工业用二氧化碳是指通过工业化手段制备、提纯并应用于各产业领域的二氧化碳（CO₂），其性质稳定且用途广泛，已成为现代工业生产中不可或缺的原料或辅助材料。

一、工业二氧化碳的制备与提纯

1. 主要制备方法

• 煅烧石灰石副产物：
  • 原理：高温煅烧石灰石（CaCO₃）生成氧化钙（CaO）和 CO₂，反应式为：CaCO₃ ═高温═ CaO + CO₂↑。
  • 特点：产量大、纯度较高（可达 99% 以上），是工业级 CO₂的主要来源之一，常见于水泥、石灰生产企业。
• 化工生产副产物回收：
  • 来源：石油炼制（催化裂化、加氢精制）、煤燃烧、天然气处理（脱除 H₂S 和 CO₂）、合成氨等过程中释放的 CO₂。
  • 技术：通过胺吸收法（如乙醇胺溶液）、变压吸附法（PSA）、低温蒸馏法等捕获并提纯 CO₂。
• 发酵过程回收：
  • 场景：啤酒酿造、酒精生产（如葡萄糖发酵生成乙醇和 CO₂）、味精制造等微生物发酵工艺。
  • 特点：CO₂纯度约 99%，但需去除发酵产生的微量有机物（如醇类、醛类）。

2. 提纯与纯度分级

• 提纯工艺：
  • 粗 CO₂经水洗、碱洗去除酸性气体（如 H₂S），再通过活性炭吸附、低温精馏去除水、烃类等杂质。
• 纯度等级（工业常用）：
  • 工业级：纯度≥99.0%，允许含少量水、一氧化碳等杂质，适用于一般工业场景。
  • 食品级：纯度≥99.9%，需符合 GB 1886.228-2016 标准，杂质（如 CO、H₂S）含量严格限制，可用于食品加工。
  • 高纯级：纯度≥99.99%，主要用于科研、电子气体等高端领域。

二、核心工业应用场景

1. 化工与石化工业

• 合成化工原料：
  • 尿素生产：CO₂与氨气在高温高压下反应生成尿素，反应式为：CO₂ + 2NH₃ ═高温高压═ CO (NH₂)₂ + H₂O，是氮肥生产的关键环节。
  • 甲醇合成：通过 CO₂加氢反应（CO₂ + 3H₂ ═催化剂═ CH₃OH + H₂O），将 CO₂转化为甲醇，可作为燃料或化工中间体。
  • 碳酸盐制备：与氢氧化钙、碳酸钠等反应生成碳酸钙、碳酸钠等，用于造纸、建材、洗涤剂行业。
• 石油开采强化（EOR）：
  • 将高压 CO₂注入枯竭油田，利用其低黏度、易溶于原油的特性，降低原油黏度并膨胀油层，提高原油采收率（可提升 10%-20%）。

2. 金属加工与焊接

• 焊接保护气：
  • 单独或与氩气混合（如 80% Ar+20% CO₂）作为 MIG 焊（熔化极惰性气体保护焊）的保护气，隔绝空气防止焊缝氧化。
  • 注意：CO₂在高温下分解为 CO 和 O₂，可能导致焊缝产生气孔，需配合低氢焊丝使用。
• 金属热处理：
  • 在可控气氛炉中通入 CO₂，调节碳势，用于低碳钢渗碳或表面硬化处理。

3. 食品与医药工业（工业级延伸应用）

• 食品加工：
  • 碳酸饮料充气（如可乐、苏打水），赋予气泡口感并抑菌。
  • 食品冷冻与保鲜：干冰（固态 CO₂）用于冰淇淋运输，或充入包装抑制果蔬呼吸。
• 医药领域：
  • 制备气雾剂推进剂（如吸入式药物载体），或用于实验室培养微生物（调节 CO₂浓度模拟体内环境）。

4. 消防与安全系统

• CO₂灭火系统：
  • 利用 CO₂不可燃、密度大的特性，通过高压钢瓶释放覆盖燃烧物，隔绝氧气灭火，适用于：
    • 数据中心、图书馆等忌水场景（避免设备损坏）；
    • 油库、加油站等易燃液体火灾。
• 矿山防爆：在煤矿中注入 CO₂抑制瓦斯爆炸（稀释可燃气体浓度）。

5. 环保与能源领域

• 碳捕集与封存（CCUS）：
  • 捕获工业排放的 CO₂，注入地下咸水层或枯竭油田封存，减少大气温室气体浓度，如中国鄂尔多斯 CCUS 项目年封存 CO₂超 100 万吨。
• 环保清洗：
  • 干冰清洗技术：利用干冰升华时的低温和冲击力，去除模具、设备表面的油污、涂层，无需溶剂。

6. 其他工业应用

• 烟草加工：用 CO₂对烟草进行膨胀处理，增加烟叶体积，减少烟草用量。
• 塑料工业：作为发泡剂生产微孔塑料（如泡沫包装材料），降低产品密度。
• 电子工业：高纯 CO₂用于半导体制造中的刻蚀、清洗工艺，要求纯度≥99.999%（5N 级）。

三、储存与运输安全规范

1. 储存方式

• 气态储存：
  • 高压钢瓶（压力 10-15MPa），存放于阴凉通风处，远离火源、热源，避免阳光直射，钢瓶需固定以防倾倒。
• 液态储存：
  • 低温储罐（温度 - 40℃以下，压力 2-3MPa），采用绝热材料保温，配备压力监测和泄压装置（如安全阀）。
• 固态储存（干冰）：
  • 保温箱或专用容器存放，避免密闭空间（干冰升华产生的 CO₂气体可能导致窒息），操作时佩戴防冻手套。

2. 运输要求

• 气态 / 液态 CO₂：
  • 采用专用槽罐车运输，罐体需符合《固定式压力容器安全技术监察规程》，运输途中避免颠簸、撞击，夏季需防晒。
• 干冰运输：
  • 航空运输时需遵守 IATA 规定（每公斤干冰释放 160 升气体），包装需透气，且单人携带量有限制（如民航允许不超过 2.5kg）。

3. 安全风险与防护

• 窒息风险：
  • 液态 CO₂泄漏时迅速气化，体积膨胀约 600 倍，可能在低洼处形成高浓度 CO₂区域，导致氧含量低于 18% 时引发窒息，需配备氧含量检测仪。
• 低温危害：
  • 液态 CO₂接触皮肤会导致冻伤（沸点 - 78.5℃），操作时需穿戴防护服、护目镜。
• 压力爆炸：
  • 储存容器受热时，液态 CO₂气化使压力骤升，需定期检查容器耐压性，避免超压。

四、行业标准与法规

• 中国标准：
  • 工业级 CO₂：GB/T 6052-2011《工业液体二氧化碳》，规定纯度≥99.0%，水分≤0.2%，不得检出易燃气体。
  • 食品级 CO₂：GB 1886.228-2016《食品添加剂 二氧化碳》，要求纯度≥99.9%，CO≤5×10⁻⁶，H₂S≤1×10⁻⁶。
• 国际标准：
  • 美国压缩气体协会（CGA）标准：如 CGA G-6.2 规定工业级 CO₂纯度≥99.0%，医用级≥99.5%。

五、工业二氧化碳的发展趋势

• 碳资源化利用：通过电催化、光催化等技术将 CO₂转化为高附加值化学品（如乙烯、丙酮），减少碳排放的同时创造经济价值。
• 低成本捕集技术：开发新型吸附材料（如金属有机框架 MOFs）和膜分离技术，降低工业 CO₂捕集成本，推动 CCUS 规模化应用。
• 氢能与 CO₂结合：利用绿氢（可再生能源制氢）与 CO₂合成甲醇、甲烷等 “绿色燃料”，助力交通和工业脱碳。