一种工业尾气能源化系统

摘要

本发明公开了一种工业尾气能源化系统。本发明的工业尾气能源化系统是有机的将微藻产油装置和合成气发酵菌株生长发酵耦联。通过本发明的工业尾气能源化系统能有效的能源化尾气中的CO2和CO，获得了乙醇和柴油两类清洁的能源和少量的乙酸副产品。由此可见，本发明通过生物方式充分的处理了工业尾气的各个组份，并实现了能源化，因此能缓解工业尾气排放对环境的污染，具有很重要的使用价值。

权利要求

1.一种工业尾气能源化系统，其特征在于，包括CO2吸收装置（1），CO2吸收装置（1）分别与N2分离装置（13）、CO2分离装置（2）和第一除氧柱（7）连接，第一除氧柱（7）还分别与合成气发酵菌株生长罐（8）和合成气发酵菌株发酵罐（10）相连，CO2分离装置（2）与微藻培养装置（3）、微藻及微藻培养液分离装置（4）、微藻分离装置（5）、微藻提取柴油反应器（6）和柴油输出管道依次连接，微藻培养装置（3）和微藻及微藻培养液分离装置（4）之间还连有微藻培养液返回管道，微藻分离装置（5）与第二除氧柱（12）、合成气发酵菌株生长罐（8）、乙酸分离装置（9）、合成气发酵菌株发酵罐（10）、乙醇分离装置（11）和乙醇输出管道依次连接，乙酸分离装置（9）与合成气发酵菌株生长罐（8）之间还连有合成气发酵菌株培养液返回管道，合成气发酵菌株发酵罐（10）与乙醇分离装置（11）之间还连有菌体、培养液返回管道，乙酸分离装置（9）的乙酸输出端口分别与乙酸输出管道和经乙酸返回管与微藻培养装置（3）相连，合成气发酵菌株发酵罐（10）还通过CO+CO2返回管道与CO2吸收装置（1）相连。

2.根据权利要求1所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的CO2吸收装置（1）TM

为含有单乙醇胺，二乙醇胺，三乙醇胺或Selexol 作为吸收溶剂的CO2吸收装置。

3.根据权利要求1所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的微藻培养装置（3）为封闭式光生物反应器，该封闭式光生物反应器具有能接收外界CO2的开口。

4.根据权利要求3所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的封闭式光生物反应器为发酵罐式光反应器，管式光反应器或板式光反应器。

5.根据权利要求1所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的微藻分离装置（5）为离心机。

6.根据权利要求1所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的微藻及微藻培养液分离装置（4）、乙酸分离装置（9）和乙醇分离装置（11）为能实现微藻与微藻培养液分离、乙酸分离和乙醇分离的过滤装置或离心分离设备。

7.根据权利要求1所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的第一除氧柱（7）和第二除氧柱（12）均为还原铜柱。

8.根据权利要求1所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的合成气发酵菌株生长罐（8）为升流式生物反应器、连续搅拌釜式反应器、滴流床厌氧反应器或鼓泡式厌氧反应器。

9.根据权利要求1所述的工业尾气能源化系统，其特征在于，所述的合成气发酵菌株发酵罐（10）为升流式生物反应器、连续搅拌釜式反应器、滴流床厌氧反应器、鼓泡式厌氧反应器或膜反应器。

说明书

一种工业尾气能源化系统

技术领域：

[0001] 本发明属于废气处理和清洁能源开发领域，主要涉及工业尾气的能源化利用的系统。背景技术：

[0002] 工业工厂每年向大气排放大量的碳氧化合物不仅浪费能源而且给环境也带来巨大的压力。其中以合成氨工业，石油炼制工业，钢铁厂，木浆造纸工业等能量密集型行业排放碳氧化合物的问题尤为突出。这些行业排放的碳氧化合物给环境造成沉重负担。

[0003] 微藻是一类能快速利用CO2，并同时产生油脂的生物，它被广泛的用于生产生物柴油。除了微藻本身脂类成分，它还有丰富的糖类可供利用，因而微藻是一种极其适合能源化CO2的生物。

[0004] 合成气发酵菌株是一类能在严格厌氧环境下能同时利用CO、CO2/H2和糖类发酵产乙醇微生物，然而，在常温常压下，其对气态碳源的利用效率相对较低。这类微生物包括 Clostridium thermoaceticum，Clostridium autoethanogenum，Peptostreptoccus productus，Eubacteriam limosum，Butyribacterium methylotrophicum，Clostridium ljungdahlii和Clostridium carboxidivorans等。合成气发酵菌株的生长和乙醇发酵需要不同的培养环境。该类微生物在有利的生长的环境中菌株的主要代谢产物是酸类，而在不利的生长条件下菌株的主要产物为醇类。

[0005] 该类微生物化学计量式如下：

[0006] 6CO+3H2O→CH3CH2OH+4CO2 ΔH＝-217.9kJ/mol

[0007] 2CO2+6H2→CH3CH2OH+3H2O ΔH＝-97.3kJ/mol

[0008] 4CO+2H2O→CH3COOH+2CO2 ΔH＝-154.9kJ/mol

[0009] 2CO2+4H2→CH3COOH+2H2O ΔH＝-75.3kJ/mol

[0010] 由上可知，合成气发酵菌株虽然有利用尾气中CO的独特能力，但其效率较低，且在缺乏还原力的条件下，将有部分CO2产生。而引入微藻的培养可以改善这些不足，微藻的存在一是可以更有效的利用CO2二是微藻的含糖部分可用于促进合成气发酵菌株的生长。因此，合成气发酵菌株和微藻耦合可有效处理工厂尾气中的碳氧化合物。

[0011] 工厂尾气不连续供给是尾气微生物处理的另一个难题，尾气处理需要通过特定装置组合以适应断续的尾气环境。发明内容：

[0012] 本发明的目的是提供一种能缓解工业尾气排放对环境的污染，充分的利用尾气中的碳氧化合物获得乙醇和柴油两类清洁能源和少量乙酸副产品的工业尾气能源化系统。

[0013] 本发明的工业尾气能源化系统，包括CO2吸收装置，CO2吸收装置分别与N2分离装置、CO2分离装置和第一除氧柱连接，第一除氧柱还分别与合成气发酵菌株生长罐和合成气发酵菌株发酵罐相连，CO2分离装置与微藻培养装置、微藻及微藻培养液分离装置、微藻分离装置、微藻提取柴油反应器和柴油输出管道依次连接，微藻培养装置和微藻及微藻培养液分离装置之间还连有微藻培养液返回管道，微藻分离装置与第二除氧柱、合成气发酵菌株生长罐、乙酸分离装置、合成气发酵菌株发酵罐、乙醇分离装置和乙醇输出管道依次连接，乙酸分离装置与合成气发酵菌株生长罐之间还连有合成气发酵菌株培养液返回管道，合成气发酵菌株发酵罐与乙醇分离装置之间还连有菌体、培养液返回管道，乙酸分离装置的乙酸输出端口分别与乙酸输出管道和经乙酸返回管与微藻培养装置相连，合成气发酵菌株发酵罐还通过CO+CO2返回管道与CO2吸收装置相连。

[0014] 所述的N2分离装置是将工业尾气中N2的从尾气中分离出来，可以通过分子筛、低温分馏等工艺分离N2，这属于本领域的公知常识。

[0015] 所述的CO2吸收装置中装有CO2吸收溶剂，吸收溶剂可以为单乙醇胺，二乙醇胺，三TM乙醇胺和Selexol 。

[0016] 所述的CO2分离装置是将CO2吸收饱和溶剂通过加热等手段使CO2和CO2吸收溶剂分离。

[0017] 所述的微藻培养装置优选为封闭式光生物反应器，如发酵罐式光反应器，管式光反应器，板式光反应器，进一步优选所述的封闭式光生物反应器具有能接收外界CO2的开口。其培养液可来源于钢厂废水或自行配置。通过接收外界CO2的开口利用空气中的CO2组份，控制微藻培养至最适温度和光照强度，太阳或人造光源均可为光照来源。当藻液长浓后，就可以通过微藻及微藻培养液分离装置分离出微藻和培养液，微藻再经微藻分离装置使微藻渣和微藻上清液分离，微藻渣用于生物柴油的制备，含糖的微藻上清液用于合成气发酵菌株的生长。

[0018] 所述的微藻分离装置优选为离心机，利用离心机将微藻渣和微藻的上清液分开。

[0019] 所述的微藻及微藻培养液分离装置、乙酸分离装置和乙醇分离装置优选为能实现微藻与微藻培养液分离、乙酸分离和乙醇分离的过滤装置、微滤装置、超滤装置和离心等分离设备，本领域技术人员可以根据本领域的公知常识去进行选择并实施。

[0020] 所述的第一除氧柱和第二除氧柱优选为通过高温铜催化剂去除氧或通过其他钯和铂等贵金属氧化物和H2反应去除氧。

[0021] 所述的合成气发酵菌株生长罐优选为升流式生物反应器、连续搅拌釜式反应器、滴流床厌氧反应器和鼓泡式厌氧反应器等适合菌株生长的常规发酵罐。

[0022] 所述的合成气发酵菌株发酵罐优选为升流式生物反应器、连续搅拌釜式反应器、滴流床厌氧反应器、鼓泡式厌氧反应器和膜反应器等适合微生物利用CO的反应器。

[0023] 所述的合成气发酵菌株生长罐和合成气发酵菌株发酵罐是为了培养合成气发酵菌株，所述的合成气发酵菌株包括Clostridium thermoaceticum，Clostridium autoethanogenum，Peptostreptoccus productus，Eubacteriam limosum，Butyribacterium methylotrophicum，Clostridium ljungdahlii和Clostridium carboxidivorans等。

[0024] 本发明的工业尾气能源化系统的运行方法为：

[0025] 工业尾气经N2分离装置分离N2后，进入含有CO2吸收溶剂的CO2吸收装置，CO2被吸收，剩余的气体主要为含有CO的气体，该气体经第一除氧柱去除氧气后，分别通入合成气发酵菌株生长罐和合成气发酵菌株发酵罐，供合成气发酵菌株生长和发酵使用；CO2吸收饱和溶剂流入CO2分离装置，实行气水分离，使CO2分离出去，分离出的CO2通入微藻培养装置，被微藻利用，微藻及微藻培养液经微藻及微藻培养液分离装置使微藻和培养液分离，培养液经微藻培养液返回管道流入微藻培养装置，微藻再经微藻分离装置使微藻渣和微藻上清分离，微藻渣经微藻提取柴油反应器提取出柴油，进入柴油输出管道中，微藻上清经第二除氧柱去除氧气后，进入合成气发酵菌株生长罐中，合成气发酵菌株生长罐中的合成气发酵菌株在此有利的生长环境下，其代谢产物主要为酸类，将合成气发酵菌株生长罐的菌液经过乙酸分离装置分离出菌体，菌体进入合成气发酵菌株发酵罐中进行发酵生产乙醇，上清经分离出乙酸后获得培养液，培养液经合成气发酵菌株培养液返回管道返回到合成气发酵菌株生长罐中，发酵后的发酵液经乙醇分离装置实现乙醇的分离，乙醇进入乙醇输出管道中，分离出乙醇后的菌体和培养液经菌体、培养液返回管道返回到合成气发酵菌株发酵罐中，经过乙酸分离装置分离的乙酸可以通入乙酸输出管道中，或经乙酸返回管返回至微藻培养装置中，合成气发酵菌株发酵罐中生成的CO2和少量未被利用的CO可通过CO+CO2返回管重新进入CO2吸收装置中被重新利用。

[0026] 本发明尤其适用于工业尾气中的气体供给数量不稳定和不连续，本发明通过偶联微藻培养装置，可解决现有技术中工业尾气不连续，气体供给数量不稳定而造成尾气微生物处理的难题，而获得相对稳定的碳源环境，具体方法如下：

[0027] 在CO2浓度较低情况下，微藻的碳源来自空气；

[0028] 在CO浓度较低的条件下，在合成气发酵菌株生长罐中通入含有糖类的微藻上清，培养微生物获得菌株用于发酵CO；

[0029] 在CO组分过低的条件下，在合成气发酵菌株生长罐和合成气发酵菌株发酵罐中均通入含有糖类的微藻上清发酵产乙醇。

[0030] CO2浓度过低情况下，CO浓度较高情况下，合成气发酵菌株生长罐和合成气发酵菌株发酵罐中均可通入气态碳源CO。同时可以将分离的乙酸输入微藻培养装置用于微藻异养产油。

[0031] 通过调控微藻CO2固定和菌株CO发酵的耦合过程能维持生物反应环境的相对稳定，有效解决工厂尾气不连续供给的难题。

[0032] 本发明通过各个部分的优化组合，有机的将微藻产油装置和合成气发酵菌株生长发酵耦联，有效的能源化尾气中的CO2和CO，获得了乙醇和柴油两类清洁的能源和少量的乙酸副产品。由此可见，本发明通过生物方式充分的处理了工业尾气的各个组份，并实现了能源化，因此具有很重要的使用价值。附图说明：

[0033] 图1是本发明的工业尾气能源化系统的示意图；

[0034] 其中1、CO2吸收装置；2、CO2分离装置；3、微藻培养装置；4、微藻及微藻培养液分离装置；5、微藻分离装置；6、微藻提取柴油反应器；7、第一除氧柱；8、合成气发酵菌株生长罐；9、乙酸分离装置；10、合成气发酵菌株发酵罐；11、乙醇分离装置；12、第二除氧柱；13、N2分离装置。具体实施方式：

[0035] 以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

[0036] 实施例1：

[0037] 本实施例的工业尾气能源化系统，包括CO2吸收装置1，CO2吸收装置1分别与N2分离装置13、CO2分离装置2和第一除氧柱7连接，第一除氧柱7还分别与合成气发酵菌株生长罐8和合成气发酵菌株发酵罐10相连，CO2分离装置2与微藻培养装置3、微藻及微藻培养液分离装置4、微藻分离装置5、微藻提取柴油反应器6和柴油输出管道依次连接，微藻培养装置3和微藻及微藻培养液分离装置4之间还连有微藻培养液返回管道，微藻分离装置5与第二除氧柱12、合成气发酵菌株生长罐8、乙酸分离装置9、合成气发酵菌株发酵罐10、乙醇分离装置11和乙醇输出管道依次连接，乙酸分离装置9与合成气发酵菌株生长罐
8之间还连有合成气发酵菌株培养液返回管道，合成气发酵菌株发酵罐10与乙醇分离装置
11之间还连有菌体、培养液返回管道，乙酸分离装置9的乙酸输出端口分别与乙酸输出管道和经乙酸返回管与微藻培养装置3相连，合成气发酵菌株发酵罐10还通过CO+CO2返回管道与CO2吸收装置1相连。

[0038] 所述的CO2吸收装置1中装有SelexolTM作为吸收溶剂，所述的CO2分离装置2是TM TM TM通过加热CO2饱和的Selexol 使CO2与Selexol 分离，Selexol 重新返回CO2吸收装置
1中。

[0039] 所述的微藻培养装置3为发酵罐式光反应器，具有能接受外界CO2的开口。

[0040] 所述的微藻及微藻培养液分离装置4是采用膜分离工艺分离微藻和培养液。

[0041] 所述的微藻分离装置5为离心机，通过离心使微藻渣和微藻上清液分离。

[0042] 所述的第一除氧柱7和第二除氧柱12均为还原铜柱。

[0043] 所述的合成气发酵菌株生长罐8为连续搅拌釜式反应器。

[0044] 所述的乙酸分离装置9也是采用膜分离工艺分离乙酸、培养液和菌体。

[0045] 所述的合成气发酵菌株发酵罐10为升流式生物反应器。

[0046] 所述的乙醇分离装置11也是采用膜分离工艺分离分离乙醇和菌体、培养液。

[0047] 所述的N2分离装置13是采用分子筛分离出N2。

[0048] 为了更好的理解本实施例，本实施例的工业尾气能源化系统的运行过程如下：

[0049] 本实施例的工业尾气为钢厂尾气，CO发酵菌株(即在合成气发酵菌株生长罐8和合成气发酵菌株发酵罐10的菌株)为Clostridium autoethanogenum，微藻为耐热性的小球藻(Chorella sorokiniana)。

[0050] 钢厂尾气经过N2分离装置13的分子筛分离出N2，剩余气体通过测量装置确定其TM TM中的CO2和CO的组成，再通入含有CO2吸收溶剂Selexol 的CO2吸收装置1，Selexol 吸收CO2，剩余的气体主要为含有CO的气体，该气体经第一除氧柱7去除氧气后，分别通入合成气发酵菌株生长罐8和合成气发酵菌株发酵罐10，供合成气发酵菌株生长和发酵使用；
TM TM TM
Selexol 吸收饱和后流入CO2分离装置2，通过加热，使CO2与Selexol 分离，Selexol重新回流至CO2吸收装置1，分离出的CO2通入微藻培养装置3，微藻固定CO2，在发酵罐式光反应器3中进行，微藻的培养液可来源于钢厂废水或自行配制。经固液分离玉米粉水解液和钢厂废水含有溶解性的氮、磷、硫、微量元素、维生素等营养成分，可直接作为耐热性小藻的培养基，将耐热性小藻接入光反应罐，利用来自于气路或空气中的CO2组分，控制发酵罐式光反应器温度为20℃，光照强度为1000-2000Lux，阴天或夜晚时可使用人造光源，耐热性小藻在光反应器中分别利用光固定CO2，当藻液长浓后，通入微藻及微藻培养液分离装置4使微藻和培养液分离，培养液经微藻培养液返回管道流入微藻培养装置3，微藻再经微藻分离装置5，即离心机使微藻渣和含糖的微藻上清分离，微藻渣经微藻提取柴油反应器6提取出柴油，进入柴油输出管道中，含糖的微藻上清经第二除氧柱12去除氧气后，进入合成气发酵菌株生长罐8中。合成气发酵菌株生长罐8中的合成气发酵菌株Clostridium autoethanogenum在此有利的生长环境下，其代谢产物主要为酸类，将合成气发酵菌株生长罐8的菌液通入乙酸分离装置9中，合成气发酵菌株经膜分离后输入合成气发酵菌株发酵罐10中进行发酵生产乙醇，而上清液经回收乙酸后得到培养液，培养液经合成气发酵菌株培养液返回管道返回到合成气发酵菌株生长罐8中，在合成气发酵菌株发酵罐10持续进行乙醇发酵，发酵后的发酵液经乙醇分离装置11中的膜分离出乙醇，乙醇进入乙醇输出管道中，分离出乙醇后的菌体和培养液经菌体、培养液返回管道返回到合成气发酵菌株发酵罐10中，经过乙酸分离装置9分离的乙酸可以通入乙酸输出管道中，或经乙酸返回管返回至微藻培养装置3中，合成气发酵菌株发酵罐中生成的CO2和少量未被利用的CO可通过CO+CO2返回管回流进入CO2吸收装置1中。

[0051] 合成气发酵菌株生长罐8和合成气发酵菌株发酵罐10的还原电位和pH值，监控并实时调节在最适值4.7，-200mv；6.0，-200mv。

[0052] 工业尾气气体供给数量不稳定和不连续装置调节，根据尾气CO和CO2组成调节：

[0053] 在CO2浓度较低：光反应器敞口，微藻碳源来自大气；

[0054] 在CO浓度较低：含有糖类的微藻上清通入合成气发酵菌株生长罐8中，仅合成气发酵菌株发酵罐处理CO；

[0055] 在CO组分过低：在合成气发酵菌株生长罐8和合成气发酵菌株发酵罐10中均通入含糖的微藻上清发酵生产乙醇；

[0056] CO2浓度过低而CO浓度较高，合成气发酵菌株生长罐8和合成气发酵菌株发酵罐10均来自气态碳源CO。

[0057] 通过本发明各部分的优化组合提高生物对尾气的综合利用效率，通过气体和微藻糖类控制菌株生长和发酵水平。

[0058] 利用本实施例的工业尾气能源化系统，按照上述过程运行，能有效利用工业尾气中有害的碳氧化合物组分，同时获得了乙醇和柴油两类清洁的能源，同时还获得了少量的乙酸副产品。

[0059] 以上例举的仅是本专利的具体实施例子。本专利的其他变形均属于本专利的保护范围。