淺談二氧化碳的資源化利用

碳氧化是自然界最常見的氣體之一。這是天然氣和其他伴隨氣體的部分。大氣中新增的二氧化碳主要來源于含碳物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)(包括燃燒、分解等)以及動、植物的新陳代謝過程。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,全球每年排放二氧化碳量達(dá)240億噸,其中90多億噸成為污染環(huán)境的廢氣,危及人類生存空間。我國每年二氧化碳排放總量超過15億噸,僅次于美國。進入21世紀(jì)后,隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施,國內(nèi)各界已清晰地認(rèn)識到解決二氧化碳造成環(huán)境污染的問題迫在眉睫。如何在科學(xué)、有效地治理二氧化碳排放的同時,保證國民經(jīng)濟高速發(fā)展,成為當(dāng)今亟待解決的課題。減少二氧化碳排放的一個重要途徑是盡快使二氧化碳應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化。1氧化碳還原co二氧化碳(CO2)氣體俗名碳酸氣,是碳的高價氧化物,分子式:,分子量:44.01,常溫常壓下無色,無臭,無味,無毒,相對密度1.53,略帶微酸刺鼻氣味。熔點-56.60℃(0.52MPa),沸點-78.6℃。微溶于水,溶液呈弱酸性。通常情況下,二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不燃燒,不助燃。但在一定的條件或適宜的催化劑存在的情況下,二氧化碳也參與一些化學(xué)反應(yīng),如高溫下的還原反應(yīng)(CO2+C=2CO);有機合成反應(yīng)(CO2+3H2=CH3OH+H2O);生化反應(yīng)(6CO2+6H2O=C6H12O6+6O2)等等。2非高能源生物處理領(lǐng)域二氧化碳具有較高的民用和工業(yè)價值,在多種領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,是一種非常寶貴的資源。不僅廣泛應(yīng)用在石油開采、冶金、焊接、低溫冷煤、機械制造、人工降雨、消防、化工、造紙、農(nóng)業(yè)、食品業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面,還可應(yīng)用于超臨界溶劑、生物工程、激光技術(shù)、核工業(yè)等尖端高科技領(lǐng)域。近年來開發(fā)出的新用途如棚菜氣肥、蔬菜(肉類)保鮮、生產(chǎn)可降解塑料等也展現(xiàn)良好的發(fā)展前景。2.1國內(nèi)油藏司法研究取得了顯著的經(jīng)濟效益液態(tài)二氧化碳以其易溶解于地下油層的特性和1t液態(tài)二氧化碳可以驅(qū)出3t原油的良好驅(qū)油效果,被國際上許多大油田廣泛用作驅(qū)油劑。二氧化碳在地層內(nèi)溶于水后,可使水的黏度增加20%～30%,運移性能提高2～3倍;二氧化碳溶于油后,原油體積膨脹,并可使原油黏度降低1.5～2.5倍,降低油水界面張力,有利于增加采油速度、提高洗油效率和收集殘余油。實踐證明利用該方法一般可使油藏最終原油采收率提高10%～15%。國內(nèi)許多油田開展了二氧化碳采油的科技攻關(guān),取得了良好效果。日前,中原油田二氧化碳生產(chǎn)裝置已建成投產(chǎn),回收煉油廠煙道氣中二氧化碳,產(chǎn)能達(dá)20kt/a(液態(tài)),產(chǎn)品將全部用于中原油田3次采油。預(yù)計可提高原油采收率15%～20%,年增加原油產(chǎn)量50kt以上。中原油田將成為我國二氧化碳驅(qū)油劑使用量最大的油田。大大減少了二氧化碳直接對空排放和污染環(huán)境。吉林油田通過開展二氧化碳系列增產(chǎn)技術(shù)的研究,解決了二氧化碳吞吐和二氧化碳泡沫壓裂現(xiàn)場應(yīng)用中存在有關(guān)問題,取得了具有較高科技水平的攻關(guān)成果。該成果分別在吉林油田低滲油藏、遼河高凝油藏及中石化新星公司東北石油局氣藏進行試用,共試驗了17口井21層,創(chuàng)產(chǎn)值177.5萬元,取得了明顯的經(jīng)濟效益。達(dá)到無傷害或低傷害的油氣藏改造效果,在低滲透油田的勘探開發(fā)上具有較高的優(yōu)越性。該科技成果為全國低滲透、強水敏、低壓油氣藏增儲上產(chǎn)提供一有效途徑。遼河油田的原油品種主要為稠油,與稀油相比,開采成本高、價格低。近年來,該油田采用二氧化碳吞吐等新技術(shù),提高了不同的地質(zhì)環(huán)境及不同的油品特性油藏中難動用區(qū)塊的油能和儲量運用程度,從而達(dá)到改善開發(fā)效果和提高最終采收率,降低經(jīng)營成本的目的。2.2氧化碳膨化物的使用我國煙草行業(yè)使用的傳統(tǒng)煙絲膨脹劑是氟氯碳化物-11,眾所周知它破壞臭氧層。作為《蒙特利爾議定書》締約國,我國政府承諾2007年以前全面禁止使用氟氯碳化物-11?！吨袊鵁煵菪袠I(yè)氟氯碳化物-11整體淘汰計劃》的目標(biāo)是:至2006年12月31日,全部淘汰氟氯碳化物-11的使用。二氧化碳是我國煙草行業(yè)首選膨脹劑。使用二氧化碳(液體,食品級)膨化處理的香煙煙絲蓬松度和柔軟度更加均勻,膨化過程中又能有效帶出煙油及尼古丁等有害物質(zhì),從而提高煙絲的質(zhì)量,節(jié)約卷煙過程中煙絲用量,并能改善香煙口感。膨化1萬箱香煙所需的煙絲,需消耗二氧化碳約300t。我國每年香煙產(chǎn)量在2000萬箱以上,二氧化碳在煙草行業(yè)中具有很好的推廣應(yīng)用前景。2.3適當(dāng)加大碳質(zhì)碳的濃度,使土地碳量傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)空間生活狀態(tài)受到適時影響二氧化碳是植物的糧食,是光合作用的主要原料。植物葉綠素在光合作用下吸收二氧化碳產(chǎn)生植物淀粉。這是植物生長的自然規(guī)律。改革開放以來我國各地溫室大棚產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,給百姓帶來了極大地便利和實惠,現(xiàn)在各地又出現(xiàn)果樹大棚、鮮花大棚等反季節(jié)、大規(guī)模棚栽生產(chǎn)。大棚相對密閉,棚內(nèi)植物光合作用旺盛需消耗大量的二氧化碳,使棚內(nèi)有限空間內(nèi)的二氧化碳濃度低于植物光合作用所需濃度,影響棚內(nèi)作物生長。用二氧化碳制成氣肥,適當(dāng)加大植物生長空間中的二氧化碳濃度,可增加植物的干物質(zhì)從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。由山東農(nóng)科院,大連化工公司研制成二氧化碳?xì)怏w肥,在山東、河北、河南、遼寧、吉林、黑龍江等省的蔬菜大棚大面積推廣使用,增產(chǎn)幅度在20%以上。2.4生物活性物質(zhì)超臨界萃取二氧化碳容易純化,價格便宜,容易作到循環(huán)使用,無毒且溫室效應(yīng)小,被譽為21世紀(jì)的環(huán)保溶劑。人類生產(chǎn)生活過程中要使用數(shù)不勝數(shù)的各類有機溶劑,對溶劑的處置成為一個巨大的環(huán)境問題。使用超臨界二氧化碳作為溶劑不但可以大大減輕環(huán)境壓力,而且能節(jié)約了大量的溶劑資源。二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無毒,在萃取條件下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),避免了對萃取物的毒害和對環(huán)境的污染。液態(tài)二氧化碳是食品、醫(yī)藥及化妝品工業(yè)的優(yōu)良溶劑,也是生物活性物質(zhì)超臨界萃取的優(yōu)良工質(zhì)。二氧化碳超臨界萃取操作條件溫和,易于控制。可以在接近室溫的溫度(35～40℃)和易于控制的壓力(從8～20MPa)條件下進行,且能有效地保持生物活性。在不同的壓力、溫度區(qū)間,二氧化碳對不同物質(zhì)的溶解能力有良好的選擇針對性,使萃取更為高效,萃取物純度更高。尤其是在生物制藥、食品和保健品等領(lǐng)域,采用二氧化碳超臨界萃取技術(shù)萃取時,提取物中的耗氧微生物將被完全殺死,生物活性物質(zhì)卻不會被破壞。國內(nèi)有關(guān)研究部門已經(jīng)利用二氧化碳超臨界萃取提純出一百多種生物活性物質(zhì),目前部分技術(shù)已成功進行了工業(yè)轉(zhuǎn)化。2.5確保了產(chǎn)品的安全性,更好地為國際社會所禁止目前世界上聚苯乙烯(PS)消耗量巨大,僅美國的年消耗量就達(dá)3000萬t以上。在PS發(fā)泡片村擠出的制造過程中,使用的傳統(tǒng)發(fā)泡劑是氯氟烴(氟氯碳化物),氫氯氟烴(HCFCS)和鏈烴。氟氯碳化物和氫氯氟烴會引起全球變暖和臭氧層消耗,為國際社會所禁止;鏈烴具有易燃性,影響生產(chǎn)安全。最近,陶氏化學(xué)宣布他們開發(fā)出用100%二氧化碳作發(fā)泡劑擠出PS發(fā)泡片材的新工藝。該公司已在世界范圍內(nèi)發(fā)放以二氧化碳(CO2)替代現(xiàn)有聚苯乙烯泡沫板用發(fā)泡劑的新技術(shù)許可證。二氧化碳不燃,增加了生產(chǎn)安全;環(huán)境友好,不會消耗臭氧層,對全球變暖的影響小(HCFC-22的全球變暖潛能約為二氧化碳的1700倍,CFC-12約為二氧化碳的5800倍);價格便宜,用量小,易于回收利用,經(jīng)濟實用;無毒,適于制作可降解飲食餐具。因此,相對而言,二氧化碳是一種更安全更利于環(huán)保的發(fā)泡劑。另外,使用二氧化碳發(fā)泡劑生產(chǎn)的PS發(fā)泡包裝物具有更好的延展性,不易折斷和更長的使用壽命。因此使用二氧化碳作發(fā)泡劑在環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用上都具有很大優(yōu)勢。2.6縫和空間焊縫二氧化碳?xì)怏w保護焊是一種明弧、低氫型焊接法,施焊時可以觀察到電弧和熔池,焊接基本上沒有熔渣,焊后不需要清渣和校正。焊縫的含氫量極低,不易產(chǎn)生冷裂紋和氣孔。用半自動焊接曲線焊縫和空間位置焊縫十分方便。二氧化碳保護焊接是一種高效率、低污染、低成本、省時省力的焊接方法。具有變形小、油銹敏感性低、抗裂、致密性好等優(yōu)點。用于焊接低碳鋼和低合金鋼時更為明顯。日本等部分發(fā)達(dá)國家二氧化碳保護焊接法焊接量已占總焊接量的40%以上。目前我國二氧化碳?xì)怏w保護焊接僅占全部焊接的5%,低于全球平均水平。在我國,二氧化碳保護焊從1964年開始推廣,至今仍是我國重點推廣的技術(shù)項目之一。現(xiàn)已有一些國際知名的二氧化碳保護焊機廠商在我國投資建廠,隨著二氧化碳供氣站等配套設(shè)施不斷完善,二氧化碳保護焊必將得到越來越多的應(yīng)用。2.7氧化碳?xì)庹{(diào)貯藏保鮮高濃度二氧化碳充氣包裝系統(tǒng)是當(dāng)今國際上公認(rèn)的最有效的鮮肉保鮮技術(shù)。在鮮肉氣調(diào)保鮮中,二氧化碳和氮氣是兩種主要的氣體。果蔬氣調(diào)保鮮因其不使用化學(xué)防腐劑而深受人們歡迎,是國際上廣泛采用的一種果蔬保鮮方法。二氧化碳?xì)庹{(diào)保鮮就是人為地控制果蔬貯藏環(huán)境中二氧化碳等氣體的濃度,使果蔬處于適合的氣體環(huán)境中貯藏。二氧化碳能抑制需氧菌和霉菌的繁殖,延長細(xì)菌的停滯期和延緩其指數(shù)增長期,延長果蔬保質(zhì)期。我國氣調(diào)保鮮貯藏庫正處于發(fā)展階段。自1978年在北京建成我國第一座自行設(shè)計的氣調(diào)庫以來,廣州、大連、炮臺等地相繼建成氣調(diào)保鮮庫,用來保鮮蘋果、獼猴桃、洋梨和棗等。華南農(nóng)學(xué)院存關(guān)研究表明,用15%～30%二氧化碳?xì)怏w濃度在條件下氣調(diào)貯藏荔枝,可在30～40天內(nèi)基本保持荔枝原有的色澤和風(fēng)味。2.8氧化碳的用量飲料行業(yè)曾經(jīng)是我國二氧化碳產(chǎn)業(yè)的最大市場,近年來所占市場比重逐漸減少是因為我國二氧化碳商品量大增等原因造成的。二氧化碳可用作汽水、啤酒、可樂等碳酸飲料充氣添加劑。廣州氮肥廠年產(chǎn)10kt/a的食品級二氧化碳全部供給健力寶飲料使用。據(jù)統(tǒng)計,1998年美國人均消耗飲料為147kg/a,我國人均消耗飲料4kg/a,遠(yuǎn)低于全球人均21.3kg/a的水平。二氧化碳在飲料業(yè)的發(fā)展前景仍十分樂觀。2.9輕二氧化碳熱壓生產(chǎn)線二氧化碳是傳統(tǒng)的滅火介質(zhì)之一,但由于液態(tài)二氧化碳儲存壓力較高,消防器具笨重,使用受到極大的限制。除專用領(lǐng)域外,消防應(yīng)用大部分被哈龍等滅火介質(zhì)替代。2000年11月新建“輕質(zhì)二氧化碳滅火器瓶體體生產(chǎn)線”合同簽字儀式在山東維坊舉行。該項目利用《蒙特利爾議定書》多邊基金贈款605萬美元,建設(shè)年產(chǎn)60萬具輕質(zhì)二氧化碳滅火器瓶體生產(chǎn)線,充裝二氧化碳后用于替代1211等滅大器具。該項目的建設(shè)也標(biāo)志著二氧化碳將更廣泛應(yīng)用于消防領(lǐng)域。2.10氧化碳制冷系統(tǒng)二氧化碳作為最早采用的制冷劑之一,在上個世紀(jì)并直到30年代得到了普遍使用,擔(dān)由于技術(shù)等原因絕大部分應(yīng)用被氯氟烴等制冷劑所取代。20世紀(jì)七十年代,氯氟烴(氟氯碳化物),氫氯氟烴(HCFCS)因被發(fā)現(xiàn)破壞臭氧層及溫室效應(yīng)指數(shù)較高而面臨全面禁用。在此背景下,超臨界循環(huán)的二氧化碳制冷系統(tǒng)以其優(yōu)良的環(huán)保特性、良好的傳熱性質(zhì)、較低的流動阻力及相當(dāng)大的單位容積制冷量,在制冷領(lǐng)域重新被采用。以二氧化碳為工質(zhì)的制冷系統(tǒng)技術(shù)一旦成熟,必將使其它制冷工質(zhì)黯然失色。2.11氧化碳產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛二氧化碳與金屬或金屬氧化物為原料生產(chǎn)的無機化工產(chǎn)品主要有輕質(zhì)碳酸鎂(MgCO3)輕質(zhì)磷酸鈉(Na2CO3)、輕質(zhì)碳酸氫鈉(NaHCO3)、輕質(zhì)碳酸鈣(CaC-O3)、輕質(zhì)碳酸鉀(K2CO3)、輕質(zhì)碳酸鋇(BaCO3)等,這些產(chǎn)品可廣泛用于治金、化工、輕工、建材、醫(yī)藥、電子機械等行業(yè)。此外,二氧化碳還能用于“C1化學(xué)”的各個分支。如可以用來生產(chǎn)輕質(zhì)氧化鎂、制造合成氣(不同比例的一氧化碳和氫氣組成的氣體)、生產(chǎn)硼砂、生產(chǎn)白炭黑等。2.12氧化碳的生產(chǎn)以二氧化碳為原料可以制造眾多的有機化工產(chǎn)品,如可以用其生產(chǎn)尿素、水楊酸、碳酸丙烯酯、碳酸乙二醇酸、甲醇、甲酸、甲烷等。由于人們對二氧化碳的研究還不充分,有許多產(chǎn)品因催化劑等原因尚未工業(yè)化。但其巨大的環(huán)保意義和經(jīng)濟價值已經(jīng)引起各界的關(guān)注。隨著世界各國“C1化學(xué)”研究的深入,二氧化碳的化工應(yīng)用必將不斷獲得新的突破。2.13開發(fā)研究并進行分析自1979年人類首次發(fā)表利用二氧化碳作原料合成高分子化合物的研究報導(dǎo)以來,這方面的開發(fā)研究十分迅速。目前已成功合成了許多品種的高分子化合物如聚酮、聚醚、聚酮醚酯、聚氨基甲酸酯、液晶聚合物、聚碳酸酯、全降解塑料等等,其中不少已進入工業(yè)化階段。3氧化碳的消費領(lǐng)域國外二氧化碳主要來源于制氫工廠、合成氨工廠、鋼鐵廠、石化廠以及釀制業(yè)等工業(yè)副產(chǎn),還有少部分來自天然二氧化碳?xì)饩?。目?全球商品二氧化碳總量約為11.5Mt/a。發(fā)達(dá)國家二氧化碳主要消費領(lǐng)域是飲料碳酸化、食品加工(冷凍、冷藏、研磨和惰化)、油(氣)井操作、焊接保護、鑄造、滅火、清漆和油漆溶劑、金屬冷加工、化學(xué)品和醫(yī)藥品生產(chǎn)、橡膠和塑料加工等。目前我國二氧化碳產(chǎn)銷量約1Mt/a。接近日本上世紀(jì)90年代初的市場規(guī)模。近年,國內(nèi)CO2市場需