CN101559324B - 利用微藻减排二氧化碳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用微藻减排二氧化碳的方法，解决了现有二氧化碳减排工艺中处理成本高、耗能大、环境友好性差等问题。技术方案包括将含有CO2的工业排放气进行除尘洗涤、加压、调气后得到满足微藻需求的待处理气体，再将该气体进行微藻转化，以固定CO2、降低排放气体中的CO2浓度。本方法工艺简单、操作简便、处理成本低、能耗小、对环境友好，对工业排放气中CO2减排速率可达50％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳减排方法，具体的说是利用微藻降低工业排放气中CO2浓度的方法。
背景技术
工业排放气中的二氧化碳(CO2)减排已成为当前各国政府所关注的环境问题的重点。如何固定工业排放气中的CO2，使其中的CO2转化为其它物质以减少CO2直接排放到大气中是急需解决的问题。特别是利用环境友好技术，转化CO2实现碳减排已成为当前工业追求的目标之一。
依据现行技术的特性分类，二氧化碳减排方法大体分为物理固存、化学固定和生物转化固定三大类。物理固存和化学固定均需俘获纯化CO2，存在处理成本高、耗能大、环境友好性差等问题，而生物转化固定方法最为符合自然界碳循环规律，是环境友好型与资源节约型的可持续发展方法。生物转化固定指生物体如植物、微藻等，以CO2为碳源经由光合作用方式，将CO2转变为生物质(如淀粉、纤维素等)，其所需能源直接来自太阳光能。由于土地等因素限制，通过大面积种植植物来固碳不现实。而微藻具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率较高的特点，同时固碳后产生大量的藻体生物质具有很好的利用价值，因此具有高度的工业化潜力。
目前对于微藻减排二氧化碳的研究均处于理论分析及实验室阶段，对于含有二氧化碳的气源操作条件要求较高，但是实际应用时，由于工业排放气中成份复杂(如烟道气等)：(1)CO2浓度高(CO2浓度可高达25％体积百份比左右)；(2)还可能含有粒径大小不同的细小颗粒、固体物质、酸性气体以及其它少量有机、无机物或不明物质等等；(3)工业排放气的温度、压力不合适；上述多种原因使得微藻往往难以耐受，从而使得微藻生长缓慢甚至死亡，进而严重影响微藻对CO2的固定速率。
另外，使用微藻转化时，为达到对CO2高效的固定速率，合适的光反应器及微藻的选择也尤为重要。常用进行微藻光合作用的光生物反应器或者结构复杂、操作难度高，或者气液混合效率低，同样也降低了微藻对CO2的固定速率。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、操作简便、处理成本低、无二次环境污染、CO2的固定速率高、特别适用于处理工业排放气的利用微藻减排二氧化碳的方法。
技术方案为将含有CO2的工业排放气进行除尘洗涤、加压、调气后得到满足微藻需求的待处理气体，再将该气体进行微藻转化，以固定CO2，降低排放气体中的CO2浓度。
所述除尘洗涤方法为通过气体洗涤器除去含有CO2的工业排放气中细小颗粒、其它固体物质、以及其中一些酸性气体、其它有机、无机物，使其含尘量在2mg/Nm3以下；所述加压方法为将经洗涤后的含有CO2的工业排放气由压缩机增压至0.1～2.3MPa，然后将气体温度控制在20～30℃；所述调气方法为通过向气体过滤调节器内补充气体使工业排放气中的CO2浓度调为体积百分比15％～20％，得到待处理气体；所述微藻转化是将待处理气体送入气升式光生物反应器内，并加入微藻进行光合作用，以降低处理后排放气体中的CO2浓度。
在将待处理气体送入气升式光生物反应器的玻璃罐体内进行微藻转化前，先将待处理气体与培养液进行前期气液混合。
所述培养液引自气升式光生物反应器玻璃罐体内的培养液。
所述调气方法中补充的气体来自空气和/或经气升式光生物反应器处理后的排放气体。
所述微藻为蓝藻或绿藻，其中以小球藻效果更好。
所述气升式光生物反应器包括设有培养基进口、培养液出口、冷却水进口、冷却水出口、进气口和排气口的玻璃罐体，所述玻璃罐体内侧环形设有多组分别与冷却水进口和冷却水出口连通的换热管，上升导管将玻璃罐体分为上升区及下降区，玻璃罐体顶部还设气体分离区，进气口经进气管道与位于上升区底部的气体分布器连通。
所述下降区设有培养液外循环管路，所述培养液外循环管路经水泵与进气管道连通。
所述进气口与进气管道之间设有文丘里管，培养液外循环管路经文丘里管与进气管道连通。
所述上升区内气体流量相对于反应器体积为0.1-0.5vvm。
发明人通过对各种常见含有CO2的工业排放气(以下简称工业排放气)的多次分析，并对微藻的耐受环境进一步评估，经过研究和实验得知，将工业排放气进行前期处理，通过除尘洗涤、加压、调气，使得工业排放气变为微藻可耐受的待处理气体，再进行微藻转化是保证微藻耐受性、提高微藻对CO2的固定速率的有效且可行的方法，正是由于工业排放气中成份复杂，因而需要特别针对性的相应处理。
另一方面，由于藻体细胞对高剪切比较敏感，同时考虑到传质效率，优选采用气升式光生物反应器进行微藻转化，为进一步提高微藻对CO2的固定速率，降低排出气体的浓度，在微藻转化阶段，高效的气液混合是极需解决的技术问题，通常技术人员会在气升式光生物反应器的气体分布器的喷嘴上作各种改进，以使进入玻璃罐体内的待处理气体与培养液充分混合，但效果并不十分满意。本发明中，在待处理气体进入玻璃罐体之前，先进行一次前期气液混合，然后再送入气升式光生物反应器的玻璃罐体内进行微藻转化是增加气液混合效率切实可行且有效方法。所述培养液可以单独获取；也可以从气升式光生物反应器的玻璃罐体内引出，同时增加了循环程度。
调气时可以通过向气体过滤调节器内直接补入普通的空气调节工业排放气中的CO2浓度，还可以通过补充从气升式光生物反应器排出的气体(即处理后的排放气体)的一部分进行循环，是因为该气体中氧气浓度与普通空气相比相对较低，更有利于藻类的光合作用，同时由于气升式光生物反应器排出的气体还具有一定的压力，在进行调气时，更接近于藻类适宜的温度和压力。并且将气升式光生物反应器排出的气体进行部分循环还能减少其向大气的排放量。
所述微藻可以使用蓝藻或绿藻，如斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)等，特别优选藻株小球藻(Chlorella vulgaris WUST 11，专利申请号200810197667.X)其具有生长速率快、CO2固定速率高的优点。根据具体选择微藻的不同，可以对进行处理的工业排放气的CO2浓度、温度、压力、含尘量在上述范围内进行相应调节。
所述气升式生物反应器可以使用目前常用的各种结构的气升式生物反应器，也可以采用本发明特别设计的气升式生物反应器(以下简称反应器)。
通过上升导管将玻璃罐体分为上升区及下降区，气体分布器设在上升区底部，喷出待处理气体，由于上升区下部其气泡含有率高，故其密度小，培养液轻，加上喷流动能，使上升管内的液体上升，到达上升区上部时，由于上部空间大，气体从培养液中逃逸出，通过气体分离区由排气口排出，同时培养液变重从下降区下降，到反应器底部时又循环进入上升区，形成反复的循环。
在下降区通过培养液外循环管路经水泵将玻璃罐体内的部分培养液抽出，然后同待处理气体一起经进气管道再次循环送入玻璃罐体内，使待处理气体在进入玻璃罐体前就经过前期气液混合。这里发明人还在进气口与进气管道之间采用了文丘里管，将培养液送入文丘里管，利用文氏管的收缩段中液体的流速增加形成真空，将待处理气体通过进气口吸入文丘里管，并使气泡分散与液体均匀混合，在文丘里管内进行充分的前期气液混合，再通过进气管道一起送入气体分布器，气体分布器喷出含有大量待处理气体的培养液，在玻璃罐体外部构建一个带文丘里管吸气装置的外部回流循环结构。
本发明方法的优点为：
1、将利用微藻进行光合作用以固定CO2的原理实际应用到工业排放气中的二氧化碳(CO2)减排技术中，克服了工业排气成份复杂，微藻耐受性差、CO2的固定速率低的问题，本发明方法中对工业排放气CO2减排速率可达50％以上。
2、整个工艺过程无环境污染，由培养液出口排出的培养液含有固定CO2过程中生成的生物质，通过分离得到的藻体还可以作为饲料及其它生物质来源，利于循环再利用。
3、占地面积小、投资成本低、运行成本少，利用培育的微藻固定CO2只需添加少量无机盐，所需的光能可由太阳能获得，耗能极小。
4、通过进行前期气液混合，在反应器外部构建一个带文丘里吸气装置的外部回流循环结构，强化传质，大幅提高了气液混合效能和循环程度，进一步提高了CO2固定速率，节约成本。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
图2为本发明实施例工艺设备流程图。
图3为本发明气升式光生物反应器的结构示意图。
图4为本实施例方法进行处理后排气口中CO2的浓度示意图。
其中，1-洗气塔、2-压缩机、3-冷却器、4-气体过滤调节器、5-流量计、7-气升式光生物反应器、8-培养基进口、9-培养液出口、10-冷却水进口、11-冷却水出口、12-进气口、13-排气口、14-玻璃罐体、15-换热管、16-上升导管、17-上升区、18-下降区、19-气体分离区、20-进气管道、21-气体分布器、22-培养液外循环管路、23-循环水泵、24-文丘里管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明：
实施例1：参照图1、图2，本实施例中工业排放气采用CO2浓度约25％的烟道气，首先将烟道气经经过洗气塔1加入气体洗涤剂除去烟道气中细小颗粒、其它固体物质、以及其中一些酸性气体、其它有机、无机物，使其含尘量降至2mg/Nm3以下，再经压缩机2增压至0.1～2.3MPa，然后经冷却器3将气体温度冷却至20～30℃，冷却后的气体经过流量计5后送入气体过滤调节器4，通过补充气升式光生物反应器7排出的部分循环来的转化后的气体使CO2浓度降至15％～20％，得到满足微藻需求的待处理气体，再将待处理气体送入气升式光生物反应器7，在进入气升式光生物反应器7的玻璃罐体14内以前进行前期气液混合，然后送入玻璃罐体14外进行微藻转化。转化后的气体(即排放气体)由玻璃罐体14上端的排气口13排出，其中一部分循环送至气体过滤调节器4，转化后的生物质与培养液一起由培养液出口9流出，并经流量计后进行藻体分离，分离出水及藻体。
在初始运行时，可向气体过滤调节器4补入空气以调节气体中CO2浓度，当气升式光生物反应器7正常运行开始排放转化后的气体时，则将其中一部分气体引至滤调节器4，同时停止向气体过滤调节器4补充空气。所述由气升式光生物反应器7循环而来的转化后的气体量可由本领域技术人员可根据测得的CO2浓度进行调节。
参照图3，气升式光生物反应器7的玻璃罐体14的上端设有排气口13、培养基进口8，下端设有培养液出口9。玻璃罐体14内侧环形设有多根分别与玻璃罐体14上的冷却水进口10和冷却水出口10连通的换热管15，所述换热管15可以为蛇形或其它形状；沿玻璃罐体14的中心线上设有上升导管16，上升导管16可通过支架固定在玻璃罐体14上，其内部为上升区17、外部为下降区18，在上升区 底部设有与进气管道20出口端连通的气体分布器21，所述进气管道20的进口端设有文丘里管24，进气口12连接文丘里24的进气管，所述下降区18还设有培养液外循环管路22，所述培养液外循环管路22经循环水泵23连接文丘里管24的进液管。
气升式光生物反应器7的工作原理为：待处理气体由进气口12进入文丘里管24中的进气管道，由于负压吸入文丘里管24与玻璃罐体14内的培养液均匀混合，在通过气体分布器21喷于上升区17，气体流量相对于气升式光生物反应器7体积为0.1-0.5vvm(为每分钟通入气体的量为液体的倍数)，由于气液在文丘里管24中进行过前期混合，再通过进气管道连接气体分布器21，气体分布器21喷出含有大量待处理气体的培养液，气体以非常微小的气泡形式存在，可获得极为高效的传质面积，待处理气体在玻璃罐体14内均匀分布，剧烈混合以促进气体中CO2的传质，溶解在培养液中的CO2被微藻通过光合作用转化为有利用价值的微藻生物质，同时释放出O2。包括主要含有固定CO2过程中产生的O2、未利用的惰性气体(如氮等)以及未固定的CO2的气体通过气体分离区19经玻璃罐体14上端的排气口13作为排放气体排出。在气升式光生物反应器7运行初期加入反应器体积为20％(体积百分比)的藻种种子液，稳定工作后通过培养基进口8连续加入新鲜培基，同时在由培养液出口9连续放出相同流量的培养液，稀释率为0.5/d(为液体流进反应器时反应器内体积除以流率)，连续运转，使整个工作过程处于稳定的体积以及稳定的藻体生物浓度(OD685值可达2.8)。排放出的培养液中含有固定CO2过程中生成的生物质与培养液一起经培养液出口9排出。气升式光生物反应器7的温度控制通过其内部设置的换热管15实现，管内通入换热介质，与玻璃罐体14内部的培养液进行热交换，通过控制换热管15内换热介质的流量实现温度控制。光能由太阳光提供，主要通过玻璃罐体14四周罐壁吸收，同时可以考虑通过设置太阳光吸收板增强太阳光采集与 吸收效率。
本实施例中所述微藻选用的藻株为小球藻(Chlorella vulgarisWUST 11，专利申请号200810197667.X)，图4给出了采用本实施例方法进行处理后排气口中CO2的浓度。由图中可知，初始CO2浓度约25％的烟道气经本发明方法处理后，排气口气体的CO2浓度降为10％(体积百分比)，处理如此成份复杂、高浓度CO2的气体时，系统仍能运行稳定，CO2减排速率达到50％以上。
实施例2：调气步骤中，直接采用补入空气以调节气体中CO2浓度，所述微藻选用斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)，其余同实施例1。
Claims (9)
1.一种利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于将含有CO2的工业排放气进行除尘洗涤、加压、调气后得到满足微藻需求的待处理气体，再将该气体进行微藻转化，以固定CO2，降低排放气体中的CO2浓度，所述除尘洗涤方法为通过气体洗涤器除去含有CO2的工业排放气中细小颗粒、其它固体物质、以及其中一些酸性气体、其它有机、无机物，使其含尘量在2mg/Nm3以下；所述加压方法为将经洗涤后的含有CO2的工业排放气由压缩机增压至0.1～2.3MPa，然后将气体温度控制在20～30℃；所述调气方法为通过向气体过滤调节器内补充气体使工业排放气中的CO2浓度调为体积百分比15％～20％，得到待处理气体；所述微藻转化是将待处理气体送入气升式光生物反应器内，并加入微藻进行光合作用，以降低排放气体中的CO2浓度。
2.如权利要求1所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，在将待处理气体送入气升式光生物反应器的玻璃罐体内进行微藻转化前，先将待处理气体与培养液进行前期气液混合。
3.如权利要求2所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，所述培养液引自气升式光生物反应器玻璃罐体内的培养液。
4.如权利要求2所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，所述调气方法中补充的气体来自空气和/或经气升式光生物反应器处理后的排放气体。
5.如权利要求1所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，所述微藻为蓝藻或绿藻。
6.如权利要求5所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，所述微藻为藻株小球藻。
7.如权利要求1或2或3所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，所述气升式光生物反应器包括设有培养基进口、培养液出口、冷却水进口、冷却水出口、进气口和排气口的玻璃罐体，所述玻璃罐体内侧环形设有多组分别与冷却水进口和冷却水出口连通的换热管，上升导管将玻璃罐体分为上升区及下降区，玻璃罐体顶部还设气体分离区，进气口经进气管道与位于上升区底部的气体分布器连通。
8.如权利要求7所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，所述下降区设有培养液外循环管路，所述培养液外循环管路经水泵与进气管道连通。
9.如权利要求8所述的利用微藻减排二氧化碳的方法，其特征在于，所述进气口与进气管道之间设有文丘里管，培养液外循环管路经文丘里管与进气管道连通。
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