[发明专利]基于微藻光合固碳原理的间接式沼气脱碳提纯方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及可再生能源利用领域，具体涉及基于微藻光合固碳原理进行间接式沼气脱碳提纯方法及系统。

背景技术

沼气作为一种可再生且环境友好的生物质能源形式，是由微生物通过厌氧消化作用产生的可燃性混合气体。沼气的主要化学成分为甲烷(40％-75％)和二氧化碳(15％-60％)，以及少量的水蒸气、硫化氢、氨气、氮气及氧气等。现阶段，中国的沼气能源化利用主要以低品位热利用为主，但是随着集中式沼气工程的建设以及沼气产业规模的发展，沼气高效高值的中高端利用途径，如沼气发电、车用燃料等，正在不断扩展和壮大。然而，在进行上述能源化利用之前，为了减少沼气中二氧化碳含量以提高沼气热值及能量密度、满足天然气沃伯指数要求，需要进一步对沼气进行相应的脱碳提纯操作。经过脱碳提纯后的沼气需满足其甲烷含量≥97％，二氧化碳含量≤3％。

工业上常用的沼气脱除二氧化碳的工艺主要为物理化学法，如高压水洗、变压吸附和膜分离等。尽管采用上述传统方法可以获得富含甲烷的天然气产品，但是这类方法进行沼气脱碳提纯时仍然存在耗能高、成本高等缺点。首先，物理化学法均对原料气有一定的压力要求，这使得原料气在压缩过程中耗费了大量的能量(约占沼气储能的3％-6％)。而且，如果脱碳提纯后的天然气采用低压管道运输，产品的减压过程又会进一步造成操作工艺的复杂化。其次，由于吸附材料在复苏过程中的部分不可逆性，使得沼气脱碳提纯过程的系统循环性差，进而导致沼气中甲烷回收率存在不稳定性。最后，采用物理化学法进行脱碳提纯的过程中还会产生不必要的副产物，而对副产物的脱除操作会额外增加技术投资和运行成本。

近年来，鉴于采用传统物理化学法进行沼气脱碳提纯存在一定的缺陷，研究学者们提出了采用以微藻为生物质吸附单元对沼气进行直接式生物化学脱碳提纯的方法。相比于传统的物理化学法，这类方法是直接将原料气注入到微藻藻液中，微藻利用光合作用对沼气中的二氧化碳实现脱除处理。另外，利用沼气中的二氧化碳作为碳源供给得到的微藻生物质可以用来作为生物柴油、沼气等生物燃料的原料来源，或者用于生产药品、化妆品、保健品等高附加值的产品，增加了沼气脱碳提纯过程中附加经济价值的产出。但是，微藻利用光合固碳进行直接式沼气脱碳提纯的同时会产生等量的氧气，混入氧气的天然气在运输过程中存在爆炸危险，氧气的脱出也会造成运行成本的增加。其次，微藻进行光合作用存在周期性，使得沼气脱碳提纯系统无法全天候连续运行。最为重要的是，直接通入沼气很有可能会抑制微藻生长，进而导致脱碳提纯效率下降和微藻生物质产品得率下降。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微藻光合固碳原理的间接式沼气脱碳提纯方法及系统，解决传统沼气脱碳提纯过程中操作复杂、投资成本高、循环性差等问题，同时解决利用微藻进行直接式沼气脱碳提纯过程中存在的微藻培养受限和脱碳提纯效率较低等问题。

本发明的第一个技术方案是：一种基于微藻光合固碳原理实现沼气脱碳提纯方法，其特征在于,按照如下步骤完成：

步骤一，将待处理沼气通入到装有碳酸钠盐溶液的反应罐中反应生成碳酸氢钠盐溶液，经过化学脱碳提纯后的沼气经反应罐排出得以收集；

步骤二，将反应罐内与沼气发生反应后的溶液引流至微藻培养系统中，将其作为微藻培养过程所需要的碳源；并向微藻培养系统中补充微藻生长所需要的营养元素；

步骤三，在微藻培养系统中，微藻将碳酸氢钠盐溶液中的碳固定为自身有机物并生成碳酸钠盐溶液；当微藻培养完成后，利用微藻采收系统对微藻培养系统中的微藻进行采收；采收后再将微藻采收系统中的液相溶液重新回流到反应罐中用于沼气脱碳提纯。

本发明同时将化学法和生物法两种理念融合到沼气脱碳提纯过程中，在实现沼气脱碳提纯的同时，不仅能大幅度减少二氧化碳的排放，而且能通过微藻光合固碳作用获得微藻生物质，为生物柴油、沼气等生物燃料的生产以及药品、化学品、保健品等高附加价值产品生产提供可靠有效的有机底物；本发明规避了传统物理化学法较高的投资和运行成本以及复杂的操作工艺；解决了利用微藻进行直接式沼气脱碳提纯过程中待处理沼气对于微藻生长的不利影响，以及氧气含量过高对于沼气运输和使用过程中的潜在危险；同时解决了利用微藻进行直接式沼气脱碳提纯过程中存在的微藻培养受限和脱碳提纯效率较低等问题；本发明成本低，结构简单，操作简单；可广泛应用在能源、环保等领域。