CN115554833A - 一种固碳减排方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固碳减排方法及其系统，包括以下步骤：步骤1、对高温的烟气进行换热；步骤2、在步骤1的基础上，对高温烟气依次进行降温和除尘，获得温度为35‑45℃、含尘量为0.5‑1.5mg/Nm3的烟气；步骤3、调节烟气中CO2的体积含量并获得CO2体积含量为13％‑28％的烟气；步骤4、将步骤3获得的烟气用于微藻养殖，微藻养殖为多级串联方式；步骤5、将经步骤4剩余的烟气通入碱性溶液中。本发明中将生物吸收CO2和化学协同吸收CO2组合使用，实现高效减碳的目的；微藻养殖采用串联的方式，从而实现协同用碳，提高碳的利用率。并且在本发明中提高了副产物的价值降低整个方法的成本。

Description

一种固碳减排方法及其系统
技术领域
本发明涉及二氧化碳减排技术领域，具体涉及一种固碳减排方法及其系统。
背景技术
目前中国的水泥生产量和消费量已占据全球的50％以上，而水泥行业又一直是CO2排放的行业大户。对水泥厂排放的CO2进行固定及资源化利用，进而实现水泥厂排放烟气减排的目的，对中国尽快实现碳中和具有重要意义。水泥行业在熟料生产阶段直接煅烧碳酸钙生产氧化钙过程中排放大量的CO2，同时生产过程中的燃煤供热供给也会产生高体积含量CO2气体。据实际生产过程中的估算，每生产1吨水泥熟料需排放0.66-0.92t的CO2，其巨大的单位碳排放量给环境造成了巨大的压力。因此，急需一种能够减低水泥厂排放烟气中的碳含量工艺。
发明内容
为了解决现有水泥厂中排放的烟气中CO2含量高的问题，本发明的目的之一是提供一种固碳减排方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种固碳减排方法，包括以下步骤：
步骤1、对高温的烟气进行换热；
步骤2、在步骤1的基础上，对高温烟气依次进行降温和除尘，获得温度为35-45℃、含尘量为0.5-1.5mg/Nm3的烟气；
步骤3、调节烟气中CO2的体积含量并获得CO2体积含量为13％-28％的烟气；
步骤4、将步骤3获得的烟气用于微藻养殖，微藻养殖为多级串联方式；
步骤5、将经步骤4剩余的烟气通入碱性溶液中。
本发明的有益效果为：本发明首先将生物与化学吸收CO2组合使用，实现高效减碳；其次，采用多级串联的微藻养殖方式与工艺参数的调整结合，在提高微藻对CO2吸收的同时实现对烟气中CO2的利用率。并且该方法中的副产物微藻以及碳酸盐还可进一步降低本方法的成本。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，步骤4中的微藻养殖至少为2级串联方式。
进一步，多级串联方式的微藻养殖至少包括2种微藻，且每级养殖一种微藻。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：充分利用不同微藻对CO2的利用率，从而整体提高对CO2的利用率，实现协同用碳。
进一步，碱性溶液包括氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
进一步，步骤4获得的烟气中体积分数为10％-25％的烟气回流至步骤3中并与步骤2所得的烟气混合。
本发明的目的之二是提供一种固碳减排系统，系统包括沿烟气流向依次连接的换热单元、冷却单元、水洗单元、调气单元和固碳单元；其中，固碳单元出来的烟气中体积分数为10％-25％的烟气回流至调气单元。
本发明的有益效果为：该系统用于吸收水泥厂烟气中的CO2，实现水泥厂烟气中CO2的固定减排，为水泥厂节约更多的碳排放量，助推水泥厂的碳减排，为水泥行业早日实现碳达峰和碳中和提供支持，降低环境压力。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，固碳单元包括多级串联的单级养藻装置系统，以及沿烟气流向与最后一级的单级养藻装置系统连接的CO2吸收装置；其中，最后一级的单级养藻装置系统出来的烟气中体积分数为10％-25％的烟气回流至调气单元，剩余烟气通入CO2吸收装置。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中将生物吸收CO2和化学协同吸收CO2组合使用，实现高效减碳的目的；微藻养殖采用串联的方式，从而实现协同用碳，提高碳的利用率。并且在本发明中还利用换热产生的热量对本发明中的副产物进行烘干，降低整个方法的成本。
2、通过利用烟气中的CO2养殖微藻，产生高附加值产品，实现除水泥主产品盈利外的副产品盈利，提高水泥厂的整体利润。
附图说明
图1为用于本发明中的系统示意图；
图2为单级养藻装置系统示意图；
附图标记说明：
100-初始烟气，101-换热单元，102-冷却单元，103-水洗单元，104-调气单元，105-固碳单元，107-CO2吸收装置，108-最终烟气，202-微藻产品，205-化学吸收产品，301-供气装置，302-微藻养殖设备，303-人工光源，304-水冷凝装置，305-离心鼓风机，306-紫外消毒装置，307-排气孔，400-单级微藻养殖系统。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的中的一种固碳减排方法及其系统进行描述。然而，本发明可按照许多不同的形式示例并且不应被解释为限于在此阐述的具体实施例，更确切地说，提供这些实施例的目的是使得本发明将是彻底的和完整的，并且将要把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
发明人在对固碳减排过程中发现，微藻对自然界中的CO2的固定效率最高，是陆地植物的50倍，在全球固碳过程中发挥着重要作用。
但是，水泥厂排放的烟气成份复杂(包括粉尘、酸性气体等)，烟气中CO2的体积含量也比较高，据统计烟气中CO2的体积含量在10％-30％(v/v)之间，尽管目前很多企业已经采用光合微藻生物的方法对水泥厂中排出的CO2进行吸收，但是微藻对CO2存在吸收不彻底、吸收效率也不高等特点。
基于此，本发明提供一种固碳减排方法及其系统，在提高对水泥排放出的烟气中的CO2吸收的同时还提高了本方法中副产物的价值，降低工艺成本。
本发明中的第一方面的实施例提供一种固碳减排方法，包括以下步骤：
步骤1、对高温的烟气进行换热；
步骤2、在步骤1的基础上，对高温烟气依次进行降温和除尘，获得温度为35-45℃、含尘量为0.5-1.5mg/Nm3的烟气；
步骤3、调节烟气中CO2的体积含量并获得CO2体积含量为13％-28％的烟气；
步骤4、将步骤3获得的烟气用于微藻养殖，微藻养殖为多级串联方式；
步骤5、将经步骤4剩余的烟气通入碱性溶液中。
根据统计，水泥厂排放的未经降温的烟气的温度通常在105℃以上，未经降温处理的烟气无法用于微藻养殖。在本实施例中，高温的烟气首先是在步骤1中通过换热器来降低烟气的温度，本实施例中高温的烟气换热后的热量主要是用于对养殖的微藻进行干燥，降低副产物微藻后期加工过程成本。此外，本实施例中用于对微藻进行干燥的干燥器是薄膜干燥器，当然，在实际过程中，也可以是其他干燥器。
为了进一步让烟气满足微藻生长，步骤2对换热后的烟气依次进行降温和除尘。具体的，首先是将换热后的烟气通入冷却塔中，经冷却塔冷却后烟气的温度低于50℃；然后将经冷却后的烟气通入水洗装置中，烟气经水洗后的温度为：35-45℃、含尘量为0.5-1.5mg/Nm3。该条件下的烟气能够满足微藻生长，避免微藻死亡，进而提高微藻的固碳效果，即提高微藻对CO2的吸附率。
为了进一步提高微藻的固碳效果，同时也是为了避免烟气中的CO2含量过高造成烟气中的CO2的利用率较低，在一些实施例中，步骤3对烟气中CO2的体积含量进行调节，最后获得CO2体积含量为13％-28％的烟气；同时还将经步骤4获得的烟气中的体积分数为10％-25％的烟气回流至步骤3中，回流的烟气与步骤2获得的烟气混合。烟气中该体积含量范围内的CO2确保微藻具有较高的固碳效果，还避免CO2的浪费；此外，同时部分回流的烟气可进一步提高微藻对烟气中CO2的利用率。
另外，在一些实施例中，步骤4中微藻养殖至少为2级串联，选用串联的方式进行养殖，养殖时烟气依次通过每级养殖的微藻，且烟气进入第一级养殖的微藻的速率与水泥厂中烟气排放的速率一致，养殖过程中，下一级养殖的微藻的烟气为上一级养殖排除的烟气。在本实施例中，为了提高微藻对CO2的利用率，多级串联方式的微藻养殖至少包括2种微藻，且每级养殖一种微藻。此外，微藻在实际养殖过程中，选用的培养液为不含碳源的培养基，主要是利用烟气中的CO2作为微藻生长的碳源；同时，本实施例中的微藻在养殖过程中还采用冷却塔中的冷却水(即冷却高温烟气后的冷却水)为微藻的养殖补给温度以及养殖过程汇损失的液体；微藻在养殖过程中通常是需要在连续24小时光照培养。另外，在本实施例中，常用于养殖的微藻可以是小球藻和/或螺旋藻。
另外，在一些实施例中，步骤5中的碱溶液包括氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。在本实例中，碱溶液为氢氧化钠或饱和氢氧化钾，此处的碱溶液可以是质量浓度为20％或30％。在本实施例中，经微藻固碳后获得的烟气中剩余的烟气通入到碱溶液中，碱溶液吸收烟气中的CO2，达到CO2的完全中和，可生成具有一定商业价值的碳酸氢盐产品，在一定程度上降低对水泥厂烟气处理的成本，具有一定的实际应用价值。而且，在一定条件下通过碱溶液对CO2的化学吸收，可实现一定体积含量的CO2的全吸收，这对实现工厂CO2的零排放具有重要意义。
另外，为了避免碱溶液处理后的烟气对环境造成污染，同时也是为了提高烟气的使用价值，在一些实施例中，经步骤5中获得的烟气作为富氧气体使用，该富氧气体不仅可以用于纯氧的制取原材料，也可用作燃煤锅炉助燃气体使用。
本发明中第二方面的实施例提供一种用于第一方面实施例的系统，下面将根据附图1-2对发明中的固碳减排系统做进一步详细说明。
本实施例中的系统如图1示意，该系统包括根据烟气流向依次连接的换热单元101、冷却单元102、水洗单元103、调气单元104和固碳单元105；其中，固碳单元105包括多级串联的单级养藻装置系统400，以及沿烟气流向与最后一级的所述单级养藻装置系统400连接的CO2吸收装置107；其中，最后一级所述的单级养藻装置系统400出来的烟气中体积分数为10％-25％的烟气回流至调气单元104，剩余烟气通入CO2吸收装置107。具体地，换热单元101用于对养殖的藻类进行干燥，生成微藻产品202，本实施例中的换热单元101包括至少1台薄膜干燥器；冷却单元102用于对烟气进行降温，本实施例中的冷却单元102包括至少1台冷却塔，冷却高温烟气后的冷却水部分流入单级养藻装置系统400中，为微藻养殖补给温度以及养殖过程汇损失的液体；水洗单元103用于除去烟气中的杂质，水洗单元103中至少包括1台水洗装置，本实施例中的水洗装置可以是水洗池；调气单元104用于调控烟气中CO2的体积含量，本实施例中的调气单元包括至少2个气体调节器，其中一个气体调节器通入水洗单元103获得的烟气，另外一个气体调节器通入从最后一级所述的单级养藻装置系统400回流的烟气；单级养藻装置系统400中养殖的微藻首先对烟气中的CO2进行吸收，CO2吸收装置中盛放碱溶液，生成化学吸收产品205(即碳酸盐)。此外，在本实施例中从CO2吸收装置107出来的烟气108中富含氧气，该气体通常用于纯氧的制取原材料或燃煤锅炉助燃气体使用。该系统用于吸收水泥厂烟气中的CO2，实现水泥厂烟气中CO2的固定减排，为水泥厂节约更多的碳排放量，多出碳排放量可用于碳排放市场，用于交易获取利润，助推水泥厂的碳减排，为水泥行业早日实现碳达峰和碳中和提供支持。
为了更好的对微藻进行养殖，本实施中单级养藻装置系统400如图2示意，该养殖系统400包括微藻养殖设备302，与微藻养殖设备302连接且为养殖的微藻提供烟气的供气装置301，以及为微藻在光源不足的情况下提供光的人工光源303，在本实施例中，为了微藻能够更好的接受到光源，本实施例中的微藻养殖设备302采用有机透明玻璃制得；单级养藻装置系统400还包括设置在微藻养殖设备302上的排气孔307。本发明中的微藻养殖装置302可以为升流式、管道式、平板式等结构，每一级根据不同管道培养基可养殖不同种类的微藻。
此外，当微藻养殖为多级串联单级养藻装置系统组成时，并且临近微藻养殖设备302的养殖不同微藻时，前一级的微藻养殖设备302和后一级的微藻养殖设备302之间根据烟气的流向依次连接有水冷凝装置304、离心鼓风机305、紫外消毒装置306。具体地，水冷凝装置304用于冷凝前一级的微藻养殖设备302养殖后烟气中夹带的液体水，本实施中水冷凝装置304为设有排水阀的曲型冷凝管；离心鼓风机305为后一级的微藻养殖设备302中微藻提供烟气，其鼓风量根据前一级的微藻养殖装置的烟气出风量设定；紫外消毒装置306用于杀灭烟气中携带的小球藻，减少不同养殖微藻的相互生物污染。
实施例
实施例1
一种固碳减排方法，包括以下步骤：
步骤1、将CO2体积含量为18.7％(v/v)、温度为110℃的烟气以其排放相同的速率通入薄膜干燥器内，对收集的微藻进行干燥，并获得干粉状的微藻。
步骤2、将通过干燥装置后的烟气采用水冷的方式在冷却塔中进行冷却，然后将冷却后的烟气通入水洗池中，获得温度为35℃、含尘量为0.5mg/Nm3的烟气，并同时将冷凝塔部分温度较高的冷凝水用泵打入微微藻养殖设备中，补充因收获微藻水蒸气蒸发损失的溶液以及为微藻提供生长所需温度。
步骤3、调节烟气中CO2的体积含量，调节后烟气中的CO2体积含量为13％。
步骤4、经步骤3获得的烟气通入三级串联的微藻养殖系统；其中，第一级和第二级采用不含碳源的BG11培养基配置的培养液，接种一定量小球藻；第三级采用不含碳源的SP培养基配置的培养液，接种微藻为螺旋藻；在第二级和第三级之间设置冷凝装置，用于冷凝从第二级微藻养殖装置出来的气体夹带的液体水；冷凝装置后接离心鼓风机为第三级微藻养殖装置中的螺旋藻的培养提供风量和压力；在进入第三级的微藻养殖装置前的管道中设置紫外消毒灯，用于杀灭烟气中携带的小球藻，避免第三级螺旋藻受到小球藻污染；微藻养殖时，白天光线充足时采用自然光作为光源，夜间在培养箱外部设置日光灯作为光源，连续24小时培养。
步骤5、微藻养殖后的烟气中的体积分数为10％的烟气回流至步骤3中，剩余体积分数为90％的烟气通入盛装质量-体积含量为20％的NaOH溶液中，用于吸收尾气中的CO2。
采用本实施例中方法连续运行10天以上测定对CO2的吸收率，经测试，三级串联养殖的小球藻和螺旋藻对CO2的整体利用率为烟气总量的8.34％(质量)，NaOH溶液的化学吸收对CO2的整体吸收率为烟气总量的56.90％(质量分数)，因此，本实施例中的方法对水泥厂烟气中CO2的整体吸收率为65.24％(质量分数)。
实施例2
一种固碳减排方法，包括以下步骤：
步骤1、将CO2体积含量为21％(v/v)、温度为110℃的烟气以烟气排放相同的速率通入薄膜干燥器内，对收集的微藻进行干燥，并获得干粉状的微藻。
步骤2、通过干燥装置利用后的烟气采用水冷的方式在冷却塔中进行冷却，然后将冷却后的烟气通入水洗池中，获得温度为40℃、含尘量为1.2mg/Nm3的烟气，并同时将冷凝塔部分温度较高的冷凝水用泵打入微微藻养殖设备中，补充因收获微藻水蒸气蒸发损失的溶液以及为微藻提供生长所需温度。
步骤3、调节烟气中CO2的体积含量，调节后烟气中的CO2体积含量为22％。
步骤4、经步骤3获得的烟气通入六级串联的微藻养殖系统；其中，前三级养殖小球藻，后三级养殖螺旋藻；在第三级和第四级的微藻养殖设备之间设置烟气干燥装置、鼓风机、紫外消毒装置(前三级相连中部和后三级相连中部不设置)，将气体依次通过装置；小球藻采用不含碳源的SE培养基，螺旋藻采用不含碳源的SP培养基；微藻养殖时，白天光线充足时采用自然光作为光源，夜间在培养箱外部设置日光灯作为光源，连续24小时培养。
步骤5、微藻养殖后的烟气中的体积分数为25％的烟气回流至步骤3中，剩余体积分数为75％的烟气通入盛装质量-体积含量为30％的NaOH溶液中，用于吸收尾气中的CO2。
采用本实施例中方法连续稳定运行半个月后测定对CO2的吸收率，前三级小球藻对CO2的整体利用率为9.31％(质量分数)，后三级螺旋藻对CO2的整体利用率为6.15％(质量分数)，NaOH溶液对烟气中CO2的整体吸收率为69.00％(质量分数)；本实施例中的方法对CO2的减排效率高达84.46％(质量分数)。
对比例1
一种固碳减排方法，本实施例中的减排方法与实施例2相同，不同之处在于：
步骤3中调节后烟气中的CO2体积含量为35％。
采用本实施例中方法连续稳定运行半个月后测定对CO2的吸收率，前三级小球藻对CO2的整体利用率为5.24％(质量分数)，后三级螺旋藻对CO2的整体利用率为3.21％(质量分数)，NaOH溶液对烟气中CO2的整体吸收率为69.00％(质量分数)，整个系统对CO2的减排效率高达77.45％(质量分数)。
对比例2
一种固碳减排方法，本实施例中的减排方法与实施例2相同，不同之处在于：
步骤4中的烟气不回流。
采用本实施例中方法连续稳定运行半个月后测定对CO2的吸收率，前三级小球藻对CO2的整体利用率为7.02％(质量分数)，后三级螺旋藻对CO2的整体利用率为4.46％(质量分数)，NaOH溶液对烟气中CO2的整体吸收率为59.82％(质量分数)，整个系统对CO2的减排效率高达71.30％(质量分数)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固碳减排方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对高温的烟气进行换热；
步骤2、在步骤1的基础上，对高温烟气依次进行降温和除尘，获得温度为35-45℃、含尘量为0.5-1.5mg/Nm3的烟气；
步骤3、调节烟气中CO2的体积含量并获得CO2体积含量为13％-28％的烟气；
步骤4、将步骤3获得的烟气用于微藻养殖，所述微藻养殖为多级串联方式；
步骤5、将经步骤4剩余的烟气通入碱性溶液中。
2.根据权利要求1所述的固碳减排方法，其特征在于，所述步骤4中的微藻养殖至少为2级串联方式。
3.根据权利要求2所述的固碳减排方法，其特征在于，多级串联方式的所述微藻养殖至少包括2种微藻，且每级养殖一种微藻。
4.根据权利要求1所述的固碳减排方法，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
5.根据权利要求1所述的固碳减排方法，其特在于，所述步骤4获得的烟气中体积分数为10％-25％的烟气回流至步骤3中并与所述步骤2所得的烟气混合。
6.一种用于权利要求1-5任一项所述的固碳减排方法的系统，其特征在于，所述系统包括沿烟气流向依次连接的换热单元(101)、冷却单元(102)、水洗单元(103)、调气单元(104)和固碳单元(105)；其中，所述固碳单元(105)出来的烟气中体积分数为10％-25％的烟气回流至调气单元(104)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述固碳单元(105)包括多级串联的单级养藻装置系统(400)，以及沿烟气流向与最后一级的所述单级养藻装置系统(400)连接的CO2吸收装置(107)；其中，最后一级所述的单级养藻装置系统(400)出来的烟气中体积分数为10％-25％的烟气回流至调气单元(104)，剩余烟气通入CO2吸收装置(107)。
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CN114774283A (zh) * 2022-04-29 2022-07-22 西南科技大学 一种利用高浓度co2燃煤烟气养殖微藻的方法

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