專利名稱：利用微藻減排二氧化碳的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種二氧化碳減排方法，具體的說是利用微藻降低工
業(yè)排放氣中C0r濃度的方法。
背景技術：
工業(yè)排放氣中的二氧化碳(co2)減排已成為當前各國政府所關 注的環(huán)境問題的重點。如何固定工業(yè)排放氣中的co2,使其中的co2
轉化為其它物質以減少C02直接排放到大氣中是急需解決的問題。特 別是利用環(huán)境友好技術，轉化co2實現(xiàn)碳減排已成為當前工業(yè)追求的 目標之一。
依據現(xiàn)行技術的特性分類，二氧化碳減排方法大體分為物理固 存、化學固定和生物轉化固定三大類。物理固存和化學固定均需俘獲
純化co2，存在處理成本高、耗能大、環(huán)境友好性差等問題，而生物
轉化固定方法最為符合自然界碳循環(huán)規(guī)律，是環(huán)境友好型與資源節(jié)約 型的可持續(xù)發(fā)展方法。生物轉化固定指生物體如植物、微藻等，以
C02為碳源經由光合作用方式，將C02轉變?yōu)樯镔|(如淀粉、纖維素
等)，其所需能源直接來自太陽光能。由于土地等因素限制，通過大 面積種植植物來固碳不現(xiàn)實。而微藻具有光合速率高、繁殖快、環(huán)境 適應性強、處理效率較高的特點，同時固碳后產生大量的藻體生物質 具有很好的利用價值，因此具有高度的工業(yè)化潛力。
目前對于舉藻減排二氧化碳的研究均處于理論分析及實驗室階 段，對于含有二氧化碳的氣源操作條件要求較高，但是實際應用時，
由于工業(yè)排放氣中成份復雜(如煙道氣等)(1) 0)2濃度高(C02濃 度可高達25%體積百份比左右)；(2)還可能含有粒徑大小不同的細 小顆粒、固體物質、酸性氣體以及其它少量有機、無機物或不明物質 等等；(3)工業(yè)排放氣的溫度、壓力不合適；上述多種原因使得微藻往往難以耐受，從而使得微藻生長緩慢甚至死亡，進而嚴重影響微藻
對C02的固定速率。
另外，使用微藻轉化時，為達到對C02高效的固定速率，合適的
光反應器及微藻的選擇也尤為重要。常用進行微藻光合作用的光生物 反應器或者結構復雜、操作難度高，或者氣液混合效率低，同樣也降
低了微藻對C02的固定速率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決上述技術問題，提供一種工藝簡單、操
作簡便、處理成本低、無二次環(huán)境污染、C02的固定速率高、特別適 用于處理工業(yè)排^:氣的利用^f鼓藻減排二氧化^暖的方法。
技術方案為將含有C02的工業(yè)排放氣進行除塵洗滌、加壓、調氣
后得到滿足微藻需求的待處理氣體，再將該氣體進行微藻轉化，以固
定CO"降低排放氣體中的0)2濃度。
所述除塵方法為通過氣體洗滌器除去含有C02的工業(yè)排放氣中細
小顆粒、其它固體物質、以及其中一些酸性氣體、其它有機、無機物，
使其含塵量在2mg/N^以下；所述加壓方法為將經洗滌后的含有C02 的工業(yè)排放氣由壓縮機增壓至0. 1-2.3 MPa,然后將氣體溫度控制 在20~30 。C;.所述調氣方法為通過向氣體過濾調節(jié)器內補充氣體使 工業(yè)排放氣中的C02濃度調為體積百分比15% ~ 20%,得到待處理氣體； 所述微藻轉化是將待處理氣體送入氣升式光生物反應器內，并加入微 藻進行光合作用，以降低處理后排放氣體中的C02濃度。
在將待處理氣體送入氣升式光生物反應器的玻璃罐體內進行微 藻轉化前，先將待處理氣體與培養(yǎng)液進行前期氣液混合。
所述培養(yǎng)液引自氣升式光生物反應器玻璃罐體內的培養(yǎng)液。 所述調氣方法中補充的氣體來自空氣和/或經氣升式光生物反 應器處理后的排放氣體。所述微藻為藍藻或綠藻，其中以小球藻效果更好。
所述氣升式光生物反應器包括設有培養(yǎng)基進口、培養(yǎng)液出口、 冷卻水進口、冷卻水出口、進氣口和排氣口的玻璃罐體，所述玻璃罐 體內側環(huán)形設有多組分別與冷卻水進口和冷卻水出口連通的換熱管， 上升導管將玻璃罐體分為下升區(qū)及下降區(qū)，玻璃罐體頂部還設氣體分 離區(qū)，進氣口經進氣管道與位于上升區(qū)底部的氣體分布器連通。
所述下降.區(qū)設有培養(yǎng)液外循環(huán)管路，所述培養(yǎng)液外循環(huán)管路經 水泵與進氣管道連通。
所述進氣口與進氣管道之間設有文丘里管，培養(yǎng)液外循環(huán)管路 經文丘里管與進氣管道連通。
所述上升區(qū)內氣體流量相對于反應器體積為0. 1 -0， 5vvm。 發(fā)明人通過對各種常見含有C02的工業(yè)排放氣(以下簡稱工業(yè)排 放氣)的多次分析，并對微藻的耐受環(huán)境進一步評估，經過研究和實 驗得知，將工業(yè)排放氣進行前期處理，通過除塵洗滌、加壓、調氣， 使得工業(yè)排放氣變?yōu)槲⒃蹇赡褪艿拇幚須怏w，再進行微藻轉化是保 證微藻耐受性、'提高微藻對C02的固定速率的有效且可行的方法，正 是由于工業(yè)排放氣中成份復雜，因而需要特別針對性的相應處理。
另一方面，由于藻體細胞對高剪切比較敏感，同時考慮到傳質效 率，優(yōu)選采用氣升式光生物反應器進行微藻轉化，為進一步提高微藻 對C02的固定速率，降低排出氣體的濃度，在微藻轉化階段，高效的 氣液混合是極需解決的技術問題，通常技術人員會在氣升式光生物反 應器的氣體分布器的噴嘴上作各種改進，以使進入玻璃罐體內的待處 理氣體與培養(yǎng)液充分混合，但效果并不十分滿意。本發(fā)明中，在待處
理氣體進入玻璃罐體之前，先進行一次前期氣液混合，然后再送入氣 升式光生物反應器的玻璃罐體內進行微藻轉化是增加氣液混合效率 切實可行且有效方法。所述培養(yǎng)液可以單獨獲取；也可以從氣升式光 生物反應器的玻璃罐體內引出，同時增加了循環(huán)程度。工業(yè)排放氣中的C02濃度，還可以通過補充從氣升式光生物反應器排
出的氣體(即處理后的排放氣體)的一部分進行循環(huán)，是因為該氣體 中氧氣濃度與普通空氣相比相對較低，更有利于藻類的光合作用，同 時由于氣升式光生物反應器排出的氣體還具有一定的壓力，在進行調 氣時，更接近于藻類適宜的溫度和壓力。并且將氣升式光生物反應器 排出的氣體進行部分循環(huán)還能減少其向大氣的排放量。
所述樣t藻可以使用藍藻或綠藻，如斜生柵藻(5"ce/2e^礎^ oW/.《〃〃》等,特別優(yōu)選藻抹小球藻(④歸7/s 一a"、WUST 11， 專利申請?zhí)?00810197667. X)其具有生長速率快、0)2固定速率高的 優(yōu)點。根據具體選擇微藻的不同，可以對進行處理的工業(yè)排放氣的 C02濃度、溫度、壓力、含塵量在上述范圍內進行相應調節(jié)。
所述氣升式生物反應器可以使用目前常用的各種結構的氣升式
簡稱反應器)。
通過上升導管將玻璃罐體分為下升區(qū)及下降區(qū)，氣體分布器設在 上升區(qū)底部，噴出待處理氣體，由于上升區(qū)下部其氣泡含有率高，故 其密度小，培養(yǎng)液輕，加上噴流動能，使上升管內的液體上升，到達 上升區(qū)上部時，由于上部空間大，氣體從培養(yǎng)液中逃逸出，通過氣體 分離區(qū)由排氣口排出，同時培養(yǎng)液變重從下降區(qū)下降，到反應器底部 時又循環(huán)進入上升區(qū)，形成反復的循環(huán)。
在下降區(qū)通過培養(yǎng)液外循環(huán)管路經水泵將玻璃罐體內的部分培 養(yǎng)液抽出，然后同待處理氣體一起經進氣管道再次循環(huán)送入玻璃罐體 內，使待處理氣體在進入玻璃罐體前就經過前期氣液混合。這里發(fā)明 人還在進氣口與進氣管道之間采用了文丘里管，將培養(yǎng)液送入文丘里 管，利用文氏管的收縮段中液體的流速增加形成真空，將待處理氣體 通過進氣口吸入文丘里管，并使氣泡分散與液體均勻混合，在文丘里合，再通過進氣管道一起送入氣體分布 器，氣體分布器噴出含有大量待處理氣體的培養(yǎng)液，在玻璃罐體外部 構建一個帶文丘里管吸氣裝置的外部回流循環(huán)結構。
本發(fā)明方法的優(yōu)點為
1 、將利用微藻進行光合作用以固定C02的原理實際應用到工業(yè)排 放氣中的二氧化碳(C02)減排技術中，克服了工業(yè)排氣成份復雜， 微藻耐受性差、C02的固定速率低的問題，本發(fā)明方法中對工業(yè)排放 氣C02減排速率可達50%以上。
2、 整個工.藝過程無環(huán)境污染，由培養(yǎng)液出口排出的培養(yǎng)液含有 固定C02過程中生成的生物質，通過分離得到的藻體還可以作為祠料 及其它生物質來源，利于循環(huán)再利用。
3、 占地面積小、投資成本低、運行成本少，利用培育的微藻固 定C02只需添加少量無機鹽，所需的光能可由太陽能獲得，耗能極小。
4、 通過進行前期氣液混合，在反應器外部構建一個帶文丘里吸 氣裝置的外部回流循環(huán)結構，強化傳質，大幅提高了氣液混合效能和 循環(huán)程度，進一步提高了 C02固定速率，節(jié)約成本。


圖1為本發(fā)明工藝流程示意圖。 圖2為本發(fā)明實施例工藝設備流程圖。 圖3為本發(fā)明氣升式光生物反應器的結構示意圖。 圖4為本實施例方法進行處理后排氣口中C02的濃度示意圖。 其中，l-洗氣塔、2-壓縮機、3-冷卻器、4-氣體過濾調節(jié)器、 5-流量計、7-氣升式光生物反應器、8-培養(yǎng)基進口、 9-培養(yǎng)液出口、 10-冷卻水進口、 11-冷卻水出口、 12-進氣口、 13-排氣口、 14-玻璃 罐體、15-換熱管、16-上升導管、l卜上升區(qū)、18-下降區(qū)、l卜氣體 分離區(qū)、20-進氣管道、21-氣體分布器、22-培養(yǎng)液外循環(huán)管路、23-循環(huán)水泵、24-文丘里管。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進 一 步解釋說明
實施例1:參照圖1、圖2，本實施例中工業(yè)排放氣采用C0"農度 約25%的煙道氣，首先將煙道氣經經過洗氣i荅1加入氣體洗滌劑除去 煙道氣中細小顆粒、其它固體物質、以及其中一些酸性氣體、其它有 機、無機物，使其含塵量降至2 mg/Ni^以下，再經壓縮才幾2增壓至 0. 1 ~ 2. 3 MPa,然后經冷卻器3將氣體溫度冷卻至20 ~ 30 。C,冷卻 后的氣體經過流量計5后送入氣體過濾調節(jié)器4,通過補充氣升式光 生物反應器7排出的部分循環(huán)來的轉化后的氣體使C02濃度降至 15%~20%,得到滿足微藻需求的待處理氣體，再將待處理氣體送入氣 升式光生物反應器7，在進入氣升式光生物反應器7的玻璃罐體14 內以前進行前期氣液混合，然后送入玻璃罐體14外進行微藻轉化。 轉化后的氣體(即排放氣體)由玻璃罐體14上端的排氣口 13排出， 其中一部分循環(huán)送至氣體過濾調節(jié)器4,轉化后的生物質與培養(yǎng)液一 起由培養(yǎng)液出口 9流出，并經流量計后進行藻體分離，分離出水及藻 體。
在初始運行時，可向氣體過濾調節(jié)器4補入空氣以調節(jié)氣體中 C02濃度，當氣升式光生物反應器7正常運行開始排放轉化后的氣體 時，則將其中一部分氣體引至濾調節(jié)器4，同時停止向氣體過濾調節(jié) 器4補充空氣。所述由氣升式光生物反應器7循環(huán)而來的轉化后的氣 體量可由本領域技術人員可根據測得的C02濃度進行調節(jié)。
參照圖3，氣升式光生物反應器7的玻璃罐體14的上端設有排 氣口 13、培養(yǎng)基進口 8,下端設有培養(yǎng)液出口 9。玻璃罐體14內側 環(huán)形設有多根分別與玻璃罐體14上的冷卻水進口 10和冷卻水出口 10連通的換熱管15,所述換熱管15可以為蛇形或其它形狀；沿玻璃 罐體14的中心線上設有上升導管16,上升導管16可通過支架固定 在玻璃罐體14上，其內部為上升區(qū)17、外部為下降區(qū)18，在上升區(qū)底部設有與進氣管道20出口端連通的氣體分布器21,所述進氣管道 20的進口端設有文丘里管24，進氣口 12連接文丘里24的進氣管， 所述下降區(qū)18還設有培養(yǎng)液外循環(huán)管路22,所述培養(yǎng)液外循環(huán)管路 22經循環(huán)水泵23連接文丘里管24的進液管。
氣升式光生物反應器7的工作原理為待處理氣體由進氣口 12 進入文丘里管24中的進氣管道，由于負壓吸入文丘里管24與玻璃罐 體14內的培養(yǎng)液均勻混合，在通過氣體分布器21噴于上升區(qū)17, 氣體流量相對于氣升式光生物反應器7體積為0. 1 -0. 5vvm (為每分 鐘通入氣體的量為液體的倍數(shù))，由于氣液在文丘里管24中進行過前 期混合，再通過進氣管道連接氣體分布器21，氣體分布器21噴出含 有大量待處理氣體的培養(yǎng)液，氣體以非常微小的氣泡形式存在，可獲 得極為高效的傳質面積，待處理氣體在玻璃罐體14內均勻分布，劇 烈混合以促進氣體中C02的傳質，溶解在培養(yǎng)液中的C02被微藻通過 光合作用轉化為有利用價值的微藻生物質，同時釋放出02。包括主要 含有固定C02過程中產生的02、未利用的惰性氣體(如氮等)以及未 固定的C02的氣體通過氣體分離區(qū)19經玻璃罐體14上端的排氣口 13 作為排放氣體排出。在氣升式光生物反應器7運行初期加入反應器體 積為20% (體積百分比)的藻種種子液，穩(wěn)定工作后通過培養(yǎng)基進口 8連續(xù)加入新，培基，同時在由培養(yǎng)液出口 9連續(xù)放出相同流量的培 養(yǎng)液，稀釋率為0. 5/d(為液體流進反應器時反應器內體積除以流率)， 連續(xù)運轉，使整個工作過程處于穩(wěn)定的體積以及穩(wěn)定的藻體生物濃度 (OD^值可達2.8)。排放出的培養(yǎng)液中含有固定C02過程中生成的生 物質與培養(yǎng)液一起經培養(yǎng)液出口 9排出。氣升式光生物反應器7的溫 度控制通過其內部設置的換熱管15實現(xiàn)，管內通入換熱介質，與玻 璃罐體14內部的培養(yǎng)液進行熱交換，通過控制換熱管15內換熱介質 的流量實現(xiàn)溫度控制。光能由太陽光提供，主要通過玻璃罐體14四 周罐壁吸收，同時可以考慮通過設置太陽光吸收板增強太陽光采集與吸收效率。
本實施例中所述微藻選用的藻抹為小球藻(C/ /ore/h ra^ar/s WUST 11,專利申請?zhí)?00810197667,X)，圖4給出了采用本實施例 方法進行處理后排氣口中0)2的濃度。由圖中可知，初始C02濃度約 25%的煙道氣經本發(fā)明方法處理后，排氣口氣體的C02濃度降為10%(體 積百分比)，處理如此成份復雜、高濃度C02的氣體時，系統(tǒng)仍能運行 穩(wěn)定，C02減排速率達到50%以上。
實施例2:調氣步驟中，直接采用補入空氣以調節(jié)氣體中0)2濃 度，所述微藻選用斜生柵藻(5te/7^e礎^oW/^/M),其余同實施例 1。
權利要求
1、一種利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征在于將含有CO2的工業(yè)排放氣進行除塵洗滌、加壓、調氣后得到滿足微藻需求的待處理氣體，再將該氣體進行微藻轉化，以固定CO2，降低排放氣體中的CO2濃度。
2、 如權利要求1所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征 在于，所述除塵方法為通過氣體洗滌器除去含有C02的工業(yè)排放氣中 細小顆粒、其它固體物質、以及其中一些酸性氣體、其它有機、無機 物，使其含塵量在2mg/ ,3以下；所述加壓方法為將經洗滌后的含 有C02的工業(yè)排放氣由壓縮機增壓至0. 1 ~ 2. 3 MPa,然后將氣體溫度 控制在20 - 30 °C;所述調氣方法為通過向氣體過濾調節(jié)器內補充氣 體使工業(yè)排放氣中的C02濃度調為體積百分比15%~20%,得到待處理 氣體；所述微藻轉化是將待處理氣體送入氣升式光生物反應器內，并 加入微藻進行光合作用，以降低排放氣體中的C02濃度。
3、 如權利要求2所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征 在于，在將待處理氣體送入氣升式光生物反應器的玻璃罐體內進行微 藻轉化前，先將待處理氣體與培養(yǎng)液進行前期氣液混合。
4、 如權利要求3所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征 在于，所述培養(yǎng)液引自氣升式光生物反應器玻璃罐體內的培養(yǎng)液。
5、 如權利要求3所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征 在于，所述調氣方法中補充的氣體來自空氣和/或經氣升式光生物反 應器處理后的排放氣體。
6、 如權利要求2所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征 在于，所述微藻為藍藻或綠藻。
7、 如權利要求6所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征 在于，所述微藻為藻林小球藻。
8、 如權利要求2或3或4所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征在于，所述氣升式光生物反應器包括設有培養(yǎng)基進口、培養(yǎng)液 出口、冷卻水進口、冷卻水出口、進氣口和排氣口的玻璃罐體，所述 玻璃罐體內側環(huán)形設有多組分別與冷卻水進口和冷卻水出口連通的 換熱管，上升導管將玻璃罐體分為下升區(qū)及下降區(qū)，玻璃罐體頂部還 設氣體分離區(qū)，進氣口經進氣管道與位于上升區(qū)底部的氣體分布器連 通。
9、 如權利要求8所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征 在于，所述下降區(qū)設有培養(yǎng)液外循環(huán)管路，所述培養(yǎng)液外循環(huán)管路經水泵與進氣管道連通。
10、 如權利要求9所述的利用微藻減排二氧化碳的方法，其特征在于，所述進氣口與進氣管道之間設有文丘里管，培養(yǎng)液外循環(huán)管路 經文丘里管與進氣管道連通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用微藻減排二氧化碳的方法，解決了現(xiàn)有二氧化碳減排工藝中處理成本高、耗能大、環(huán)境友好性差等問題。技術方案包括將含有CO₂的工業(yè)排放氣進行除塵洗滌、加壓、調氣后得到滿足微藻需求的待處理氣體，再將該氣體進行微藻轉化，以固定CO₂、降低排放氣體中的CO₂濃度。本方法工藝簡單、操作簡便、處理成本低、能耗小、對環(huán)境友好，對工業(yè)排放氣中CO₂減排速率可達50％以上。
文檔編號B01D53/84GK101559324SQ20091006208
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權日2009年5月15日
發(fā)明者吳高明, 李軒科, 楊忠華, 陳明明 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司;武漢科技大學