二氧化碳利用技术现状及未来发展趋势_许海超.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .二氧化碳利用技术现状及未来发展趋势许海超，龚硕锴（中海油能源发展股份有限公司北京冷能利用研究所，北京；中海油能源发展股份有限公司珠海冷能利用分公司，广东 珠海）摘 要：分析了当前政策形势对于二氧化碳回收利用技术发展的良好影响，总结了二氧化碳利用技术在食品、农业、金属、机械、无机化工、有机化工、石油开采、医疗医药等行业的应用现状及趋势，预测了食品及有机化工行业将会是二氧化碳应用重要方向，并对未来我国二氧化碳利用提出了几点建议，特别是要重视并加强二氧化碳有机化工利用、燃料电池、发电等利用技术研究开发。关键词：二氧化碳；化工；食品；农业中图分类号：文献标志码：文章编号：（）第一作者：许海超（），男，经济师，主要从事工业气体、冷能利用技术及项目开发。，（），；（），）：，.，.：；自工业革命以来，大量二氧化碳被人为地排入大气，造成的温室效应越来越引发各国政府的关注。特别是，近年来全球二氧化碳排放量保持着持续快速增长的态势。目前，全世界每年向大气排放的二氧化碳总量近 亿吨，而利用量仅为 亿吨。随着哥本哈根协议和巴黎气候协定的签订，二氧化碳减排工作也正式展开。年 月 日，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，“碳中和”被“高亮提及”，在会上，习总书记历史性提出中国的碳排放要力争在“年前达到峰值”、“年前实现碳中和”这一目标。在碳中和形势下，国家节能减排的产业政策对各类企业，尤其是高耗能企业碳减排要求更加趋严，随着环保政策趋紧，碳减排和碳中和相关政策的频出对相关企业长远发展有重大影响。在当前政策形势下，中国作为最大的发展中国家面临着很大的减排压力。单纯的二氧化碳封存不会带来任何经济效益，耗费极大，安全性也存在一定的风险。另一方面二氧化碳是一种丰富的碳资源，回收再利用不仅能够降低二氧化碳的排放，同时也能带来良好的经济效益，一举两得。因此，二氧化碳利用技术将会在我国二氧化碳减排过程中扮演重要角色。二氧化碳利用技术现状二氧化碳按照纯度不同，可分食品级二氧化碳（分液态和干冰等）和工业级二氧化碳。根据二氧化碳用途不同，可分为工业级和食品级二种，根据二氧化碳物理状态又可分为气态、液态、固态、干冰三种形式。目前从全球来看，二氧化碳主要应用于食品、农业、金属机械、无机化工、有机化工、石油开采等行业，不同国家侧重点不同。.食品行业首先，二氧化碳在食品行业最主要应用是作为碳酸饮料、啤酒的压力剂，二者是消耗了大量食品级二氧化碳。与发达国家相比，我国的人均饮料 啤酒消费量仍存在较大差距，随着经济的发展，饮料及啤酒的消费量也将逐步增长，并随之带动二氧化碳消费的快速增长。其次，作为果蔬保鲜剂，二氧化碳能够很好抑制细菌的生长和果蔬的呼吸作用，延长保鲜期，实验证明一定体积分数的二氧化碳可以有效延长荔枝的保鲜期，延迟鸡蛋水样蛋白的出第 卷第 期许海超，等：二氧化碳利用技术现状及未来发展趋势 现；同时作为一种保护性气体，可以抑制食品的氧化过程，并且杀灭需氧细菌、霉菌，维持食品原有的风味和营养，避免了传统冷库保鲜带来的脱水、不新鲜以及制冷高能耗等问题，也可以大量应用于贮存粮食的杀虫熏蒸，可以使储存的谷物中无药物残留，减少大气污染。在食品冷藏运输过程中，固态或液体二氧化碳还可以充当良好的制冷剂，气化挥发后无残留，避免运输过程出现滴水腐蚀现象。此外，超临界二氧化碳是一种良好的超临界萃取剂。常温常压状况下，二氧化碳对液体和固体几乎没有溶解能力，但随着压力的増加，其对有机化合物的溶解能力有明显的増加，而二氧化碳本身又是一种无毒、不燃、价廉、可提纯的萃取溶剂，已被广泛应用于高附加值的精细化工、对萃取剂残留要求高的食品医药等领域，用来萃取天然色素、植物油、鱼油、维生，去除咖啡因、尼古丁、啤酒发酵苦味等等。因此，作为一种优质的萃取剂，二氧化碳将具有更加广阔的市场。.农业行业二氧化碳是光合作用的基础原料，在农业上主要用作大棚种植的气体肥料。空气中二氧化碳的体积比仅为.，在光照充足的情况下，二氧化碳成为限制植物光合作用的主要因素，因此在大棚中适当充入二氧化碳，提高其浓度，有利于经济作物的生长。试验表明，大棚内二氧化碳浓度提高至 ，蔬菜产量可提高 倍，成熟期也显著提前。目前该技术已在山东、河北等多省份推广应用，效果良好。另外，作为气体肥料，对于二氧化碳纯度要求不高，因此建设二氧化碳气体肥料装置投资低，收益高，特别适合回二氧化碳浓度低的排放气。另外，二氧化碳还可以充当烟丝膨胀剂，经过充分膨胀，每箱香烟大约可节约.烟丝，而且随着另一种膨胀剂氟利昂的禁用，未来烟丝膨胀剂有望全部替代为二氧化碳。以 年我国香烟产量约 万箱为例，大约可消耗食品级二氧化碳 万吨。.金属、机械行业在金属、机械行业，二氧化碳主要用于焊接保护气、炼钢搅拌气以及机械清洁等方面。二氧化碳气体保护电弧焊是黑色金属最重要的焊接工艺之一，在金属焊接与切割领域二氧化碳应用趋于普遍，可以降低焊接金属的氧化，减少有毒物质产生，有利于提高焊接质量和保护职工健康，是一种省时省力的焊接方法，也是我国重点推广的技术项目之一。采用此工艺比手工电弧焊，工作效率高，电耗低。与氩气作保护气相比，具有强度高、成本低等优势。未来随着二氧化碳焊机的增多，二氧化碳保护气的消耗量也会随之增加。在炼钢方面，目前炼钢炉底吹气常用气体为氮气和氩气，采用二氧化碳作为吹入气体，不仅炉渣量减少，而且炼钢成本也有效降低。此外，钢铁行业碳排放量大，如果能够回收二氧化碳用于搅拌气也能能够有效减少碳排放。该技术在日本已实现工业化，在我国也将大力推广。此外，干冰清洗也是固态二氧化碳应用方向之一，如清洗各式加热炉、压缩机、储罐、锅炉等各类容器上的表面污垢、积灰等，即将固体二氧化碳制成干冰颗粒，以压缩空气作为动力和载体，以干冰颗粒（直径 ）为被加速的粒子，通过专用的喷射清洗机喷射到被清洗物体表面，利用高速运动的固体干冰颗粒的动量变化、升华等能量转换，使被清洗物体表面的污垢、油污、残留杂质等迅速冷冻，从而凝固、脆化、被剥离，且同时随气流被清除。该方法成本低廉，设备无损伤，清洁方便。.无机化工无机化工是我国二氧化碳消耗量最大的行业，占比超过，工业化应用成熟。主要产品包括尿素、碳酸镁、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙、碳酸钾、碳酸镁、白炭黑等各种轻质碳酸盐类。此类产品大多为基本化工原料，广泛用于冶金、化工、建材、轻工、电子、医药、机械等行业。以上碳酸盐多数性质稳定，经济性良好，可作为二氧化碳矿物封存的研究方向之一。.有机化工相比二氧化碳合成无机化工原材料的大规模工业化应用，在有机化工方面，除合成水杨酸及其衍生物等少数产品之外，二氧化碳合成其他有机物还尚未实现大规模工业化应。其主要方向为二氧化碳加氢制取甲酸、甲醇、低碳烯烃、碳酸乙二醇酯、碳酸丙烯酯等基础化工原材料；与甲烷制取合成气；制取聚碳酸酯、聚脲、聚氨基甲酸酯等有机高分子化合物。其中，二氧化碳加氢制取甲醇已实现较大突破。冰岛碳循环国际公司于 年实现了二氧化碳制甲醇的工业化生产，年进行了产能扩建，同年吉利集团也收购该公司部分股权。以及，二氧化碳合成可降解塑料也是重点突破方向，如长春应化所、中科院广州化学等科研单位与众多企业合作建立生产线，正在推进其工业化应用，积累了诸多生产经验。.石油开采在石油开采行业，二氧化碳可作为驱油剂注入储层进行三次采油，即将高压二氧化碳注入储层，可以使原油体积膨胀，降低其密度和粘度，进而减少对于重力分离的不利影响，所以将 注入油田后可实现有效驱油，提高采油率，提升采油量。目前二氧化碳驱可提高采油率约，在美国已经普遍应用。在国内，胜利油田自 年开始展开二氧化碳驱实验，原油采收率提升明显，并于齐鲁石化签订了 万吨年的供应协议。二氧化碳驱油不仅可以提高采油率，获得经济效益，而且将二氧化碳压入了储层。由于油气储层圈闭具有良好的密闭性，可以有效防止二氧化碳逸出，实现地质封存，一举两得。.其他利用技术除以上各行业外，二氧化碳还应用于以下诸多行业。医疗医药行业，二氧化碳作为制冷剂可以贮存各种血液制品、疫苗、胰岛素等，萃取中药材的有效成分，降低体温开展低温手术，保存遗体。消防行业，二氧化碳灭火剂也是一种用途广泛的灭火介质。由于二氧化碳密度大于氧气，可以很好隔离燃烧物与氧气，又由于自身的惰性，可以充当良好的灭火剂，并且灭火后不存在残留污染问题，可以用于许多不能用水作为消防介质的场合，如图书馆、精密仪器的灭火等。气象行业，利用干冰升华时大量吸热的特性，向云层播撒干冰，使其急速降温，形成降水或者增加降雨，即实现人工降水，缓解干旱。环保行业，利用二氧化碳溶于水呈弱酸性的特点，可以用于处理碱性污水，并从中提取硫酸盐木质素，获取额外收益。制冷行业，二氧化碳是低价、环保、天然无毒、密度低的制冷工质。目前已有二氧化碳螺杆冰机实际应用，随着二氧化碳压缩制冷技术的进一步发展，二氧化碳制冷产业将会有量的飞跃。此外，二氧化碳还可以作为干洗、印染介质。二氧化碳作为电池燃料实现发电等前沿研究也在进行，因此大力发展二氧化碳利用技术，可以将二氧化碳这种丰富的碳源充分利用，获 广 州 化 工 年 月取经济效益，也是降低二氧化碳排放，解决温室效应的一种有效方法。未来趋势从我国经济发展来看，食品级二氧化碳人均消费量处于低水平，不足发达国家人均消费量的三分之一，增长空间巨大。因此随着经济不断的增长，在以碳酸饮料和啤酒为代表的食品行业在未来很长一段时间内将会促进食品级二氧化碳快速增长。另一方面，由于我国原油进口逐年增加，对外依存度接近，能源安全问题不容忽视，提高国内原油产量是必然趋势。与此同时，国内存在大量衰老油田，二氧化碳作为优良的驱油剂可以用于这些油田的三次采油，进一步提高采收率，同样也可以用于不断增加的海上油田采油。因此，二氧化碳驱油必将会逐步推广以提高石油产量，降低对外依赖度。而目前二氧化碳驱在国内仍然处于示范应用阶段，未来市场极其广阔。此外，尽管二氧化碳合成有机化合物技术目前并不是很成熟，但从可持续发展角度来看仍然极具潜力。原油随着不断开采终将会逐渐枯竭，其下游产品也将会面临原材料缺乏的困境，而原油的大量开采和利用也是将封存的二氧化碳排入了大气，引发温室效应等环境问题。因此二氧化碳合成各种化工原材料用以代替石油产品将是发展趋势，在充分利用二氧化碳这种丰富的碳资源时，也促进了环境内的碳平衡，避免大量二氧化碳的排入危及人类生存环境。结 语（）在可预期的未来，食品级二氧化碳的需求量将会快速增加，饮料和啤酒仍然会是最大的消费市场。（）二氧化碳驱油技术将会逐步推广应用，市场体量巨大。（）二氧化碳有机化工技术有待进一步发展，工业化有待完善，将是未来重要应用方向。（）二氧化碳燃料电池、发电等利用技术应加强储备，紧跟国际前沿科技。参考文献 王玉瑛，侯立波.二氧化碳资源化利用及市场分析化学工业，（）：.倪俊海.二氧化碳的回收与利用煤炭与化工，（）：.郭海燕.二氧化碳的资源与应用辽阳石油化工高等专科学校学报，（）：.李文杰，李申.二氧化碳的资源与应用山西化工，（）：.王敏.二氧化碳的利用与开发甘肃化工，（）：.周家贤.二氧化碳开发利用综述化工设计，（）：.王晓刚，李立清，唐琳，等.资源化利用的现状及前景化工环保，（）：.田超.二氧化碳的利用前景大氮肥，（）：.崔小明.二氧化碳资源的综合利用贵州化工，（）：.罗金玲，高冉，黄文辉，等.中国二氧化碳减排及利用技术发展趋势资源与产业，（）：.（上接第 页）究成果不仅可填补辛夷总黄酮生物活性的研究领域，还可以进一步丰富辛夷总黄酮提取工艺及体外抗氧化活性的学术资料，不但具有重大的理论价值，而且具有重要实用价值。此外，为提高辛夷总黄酮的的临床应用价值以及增强其生物活性，还可以对辛夷总黄酮的结构进一步修饰，从而为实现辛夷总黄酮的产业化生产以及在人类的健康生活中发挥积极的作用。参考文献 国家药典委员会.中国药典，部北京：中国医药科技出版社，：.于培明，田智勇，许启泰，等.辛夷研究的新进展时珍国医国药，（）：.顾国明，周宇红，于桂华，等.辛夷花有效成分研究中草药，（）：.陈雅研，高从元，乔梁，等.辛夷水溶性成分研究药学