新能源技术-二氧化碳脱除技术剖析

前言

二氧化碳这种气体对于人类而言并不陌生，空气中含有二氧化碳，人和动物呼吸呼出的气体主要是二氧化碳，植物光合作用吸收二氧化碳，大自然中的二氧化碳本来是一种符合生态平衡的循环。然而在近几十年中,日益严重的环境问题,尤其是全球气温变暖,使得人们不断地将视线投向二氧化碳问题。

一、二氧化碳问题与对策分析

1.二氧化碳

碳循环是碳通过大气圈，生物圈，土壤圈，岩石圈和水圈的变化和传递的总过程，它是任何生物赖以生存的基础。

碳在生物圈的存在形式主要为有机碳，而碳在大气圈中的主要存在形式为二氧化碳和甲烷气体。现在大气中的二氧化碳的浓度为0.000370%。而近年来，人类每年排入大气的二氧化碳为280*10^8t，是植被和土壤呼吸及海表交换排入大气的CO2平均自然流通量（总量约为5500*10^8t）的5%。大气中CO2总量的变化由排放和吸收量之间的净平均差额决定，而不是各流量本身。有数据表明：在过去的42万年中，二氧化碳的含量在过去的250年增长了31%，其中最近几十年更是如图1所示,成指数形式在增长。

图1

而对于CO2含量的攀升，化石燃料的使用占据了总排量的70%~90%。在实际生产生活中，石油化工，煤化正、天然气化工、电厂、钢铁厂、汽车所使用的燃料几乎都是化石燃料，而在燃烧过程中，化石燃料中的碳将转变为二氧化碳并进入大气，使大气中二氧化碳浓度增大。据估，它们排出的二氧化碳将从2002年的236亿吨增加到2030年的380亿吨，28年间将净增150亿吨，这也是目前环境问题的焦点所在。

2.二氧化碳问题---温室效应

由于全球对化石燃料的依赖，工业和人们生活中产生的废气排放量日增加，主要温室气体二氧化碳在工业化开始后的150年内，浓度已经由280ppm上升到379ppm，使得过去一个世纪内地表平均温度上升了约0.6℃。温室气体减排问题的研究已经成为能源政策与环境管理中的热点之一。

化石燃料在燃烧会产生CO2 和H2O,其中CO2 可溶解在雨水、江河、湖泊和

海洋里,也可以被植物吸收进行光合作用等。当产生和消耗的CO2量之间达到平衡时,大气层中的CO2 浓度会保持一定的范围内。事实上，大气在使太阳短波辐射到达地面的同时也在吸收地表向外放出的长波热辐射线，这样就使地表与低层大气温度增高，而当CO2含量过高时，地球热量的散失被不断阻止，因而使得温度攀升。这一现象被称为温室效应。

在现实世界中没有温室效应是不现实的，如果没有温室效应，地球就会冷得不适合人类居住，据估计，此时的地球表面平均温度会是−18℃。正是有了温室效应，使地球平均温度维持在15℃，才使得人类得以生存。然而，人类生产生活方式的改变使大气中温室气体含量增加，由于燃烧化石燃料及其他方式产生了过量的二氧化碳，将红外线辐射吸收并留住了能量，导致全球表面温度升高，加剧温室效应，造成全球暖化。

目前，公认的二氧化碳所引起的全球变暖对人类生活环境的几大影响主要包括：

一、冰川融化，海平面上升

预计至2030年，海平面将上升20厘米，到本世纪末海平面将上升65厘米。海平面的这一变化将会给沿海地区带来巨大影响和灾难----沿海地区被淹没；海滩和海岸将遭侵蚀；地下水位升高，导致土壤盐渍化；海水倒灌与洪水加剧；破坏供水系统。

二、农业生产遭受重创

CO2对农业的影响主要表现在两个方面：1.二氧化碳含量增加对植物光合作用的影响；2.气候变暖给植物带来的影响。事实上，二氧化碳是植物进行光合作用的基本原料，当二氧化碳增多，可在一定程度上提高植物的生产能力。但是，气候变暖可以引发一系列环境和气候问题，如害虫繁殖、干旱加剧等，它们可以从根本上恶化农作物的生长环境从而构成严重危害，这对农业产生不利影响。

三、人类健康将受到严重威胁

极端高温对人类健康的困扰主要体现为发病率和死亡率增加，尤其是疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、钩虫病、霍乱、脑膜炎、黑热病、登革热等传染病将危及热带地区和国家，同时某些目前主要发生在热带地区的疾病可能随着气候变暖向中纬度地区传播，大规模传染性疾病将变得常见。

可以预见，如果人类不能采取有效的行动来遏制这一变化趋势，那么亚马逊雨林将会消失、两极海洋的冰块将全部融化、所有生物包括人类自身也会遭遇灭顶之灾。

3.解决方案

面对日益恶化的生存环境，温室效应已经引起了广泛关注。1992年6月3日143个国家在巴西签署了《联合国气候变化框架公约》，1997年在日本东京通过了《京都协定书》。这些文本旨在限制工业二氧化碳及其他温室气体的排放量，从而遏制全球气候变暖及温室效应。它要求所有发达国家2010年所排放的二氧化碳等6种温室气体的数量要比1990年减少5.2%，而对发展中国家则没有减排义务。但在2009年12月召开的哥本哈根世界气候大会及2012年11月的多哈世界气候大会上，太多建设性法案和措施没有达成。

此时，地区内部自身的改善也许将能产生意想不到的好处，各大国可以颁布相应法案，推广新型技术，将本国内部的二氧化碳排放量降低，为更好的国际合作打下基础。国际上，目前流行的CO2减排主要有五种方案：

1.优化能源结构，开发核能、风能和太阳能等可再生能源和新能源。

2.提高植被面积，消除乱砍滥伐，保护生态环境。

3.在化石燃料的使用中进行CO2脱除及再利用。

4.开发生物质能源，大力发展低碳或无碳燃料。

5.提高能源利用效率和节能，包括开发清洁燃烧技术和燃烧设备等。

从长远来看，发展核能、风能、太阳能等清洁能源从而减少CO2排放无疑是最理想的减排途径。然而能源的发展不可能一蹴而就，而风能、太阳能等可再生能源整体上还都处于发展的初级阶段，其自身的局限性及成本问题注定了现阶段无法大规模使用，同时也无法满足经济快速增长的需求，因而，面对快速增长的CO2排放量来说，其减排贡献也是杯水车薪。

在中国国内，CO2的主要工业生产部门有电力、水泥和钢铁等企业，我国这些行业的能源利用效率都较低。据统计，我国绝大部分工业炉窑的热效率都不到50％，常规火电厂的发电效率仅为32.2％，所以CO2脱除及再利用技术将是现行最有效率的减排方法，其强大的潜力将可以大幅度降低化石能源使用所导致的二氧化碳排放，而在现阶段，相类似的系统已经投入使用，并在一定程度上实现了部分减排。

二、二氧化碳脱除技术分析

鉴于CO2脱除技术在实际工业中的应用将能有效缓解全球变暖,大幅减少二氧化碳排放,因而我们将从原理、技术与CO2处理等几个方面来进行介绍。

㈠.物理法

根据二氧化碳与其他气体的物理性质不同，将其分离出来的方法被称为物理法。物理法具体可以分为以下几种。

1、低温液化蒸馏法

二氧化碳是一种比较容易液化的气体，在1.6MPa下，零下30℃就可以使二氧化碳液化。低温液化蒸馏法的技术原理是根据二氧化碳与其他气体的沸点不同，通过蒸馏将二氧化碳分离出来。其工艺过程是将混合气体干燥后通入冷却塔液化，然后保持温度在二氧化碳沸点以下，逐渐升高温度进行蒸馏，二氧化碳保持液态，而其他气体气化从而与液态的二氧化碳分离。

2、物理溶剂吸收法

物理溶剂吸收法的技术原理是根据二氧化碳与其他气体在溶剂里的溶解度不同，将二氧化碳溶解在溶剂里，从而去除混合气体里面的二氧化碳。其工艺流程是将混合气体通入到二氧化碳的优良溶剂中，二氧化碳被溶剂吸收，其他气体由于不溶于该种溶剂从而与二氧化碳分离。常用的溶剂有水、甲醇、碳酸丙烯酯等。水洗法应用最早，流程简单、运行可靠、溶剂水廉价易得，但其设备庞大、电耗高、产品纯度低，一般不采用。低温甲醇法应用较早，具有流程简单、运行可靠外，能耗比水洗法低，产品纯度较高，但是为获得吸收操作所需低温需设置制冷系统，设备材料需用低温钢材，因此装置投资较高。现在广泛应用的是碳酸丙烯酯法。

碳酸丙烯酯对二氧化碳具有很大的溶解力，而N

2、H

2

S、CO等气体在其中的溶解

度却极低。除此之外，该溶剂还具有溶解热低、粘度低、蒸汽压极低等特点。且在通常的操作压力下，具有良好的化学稳定性，无毒害。因此对碳钢及其他大多数结构材料无腐蚀作用。碳酸丙烯酯的吸水性较强，溶剂中的含水量对二氧化碳