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
刘归香
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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***和在线检测***组成,光生物反应***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***和在线检测***组成。
其中,在线检测***由液相在线监测控制***、气相在线监测***以及数据采控***组成,数据采控***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***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***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***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***;
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***;
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***,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***,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***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***。
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***。
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***,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***,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***由液相在线监测控制***、气相在线监测***以及数据采控***组成,数据采控***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***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***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***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***,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***和在线检测***组成,
其中,在线检测***由液相在线监测控制***、气相在线监测***以及数据采控***组成,数据采控***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***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***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***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***;
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***;
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***,
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***,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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