CO2处理工艺及设备——程惠亭

CO2处理工艺及设备技术管理部程惠亭
目录
排放面临的现状
1.CO
2
2.地球上的碳循环
3.挑战和对策
4.CO
处理技术
2
5.CO
基本应用
2
6.CO
制造和加工
2
I.CO
2
排放面临的现状
1. CO
2
对环境的污染
–在过去的100年中，全球气温升高了0.3～0.6℃。

–政府间气候变化专门委员会（IPCC）第三次报告中指出，尽50年的气候变暖主要是向空气中排放温室气体引起的。

–温室气体中，CO
2占60%。

IPCC推算，按现在的排放速度，本世纪中叶
CO
2的浓度将要翻一番。

这将导致全球气温再升高1.5～4.5℃。

海平
面上升0.25～0.5m。

2. CO
2
典型排放
–CO
2
排放中，化石燃料电厂约占30～40%
–甲醇：
生产1吨甲醇排二氧化碳2.8吨左右；
1吨甲醇从煤开始作为燃料完全燃烧：1×1.5×44/12=5.5吨–发电：1000度电排放二氧化碳：
日本：0.418吨；
德国：0.497吨；
美国：0.625吨；
中国：0.752吨（传说中有的高达0.9吨）；
II.地球上的碳循环
动物工业矿物燃烧
石油、煤碳酸盐等矿物天然气CO
2气田
植物地面
天空
地下雨雪
地表水
III.挑战和对策
1.挑战
1)地球的C循环不平衡，向大气层积累在加剧，这一切是人类活动引起的；
2)能源需求是第一大罪魁祸首（煤和油）；
3)物质资料需求是第二大罪魁祸首（煤和油化工）；
4)只能减缓，无法阻止；
2. 对策
•紧迫的措施是减少和放缓积累进程：燃眉之急，利益困惑；
•长远的对策是消耗大气中的积累，希望在于是植物吸收：道路漫漫，阻力重重；
•微不足道的减少途径是利用、转化、地下存储；
•必须立即制止的是CO2气田开采，利用现有的CO2；
1.把它压入地下，获得间接效益
二氧化碳捕获与地质封存技术（CCS ）。

IV.CO 2处理技术（1）-地下储藏
4种方式：
1)二氧化碳驱石油
2)二氧化碳驱替煤层气
3)天然气田封存
4)和含水层封存
3个阶段：
1)提纯二氧化碳
2)二氧化碳压缩运
3)二氧化碳注入地下
IV.CO 2处理技术（1）-地下储藏
3个问题：
1)技术：有大量的理论和实验工作有待深入
2)成本：$30-60/T
3)安全：地质结构不稳定、地震等造成的泄漏
1.把它压入地下，获得间接效益
二氧化碳捕获与地质封存技术（CCS ）。

IV.CO
处理技术（2）-地下储藏
2
2.把它转化为石头
用矿物碳化方法永久封存二氧化碳早已为人们所知，但几乎没有进行过实验，如今，这个方法成为冰岛和阿曼研究的主要课题。

冰岛雷克雅未克的试点项目中，科学家们将首次把二氧化碳饱和水溶液注入地下１，300多英尺处的玄武岩层，希望通过化学反应将二氧化碳转化为岩石。

来自冰岛、法国和美国的科学家们将把电站排出的二氧化碳注入地下1,300英尺的岩层
IV.CO
处理技术（2）-地下储藏
2
2.把它转化为石头
几个问题
•矿化速度慢。

玄武岩产生化学反应形成碳酸钙的速度，在实验室条件下，矿化在四至六周内开始，并在六个月内产生全面的化学反应。

•泄漏。

经过压缩的二氧化碳注入已经充满水的地质层。

为了使其产生矿化，气体必须先溶入水中。

这段时间的泄漏问题
•技术问题。

能否事先把二氧化碳做成饱和溶液然后再注入地下？
•安全问题。

•成本问题。

IV.CO
处理技术（2）-地下储藏
2
部分标志性工作
1.美国能源部开启了其具有里程碑式的大型碳封存实验项目，项目花费将高达8400
万美金，预计到2012年，将往地下6500英尺深处封存100万吨二氧化碳，用以测试地质封存的安全性和经济性。

如果实验获得成功，未来美国几个州的碳封存能力就高达1000亿吨。

2.我国（武汉）早在2003年和2006年相继展开了深部煤层封存和油气田封存的研究。

今年元月，以李小春为首的研究团队参与了对二氧化碳进行含水层封存的技术研究，该项目被列为国家863计划和中国科学院重要方向性研究计划。

3.2008年日本将首次展开大规模地下封存二氧化碳的实验，将火力发电厂排放的二
氧化碳封存于海底的废弃天然瓦斯田内。

日本地球环境产业技术研究机构指出，日本若能充分利用地下和海底，理论上最多可封存约1500亿吨二氧化碳，相当于日本一百年以上的排放量。

4.Recopol计划（欧洲）（将二氧化碳气体存入波兰煤矿井项目），该计划有8个国
家的科技人员和企业参加，欧盟投资170万欧元，希望它成为欧洲存储二氧化碳气体的样板项目。

V.CO
基本应用
2
1.石油采矿业。

向油井下注射一吨CO2液体，可增产原油3-5吨。

2.机器铸造业。

CO2是添加剂。

3.金属治炼业。

特别是优质钢、不锈钢、有色金属，CO2是质量稳定剂。

4.陶瓷塘瓷业。

CO2是固定剂。

5.生物制药。

6.饮料啤酒业。

CO2是消食开胃的添加剂，
7.做酵母母粉。

CO2是促效剂。

8.消防事业。

CO2是灭火剂。

9.制造干冰。

10.农业。

大棚蔬菜为什么要施用CO2增长剂。

11.有机合成。

聚碳。

遗憾：这些应用不到CO
总排放量的1%
2
2
1.CO
2
来源
1)专门制造。

小用量的。

2)工业废气。

a)煤化工。

b)食品工业。

有机物（包括动植物）在分解、发酵、腐烂、变质的过程；
c)矿物加工。

石灰，冶炼；
3)地下开采。

CO2气田，我国有很多CO2大气田，有人计划开采，有人正在开
采。

特别提醒：作为社会责任，不应规模制造和开采CO
2，而是应当利用现有CO
2。

2.分离方案
1)溶液吸收解析。

特点：处理量大、工艺相对简单、技术成熟，目前大量使
用；
2)固体吸附解吸。

特点：处理量较大、工艺相对简单、技术成熟，目前较多使
用。

比如典型的变压吸附；
3)膜技术。

新兴技术，实际上已一种“过滤”技术。

4)蒸馏技术。

传统技术，特点：处理量大、纯度高、技术成熟。

2
1.加工方式
1)CO2物理加工
a)溶剂吸收。

b)干冰。

c)蒸馏。

2)CO2化学加工
1)有机合成
2)无机盐
2.加工深度
1)粗加工
a)溶剂吸收。

b)干冰。

2)深度加工
1)蒸馏。

尽管蒸馏理论上可以用于粗加工，但是不建议使用。

2)CO2化学加工
CO
制造的无机盐产品
2
VI.CO
制造和加工（3）-溶液吸收解吸
2
1.产品用途：这些产品主要应用于干冰，蔬菜大棚等。

深度加工的基础原料。

2.基本原理
1.碱法：碳酸氢钠、碳酸钾等碱性溶液加压吸收，减压解析。

2.氨法：MDEA溶液（N-甲基二乙醇胺）加压吸收，减压升温解析。

常用
于天然气、合成气脱碳。

3.大致工艺流程：
废气→除焦→脱硫→吸收→解析→99.5%产品
含有CO
2
4.设备：吸收塔：
尺寸：3000 mm×37000 mm×22 mm,
材质：16MnR
压力：2.0 Mpa
设计温度：180℃
吸收塔37米高的CO
2
VI.CO
制造和加工（4）-干冰
2
1.产品用途：人工降雨等。

2.基本原理
在常温、6.0798 MPa压力下，把二氧化碳冷凝成无色的液体，再在低
压下迅速蒸发，便凝结成一块块压紧的冰雪状固体物质（温度-
78.5℃）。

3.大致工艺流程：
99.5% CO2→脱水（含水量≤60ppm）→绝热膨胀
4.设备：干冰机
典型的干冰机技术参数
原料液体二氧化碳(低温贮罐盛装;含水量小于60ppm)
干冰产量≤200 Kg/h(干冰厚度为25时)，≤260Kg/h(干冰厚度为50时) 干冰密度＞1.45g/cm3
干冰尺寸长×宽×厚125×105×20-50mm
干冰得率≥40% （每1000kg液体二氧化碳可生产不少于400kg干冰块） 电机功率≦11 kw
运行方式液压式
液压油容量50L
外形尺寸1400×1200×1670 mm
整机重量800 kg
VI.CO
制造和加工（5）-蒸馏
2
1.产品用途：食品、特殊保护气体。

2.食品级别产品标准：国家标准（GB10621-2006）、国际饮料协会标准
（ISBT）、可口可乐及百事可乐企业标准。

长达4年的审批过程，食品添加剂液体二氧化碳国家标准GB10621-2006
于2006年3月1日正式颁布，12月1日起实施。

但是我仍然说，这个标准仍然十分地不完整。

因为从工业废气中提纯的
CO2 ，杂质千变万化，有些是致命的。

3.基本原理
1.加压低温蒸馏。

4.大致工艺流程：
99.5 %的CO2粗品→压缩→吸附（脱水）→吸附（脱乙烯）
→氨冷（液化）→蒸馏→过冷→装瓶
5.设备：蒸馏塔
6.工业实践。

食品级CO 2国家标准（GB10621-2006）
项目指标二氧化碳含量体积分数，10-2 ≤
99.9
水分体积分数，10-6 ≤
20酸度
按5.4检验合格一氧化氮体积分数，10-6 ≤ 2.5
5 2.561
70.1
850(其中非甲烷烃不超过20)
90.021*******
120.2131140.3
155
16按5.10检验合格17101830191020 2.5210.322
0.5
序号1234二氧化氮体积分数，10-6 ≤二氧化硫体积分数，10-6 ≤
总硫体积分数（除二氧化硫外，以硫
计）,10-6 ≤
碳氢化合物总量体积分数(以甲烷计), 10-6
≤
苯体积分数,10-6 ≤甲醇体积分数，10-6 ≤
乙醇体积分数，10-6 ≤
乙醛体积分数, 10-6 ≤
其它含氧有机物体积分数，10-6 ≤氯乙烯体积分数，10-6 ≤油脂质量分数[qbw1] ，10-6 氨体积分数,10-6 ≤磷化氢体积分数,10-6 ≤氰化氢体积分数,10-6 ≤
水溶液气味、味道及外观
蒸发残渣质量分数，10-6 ≤氧气体积分数,10-6 ≤一氧化碳体积分数,10-6 ≤
工业实践（1）
，1999天津联合化学有限公司(TUCC)，30，000吨食品级CO
2
原料气：
来自乙烯氧化法制环氧乙烷/乙二醇的脱碳塔
组成(mol %)：
CO2:93.2
CH4:0.201
C2H4:0.0342
O2:0.165
N2:0.558
H2O: 5.842
其他痕量杂质
压力：0.11 Mpa
温度：40 C
工业实践（2）
难点：
•首次工业化，没有先例；
•工业废气杂质复杂；
•微量乙烯有毒，必须除去，达到ppm级别；
•可口可乐对水分的要求特别高，必须除去水分，达到ppm级别；
•可口可乐对氧气的要求特别高，必须除去水分，达到ppm级别；
•对微量元素：砷、氰化物，要求检不出；
•食品工业使用，要求无异味。

工艺特点：
•由于杂质多，要求高，膜分离、变压吸附需要多级，故选用低温蒸馏方案；
•通过蒸馏乙烯除去到ppm级别代价高，主要表现在蒸馏塔很高，膜分离、传统吸附也难达到。

因此使用吸附-燃烧方案，乙烯通过吸附剂+氧气燃烧，变成了CO。

因为氧气
2也是杂质，控制氧气量非常严格；
•蒸馏设备使用规整填料塔，操作压力在2.3 Mpa 左右；
VI.CO
制造和加工（6）-有机合成
2
-聚碳酸酯
1.产品用途：性能优异的工程塑料，用于航天、汽车、电气、电子和国防领域。

2.基本原理
环氧化合物+ CO2催化剂聚碳酸酯
核心问题是催化剂的研发
3.大致工艺流程：
产品→脱硫精制→反应→分离→产品
粗CO
2
4.典型技术。

1)中科院长春应用化学所：高效脂肪族聚碳酸酯制备技术；
2)中科院广州化学所：二氧化碳与环氧丙烷反应生产全降解塑料技术；
3)天津大学：二氧化碳与环氧氯丙烷共聚反应生产脂肪族聚碳酸酯技术；
4)广东中山大学：环氧丙烷高效合成聚碳酸亚丙酯树脂技术；
5.存在问题。

从商业角度看，媒体报道，存在3大问题：
/detail/c11/8821.html
1)成本。

成本高。

2)需求。

规模小（500吨试验厂居多），不能保证供应，因而没有市场。

3)投资风险。

前两条决定的。

从技术角度看，一个问题：催化剂技术不过关。

谢谢大家！。