CN107899375A

CN107899375A - 一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺

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Publication number: CN107899375A
Application number: CN201711197095.0A
Authority: CN
Inventors: 杨正山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-25
Filing date: 2017-11-25
Publication date: 2018-04-13

Abstract

本发明公开了一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺，所述工艺由二氧化碳混合捕集版块和微藻固碳版块组成；通过调节混合捕集系统二氧化碳的捕集率实现对截留气中二氧化碳浓度的控制，降低混合捕集系统的单位捕集成本和能耗；利用液化天然气为混合捕集系统提供低温能量，天然气燃烧过程中利用微藻固碳环节产生的气体和空气作为氧源，产生的废热为微藻固碳版块提供热量；微藻固碳版块利用混合捕集技术版块中的截留气和天然气燃烧后的烟气作为碳源，降低了耐高浓度二氧化碳藻种的选育成本和难度，增加了微藻种类的适用范围，降低了烟气中微量有害杂质的单位处理成本，脂质和藻粉加工产品可以提高工艺的经济效益。

Description

一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺

技术领域

本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，尤其涉及一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺。

背景技术

工业革命以来，随着化石燃料的燃烧，大气中二氧化碳浓度的急速上升，温室效应日益严重，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，目前地球表面大气中二氧化碳平均浓度高于400ppm。在温室气体的总增温效应中，二氧化碳贡献率占63%左右，通过减少二氧化碳的排放有利于改善和减缓温室效应。根据国际能源署（IEA）相关报道，为了实现2摄氏度的增温目标，2040年全世界需要每年捕集和封存40亿吨左右的二氧化碳，现已部署的二氧化碳捕集与封存（CCS）能力约4000万吨/年。《巴黎协定》中明确的长期气候目标为控制平均全球变暖远远低于的2摄氏度，并期望控制气温提升1.5摄氏度。气候模式指出，控制大气二氧化碳平均浓度不超过450ppm，需要从2050年依赖负排放才能实现，尤其是与CCS相结合的生物能（BECCS）。

生物能源与碳捕获和储存技术(BECCS)是一种非常有效的温室气体减排技术，该技术结合了碳捕集和储存(CCS)和生物能源利用，能够实现二氧化碳的净负排放。

在现有大规模的CCS项目中，CCS的捕集部分占了整个项目的绝大部分成本，其中电力部门二氧化碳的排放量占全球排放总量的40%左右，捕集和压缩过程相关的花费占整个项目的70%-90%左右。

目前二氧化碳捕集的技术中主要有溶剂吸收法、吸附法、膜分离法、低温深冷分离法等，目前醇胺吸收法处于工业应用阶段，但是存在吸收剂泄露或挥发造成环境污染，吸收剂再生温度高，能耗高等问题。膜分离法操作简便、模块化、占地面积小、能耗低等优点，具有广阔的应用前景，但是由于燃煤电厂烟气压强小，烟气中二氧化碳的浓度较低，超过一定捕集率之后，提升单位捕集率所需能耗、膜面积迅速增加，增加了捕集成本，这是目前阻碍膜分离法工业应用主要影响因素之一。

随着捕集技术的发展，目前出现了多种混合捕集技术，例如：将膜分离法与化学吸收法整合成膜接触反应器，将低温深冷技术与膜分离法整合形成Ambient膜混合系统和sub-ambient膜混合系统，将变压吸附与膜分离法和低温深冷技术进行组合的混合捕集技术；通过技术的整合有利于降低系统的能耗和单位捕集成本。

微藻固碳技术具有光和速率高、环境适应性强和二氧化碳分离和捕集成本低等优点，根据现有研究表明当二氧化碳的浓度超过5%之后，大多数微藻的生长受到一定程度的抑制，烟气中的硫氧化物和氮氧化物同样会对微藻的生长产生抑制；培育耐高浓度二氧化碳和污染物的藻类的成本较高，使用空气作为碳源时，微藻培养过程中溶解氧达到一定程度会对微藻生长产生一定抑制作用；微藻粉末含有丰富的碳元素，可以用来制备生物碳、煤炭替代燃料等，同时富含蛋白质可以作为牲畜的肥料，具有很好的经济价值。

现有的膜材料不能满足单级膜组件实现对燃煤电厂烟道气中二氧化碳捕集率为90%，纯度为95%的目标要求；多级膜组件二氧化碳捕集系统在二氧化碳捕集浓度不变的情况下，捕集率在80%-90%之间单位捕集成本随着捕集率增加明显增大。

因此，研究一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺，通过微藻固碳增加混合捕集工艺二氧化碳的捕集率，降低工艺的能耗和捕集成本；微藻固碳技术的光合作用产物可以增加捕集工艺的收益，藻粉作为电厂燃料可以增加负碳排放，为生物能源与碳捕获和储存技术(BECCS)提供一种新途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺，由混合捕集版块和微藻固碳版块组成；通过利用整合膜分离法和低温深冷法，同时调整混合捕集系统二氧化碳的捕集率，降低混合捕集系统二氧化碳单位捕集成本和能耗；利用混合捕集系统的截留气及天然气燃烧后排放的烟气为微藻固碳系统提供碳源，光合作用产物和微藻粉末加工产品提高工艺的收益；通过混合捕集系统，天然气燃烧后的烟气可以提升了微藻固碳版块碳源气体中二氧化碳的浓度，在不影响微藻生长的情况下提高固碳效果，天然气燃烧发电产生的废热可以为微藻固碳版块的温度调节提供热量；微藻固碳版块产生的气体可以为天然气的燃烧提供氧源。

本发明提供的技术方案如下：一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺，步骤如下：在混合捕集版块，燃煤电厂烟道气经过预处理后，通过加压、降温、干燥处理后进入膜分离环节；第一级膜组件的渗透气经过真空泵抽吸和压缩机压缩及降温之后进入第二级膜组件，第二级膜组件的渗透气中二氧化碳浓度满足95%纯度目标，经过多级压缩机的压缩到略高于该浓度条件下超临界状态所需的压强，然后进行分阶段降温，并使用液化天然气为系统提供低温能量，降温、液化后得到液态二氧化碳；通过低温液体泵增压和换热器升温后达到商业需求压力和温度条件。

在微藻固碳版块，可分为微藻培养环节、脱水环节、预处理环节、脂质提取环节、脂质加工环节；微藻培养环节产生的气体为天然气燃烧提供氧源，在脂质提取环节通过使用混合捕集系统版块的超临界二氧化碳实现将脂质的萃取和微藻粉末分离有效整合在一起，得到的微藻粉末可以作为燃煤电厂煤炭的替代燃料，经过加工后的产品可以增加工艺的经济效益，萃取得到的脂质加工后得到的产品可以增加工艺的经济效益。

液化天然气利用完冷能量后作为燃料与微藻固碳系统产生的气体以及一定比例的空气混合燃烧，在调节微藻固碳碳源二氧化碳浓度时可以增加额外的天然气源作为燃料，天然气燃烧产生的废热为微藻生长所需温度提供热量；燃烧后的烟气与第一级膜组件截留气一起为微藻固碳系统提供碳源，避免了直接使用燃煤电厂烟气中二氧化碳浓度作为碳源对微藻生长的抑制，增加了适用微藻固碳的藻类数量，减少了耐受高浓度CO2藻种的选育成本和难度；缓解使用空气作为碳源时，培养液中溶解氧气对微藻产率的抑制。

燃煤电厂烟气在混合捕集环节进行了净化处理，再加上膜组件的渗透作用，进一步降低了截留气中的氮氧化物和硫氧化物、汞等杂质的浓度，由于微藻固碳系统的二氧化碳捕集率有限，使用混合烟气作为碳源可以减少直接使用燃煤电厂烟道气作为碳源时烟气中氮氧化物和硫氧化物的单位处理成本。

附图说明

下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行更详细的说明：图1为本发明的燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺的一种实施结构示意图。

附图中标号说明：1、燃煤电厂烟道气；2、烟气净化装置；3、11、压缩机；4、5、12、13、16、17、22、23、26、换热器；6、18、脱水干燥装置；7、气体混合器；8、14、膜组件；9、膨胀机；10、真空泵；15、多级压缩机；19、LNG换热器；20、低温液体泵；21、液化天然气储罐；24、天然气燃烧发电装置；25、烟气预处理装置；27、光反应器；28、微藻溶液脱水器装置；29、萃取预处理装置；30、脂质萃取装置；31、藻粉加工装置；32、萃取剂储存装置；33、脂质加工装置。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，下面将结合现有技术方案描述中所需附图进行详细的说明。

参照图1，本发明的一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺包括：混合捕集版块和微藻固碳版块；在混合捕集版块，燃煤电厂烟道气1通过S1进入混合捕集系统，烟气首先经过烟气净化装置2进一步脱除微量组分，减少对膜材料的危害，降低膜组件8截留气中氮氧化物、硫氧化物、汞等微量物质的浓度；净化后的烟气通过S2与压缩机3相连，烟气的压强升温后进行2阶段降温。

经过加压后的烟气先经过S3进入换热器4中，初步降温后经过S4与换热器5相连；在换热器4中使用循环水进行降温；换热器5的低温能量由来自膨胀机9中的低温烟气提供；燃煤电厂烟道气经过换热器5降温后通过S5与脱水干燥装置6相连；烟气干燥后，通过S6到达气体混合器7中，与来自膜组件14的截留气混合均匀后经过S7与膜组件8的进料气侧相连，进入多级膜分离环节。

膜组件8的渗透气侧与S8相连，截留气侧通过S9与膨胀机9相连；截留气通过S9到达膨胀机9后，经过膨胀发电，烟气降温加压后通过S10为换热器5提供低温能量，在换热器5中温度升高后通过S31进入微藻固碳版块；膜组件8的渗透气经过S8与真空泵10相连；烟气经过真空泵10抽吸恢复大气压后通过S11与压缩机11相连；渗透气在压缩机11中加压升温，然后通过S12与换热器12相连，换热器12使用循环水降温；初步降温后的气体经过S13与换热器13相连；换热器12使用循环水降温，换热器13的低温能量由低温液态二氧化碳提供；来自膜组件8中渗透气经过换热器13降温后通过S14与膜组件14的进料气侧相连，进入第二级膜分离环节。

膜组件14的渗透气侧通过S15与多级压缩机15相连，截留气侧通过S16与气体混合器7相连；烟气温度降低后，二氧化碳在膜组件14中的分离系数增加，二氧化碳在渗透气中进一步富集浓缩，满足95%纯度目标，通过S15进入二氧化碳液化环节。

膜组件14渗透气中高浓度二氧化碳气体在多级压缩机15中被压缩到高于二氧化碳液化所需压强的设定值，加压后的气体进入多级降温环节；经过S17与换热器16相连，在换热器16中利用循环水为烟气初步降温，然后通过S18与换热器17相连；在换热器17中利用来自低温液体泵20中的液态二氧化碳为烟气提供低温能量，第二次降温的二氧化碳气体通过S19与脱水干燥装置18相连，进一步脱水干燥，干燥后的二氧化碳气体通过S20进入LNG换热器19中；经过第三次降温，二氧化碳气体发生液化经过S21输送到低温液体泵20中。

LNG换热器19的低温能量由液化天然气储罐21中的液化天然气通过S25与LNG换热器19相连后提供，液化天然气升温后通过S26与换热器23相连；换热器23使用循环水进行升温，得到升温后的天然气通过S27进入天然气燃烧发电装置24中；天然气燃烧发电装置24的氧气由微藻固碳版块中光反应器27产生的气体和来自S28中的新鲜空气按照一定比例提供；天然气燃烧后的烟气经过S29与烟气预处理装置25相连，在烟气预处理装置25中进行烟气的脱硝、余热回收和烟气温度的调节，使烟气满足微藻繁殖条件，处理后的烟气通S30进入光反应器27中，与来自S31中的烟气一起为微藻固碳版块提供碳源；当需要改变碳源中二氧化碳的百分比例是需要通过S44为天然气燃烧发电装置24提供更多的外来的天然气或者液化天然气，以满足实际需求。

液体二氧化碳在低温液体泵20中压力得到提升，增压后的低温液态二氧化碳通过S22输送到换热器17中，为换热器提供低温能量，初步升温后通过S23与换热器13相连，经过第二次升温后通过S24与换热器22相连，升温到商业用途所需温度后通过S43进入商业应用环节；其中一部分超临界二氧化碳通过S41与萃取剂储存装置32相连，为脂质的萃取分离提供萃取剂。

膜组件8中截留气的能量回收后进入微藻固碳版块后，先经过换热器26调节到微藻繁殖适宜的温度范围；烟气温度调整完成后通过S32进入光反应器27中；在光反应器27中的温度和光照、营养条件适宜微藻的繁殖，微藻在光反应器27中通过光合作用将来自膜组件8中截留气和烟气预处理装置25中的天然气燃烧后排放的烟气中二氧化碳转化成有机物同时释放氧气，微藻合成的脂质有机物通过S34进入脂质回收环节。

微藻溶液先通过S34进入微藻溶液脱水装置28中，通过使用凝聚、絮凝、离心、过滤等技术将微藻与水溶液进行分离；微藻与水溶液在微藻溶液脱水装置28中分离后仍然含有大量的水分，需要通过S35输送到萃取预处理装置29中进一步处理才能进行萃取；在萃取预处理装置21中，微藻经过细胞破碎、变干、粉碎得到微藻粉末，通过S36进入脂质萃取装置30中。

在脂质萃取环节，来自混合捕集环节的超临界二氧化碳在萃取剂储存装置32中被调整到萃取脂质所需压强和温度，然后通过S40为脂质萃取装置30提供萃取剂；超临界二氧化碳作为萃取剂可以将萃取、分离过程整合在一起，脱除脂质成分的微藻粉末经过S37与藻粉加工装置31相连；萃取得到的脂质通过S39与脂质加工装置33相连；藻粉经过加工后通过S38进入商业利用环节，脂质经过精馏等加工环节后经过S42进入商业利用环节。

Claims

1.一种燃煤电厂烟道气二氧化碳混合捕集耦合微藻固碳工艺，其特征在于：由混合捕集版块和微藻固碳版块组成，在混合捕集系统版块整合了膜分离法和低温深冷技术，燃煤电厂烟道气经过预处理后，通过加压、降温、干燥处理后进入膜分离环节；第一级膜组件的渗透气经过真空泵抽吸和压缩机压缩及降温之后进入第二级膜组件，第二级膜组件的渗透气中二氧化碳浓度满足95%纯度目标；经过多级压缩机加压到高于超临界状态所需的压强，然后进行分阶段降温，并使用液化天然气为系统提供低温能量，降温、液化后得到液态二氧化碳，再通过低温液体泵加压和换热器升温得到超临界二氧化碳；微藻固碳系统版块，可分为微藻培养环节、脱水环节、预处理环节、脂质提取环节、脂质加工环节；微藻培养环节产生的气体为天然气燃烧提供氧源，微藻培养环节的碳源由混合捕集版块第一级膜组件截留气和天然气燃烧后的烟气提供，脂质提取环节的萃取剂由混合捕集系统版块得到的超临界二氧化碳提供，得到的微藻粉末可以作为燃煤电厂煤炭的替代燃料，经过加工后的产品可以增加工艺的经济效益，萃取得到的脂质加工后得到的产品可以增加工艺的经济效益。

2.根据权利要求1所述的微藻固碳版块，其特征在于：微藻培养环节可以通过控制天然气燃烧后烟气与第一级膜组件截留气的比例调节碳源中二氧化碳的平均浓度，可以在不影响微藻生长的情况下提高二氧化碳的浓度和固碳效率，避免直接使用燃煤电厂烟道气作为碳源对微藻生长的抑制，拓展了微藻固碳所用微藻的适用范围，减少了耐高浓度CO2藻种的选育成本和难度；缓解使用空气作为碳源时，培养液中溶解氧气对微藻产率的抑制作用。

3.根据权利要求1所述的混合捕集版块，其特征在于：液化天然气利用完冷能量后与微藻固碳系统产生的气体及新鲜空气按照一定比例混合后进行燃烧，根据调节微藻固碳版块碳源中二氧化碳浓度增加额外的天然气源进行燃烧，天然气燃烧产生的废热为微藻生长所需温度提供热量；燃煤电厂烟气在混合捕集环节进行了净化处理，再加上在膜组件中的渗透作用，进一步降低了截留气中的氮氧化物、硫氧化物和汞等微量杂质的含量，由于微藻固碳系统的二氧化碳捕集率有限，使用混合烟气作为碳源可以减少直接使用燃煤电厂烟道气作为碳源时烟气中微量杂质的单位处理成本。