[發(fā)明專利]基于微藻光合固碳原理的間接式沼氣脫碳提純方法及系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN107513442A
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏奡;孫馳賀;廖強;黃云;付乾;李俊;張亮;朱恂
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: C10L3/10
• 分類號: C10L3/10
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務(wù)所(普通合伙)50211
• 代理人: 郭云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可再生能源利用領(lǐng)域，具體涉及基于微藻光合固碳原理進行間接式沼氣脫碳提純方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

沼氣作為一種可再生且環(huán)境友好的生物質(zhì)能源形式，是由微生物通過厭氧消化作用產(chǎn)生的可燃性混合氣體。沼氣的主要化學(xué)成分為甲烷(40％-75％)和二氧化碳(15％-60％)，以及少量的水蒸氣、硫化氫、氨氣、氮氣及氧氣等。現(xiàn)階段，中國的沼氣能源化利用主要以低品位熱利用為主，但是隨著集中式沼氣工程的建設(shè)以及沼氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展，沼氣高效高值的中高端利用途徑，如沼氣發(fā)電、車用燃料等，正在不斷擴展和壯大。然而，在進行上述能源化利用之前，為了減少沼氣中二氧化碳含量以提高沼氣熱值及能量密度、滿足天然氣沃伯指數(shù)要求，需要進一步對沼氣進行相應(yīng)的脫碳提純操作。經(jīng)過脫碳提純后的沼氣需滿足其甲烷含量≥97％，二氧化碳含量≤3％。

工業(yè)上常用的沼氣脫除二氧化碳的工藝主要為物理化學(xué)法，如高壓水洗、變壓吸附和膜分離等。盡管采用上述傳統(tǒng)方法可以獲得富含甲烷的天然氣產(chǎn)品，但是這類方法進行沼氣脫碳提純時仍然存在耗能高、成本高等缺點。首先，物理化學(xué)法均對原料氣有一定的壓力要求，這使得原料氣在壓縮過程中耗費了大量的能量(約占沼氣儲能的3％-6％)。而且，如果脫碳提純后的天然氣采用低壓管道運輸，產(chǎn)品的減壓過程又會進一步造成操作工藝的復(fù)雜化。其次，由于吸附材料在復(fù)蘇過程中的部分不可逆性，使得沼氣脫碳提純過程的系統(tǒng)循環(huán)性差，進而導(dǎo)致沼氣中甲烷回收率存在不穩(wěn)定性。最后，采用物理化學(xué)法進行脫碳提純的過程中還會產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)物，而對副產(chǎn)物的脫除操作會額外增加技術(shù)投資和運行成本。

近年來，鑒于采用傳統(tǒng)物理化學(xué)法進行沼氣脫碳提純存在一定的缺陷，研究學(xué)者們提出了采用以微藻為生物質(zhì)吸附單元對沼氣進行直接式生物化學(xué)脫碳提純的方法。相比于傳統(tǒng)的物理化學(xué)法，這類方法是直接將原料氣注入到微藻藻液中，微藻利用光合作用對沼氣中的二氧化碳實現(xiàn)脫除處理。另外，利用沼氣中的二氧化碳作為碳源供給得到的微藻生物質(zhì)可以用來作為生物柴油、沼氣等生物燃料的原料來源，或者用于生產(chǎn)藥品、化妝品、保健品等高附加值的產(chǎn)品，增加了沼氣脫碳提純過程中附加經(jīng)濟價值的產(chǎn)出。但是，微藻利用光合固碳進行直接式沼氣脫碳提純的同時會產(chǎn)生等量的氧氣，混入氧氣的天然氣在運輸過程中存在爆炸危險，氧氣的脫出也會造成運行成本的增加。其次，微藻進行光合作用存在周期性，使得沼氣脫碳提純系統(tǒng)無法全天候連續(xù)運行。最為重要的是，直接通入沼氣很有可能會抑制微藻生長，進而導(dǎo)致脫碳提純效率下降和微藻生物質(zhì)產(chǎn)品得率下降。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于微藻光合固碳原理的間接式沼氣脫碳提純方法及系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)沼氣脫碳提純過程中操作復(fù)雜、投資成本高、循環(huán)性差等問題，同時解決利用微藻進行直接式沼氣脫碳提純過程中存在的微藻培養(yǎng)受限和脫碳提純效率較低等問題。

本發(fā)明的第一個技術(shù)方案是：一種基于微藻光合固碳原理實現(xiàn)沼氣脫碳提純方法，其特征在于,按照如下步驟完成：

步驟一，將待處理沼氣通入到裝有碳酸鈉鹽溶液的反應(yīng)罐中反應(yīng)生成碳酸氫鈉鹽溶液，經(jīng)過化學(xué)脫碳提純后的沼氣經(jīng)反應(yīng)罐排出得以收集；

步驟二，將反應(yīng)罐內(nèi)與沼氣發(fā)生反應(yīng)后的溶液引流至微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中，將其作為微藻培養(yǎng)過程所需要的碳源；并向微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中補充微藻生長所需要的營養(yǎng)元素；

步驟三，在微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中，微藻將碳酸氫鈉鹽溶液中的碳固定為自身有機物并生成碳酸鈉鹽溶液；當(dāng)微藻培養(yǎng)完成后，利用微藻采收系統(tǒng)對微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中的微藻進行采收；采收后再將微藻采收系統(tǒng)中的液相溶液重新回流到反應(yīng)罐中用于沼氣脫碳提純。

本發(fā)明同時將化學(xué)法和生物法兩種理念融合到沼氣脫碳提純過程中，在實現(xiàn)沼氣脫碳提純的同時，不僅能大幅度減少二氧化碳的排放，而且能通過微藻光合固碳作用獲得微藻生物質(zhì)，為生物柴油、沼氣等生物燃料的生產(chǎn)以及藥品、化學(xué)品、保健品等高附加價值產(chǎn)品生產(chǎn)提供可靠有效的有機底物；本發(fā)明規(guī)避了傳統(tǒng)物理化學(xué)法較高的投資和運行成本以及復(fù)雜的操作工藝；解決了利用微藻進行直接式沼氣脫碳提純過程中待處理沼氣對于微藻生長的不利影響，以及氧氣含量過高對于沼氣運輸和使用過程中的潛在危險；同時解決了利用微藻進行直接式沼氣脫碳提純過程中存在的微藻培養(yǎng)受限和脫碳提純效率較低等問題；本發(fā)明成本低，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單；可廣泛應(yīng)用在能源、環(huán)保等領(lǐng)域。