CN114395467A - 一种微藻固碳生物反应装置系统及包含其的负碳系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微藻固碳生物反应装置系统及包含其的负碳系统，所述微藻固碳生物反应装置系统中的微藻固碳反应装置包括中心支柱和以中心支柱为圆心排列成环状的反应管；所述负碳系统包括设置于水产养殖池塘内的微藻固碳生物反应装置系统、水产养殖池塘和设置于水产养殖池塘的上部空间的光伏发电装置系统。本发明所述负碳系统利用微藻进行固碳、光伏装置将太阳能转变为电能供给水产养殖池塘和微藻固碳生物反应装置系统使用，总体上二氧化碳捕集效率高、微藻生长速度快，经济效益好。

Description

一种微藻固碳生物反应装置系统及包含其的负碳系统
技术领域
本发明涉及生物固碳技术领域，尤其涉及一种微藻固碳生物反应装置系统及包含其的负碳系统。
背景技术
当今社会经济发展所需的能源主要依靠传统化石能源，这些化石能源不但不可再生，其燃烧会释放大量二氧化碳和大气污染物。随着二氧化碳减排和新能源开发技术的不断发展，研究人员开始利用微藻来吸收二氧化碳，实现了减少二氧化碳排放的同时，还得到富含高价值活性成分的生物质。
微藻固碳效率高，转化太阳能的量子效率高达2-10％(而陆生植物<1％)，微藻生长速率极快(每天生物质增长量达1-3倍)，吨藻可固定1.83吨CO2，微藻固碳生物质具有较高经济价值。
CN109401914A公开了一种高效部分液循环式微藻养殖用固碳补碳反应器，包括：反应器、进液管；进液管的出口端伸入反应器的内部，且置于反应器的中下部；进液管入口端的管径大于出口端的管径；反应器的底部开设气体进口，上部开设气液出口；气液出口处依次设置液体泵和第一流量阀；气液出口位于液体泵和第一流量阀之间的位置设置连接管，连接管的另一端与反应器相连通；反应器中反应后的液体会经过液体泵，此时，液体泵所设定的液体流量大于第一流量阀通过的液体流量，然后液体一部分会通过第一流量阀从气液出口流出，另一部分会通过连接管回流到反应器中继续反应。该反应器可以实现部分液体循环，且固碳效率高，CO2气体利用率高。
CN108485913A公开了一种双桨轮平板光合反应器及微藻固碳方法。包括用于微藻固碳的反应器，呈立式箱型结构，其顶板及四个侧板均为透光板材；顶板上设有开孔；在反应器内部设有上下共两个桨轮，两个桨轮的轴水平布置且相互平行，轴两端分别安装在设于相对侧板上的轴承座中；各轴均有一个端部伸出至侧板外，且在该端部固定装设皮带轮，皮带轮通过皮带连接至电动机的输出轴；在反应器的底板上设有曝气条，其一端通过管路与气泵相连，在曝气条的上表面均布若干个出气孔。该反应器内部能够形成一个逆时针旋转的漩涡流动，加强了气液搅拌和物质传递，能够明显改善藻液流场和促进闪光效应，有利于提高微藻光合作用固碳效率。
上述两种方法虽然均具较高的微藻固碳效率，但并没有充分利用微藻的价值，而且处理成本较高。
CN101161061A公开了一种基于微藻的循环水水产养殖系统，利用光能，以微藻为媒介的实现水循环使用、同时抑制水产养殖品种病害发生的水产养殖系统。该系统包括：通过管道连通以进行养殖水循环的两养殖子系统。所述基于微藻的循环水水产养殖系统，通过两个养殖子系统的合理搭配，形成了生物循环链，大大提高了水产养殖的效率。基于微藻类的循环水将第一种水产品养殖中过剩的营养物带给第二种水产品，并作为第二种水产品的饵料，因此降低了水的消耗并且能将排出的“废物”变为有益的营养，还可以利用微藻分泌的天然抗生素抑制养殖水产品细菌性疾病的发生，同时降低感染病毒性疾病的几率。该方法虽然将微藻与水产养殖进行了结合，但并没有考虑到微藻需要的光照与水产养殖品所需光照量不同，且对光能的利用效率仍有待进一步提高。
因此，开发一种既能够使微藻在合适的光照条件下进行固碳，又能将微藻进行回收利用，充分利用光能，使整体生产成本低，经济效益高的微藻、养殖、光伏发电互补的负碳系统具有重要意义。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种微藻固碳生物反应装置系统及包含其的负碳系统，通过微藻进行固碳，产生的微藻可作为水产养殖的饲料，同时使用光伏发电装置将太阳能转变为电能来为微藻固碳和水产养殖供电，真正意义上实现了对太阳能的最大化利用，对二氧化碳的高效捕集，整个负碳系统生产成本低，经济效益高，适合大规模推广应用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种微藻固碳生物反应装置系统，所述微藻固碳生物反应装置系统包括微藻固碳反应装置以及分别与微藻固碳反应装置相连的微藻液混合装置和气体混合装置，所述微藻固碳反应装置包括中心支柱和以中心支柱为圆心排列成环状的反应管。
本发明所述微藻固碳生物反应装置系统通过气体混合装置来输送二氧化碳体积浓度为3％-20％的混合气体，供给微藻生长必须的原料，有利于促进微藻的快速生长；所述微藻固碳反应装置中的反应管以中心支柱为圆心排列成环状，相较于使微藻在很大直径的反应釜中生长而言，可以增大各个反应管中微藻的光照面积，为微藻生长提供充足的光照。本发明所述微藻固碳生物反应装置系统的二氧化碳捕集效率高，微藻生长快速，产生的微藻可作为水产养殖的饲料或者进行外售。
优选地，所述微藻液混合装置经第一管道与微藻固碳反应装置相连。
优选地，所述第一管道上设置有第一微藻液输送装置。
优选地，所述气体混合装置经第二管道与微藻固碳反应装置相连。
优选地，所述气体混合装置分别与二氧化碳储存装置和空气压缩装置相连。
本发明优选采用气体混合装置向反应管中通入二氧化碳体积浓度为3％-20％的混合气体，有利于微藻生长。
优选地，所述微藻固碳生物反应装置系统还包括微藻回收装置。
优选地，所述微藻回收装置经第三管道与微藻固碳反应装置相连。
优选地，所述第三管道上设置有第二微藻液输送装置。
优选地，所述反应管的材质包括玻璃、有机玻璃、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇脂中的任意一种。
本发明优选所述反应管的材质包括有玻璃、机玻璃、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇脂中的任意一种，使得光能够很好地透过反应管为微藻的生长提供充足的光照。
优选地，所述反应管的长度>0.4m，例如可以是0.42m、0.45m、0.5m、1m、3m、8m或10m。
优选地，所述反应管以中心支柱为圆心至少排列成1个圆环，例如可以是1个、2个、3个、4个或5个。
优选地，当所述反应管排列为2个圆环时，内环的反应管≥2个，外环的反应管≥3个。
优选地，相邻圆环之间的反应管的外壁间距≥25mm，例如可以是25mm、28mm、30mm、35mm、40mm、50mm、60mm或80m。
优选地，同一圆环上的反应管的外壁间距≥25mm，例如可以是25mm、28mm、30mm、35mm、40mm、50mm、60mm或80mm。
本发明优选相邻圆环之间的反应管的外壁间距≥25mm，同一圆环上的反应管的外壁间距≥25mm，这样可以保证反应管内微藻接受充足的光照，可大大提高微藻的生长速率。
优选地，所述反应管的内径>50mm，例如可以是60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm或90mm。
优选地，所述反应管的壁厚>0.1mm，例如可以是0.2mm、0.25mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm或5mm。
本发明优选所述反应管的壁厚>0.1mm，是因为反应管的长度>0.4m，当微藻固碳生物反应装置系统放置在水产养殖池塘内时，由于水压的作用会使反应管破裂。
本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述微藻固碳反应装置还包括曝气装置和LED灯。
本发明优选所述微藻固碳反应装置还包括曝气装置和LED灯，曝气装置可促进空气和二氧化碳与微藻的接触，提高微藻的生长速率；LED灯可用于夜晚及阴天等太阳光照满足不了微藻生长需求时，对微藻进行补光，大大提高微藻的生长速率。
优选地，所述LED灯设置在反应管的周围。
本发明对所述LED灯的形状及位置不进行特殊的限制，例如可以是LED灯带垂直悬挂在反应管的周围；也可以是LED灯串，缠绕在反应管的外壁；也可以是LED灯柱，设置在中心支柱的位置。
优选地，所述微藻固碳反应装置还包括支架。
优选地，所述支架设置在反应管的外部。
优选地，所述支架的材质包括有机玻璃、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇脂或聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯中的任意一种。
本发明所述支架的作用是对反应管进行固定，防止微藻固碳生物反应装置系统发生移动或倾倒。
第二方面，本发明还提供一种负碳系统，所述负碳系统采用第一方面所述的微藻固碳生物反应装置系统进行固碳。
优选地，所述负碳系统包括微藻固碳生物反应装置系统、水产养殖池塘和光伏发电装置系统，所述微藻固碳生物反应装置系统设置于水产养殖池塘内，所述光伏发电装置系统设置于水产养殖池塘的上部空间。
本发明所述负碳系统利用光伏发电装置系统产生电能，为第一微藻液输送装置、空气压缩装置、第二微藻液输送装置和曝气装置供电，也可以为水产养殖池塘内的曝气装置供电，形成了一个微藻固碳、水产养殖和光伏发电的光能及电能有效利用系统。本发明中当光伏发电装置系统产生的电能有富余时，还可以将电能汇入电网，当光伏发电装置系统产生的电能不能满足微藻固碳生物反应装置系统和水产养殖池塘的曝气装置所需电能时，也可以从外部电网供电。
本发明所述负碳系统中对微藻固碳生物反应装置系统的数量不进行特殊限定，能够实现微藻高效固碳的同时并产出微藻，水产养殖经济效益高，且合理利用了光伏发电装置的电能即可。当众多微藻固碳生物反应装置系统放置在水产养殖池塘内时，需要增设纵横交错的支架对微藻固碳反应装置进行支撑和固定。
优选地，所述光伏发电装置系统包括依次连接的光伏板、汇流装置、储能装置和逆变装置。
本发明中对所述光伏板的面积、微藻固碳反应装置的面积及水产养殖池塘的面积不进行特殊的限定，根据实际培养的微藻所需的光照量来选择合适面积的光伏板，并根据太阳光照角度等实际的地理情况来设置光伏板的高度及排列角度；所述水产养殖池塘中饲养的水产种类主要是对光照需求较少的甲鱼类、螃蟹类等动物，水产养殖不会因为在池塘上部空间设置了光伏板而受到影响。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的微藻固碳生物反应装置系统为微藻生长提供了充足的二氧化碳和光照，微藻生长速率快，固碳效率高；
(2)本发明提供的负碳系统将微藻固碳、水产养殖和光伏发电三者结合起来，实现了二氧化碳的高效捕集的同时，可收获微藻产品和水产品，充分利用光能发电，总体上经济效益高，适合大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的微藻固碳生物反应装置系统的示意图。
图2是本发明实施例1提供的微藻固碳生物反应装置系统中微藻固碳反应装置的主视图。
图3是本发明实施例1提供的微藻固碳生物反应装置系统中微藻固碳反应装置的俯视图。
图中：1-微藻固碳反应装置；2-微藻液混合装置；3-气体混合装置；4-中心支柱；5-反应管；6-第一管道；7-第一微藻液输送装置；8-第二管道；9-二氧化碳储存装置；10-空气压缩装置；11-微藻回收装置；12-第三管道；13-第二微藻液输送装置；14-支架；15-LED灯带。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
实施例1
本实施例提供的微藻固碳生物反应装置系统的示意图如图1所示，所述微藻固碳生物反应装置系统包括微藻固碳反应装置1以及分别与微藻固碳反应装置1相连的微藻液混合装置2和气体混合装置3。
所述微藻液混合装置2经第一管道6与微藻固碳反应装置1相连；所述第一管道6上设置有第一微藻液输送装置7。所述气体混合装置3经第二管道8与微藻固碳反应装置1相连；所述气体混合装置3分别与二氧化碳储存装置9和空气压缩装置10相连。所述微藻固碳生物反应装置系统还包括微藻回收装置11；所述微藻回收装置11经第三管道12与微藻固碳反应装置1相连；所述第三管道12上设置有第二微藻液输送装置13。
所述微藻固碳反应装置的主视图如图2所示，俯视图如图3所示。
所述微藻固碳反应装置1包括中心支柱4和以中心支柱4为圆心排列成环状的反应管5。所述反应管5的材质为有机玻璃，所述反应管5的长度为0.5m、内径为60mm、壁厚为0.2mm。所述反应管5以中心支柱4为圆心排列成2环；相邻圆环之间的反应管5的外壁间距为30mm；同一圆环上的反应管5的外壁间距为30mm。
所述微藻固碳反应装置还包括曝气装置和LED灯带15；所述曝气装置与第二管道8相连；所述LED灯带垂直悬挂在反应管5的周围。
所述微藻固碳反应装置还包括支架14；所述支架14设置在反应管5的外部；所述支架14的材质为有机玻璃。
实施例2
本实施例提供一种微藻固碳生物反应装置系统，所述微藻固碳生物反应装置系统包括微藻固碳反应装置以及分别与微藻固碳反应装置相连的微藻液混合装置和气体混合装置。
所述微藻液混合装置经第一管道与微藻固碳反应装置相连；所述第一管道上设置有第一微藻液输送装置。所述气体混合装置经第二管道与微藻固碳反应装置相连；所述气体混合装置分别与二氧化碳储存装置和空气压缩装置相连。所述微藻固碳生物反应装置系统还包括微藻回收装置；所述微藻回收装置经第三管道与微藻固碳反应装置相连；所述第三管道上设置有第二微藻液输送装置。
所述微藻固碳反应装置包括中心支柱和以中心支柱为圆心排列成环状的反应管。所述反应管的材质为聚乙烯；所述反应管的长度为0.8m、内径为100mm、壁厚为3mm。所述反应管以中心支柱为圆心排列成1环；相邻圆环之间的反应管的外壁间距为40mm；同一圆环上的反应管的外壁间距为40mm。
所述微藻固碳反应装置还包括曝气装置和LED灯串；所述曝气装置与第二管道相连；所述LED灯串缠绕在反应管的周围。所述微藻固碳反应装置还包括支架；所述支架设置在反应管的外部；所述支架的材质为聚对苯二甲酸乙二醇脂。
实施例3
本实施例提供一种微藻固碳生物反应装置系统，所述微藻固碳生物反应装置系统除了所述气体混合装置仅与空气压缩装置相连外，其余均与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种微藻固碳生物反应装置系统，所述微藻固碳生物反应装置系统除了不设置LED灯带外，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种负碳系统，所述负碳系统包括微藻固碳生物反应装置系统、水产养殖池塘和光伏发电装置系统。
所述负碳系统采用实施例1提供的微藻固碳生物反应装置系统进行固碳，设置于水产养殖池塘内，所述光伏发电装置系统设置于水产养殖池塘的上部空间。所述光伏发电装置系统包括依次连接的光伏板、汇流装置、储能装置和逆变装置。
实施例6
本实施例提供一种负碳系统，所述负碳系统包括微藻固碳生物反应装置系统、水产养殖池塘和光伏发电装置系统。
所述负碳系统采用实施例2提供的微藻固碳生物反应装置系统进行固碳，设置于水产养殖池塘内，所述光伏发电装置系统设置于水产养殖池塘的上部空间。所述光伏发电装置系统包括依次连接的光伏板、汇流装置、储能装置和逆变装置。
实施例7
本实施例提供一种负碳系统，所述负碳系统包括微藻固碳生物反应装置系统、水产养殖池塘和光伏发电装置系统。
所述负碳系统采用实施例3提供的微藻固碳生物反应装置系统进行固碳，设置于水产养殖池塘内，所述光伏发电装置系统设置于水产养殖池塘的上部空间。所述光伏发电装置系统包括依次连接的光伏板、汇流装置、储能装置和逆变装置。
本实施例中微藻固碳生物反应装置系统中的藻类为小球藻，水产养殖池塘内养殖甲鱼，仅通入空气，空气中二氧化碳体积浓度为0.03％。
实施例8
本实施例提供一种负碳系统，所述负碳系统包括微藻固碳生物反应装置系统、水产养殖池塘和光伏发电装置系统。
所述负碳系统采用实施例4提供的微藻固碳生物反应装置系统进行固碳，设置于水产养殖池塘内，所述光伏发电装置系统设置于水产养殖池塘的上部空间。所述光伏发电装置系统包括依次连接的光伏板、汇流装置、储能装置和逆变装置。
本实施例中微藻固碳生物反应装置系统中的藻类为小球藻，水产养殖池塘内养殖甲鱼，通入二氧化碳体积浓度为3％-8％的混合气体。
实施例5～8的负碳系统中微藻固碳生物反应装置系统中的藻类为小球藻，水产养殖池塘内养殖甲鱼。
实施例5和6的负碳系统可以实现小球藻的快速生长，高效固碳，产生的小球藻可作为甲鱼的饲料或晒干后出售；水产养殖池塘中的甲鱼正常生长；光伏发电装置系统产生的电能可以满足微藻固碳生物反应装置系统和水产养殖池塘中各种设备的用电需求，所述负碳系统对二氧化碳捕集效果好，充分利用太阳能资源，总体上经济效益高。
综合实施例5与实施例7可以看出，实施例5的负碳系统由于气体混合装置分别与二氧化碳储存装置和空气压缩装置相连，补充了额外的二氧化碳，相较于实施例6没有二氧化碳存储装置而言，实施例5中小球藻的生长速度是实施例6中小球藻的生长速度的3倍；
综合实施例5与实施例8可以看出，实施例5的负碳系统由于在反应管周围垂直悬挂了LED灯带，为小球藻的生长提供了充足的光照，相较于实施例8没有设置LED灯带而言，实施例5中小球藻的生长速度是实施例6中小球藻的生长速度的2倍。
综上所述，本发明提供的微藻固碳生物反应装置系统及包含其的负碳系统将微藻固碳、水产养殖和光伏发电三者结合起来，实现了二氧化碳的高效捕集的同时，可收获微藻产品和水产品，充分利用光能发电，总体上经济效益高，适合大规模推广应用
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种微藻固碳生物反应装置系统，其特征在于，所述微藻固碳生物反应装置系统包括微藻固碳反应装置以及分别与微藻固碳反应装置相连的微藻液混合装置和气体混合装置，所述微藻固碳反应装置包括中心支柱和以中心支柱为圆心排列成环状的反应管。
2.根据权利要求1所述的微藻固碳生物反应装置系统，其特征在于，所述微藻液混合装置经第一管道与微藻固碳反应装置相连；
优选地，所述第一管道上设置有第一微藻液输送装置。
3.根据权利要求1或2所述的微藻固碳生物反应装置系统，其特征在于，所述气体混合装置经第二管道与微藻固碳反应装置相连；
优选地，所述气体混合装置分别与二氧化碳储存装置和空气压缩装置相连。
4.根据权利要求1～3任一项所述的微藻固碳生物反应装置系统，其特征在于，所述微藻固碳生物反应装置系统还包括微藻回收装置；
优选地，所述微藻回收装置经第三管道与微藻固碳反应装置相连；
优选地，所述第三管道上设置有第二微藻液输送装置。
5.根据权利要求1～4任一项所述的微藻固碳生物反应装置系统，其特征在于，所述反应管的材质包括玻璃、有机玻璃、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇脂中的任意一种；
优选地，所述反应管的长度>0.4m；
优选地，所述反应管以中心支柱为圆心至少排列成1个圆环；
优选地，相邻圆环之间的反应管的外壁间距≥25mm；
优选地，同一圆环上的反应管的外壁间距≥25mm；
优选地，所述反应管的内径>50mm；
优选地，所述反应管的壁厚>0.1mm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的微藻固碳生物反应装置系统，其特征在于，所述微藻固碳反应装置还包括曝气装置和LED灯；
优选地，所述曝气装置与第二管道相连；
优选地，所述LED灯设置在反应管的周围。
7.根据权利要求1～6任一项所述的微藻固碳生物反应装置系统，其特征在于，所述微藻固碳反应装置还包括支架；
优选地，所述支架设置在反应管的外部；
优选地，所述支架的材质包括有机玻璃、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇脂或聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯中的任意一种。
8.一种负碳系统，其特征在于，所述负碳系统采用权利要求1～7任一项所述的微藻固碳生物反应装置系统进行固碳。
9.根据权利要求8所述的负碳系统，其特征在于，所述负碳系统包括微藻固碳生物反应装置系统、水产养殖池塘和光伏发电装置系统，所述微藻固碳生物反应装置系统设置于水产养殖池塘内，所述光伏发电装置系统设置于水产养殖池塘的上部空间。
10.根据权利要求8或9所述的负碳系统，其特征在于，所述光伏发电装置系统包括依次连接的光伏板、汇流装置、储能装置和逆变装置。
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