6 膜分离法
膜分离法具有节能、体积小和易操作等优点，但至今为止，CO 选择性地透过的分离膜尚未开发出来。

而使用HZ分离膜来调整合成
气中H2/CO的摩尔比的装置已工业化，比较有代表性的是“PRISM”分离器和“UBE”分离器。

总之，在CO的诸分离法中，铜氨液法趋子过时，深冷法太复杂，膜分离法尚处于开发阶段，Cosorb法较先进，而固体吸附剂的变压吸附法最有前途。

当然，不同的分离精制法各有特点，可按实际情况选用。

3.2 减少CO2的排放技术
3.2.1 燃料电池电动汽车的开发
最近几年,国内外的传媒频繁报道燃料电池电动汽车的开发动态,表明燃料电动汽车受到世人关注,因为它是零排放汽车。

目前汽车尾气排出CO2不可小视,其CO2排放量占化石燃料燃烧产生的总CO2排放量的约1/4。

所以减少CO2在大气中的排放是发展燃料电池电动汽车的主要目的之一。

3.2.2 减少燃料燃烧或工业生产发生的CO2
使燃料燃烧不生成CO2是减少CO2在大气中的排放的一种重要举措。

例如,最近北美组建了一个零排放煤联盟(Zero Emission Coal Alliance),这一联合体包括美国洛斯-阿拉莫斯国立实验室(LANL)和美国最大的发电公司南方公司(Southern Co.)及加拿大的煤供应公司。

该联合体正在研究利用煤产生氢用于发电不产生CO2的新技术。

日本东京技术学院(the Tokyo Instituate of Tech-nology)研究出一种使甲烷完全分解产生H2,不副产CO2的技术。

该法整个过程约在500℃温度、低于大气压的条件下进行。

甲烷
借助二氧化硅支载的镍催化剂分解成H2和C,后者以可在市场出售的细碳粉形态回收。

产生的含40% H2的气体流过Fe2O3和In2O3等金属氧化物,H2使金属氧化物还原成金属,并生成水。

用水蒸气在约300℃下使金属重新氧化获得纯H2。

此法的优点是金属可运至其他地点生产H2供使用,例如搭载在燃料电池电动汽车上为燃料电池提供H2。

3.2.3 大量CO2的永久性存放
将产生的大量CO2捕集压缩注入深海底层或废矿坑永久性存放,这是一项抑制大气中CO2浓度不断增加,全球气温持续上升的重要应急措施。

例如,前述SACS多家大公司联合机构从1996年10月起,已将270万吨 CO2加压,用泵注入海面以下340 m深的盐水层。

这是一项耗资巨大的工程,比将极少量的核废料封存所需费用高昂得多。

如前所述,仅美国现在每年就要排放近50亿吨 CO2,而据SKI咨询公司调查统计,美、日、欧洲诸工业发达国家1998年的液态CO2的使用量总共不足1 000万吨,预一直到2003年世界对液态CO2需求量将以2%~4%年均增长率增长,但这主要是对碳酸化饮料的需求增长之故,并非有什么新用途、新技术出现。

为了减少压缩大量CO2弃置的费用,美国TDA公司发明了可用化石燃料在基本上不排放CO2的情况下发电且发电效率与常规发电厂相近的技术。

在此过程中,燃料在一流化床反应器中燃烧,同时使多种金属氧化物的混合物在1.35 MPa下还原成金属,产生33% CO2和67%水(蒸汽)。

蒸汽凝结,留下压力约为1 MPa的CO2,此CO2可以几乎不用压缩就可封存。

金属氧化物的还原使燃料的能量变成贮藏在金属中的能
量。

金属在另一流化床反应器中氧化释出的热量将空气加热到900℃,用于驱动高温气涡轮机发电。

四、减少碳氧化合物总体对策
1.多途径开发能源，减少矿物燃料燃烧
碳氧化合物的产生无不与矿物燃料的燃烧有关。

全世界也在为减少碳氧化合物的排放做着努力。

京都协议就是很好的证明。

减少这些废气的排放的根本出路在于减少矿物燃料的燃烧。

但随着人日的增长，经济的发展.对能源的需求在不断增长。

解决的办法是多途径开发能源。

而我国情况非常特殊，煤炭在一次能源中占从称，发展其它能源的任务更加艰巨。

从目前科技发展水平来看.能替代的能源主要为水能、核能、大旧能。

其次是风能、潮汐能和地热等。

2.合理燃烧、减少废气排放
我国煤炭资源丰富，而石油和天然气相对偏少，预计几十年内这种主要地位不会发生根本性改变。

但是，煤炭直接燃烧会排出大量灰尘、CO2和CO，应该采取一切必要措施，把排放的废气降到最低水平。

目前，有一些有效方法可以采用:
(1)燃烧前的处理
煤的燃烧前处理，主要是减少灰分、矸石和硫等杂质，主要方法有洗选、型煤加工和制成水煤浆，通过这些处理可以提高热效率，减少有害气体的生成。

(2)燃烧中的净化
燃烧中的净化，主要是开发先进的燃烧器及燃烧技术，从而提高
燃烧效率和减少废气排放。

(3)燃烧后的烟气处理
燃烧烟气的处理，包括除尘、脱硫、脱硝和二氧化碳回收。

目前，烟气除尘工作已在国内外普遍展开，方法有湿法除尘、布袋除尘和电除尘，平均除尘效率在90%以上，这些方法虽然脱除率高，但成本也较高，目前只是处于开发应用阶段。

CO2的回收已引起许多发达国家的重视，由于火力发电厂排放的CO2约占总排放的CO2的四分之一，因此目前正积极开发火电厂烟气CO2回收技术。

加拿大、日本在开发常规的胺溶液吸收法回收CO2技术，在技术上尚需进一步降低能耗、减少胺溶液损耗和减少烟尘含量，从而降低成本，增强竞争优势，如果防止气候变暖到了必须限制CO2的排放时，那将使火力发电厂的CO2回收技术产生极大吸引力。

3.开展综合利用，变废为宝
工业废气中的CO和CO2具有浓度低、分布面广、数量大等特点，可都有其利用价值，为了保护环境和人类的生存与发展，更有必要将其转化成为无害物或产品。

例如CO在许多废气中含量较高，回收后不仅可以作燃料，而且是一种重要的化工原料，可以发展一系列有机化工产品。

在工业生产上，用CO作为碳源生产的主要化工产品有H2、甲醇、醋酸、草酸、甲酸、丙烯酸、光气和碳基合成醇类等，这些都是关系国民经济的大吨位基本有机化工产品。

此外，CO在医药、香料、日用化学品和有机合成等方面应用日益增加。

4.植树造林，增强净化大气能力
植树造林具有保持水土、调节气候、吸灰除尘、减弱噪声和净化大气的作用。

特别是对CO2的吸收固定作用很大。

通常1公顷阔叶林在生长季节，一天可以吸收1吨CO2。

地球上的绿色植物每年吸收CO2近9.36 ×l08kt 。

美国植物生态学家艾伦·奥克莱尔研究发现，矿物燃料燃烧时产生的CO2，除了储存在大气中和海洋深处外，北半球森林具有“碳汇”作用。

因此，大规模植树造林是净化大气和缓解大气中CO:浓度增加的重要措施。

5.提高能量利用率
我国的国民经济生产总值与所耗能量之比值，比发达国家低得多。

因而提高各种能量的利用率，减少能源消耗，降低废气的排放量，是极其迫切而重要的。

五、结论
1. 我国工业废气CO, CO2等的排放对环境的影响日益加重，并且排放量任在增加，数量不断变大，对环境压力日益增加。

2. 矿物燃料燃烧是产生工业废气的主要来源，应采用各项技术使燃烧合理化，提高能源利用率，减少废气生成。

3．大力开展工业废气的回收利用，变废为宝。

4. 在满足国民经济发展的能源要求前提下，逐步减少对煤的依赖.同时发展多种能源，特别要注意发展水电、核电和太阳能等清洁能源，逐步解决矿物徽料燃烧产生的废气。

5. 大力植树造林，增强净化大气的能力。