近几年众多行业都在寻找双碳解决之策,其中对于二氧化碳的捕集和利用是最重要的部分。理论上,二氧化碳可以生产很多种含碳化合物,但基于技术跟成本等因素,目前二氧化碳的利用方向其实也是有限的。
一、已实现的二氧化碳工业化应用方向
二氧化碳的工业化利用已经有几十年历史,并且颇具规模。二氧化碳的应用可以粗略分为工业、食品和化工。
工业应用的二氧化碳,主要是作为水处理PH控制剂、焊接气体、植物生长刺激剂,以及在铸造过程中的硬化膜和芯子气动器件等,还可以用于杀菌剂。工业中应用的二氧化碳,其应用范围较为广泛,也是目前二氧化碳的主要应用方向。
食品行业中,二氧化碳可以作为碳酸饮料、啤酒添加剂,食品加工过程中的惰性保护气体,以及食品运输中的冷冻机等。食品工业中的二氧化碳应用规模较小,但是对于二氧化碳的品质要求较高。
化工生产领域中,由于二氧化碳在采集生产、运输及仓储中的限制,导致其在化工应用中的方向有限。目前二氧化碳作为化工原料,主要用于生产尿素、二氧化硅、一氧化碳、碳酸钡、晶体碳酸钙等。
二、二氧化碳在化工新材料中的应用
二氧化碳作为化工新材料的原料是比较经济的方式,也是目前企业研究的重点之一。根据调查,在新材料领域二氧化碳可用作碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等产品的主要原料。
其中,碳酸二甲酯是以环氧丙烷、甲醇、二氧化碳为原料,下游可用在锂电池电解液溶剂、聚碳酸酯、碳酸甲乙酯和其他碳酸酯的生产中。近几年新能源行业高速发展,以二氧化碳为原料的碳酸酯生产,受到了高度关注。一方面是新能源发展对其消费需求的驱动,另一方面是可以消耗企业化工产业链自产的二氧化碳,实现产业链配套和降碳发展。
聚醚酮酯类产品(如聚醚酮等)也可以使用二氧化碳生产,是目前较为先进的生产方式。由二氧化碳和烯基醚共聚制备聚醚酮,下游可应用在耐高温结构材料、特种涂料、耐磨材料和电绝缘材料等。
二氧化碳可以和环氧化合物共聚生产聚醚酯多元醇。聚醚碳酸酯多元醇也称为二氧化碳基多元醇,是一类具有端羟基,主链同时含聚酯和聚醚链段的低聚物多元醇。聚醚酯多元醇可以应用于耐水解、耐酸的聚氨酯材料,代替聚碳酸酯二醇(PCDL)、聚己内酯二醇(PCL)、聚四氢呋喃二醇(PTMG)等,应用领域十分广泛。
二氧化碳还可用于生产聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯等可降解塑料,应用在一次性餐盒、保鲜膜及地膜领域。其中,聚碳酸亚丙酯由二氧化碳和环氧丙烷聚合,聚碳酸亚乙酯由二氧化碳和环氧乙烷聚合。目前我国已实现聚碳酸亚丙酯工业化,是全球最大的生产国。
三、二氧化碳在规模化化工生产领域的应用
以二氧化碳为原料的规模化化工生产,对二氧化碳的消耗规模巨大,也是目前行业重点关注的方向。这种利用方式可以有效消耗一体化企业生产过程中副产的二氧化碳,提高项目竞争力。
比如,二氧化碳可以作为煤化工行业中的碳源补充,应用在煤制烯烃、煤制芳烃、煤制乙二醇、煤制油及下游化工品等。在煤制烯烃生产过程中,自身一体化项目副产二氧化碳,作为合成气的补充原料,产出乙烯及丙烯,再依托烯烃原料实现产业链下游延伸,至EVA、聚乙烯等。
四、二氧化碳在其他化学合成领域中的应用
随着化工技术的进步和发展,二氧化碳为原料的化学合成,正在逐步拓展应用领域和产品范围。
以二氧化碳为原料,可以合成乙醇、乙酸、MDI、丙烯酸酯、长链二元酸等。这些领域已经实现了工业化,并且规模在逐步增长。乙醇下游以工业原料应用为主,乙酸下游以生产乙酐、乙酸酯及乙酸纤维素等产品为主。聚乙酸乙烯酯可制成薄膜和粘合剂,也是合成纤维维纶的原料,乙酸纤维素可制造人造丝和电影胶片。
以二氧化碳为原料的新型化工生产,代表产品有:聚羟基脂肪醇酸、1,3-丙二醇、己二酸、聚乳酸、赖氨酸、丁醇、琥珀酸、己内酰胺、乙酸乙酯等。这些产品都已实现了生物基化工生产,二氧化碳可以用作中间原料。
随着行业发展,二氧化碳在化工中的应用逐渐增加,生产规模不断扩大,部分工艺生产成本也在逐步降低,慢慢取代了其他化学生产方式。未来在一些细分领域,通过对二氧化碳的资源化利用可实现一体化生产过程中的二氧化碳净零排放,有助于加速双碳目标的实现。