Установка для утилизации топочных газов путем фотосинтеза микроводорослей Российский патент 2025 года по МПК B01D53/84 B01D53/62 

Изобретение относится к области утилизации топочных газов с использованием фотосинтеза растений.

Очистка топочных газов от углекислого газа является основным методом предотвращения парникового эффекта и глобального потепления.

Известен способ обработки отдувок газа при получении азотной кислоты [CN 105289274 A]. Способ включает следующие этапы: регулирование температуры остаточного газа в диапазоне от 25 до 35°С для роста микробов, введение остаточного газа в питательный раствор с микроорганизмами, использование денитрификации питательной среды для восстановления нитратов, нитритов и оксида азота в хвостовом газе до азота, введение хвостового газа в питательный раствор хлореллы, использование фотосинтеза хлореллы для поглощения и фиксации двуокиси углерода, поглощение остаточного оксида азота и использование остаточного оксида азота в качестве источника азота для роста водорослей, при этом газ после двухступенчатой биологической очистки смешивается с частичной микробной пленкой, так что этот метод последовательно соединяет водопроводные трубы, а микробы в газе могут быть разбавлены и поглощены в определенной степени, и, наконец, выброс газа в атмосферу после поглощения воды хлоридом кальция.

Недостатком технического решения является отсутствие возможности регулирования процесса выращивания хлореллы в зависимости от количества и качественного состава отдувочных газов производства азотной кислоты, температуры окружающей среды и уровня УФ-излучения.

Известно техническое решение [JP H03154616 A. Recovery and fixation of carbon dioxide], согласно которому выхлопной газ, образующийся при сжигании топлива в печи для сжигания, выбрасывается из нагнетателя и затем частично выпускается из дымовой трубы, а большая его часть направляется в абсорбционную колонну, при этом двуокись углерода в выхлопных газах поглощается морской водой, и эта жидкость, подается в культуральный бассейн насосом. В резервуаре для культивирования водоросли с диоксидом углерода, зафиксированным в результате реакции фотосинтеза, в качестве структурного источника водорослевых компонентов. Водоросли, выращенные таким образом в культуральном бассейне, направляются насосом в дегидратор для отделения морской воды от водорослей, и такие водоросли сушат в жарочной печи, а высушенные водоросли подают в печь для сжигания для использования в составе топлива.

Недостатком является отсутствие информации об оптимизации процесса поглощения углекислого газа.

Известен комплексный способ очистки и утилизации дымовых газов с конверсией углекислого газа в кислород [RU 2537858 С2], который включает охлаждение дымовых газов до температуры ниже расчетной, очистку от большей части оксидов азота в присутствии озона за счет образования кислоты при конденсации паров воды и абсорбцию конденсатом, который очищают от кислых компонентов анионитом, очистку от углекислого газа абсорбцией раствором моноэтанол амина (МЭА); нагрев насыщенного углекислым газом раствора МЭА при избыточном давлении, дросселирование его до атмосферного давления, выделение газообразного углекислого газа, который частично выводится из цикла, а частично поступает в окситанк, где углекислый газ преобразуется в кислород и органическую массу при взаимодействии с водой и хлоропластами в результате фотосинтеза.

Известны способ и установка для снижения выбросов углерода [BG 112424 A] из камер сгорания. Способ включает культивирование микроводорослей с использованием углекислого газа для производства биомассы в процессе фотосинтеза. Для максимального роста и эволюции микроводорослей обеспечивается оптимальная пресноводная среда. Параметры, при которых она проводится: температура воды 24-32°С, рН 6,2-8,1, максимальная концентрация углекислого газа 11,67-12,33 г/м³ и максимальная концентрация кислорода 12 г/м³. Следует не допускать попадания возбудителей болезней Chlorella vulgaris и смешения с другими видами микроорганизмов. Количество микроводорослей находится в концентрации от 5,43 до 8,37-106 кл./мл. Исходным сырьем являются дымовые газы топочных камер после аспирационных установок с температурой 70-110°С и концентрацией углекислого газа 7,3-12,1% об. и кислорода 8,0-9,6% об. Необходимо избегать утечки частиц пыли и реагентов из установки сероочистки. Готовым продуктом является сухая биомасса 570-1500 г/(м³ сут) с содержанием липидов 38,5-56,3%, сопутствующим продуктом является кислород, выделяющийся из водорослей при фотосинтезе. Установка для реализации способа состоит из скруббера барботажной воды с входом дымовых газов, скруббер соединен с открытой питательной емкостью с расположенными в ней форсунками, в которых емкость соединена с буферной емкостью воды, а также питающая емкость, соединенная с фотобиореактором и имеет не менее двух емкостей для подачи удобрений и реагентов в фотобиореактор, предусмотрен мембранный циркуляционный насос для циркуляции в фотобиореакторе и мембранный насос для вывода готовой продукции. Данное изобретение не может быть эффективно использовано для утилизации углекислого газа из-за отсутствия регулируемых источников УФ-излучения, тепла, необходимых для культивирования водорослей при изменении освещенности и температуры воздуха.

Среди рассмотренных патентов наиболее близкими по техническим решениям являются следующие:

Изобретение [CN 108179101 A] относится к новому сплит-фотобиореактору с воздушным лифтом для выращивания хлореллы высокой плотности. Фотобиореактор состоит из одного столбчатого основного корпуса, двух параллельных и прозрачных перегородок, расположенных в среднем положении в направлении диаметра полуцилиндра внутри, перегородки находятся ниже уровня жидкости, перегородки находятся на определенном расстоянии (1-2 см) снизу, в днище формируют одно аэрационное окно, между двумя перегородками устраивают аэратор для аэрации углекислого газа, а в верхней поверхности фотобиореактора формируют газоотвод. По сравнению с другими реакторами фотобиореактор имеет преимущества высокоэффективного массопереноса и поглощения углерода, а также быстрого роста водорослей. Предлагаемое патентом устройства для поглощения углекислого газа содержит всего один столбчатый контур, что недостаточно для полного поглощения углекислого газа, частично не растворенного в среде при больших (требуемых) объемах выхлопных газов. Отсутствует возможность регулирования параметров циркуляции воды, УФ-излучения и температуры раствора.

Изобретение [CN 107475099 A] относится к технической области оборудования для культивирования хлореллы и, в частности, относится к культуральному баку распылительного типа с воздушным перемешиванием для культивирования хлореллы. Культуральный резервуар по изобретению в основном состоит из резервуара, вакуумного промежуточного слоя, смесительного устройства, распылительного устройства и устройства аэрации, при этом вакуумный промежуточный слой расположен на внешней стороне борта резервуара; а аэрационное устройство расположено внизу внутри резервуара. Культуральный резервуар отличается тем, что смесительное устройство состоит из скважинного смесителя, трубы для воды и удобрений и трубопровода для жидкости от водорослей, которые соединены с двух концов скважинного смесителя; распылительное устройство состоит из распылительной трубки и поворотной форсунки, расположенной внутри резервуара и соединенной с распылительной трубкой и скважинный смеситель соединен с распылительной трубкой. Изобретение может обеспечить новый способ обработки выхлопных газов или устранения парникового эффекта. Предлагаемое патентом устройства для поглощения углекислого газа содержит всего один столбчатый контур, что недостаточно для полного поглощения углекислого газа, частично не растворенного в среде при больших (требуемых) объемах выхлопных газов. Отсутствует возможность регулирования параметров циркуляции воды, УФ-излучения и температуры раствора.

Изобретение [CN 106479883 A] относится к области техники, связанной с оборудованием для культивирования хлореллы, и, в частности, относится к культуральному сосуду распылительного типа с воздушным перемешиванием для разведения хлореллы. Распылительный культуральный сосуд с перемешиванием воздушным потоком в основном состоит из корпуса сосуда, вакуумного промежуточного слоя, смесительного устройства, распылительного устройства и аэрирующего устройства, причем вакуумный промежуточный слой расположен на внешней стороне корпуса сосуда, а аэрирующее устройство расположено на дне внутренней части корпуса сосуда. Культуральный сосуд распылительного типа с перемешиванием воздушным потоком отличается тем, что смесительное устройство состоит из устройства для равномерного перемешивания, трубы для подачи воды и трубы для удаления водорослей, которые соединены с двумя штуцерами сосуда для равномерного перемешивания; и распылительное устройство состоит из распылительной трубки и вращающейся форсунки, расположенной в корпусе сосуда и соединенной с распылительной трубкой; устройство для равномерного перемешивания соединено с распылительной трубой. С внедрением сосуда для культивирования микроводорослей с перемешиванием потока воздуха распылительного типа открывается новый путь для очистки отработанных газов или устранения парникового эффекта, при этом содержание углекислого газа в биогазе снижается до минимума, а чистота биогаза улучшается.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для обеспечения растений и/или водорослей теплом и углекислым газом с использованием уходящих газов энергетической установки [RU 2548951]. Устройство состоит из основной трубы подачи углекислого газа, соединенной с дымососом, первичного теплообменника, основной трубы отвода дымовых газов, соединенной с дымоходом, вторичного теплообменника, устройства для абсорбции СО₂ при переменном давлении и резервуар для хранения СО₂. Конструкция устройства снижает потери энергии и загрязнение окружающей среды, вызванное прямыми выбросами, за счет значительной утилизации дымовых газов в резервуаре и расходовании при фотосинтезе растений. Недостатком является отсутствие практической схемы реализации способа на предприятиях - источниках топочных газов, способность учета и утилизации количества биомассы микроводорослей.

Технической проблемой изобретения является разработка установки для утилизации топочных газов путем фотосинтеза микроводорослей с достижением следующего технического результата: повышение объема утилизируемого углекислого газа, содержащегося в топочных газах, определение оптимальных параметров поглощения углекислого газа и получения максимального количества биомассы хлореллы.

Указанный технический результат достигается тем, что установка для утилизации топочных газов путем фотосинтеза микроводорослей, содержащая емкости для суспензии микроводорослей, трубопроводы для подачи топочных газов и питательных веществ, среды, слива готовой суспензии, согласно изобретению содержит не менее пяти последовательно соединенных емкостей с суспензией хлореллы, при этом над каждой емкостью установлены 4 лампы для дискретного регулирования светового потока УФ-излучения, емкости оснащены датчиками температуры и рН, на входе топочных газов установлен расходомер, перед циркуляционным насосом для перекачивания суспензии расположен фильтр для сбора клеток хлореллы и предотвращения забивки насоса.

На чертеже приведена схема установки для утилизации топочных газов путем фотосинтеза микроводорослей.

Установка содержит емкости 1 для суспензии водорослей, расходомер 2 газа, систему трубопроводов 3, запорную арматуру 4, смеситель 5 топочных газов и суспензии хлореллы, циркуляционный насос 6. Каждая емкость 1 оснащена 4 лампами 7 для дискретного регулирования светового потока УФ-излучения, прибором 8 измерения светового потока для определения уровня освещенности, датчиком 9 рН для определения кислотности среды и датчиком 10 температуры с цифровой индикацией. Установка оснащена воздушным теплообменником 11, расходомером 12, гидроциклоном 13, фильтром 14.

Установка работает следующим образом.

Из источника топочных газов газы попадают в емкости 1 для выращивания хлореллы, через расходомер 2 по системе трубопроводов 3 попадают в смеситель 5 для смешения топочных газов и суспензии хлореллы в воде. После смешения раствор топочных газов в водной суспензии хлореллы с помощью циркуляционного насоса 6 поступает в емкости 1 для выращивания хлореллы. Каждая емкость 1 для выращивания хлореллы обеспечена несколькими лампами 7 для дискретного регулирования светового потока УФ-излучения, прибором 8 измерения светового потока для определения уровня освещенности с периодичностью не реже 1 раза в сутки, датчиком 9 рН для определения кислотности среды с периодичностью 1-2 часа и датчиком 10 температуры с цифровой индикацией для измерения температуры воды с периодичностью 1-2 часа. Уровень освещенности, рН и температура используются для определения и поддержания оптимальных параметров утилизации топочных газов с максимальным выходом (по массе) хлореллы в сутки. После определения оптимальной температуры утилизации газов и выращивания хлореллы для поддержания температуры суспензии в оптимальном режиме применяется воздушный теплообменник 11. Расход водной суспензии хлореллы, подаваемой в смеситель 5, определяется с помощью расходомера 12. Для определения количества выращенной микроводоросли хлореллы проводится отбор проб суспензии, которая поступает в гидроциклон 13 для отделения остатков хлореллы и механических примесей, и отфильтровывается в фильтре 14.

Установка позволяет оптимизировать процесс утилизации топочных газов путем определения необходимого объема суспензии хлореллы, значений температуры, уровня освещенности, рН и расхода (скорости циркуляции) водной суспензии хлореллы.

Для оптимизации процесса утилизации топочных газов используется метод планирования эксперимента, при котором проводится необходимое и достаточное количество опытов при варьировании параметров: расход утилизируемого газа (от 1 до 20 л/час), расход водной суспензии хлореллы циркуляционным насосом (100-400 л/час), температура (18-40°С), рН (4-8 единиц рН), освещенность (10-80 Вт/м²). Оптимизируемым параметром является количество выросшей микроводоросли хлореллы во влажном (после фильтрации) состоянии (г/сут). Определение зависимости массы хлореллы от значений перечисленных параметров, определенных либо методом полного (дробного) факторного эксперимента, либо методом наименьших квадратов, позволяет определить оптимальные параметры утилизации топочных газов с максимальным выходом микроводоросли по массе.

Масса микроводорослей является важным показателем утилизации углекислого газа, так как единственным источником углерода для построения тканей в данных условиях является только углекислый газ, растворенный в воде. Потребность хлореллы в углекислом газе: в среднем, 1 литр газа необходим для синтеза 1 грамма сухой биомассы микроводорослей. [Gabrielyan D. A cultivation of chlorella sorokiniana IPPAS C-1 in flat-panel photobioreactors: from a laboratory to a pilot scale / Gabrielyan D.A., Sinetova M., Gabel В., Gabrielian A., Markelova A., Rodionova M., Bedbenov V.: Shcherbakova N. // Multidisciplinary Digital Publishing Institute - 2022. - Август [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.mdpi.com/2075-1729/12/9/1309 (дата обращения 22.06.2024). Ишенин, Е.Е. Оценка эффективности фотобиореактора на основе хлореллы в качестве очистителя воздуха от углекислого газа в условиях повышенной концентрации свинца / Е.Е. Ишенин, В.А. Семикин, Е.И. Сальникова // Юный ученый. - 2024. - № 5 (79). - С. 198-209. - URL: https://moluch.ru/young/archive/79/4396/ (дата обращения: 10.07.2024).

Последующая проверка (валидация) адекватности полученной зависимости серией проверочных экспериментов с поддержанием оптимальных параметров позволит скорректировать и уточнить зависимость.

С использованием предлагаемой установки появляется возможность получения оптимальных параметров температуры, освещенности, рН, расходов топочных газов и водной суспензии хлореллы для любых видов топочных газов, любого штамма фототрофных микроводорослей.

Пример:

С использованием предлагаемой установки были проведены эксперименты по утилизации топочных газов бензинового генератора электроэнергии. При экспериментах подача топочных газов производилась 1 раз в сутки в объеме 300 л, количество растворенных солей было стабильно на уровне 12 г/л, замеры количества выросших микроводорослей Chlorella vulgaris производились 1 раз в сутки перед насыщением выхлопными газами. На основании проведенных экспериментов получена таблица результатов:

Количество хлореллы=34,07+1,750 * (Мощность УФ-излучения)+26,56 * (Среднее значение циркуляции воды) - 3,79 * (рН воды после насыщения. Расчет оптимальных значений производился исходя из максимальных параметров установки: мощность УФ-излучения 80 Вт/м², расход циркуляционного насоса 400 л/час, рН=4. При таком соотношении значений параметров количество хлореллы равно 169 г (при плотности продукта практически равной 1 г/мл), то есть, учитывая, что насыпная плотность товарного порошка хлореллы составляет 0,45-0,55 г/мл [https://vvww.botanicalcube.com/natural-dietary-supplements-extracts/chlorella-powder.html] получено 85 г сухого порошка хлореллы, при выращивании которой утилизировано 850 литров углекислого газа.

Предлагаемое устройство позволит утилизировать всевозможные топочные газы путем фотосинтеза микроводорослей различных производств с целью разработки технологической системы полной утилизации, содержащихся в них углекислого газа, водяного пара и тепла. Позволит разработать не только экологически безопасные методы утилизации углекислого газа, но и получить в качестве продуктов биомассу микроводоросли хлорелла и газообразный кислород.

Изобретение относится к области утилизации топочных газов с использованием фотосинтеза растений. Установка для утилизации топочных газов путем фотосинтеза микроводорослей. Содержит не менее пяти последовательно соединенных емкостей с суспензией хлореллы. Над каждой емкостью установлены 4 лампы для дискретного регулирования светового потока УФ-излучения. Емкости оснащены датчиками температуры и рН. Имеет фильтр для сбора клеток хлореллы. Технический результат - повышение объема утилизируемого углекислого газа, содержащегося в топочных газах, определение оптимальных параметров поглощения углекислого газа и получения максимального количества биомассы хлореллы. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Установка для утилизации топочных газов путем фотосинтеза микроводорослей, содержащая емкости для суспензии микроводорослей, трубопроводы для подачи топочных газов и питательных веществ, среды, слива готовой суспензии, отличающаяся тем, что содержит не менее пяти последовательно соединенных емкостей с суспензией хлореллы, при этом над каждой емкостью установлены 4 лампы для дискретного регулирования светового потока УФ-излучения, емкости оснащены датчиками температуры и рН, на входе топочных газов установлен расходомер, перед циркуляционным насосом для перекачивания суспензии расположен фильтр для сбора клеток хлореллы и предотвращения забивки насоса.