CN114774283A - 一种利用高浓度co2燃煤烟气养殖微藻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，包括以下步骤：(1)预处理，将高温烟气依次进行换热、冷却、除汞、降酸、去粉尘等；(2)将预处理后的烟气通入微藻养殖装置，在特定条件下进行微藻养殖。本发明通过对工厂排出的工业燃煤烟气预处理后用于微藻养殖，不仅能够减少现有工厂的碳排放，而且还使工厂燃煤烟气中的高浓度CO₂得到资源化利用，实现废碳减排、协同用碳、资源再生的目的。

Description

一种利用高浓度CO2燃煤烟气养殖微藻的方法

技术领域

本发明属于节能减排技术领域，具体涉及到一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法。

背景技术

CO₂是典型的温室气体，大量的CO₂排入大气是造成全球气温升高的主要原因之一。目前全球工业生产中，燃煤供热产生的CO₂仍是大气CO₂的主要来源。电厂、钢铁厂、水泥厂等工业生产，大量煤炭的使用，使其排放烟气中含有高浓度的CO₂，而这种高浓度的CO₂完全可以通过化学或生物方法进行回收利用，在进行碳减排的同时，实现碳的资源化利用，这也为中国早日实现碳中和提供思路。

另一方面，众所周知绝大多数光合生物对CO₂具有固定作用，尤其是微藻，在全球固定CO₂方面发挥着巨大作用。据对微藻中有机碳的测算分析，每产生1kg干重的微藻需要1.83kg的CO₂，其对CO₂的固定效率是陆生植物的20-50倍，是全球首选的CO₂吸收生物。同时微藻具有多种可开发利用的价值。绝大多数微藻含有较高比重的蛋白质、油脂和碳水化合物，不仅可开发为高蛋白食品或饲料，而且还可作为生物质能源原料提取油脂等。不仅如此，微藻中含有的大量微量有益物质，是化妆品、护肤品、保健品等的重要原料，对其进行深入开发后，具有广阔的应用市场。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，可以通过对燃煤工厂产生的高浓度CO₂烟气进行资源化利用，既达到燃煤工厂碳减排目标，又实现CO₂的有效利用，产生高附加值产品的目的，进而为我国早日实现碳达峰和碳中和做出贡献。

为达上述目的，本发明提供了一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，包括以下步骤：

(1)预处理

将高温烟气依次通入换热器、冷却塔，降低温度至25～40℃；将冷却后的烟气通入含氯离子的弱酸性淋洗塔后，再通入弱碱性淋洗塔，使烟气中的SO₂浓度控制在300ppm以下；

(2)养殖

将步骤(1)处理后的烟气通入装满微藻生长培养液的装置中，养殖微藻。

采用上述方案的有益效果是：

进一步地，高温烟气为采用燃煤作为供热热源所排放的含CO₂的混合气体，CO₂的体积分数为5～20％。

本发明中，将烟囱排出高温烟气通入换热器，利用余热对后续微藻培养液进行加热或利用；再将换热后的烟气通入冷却塔，进一步降低烟气温度至合适温度；将降温后的烟气通入含氯离子的弱酸性淋洗塔中，将烟气中不同形态的汞转化为水溶态Hg²⁺从烟气中脱出；将脱汞后的烟气再通入弱碱性淋洗塔，吸收烟气中部分强酸性气体，以致不影响微藻养殖浓度。最后将预处理后的烟气通入装满对应微藻生长培养液的装置中，在一定温度、光照、pH等条件下养殖微藻。

进一步地，高温烟气的温度高于110℃，通过换热器后的烟气温度为50～80℃。

进一步地，通过换热器后的热量用于补充微藻生长培养液的温度。

进一步地，弱酸性淋洗塔中淋洗液的pH值为5.0～7.0。

本发明中的淋洗塔均为淋洗式淋洗塔，采用耐腐蚀的玻璃钢材质，其结构为上喷液体，下进气体，中间设有鲍尔环等填料。弱酸性淋洗塔中淋洗液为采用稀盐酸配置的弱酸性水溶液，优选pH值为5.5～6.5。

进一步地，弱碱性淋洗塔中淋洗液的pH值为7.5～10.0，弱碱性淋洗塔中淋洗液的调节碱为氢氧化钠。

进一步地，经所述步骤(1)处理后的烟气温度控制在25～35℃。

进一步地，步骤(2)中，烟气的进气量为1～1000L/(min·m³)，养殖条件为：温度20～35℃，pH值6.0～9.5，采用24h连续光照培养。

优选的，根据养殖微藻耐受CO₂浓度，烟气的进气量可设置为1-100L/(min·m³)。

进一步地，白天采用自然光，夜间采用人造日光灯作为光源。其中，日光灯开启采用自动感光开关，暗光条件下自动开启，强光条件下自动关闭；夜晚日光灯选用波长范围为400～750nm。

本发明中的养殖的微藻可以是小球藻、螺旋藻、斜生栅藻等淡水藻类。

进一步地，微藻的光照强度为2000lux～50000lux；温度范围25～45℃。小球藻pH为6.5～7.5，光照强度2000lux～5000lux，温度为25～30℃；螺旋藻pH为8.0～9.5，光照强度30000lux～35000lux，温度为30～35℃。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、可实现燃煤烟气中CO₂排放量的减少，实现工厂的碳减排；

2、通过对燃煤烟气的预处理，提高微藻对烟气中CO₂的吸收利用效率和微藻品质；

3、通过利用CO₂养殖微藻获利，可实现燃煤烟气中排放废弃的CO₂资源化再生利用。

附图说明

图1为本发明提供的一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法的流程图；

其中，100-燃煤烟气；101-换热器；102-冷却塔；103-引风机；104-弱酸性淋洗塔；105-弱碱性淋洗塔；201-鼓风机；202-微藻养殖装置；203-人造光源；301-淋洗出的沉淀；401-收集的微藻；402-最终养殖微藻后的尾气。

具体实施方式

本发明中，将高温燃煤烟气利用引风机引入到换热器中，对其进行换热，并充分利用热量，为后续培养装置提供保温或水泥厂提供基础预热热源。为保障微藻在养殖装置中高效的生长，必须对微藻培养液进行保温，根据养殖的不同微藻所需最佳温度采用换热器产生热量进行供热保温，多余热量可用于工厂燃煤燃烧所需空气的预热升温，减少热损失。将换热后烟气继续通入冷却塔，将温度降低至后续微藻养殖可适应温度。烟气进一步降温后有利于烟气中汞的冷凝脱出。

将降温后烟气通入弱酸性淋洗塔中，利用含氯离子的弱酸性溶液对烟气中气态中汞进行脱除，防止培养液中汞的积累以及微藻对其的过度吸收，影响微藻品质。同时，弱酸性溶液可将烟气中部分有害颗粒物洗出，防止其过多进入微藻培养液中，影响微藻生长。

将酸洗后的烟气再次通入弱碱性淋洗塔中，利用NaOH配制的碱性液体对其淋洗，以中和烟气中过量的SO₂等强酸性气体，防止微藻培养液的酸化速度过快，对微藻正常生长产生影响。

利用鼓风机将预处理后的烟气鼓入微藻培养设备中，培养设备中预先装有不同培养基的培养液；微藻采用24h连续培养；培养过程中严格控制温度、pH、光照强度在对应微藻需求范围内，养殖后尾气排放或用于其它用途。

综上所述，本发明的流程为通过引风机将工厂排放的燃煤烟气依次引入换热器、冷却塔后进入弱酸性淋洗塔和弱碱性淋洗塔，再利用鼓风机通过微孔鼓泡器将烟气鼓入培养基中。

其中，不同的培养基可以为改良的BG11培养基，1吨培养基配方为：NH₄Cl 200g、K₂HPO₄·3H₂O 75g、CaCl₂·2H₂O 25g、KH₂PO₄ 175g、MgSO₄·7H₂O 75g、NaCl 25g、FeCl₃·6H₂O5g及A5溶液1L；

或改良SP培养基，1吨培养基配方为：K₂HPO₄ 1000g、NH₄Cl 3500g、K₂SO₄ 2000g、NaCl 2000g、MgSO₄·7H₂O 400g、CaCl₂·2H₂O 20g、FeSO₄·7H₂O 20g、EDTANa₂ 160g、微量营养素溶液10L、维生素溶液5L；

或其它微藻养殖所需并去除碳源的培养基。

同时，本发明中涉及的换热器换热介质可根据工厂需要为液体或者气体；以为工厂提供余热利用为基础。本发明涉及的强酸性气体的预处理以不影响微藻生长为宜，具体的应根据所养殖微藻对强酸性气体的耐受度确定，但总体SO₂不超过300ppm，氮氧化物不设上限。本发明所涉及的微藻培养装置可以为升流式、管道式、平板式等结构，进气设备为常规鼓风机，进气装置为微孔曝气器，鼓风机主要目的是增加烟气在培养装置压力，便于烟气顺利通入培养液中；光照设备根据培养装置可设置在设备中的液体内部或装置外空气中。

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本发明提供了一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，包括以下步骤：

(1)将钢铁厂燃煤锅炉烟囱排放口CO₂浓度为15.7％(v/v)的烟气，以1L/min的速率依次通过自制的采用自来水作为交换媒质的换热器后，采用自来水作为冷却介质将烟气冷却至40℃；

(2)将冷却烟气通过pH为6.0的氯离子弱酸性淋洗塔和pH为8.0的氢氧化钠小型弱碱性淋洗塔后，由鼓风机通过微孔曝气器通入100L培养器底部；培养器装满用改良的BG11培养基配制好培养液；培养液中接种一定量的小球藻(Chlorella vulgaris sp.)，小球藻购自中国科学院武汉水生生物所；在培养器液体中心部位置设置日光灯，用于夜晚提供光源，夜晚光照强度为3000lux；

(3)在温度25～30℃、采用氢氧化钠调节pH为7.0～7.5、连续24h光照条件下，连续培养14d后收获小球藻为干重为21g。

实施例2

本发明提供了一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，包括以下步骤：

(1)将燃煤电厂经净化设施处理后CO₂浓度为14.1％(v/v)的燃煤烟气，以10L/min的速率依次通过自制的空气换热器后，采用水作为冷却介质将烟气由118℃冷却至45℃；

(2)将烟气通过pH为6.0的弱酸性含氯离子的淋洗塔和pH为8.5的氢氧化钠弱碱性淋洗塔后，经过管道紫外灭菌后，由鼓风机通过微孔曝气器通入100L的平板培养器中；培养器采用不含碳源的SP培养基已配制好规定培养液，培养液中接种一定量的钝顶螺旋藻(Spirulina platensis sp.)；平板培养器内部设置一个LED，用于夜晚提供光源；

(3)在温度30～35℃、采用氢氧化钠调节pH为8.3-9.0，连续24h光照条件下，连续培养10d后收获小球藻的干重为112g。

实施例3

本发明提供了一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，包括以下步骤：

(1)在水泥厂中将CO₂浓度为19.5％(v/v)的烟气，以1L/min的速率依次通过自制的采用自来水作为交换媒质换热器后，采用水作为冷却介质冷却烟气至40℃；

(2)将烟气通过pH为6.5的弱酸性含氯离子淋洗塔和pH为8.5的氢氧化钠淋洗塔后，由鼓风机通入三个100L的平行培养器；

(3)第一个采用改良BG11培养基，接种一定量小球藻；第二个采用改良BG11培养基，接种一定量斜生栅藻；第三个采用不含碳源的SP培养基，接种一定量螺旋藻；

(4)白天采用日光提供光源，夜晚在培养器内部设置日光灯作为光源；

(5)在温度30℃、采用氢氧化钠调节pH为7.5～8.0，连续24小时光照条件下，连续培养14天后收获小球藻的干重为20g，斜生栅藻17g，钝顶螺旋藻15g。

对比例1

本对比例与实施例1不同的是，不经过弱酸性淋洗塔处理，连续培养7天后收获小球藻为干重为17.81g

对比例2

本对比例与实施例1不同的是，不经过弱碱性淋洗塔处理，连续培养7天后收获小球藻为干重为10.36g

对比例3

本对比例与实施例1不同的是，微藻培养的温度低于20°，连续培养7天后收获小球藻为干重为14.50g

由实施例1-3以及对比例1-3可以看出，本发明提供的方法不仅可以实现燃煤烟气中CO₂排放量的减少，实现工厂的碳减排，还可以提高微藻对烟气中CO₂的吸收利用效率和微藻品质，使通过本发明提供的方法处理后生长的微藻内的重金属含量相对于无预处理步骤的微藻内的重金属含量至少降低50％。

虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预处理

将高温烟气依次通入换热器、冷却塔，降低温度至25～40℃；将冷却后的烟气通入含氯离子的弱酸性淋洗塔后，再通入弱碱性淋洗塔，使烟气中的SO₂浓度控制在300ppm以下；

(2)养殖

将步骤(1)处理后的烟气通入装满微藻生长培养液的装置中，养殖微藻。

2.如权利要求1所述的利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，所述高温烟气为采用燃煤作为供热热源所排放的含CO₂的混合气体，所述CO₂的体积分数为5～20％。

3.如权利要求1所述的利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，所述高温烟气的温度高于110℃，通过换热器后的烟气温度为50～80℃。

4.如权利要求3所述的利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，所述通过换热器后的热量用于补充微藻生长培养液的温度。

5.如权利要求1所述的利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，所述弱酸性淋洗塔中淋洗液的pH值为5.0～7.0。

6.如权利要求1所述的利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，所述弱碱性淋洗塔中淋洗液的pH值为7.5～10.0，所述弱碱性淋洗塔中淋洗液的调节碱为氢氧化钠。

7.如权利要求1所述的利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，经所述步骤(1)处理后的烟气温度控制在25～35℃。

8.如权利要求1所述的利用高浓度CO₂燃煤烟气养殖微藻的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，烟气的进气量为1～1000L/(min·m³)，养殖条件为：温度20～35℃，pH值6.0～9.5，采用24h连续光照培养。

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