CN102008930A - 一种脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置 - Google Patents

一种脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置 Download PDF

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赵欣
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Abstract

本发明涉及一种二氧化碳去除设备。由光生物反应系统和在线检测系统组成，光生物反应系统由光生物反应器(4)，以及与其连接的控温装置，循环装置，供气装置和光照装置组成，光生物反应器(4)底部安装曝气膜组件(19)，上部安装温度探头(7)，DO复合电极(6)，二氧化碳电极(10)和pH电极(11)并通过A/D信号转化器(9)将上述3个电极采集的信号，通过串行接口输入计算机(12)；出气口气体通过气相色谱仪(13)在线监测气体组分，通过分析在线监测数据，调整进气流量、温度、光照强度等参数，提高二氧化碳利用固定效率，促进微藻的生长速率。本发明具有混合传质效果好，剪切力小，生物量增长速度快，二氧化碳去除效果好等优点。

Description

一种脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置
技术领域
一种脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置，涉及一种二氧化碳去除设备。具体是应用微藻固定电厂等烟气中的二氧化碳、控制点源温室气体排放的装置。
背景技术
近些年来，大气层中温室气体浓度不断升高导致全球温室效应加剧，受到人们的广泛重视。二氧化碳占温室气体排放的68％，根据ICPP对全球气候变化的第四次评估报告，大气中CO2浓度已从工业化前约280ppm增加到了2005年的379ppm。在未来的30-40年内，二氧化碳浓度将达到540ppm。工业废气中二氧化碳浓度在10-20％，是排放二氧化碳重点点源。化石燃料电厂每产生1MWh的电能将排放344-941kg CO2，一般化石燃料电厂的规模在400-1200MW。能源需求的提高，CO2排放量将不断增加。在自然情况下，每大约有120亿吨二氧化碳被固定，为避免温室效应加剧，至少需要通过二氧化碳固定技术每年固定150-170亿吨二氧化碳。
生物固碳方法可以培养通过陆地植物和光合作用微生物实现，具有经济性和环境友好性的优点。微藻利用光合作用吸收光能将无机碳转换成生物质，在去除烟气中二氧化碳的同时可以得到生物质资源。微藻利用太阳能的效率是陆地植物的10-50倍。微藻的生长速率和二氧化碳的利用能力远高于陆地森林，农作物和水生植物。微藻通过光合作用将二氧化碳为转化为生物质。微藻生物质含有蛋白质、脂肪酸、维生素等营养物质。微藻中含有的生物油脂可以代替粮食作为生物柴油的原料。大规模培养微藻可以生产食品、水产养殖饵料，动物饲料，生物柴油，肥料，食用色素和其他化合物等。与废水处理结合，微藻在去除二氧化碳的同时还可以治理废水中氮磷污染，防止减轻水体富营养化。因此，应用微藻固定烟气中的二氧化碳具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置，利用该装置可以高效去除烟气中二氧化碳，达到控制点源温室气体排放的目的。
为了达到上述目的，本发明由光生物反应系统和在线检测系统组成。
其中，在线检测系统由液相在线监测控制系统、气相在线监测系统以及数据采控系统组成，数据采控系统由一台装配了色谱工作站软件和液相数字信息软件的计算机组成；
液相在线监测系统由A/D信号转换器，DO复合电极，溶解CO2电极，pH电极组成；A/D信号转化器将上述3个电极和一个探头采集的信号，通过串行接口输入计算机；
气相监测控制系统包括气相色谱仪，通过数据线将气相色谱仪与计算机连接，经微藻吸收利用后的烟气进入气相色谱仪自动定时进样分析，多余烟气由气相色谱仪排空口排空；
所述的光生物反应系统由光生物反应器，以及与其连接的控温装置，循环装置，供气装置和光照装置组成。
光生物反应器采用聚甲基丙烯酸甲酯材料加工制成，为圆筒形状，筒体设有夹套，夹套上部和下部设有与夹套贯通的出水口和进水口，出水口与恒温装置连接，进水口通过蠕动泵与恒温装置连接，恒温装置与温度探头连接，构成监测控制光生物反应器内藻液温度的控温系统；
筒体中部设有与筒体内部贯通的排液口，光生物反应器的底部固有下法兰，通过底部螺丝和螺帽将不锈钢底座与下法兰固定连接，不锈钢底座中心开设与进气管相连的通孔，通孔内圆的边上设有国家标准226的接口凹槽，接口凹槽内旋接曝气膜组件，曝气膜组件由疏水聚四氟乙烯膜制成，内部中空，表面开设通孔，通孔的孔径0.2um，开孔率85％，不锈钢底座上还设有与反应器筒体内连通的进液管；反应器顶端固有上法兰，通过顶端螺丝和顶端螺帽将上法兰和法兰盖固定连接；法兰盖上开设安装DO复合电极的DO复合电极安装孔、安装温度探头的温度探头安装孔、安装二氧化碳电极的二氧化碳电极安装孔和安装pH电极的pH电极安装孔；进液管通过一个三通分两路，一路通过循环泵与排液口连接，开启循环泵形成藻液循环；另外一路通过加液泵与培养基贮存罐连接，将培养好的藻液加入反应器，满足固碳工艺要求；排液口通过一个闸阀还与排液泵连接，排液泵和藻液贮存罐连接，打开闸阀与排液泵，将生物质藻液泵入藻液贮存罐；加液泵、排液泵和循环泵均与时间控制器连接，按设定时间进行循环、加藻液或排藻液作业，构成循环系统；
进气管通过细菌过滤器和稳压流量计与贮气柜连接，构成供气系统，烟气由稳压流量计控制通气流速为10-120mL/min，经过直径75mm，内置孔径0.2μm疏水材料制成的膜的细菌过滤器时，可将其中细菌及颗粒物滤除，定期更换膜，保证滤菌效果后由反应器底部进入，在气体压力作用下经过曝气膜组件，形成微小气泡，分布于藻液中。
反应器旁设有由光源时间控制器和光源组成的光照系统，光源采用LED灯，光源时间控制器控制光照周期，通过调节灯管数目和距离远近控制光照强度。
本发明具有以下效果和优点：
(1)本发明在线监测系统实时监测进出气中二氧化碳浓度、反应液温度、DO、pH以及溶解二氧化碳浓度，根据在线监测数据，调控进气流量，温度，光照条件等，提高微藻生长速率及二氧化碳固定利用效率。
(2)本发明光生物反应器底部安装曝气膜组件，该曝气膜组件采用标准226接口与反应器底座相连，拆卸方便，曝气膜组件由聚四氟乙烯膜制成，疏水性能好，孔径小，曝气气泡小而均匀，气液传质效果好，有利于二氧化碳的吸收固定。
(3)本发明适用于多种微藻脱除二氧化碳，采用间歇式藻液加注方式，既能保证光生物反应器连续运行，还能满足收获高密度藻液。
附图说明
图1为本发明的装置示意图
图2为本发明的光生物反应器剖面图
图3为本发明的光生物反应器的法兰盖示意图
附图标记：
1-光源时间控制器；2-稳压流量计；3-贮气柜；4-光生物反应器；5-光源；6-DO复合电极；7-温度探头；8-反应器顶盖；9-A/D信号转换器；10-二氧化碳电极；11-pH电极；12-计算机；13气相色谱仪；14-排气口；15-藻液贮存罐；16-排液泵；17-时间控制器；18-循环泵；19-曝气膜组件；20-培养基贮存罐；21-加液泵；22-蠕动泵；23-细菌过滤器；24-恒温装置；
401-进气管；402-不锈钢底座；403-底部橡胶密封垫；404-下法兰；405-接口凹槽；406-气体分布区；407-微藻生长区；408-夹套；409-出水口；410-上法兰；411-法兰盖；412-顶部螺丝；413-顶部橡胶密封垫；414-顶部螺帽；415-气液分离区；416-排液口；417-进水口；418-底部螺丝；419-底部螺帽；420-进液管
801-法兰盖螺丝孔；802-DO复合电极安装孔；803-温度探头安装孔；804-二氧化碳电极安装孔；805-pH电极安装孔口；806-出气口
具体实施方式
请参阅图1-3。
先组装本发明的光生物反应器4。光生物反应器4为圆筒形状，高度和直径比为2.4-6.25，内外两层形成的夹套408厚度0.5cm-2cm，采用聚甲基丙烯酸甲酯材料加工制成，夹套408上部和下部分别设有与夹套408贯通的出水口409和进水口417，出水口409与恒温装置24连接，进水口417通过蠕动泵22与恒温装置24连接，恒温装置24与温度探头7连接，构成监测控制光生物反应器4内藻液温度(25-33℃)的控温系统。
筒体中部设有与筒体内部贯通的排液口416，光生物反应器4的底部固有下法兰404，通过底部螺丝418和底部螺帽419，将不锈钢底座402与下法兰404固定连接，下法兰404与不锈钢底座402之间有底部橡胶密封垫403，不锈钢底座402中心开设与进气管401相连的通孔，通孔内圆的边上设有国家标准226的接口凹槽405，接口凹槽405内旋接曝气膜组件19，曝气膜组件19底部与接口凹槽405之间设有双层橡胶密封圈，曝气膜组件19由疏水聚四氟乙烯膜制成，内部中空，表面开设通孔，通孔的孔径0.2um，开孔率85％，曝气膜组件19底部设有与接口凹槽405匹配的两个挂耳，将两个挂耳嵌入接口凹槽405的开口处，进入接口凹槽405的凹槽的双层橡胶密封圈中间后，旋转即将曝气膜组件19与不锈钢底座402牢固连接成一体。不锈钢底座402上还开设有与反应器筒体内连通的进液管420；反应器4顶端固有上法兰410，通过顶端螺丝412和顶端螺帽414将上法兰410和法兰盖411固定连接，上法兰410和法兰盖411之间有顶部橡胶密封垫413。法兰盖411上开设安装DO复合电极6的DO复合电极安装孔802、安装温度探头7的温度探头安装孔803、安装二氧化碳电极10的二氧化碳电极安装孔804和安装pH电极11的pH电极安装孔805。
进液管420通过一个三通分两路，一路通过循环泵18与排液口416连接，开启循环泵18形成藻液循环；另外一路通过加液泵21与培养基贮存罐20连接，将培养好的藻液加入光生物反应器4，满足固碳工艺要求。排液口416通过一个闸阀与排液泵16连接，排液泵16和藻液贮存罐15连接，打开闸阀与排液泵16，将固碳成为生物质藻液产品泵入藻液贮存罐15，再利用。加液泵21、排液泵16和循环泵18均与时间控制器17(KS01，温州大华仪器仪表有限公司)连接，按工艺要求设定循环、加藻液或排藻液时间进行作业，构成循环系统。
进气管401通过细菌过滤器23和稳压流量计2与贮气柜3连接，构成供气系统，贮气柜3内为满足藻液生长之需调整烟气组成为O2 5％，CO2 10％，N2 85％，气体由稳压流量计2控制通气流速为10-120mL/min，细菌过滤器23的直径为75mm，内置孔径0.2μm的疏水材料制成的膜，烟气通过时，可将其中细菌及颗粒物滤除，定期更换膜，保证除去细菌等效果。
光生物反应器4旁设有光源时间控制器1(ZYT16，上海卓一电子公司公司)和光源5组成的光照系统，光源采用LED灯，光源时间控制器1控制光照周期，通过调节灯管数目和距离远近控制光照强度。
在线检测系统由液相在线监测控制系统、气相在线监测系统以及数据采控系统组成，数据采控系统由装配色谱工作站软件(HW2000，千谱软件公司)和液相数字信息软件(ZDC-120，上海拜普实业发展有限公司)的计算机12组成；
液相在线监测控制系统由A/D信号转换器9(Pci-8360v，北京中泰研创科技有限公司)，DO复合电极6(FC-580，上海苏泊有限公司)，二氧化碳电极10(FC-200，上海苏泊有限公司)，pH电极11(FC-660，上海苏泊有限公司)和温度探头7(DF-101S，金坛市医疗器械厂)组成；A/D信号转化器9将上述3个电极的信号，通过串行接口输入计算机12。
气相监测控制系统包括的气相色谱仪13(GC9160，上海欧华分析仪器厂)，通过数据线将气相色谱仪13与计算机12连接，将经微藻吸收利用后的烟气组分由气相色谱仪13自动每小时定时进样分析，多余气体由气相色谱仪13的气体排气口14排空。
工作原理
先将绿球藻(FACHB-957，中科院水生所提供)，中通空气预培养7-10天，置于培养基贮存罐20然后打开加液泵21，以接种密度为0.05g/L接种到光生物反应器4中，关闭加液泵21，打开循环泵18。为满足藻液生长之需，调整烟气组成为O2 5％，CO2 10％，N2 85％，然后控制供气系统的稳压流量计2的通气流速为10-120mL/min，优化流速为40mL/min，通气压力0.1-0.4Mpa，将贮气柜3内烟气通过细菌过滤器23，将其中细菌及颗粒物滤除，通过进气管401送入光生物反应器4中。打开光生物反应器4旁设有的光源时间控制器1和光源5组成的光照系统，通过调节灯管数目和距离远近控制光照强度，设置光暗比为16∶8，光照强度6000Lux-9000Lux。打开蠕动泵22，通过温度探头7显示，将恒温装置24内的水温调节到25-33℃。
烟气经过曝气膜组件19后，在气体分布区406形成微小气泡，均匀分布于藻液中。在微藻生长区407进行气液传质，微藻吸收并对其进行固定。在气液分离区415上部气液分离后，气体由出气口806进入气相色谱仪13，按照色谱工作站(HW2000)和计算机12内设置的程序，每隔1个小时自动进样分析出气中气体组成。计算机12按色谱工作站的分析记录气体中二氧化碳与氧气组分变化。设置于光生物反应器4顶端的DO复合电极6，CO2电极10，pH电极11，采集藻液中DO，温度，溶解二氧化碳，pH参数的电信号，经A/D信号转化器9转换成数字信息，通过串行接口输入计算机12，每隔一分钟采集信号一次。计算机12根据设定工作参数和在线采集的DO，温度，溶解二氧化碳，pH参数数值和气体组分变化，判断微藻生长和二氧化碳去除情况，及时调整反应器溶解二氧化碳浓度、pH等微藻培养条件。藻液密度达到设定值时，停止循环泵18，开动排液泵16将三分之一体积藻液由排液口416排入藻液贮存罐15收集，该藻液为微藻物质，含有蛋白质、脂肪酸、维生素等营养物质。停止排液泵16，然后开动加液泵21从培养基贮存罐20将等量培养基注入反应器内，最后停止加液泵21开动循环泵18，在时间控制器17内设定藻液循环或增加或排除藻液所需要时间程序，如此循环。二氧化碳去除率达到60％。

Claims (1)

1.一种脱除烟气中二氧化碳的光生物反应装置，其特征在于：由光生物反应系统和在线检测系统组成，
其中，在线检测系统由液相在线监测控制系统、气相在线监测系统以及数据采控系统组成，数据采控系统由一台装配了色谱工作站软件和液相数字信息软件的计算机(12)组成；
液相在线监测控制系统由A/D信号转换器(9)，DO复合电极(6)，二氧化碳电极(10)和pH电极(11)组成；A/D信号转化器(9)将上述3个电极，通过串行接口输入计算机(12)；
气相监测控制系统包括气相色谱仪(13)，通过数据线将气相色谱仪(13)与计算机(12)连接，经微藻吸收利用后的烟气进入气相色谱仪(13)自动定时进样分析，多余烟气由气相色谱仪(13)排空口(14)排空；
所述的光生物反应系统由光生物反应器(4)，以及与其连接的控温装置，循环装置，供气装置和光照装置组成；
光生物反应器(4)为圆筒形状，筒体设有夹套(408)并采用聚甲基丙烯酸甲酯材料加工制成，夹套(408)上部和下部设有与夹套(408)贯通的出水口(409)和进水口(417)，出水口(409)与恒温装置(24)连接，进水口(417)通过蠕动泵(22)与恒温装置(24)连接，恒温装置(24)与温度探头(7)连接，构成监测控制光生物反应器(4)内藻液温度的控温系统；
筒体一侧设有与筒体内部贯通的排液口(416)，光生物反应器(4)的底部固有下法兰(404)，通过底部螺丝(418)和底部螺帽(419)将不锈钢底座(402)与下法兰(404)固定连接，不锈钢底座(402)中心开设与进气管(401)相连的通孔，通孔内圆的边上设有国家标准226的接口凹槽(405)，接口凹槽(405)内旋接曝气膜组件(19)，曝气膜组件(19)由疏水聚四氟乙烯膜制成，内部中空，表面开设通孔，通孔的孔径0.2um，开孔率85％；不锈钢底座(402)上还设有与反应器筒体内贯通的进液管(420)；光生物反应器(4)顶端固有上法兰(410)，通过顶端螺丝(412)和顶端螺帽(414)将上法兰(410)和法兰盖(411)固定连接；法兰盖(411)上开设安装DO复合电极(6)的DO复合电极安装孔(802)、安装温度探头(7)的温度探头安装孔(803)、安装二氧化碳电极(10)的二氧化碳电极安装孔(804)和安装pH电极(11)的pH电极安装孔(805)；进液管(420)通过一个三通分两路，一路通过循环泵(18)与排液口(416)连接，开启循环泵(18)形成藻液循环；另外一路通过加液泵(21)与培养基贮存罐(20)连接，将培养好的藻液加入反应器(4)，满足固碳工艺要求；排液口(416)通过一个闸阀与排液泵(16)连接，排液泵(16)和藻液贮存罐(15)连接，打开闸阀与排液泵(16)，将生物质藻液泵入藻液贮存罐(15)；加液泵(21)、排液泵(16)和循环泵(18)均与时间控制器(17)连接，按设定时间进行循环、加藻液或排藻液作业，构成循环系统；
进气管(401)通过细菌过滤器(23)和稳压流量计(2)与贮气柜(3)连接，构成供气系统，
光生物反应器(4)旁设有由光源时间控制器(1)和光源(5)组成的光照系统，光源采用LED灯，光源时间控制器(1)控制光照周期，通过调节灯管数目和距离远近控制光照强度。
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