炼厂二氧化碳减排技术与产油微藻示范装置的开发
      当前,在科技进步、工业化、全球化的主导下,人类社会创造了大量的财富,人民生活水平也极大的提高。但随之而来的就是地球环境的快速恶化。以二氧化碳(CO2)为主要成分的温室气体引起的全球气候变暖就是21世纪最为重要的环境问题之一。

      据统计,全世界各种矿物燃料(煤、石油、天然气)燃烧排放到大气中的CO2量达到18.5 Gt/a,而用于生产液体CO2、合成尿素和甲醇等产品的消费量不足0.1 Gt/a。近年来,人们对资源短缺、地球温暖化问题日益重视。

      我国是CO2排放大国。2005年排放 CO2 51×108t,居世界第二。其中,炼油相关领域排放占10%以上。据世界能源署(IEA)预测,到2015年,我国将成为世界第一排放大国。中国政府已郑重承诺,从2005年起,到2020年单位GDP二氧化碳排放下降40-45%。因此,炼油工业减排CO2是十分迫切的。采用低碳技术是未来我国炼油企业的必然选择,而炼厂的CO2排放也将成为炼油工业实现绿色可持续发展的重要问题,如何实现炼厂CO2的减排是炼油技术研究的一个重要环节。

      微藻是遍布全球的低等浮游植物,是水生态系统中初级生产力的主要组成部分。每年由微藻光合作用固定的CO2占全球CO2固定量的40%以上,在能量转化和碳元素循环中起到举足轻重的作用。微藻的光合生产率最高可达到50g/m2/d,相当于森林固碳能力的10-50倍。理论上讲,养殖1吨微藻可以减排二氧化碳约1.83吨。具有十分显著的社会效应。

      在所有减排CO2的技术中,利用微藻的光合作用减碳还是最具可持续和绿色的途径。在养殖微藻的同时,气体的残硫、残氮可以成为微藻生长的硫源和氮源。微藻生长所需的其它营养也可以用营养废水提供,达到净化废水的目的。因此,在我国发展微藻减排CO2技术,可以同时达到“减少CO2排放、替代化石能源、净化废气与污水”三个目的,具有广阔的前景。

      有关藻类作为生物燃料的研究已有多年。美国能源部1978年就立项利用藻类制备生物柴油的研发工作,从海洋和湖泊中分离了3000多种藻类,从中筛选出300多种生长快、含油高的硅藻、绿藻和蓝藻等藻种,有些藻的含油率达到60%。经过驯化,其中一些藻类的光合生产率已经达到50g/m2/d。

      为了在低成本下提高藻类的生长速度,同时减低CO2排放,美国学者设计了结构简单的开放式跑道式循环水池用于藻类培养,并将附近发电厂排放的CO2通入培养池作为藻类的营养。这种尝试在20世纪90年代中期进入了规模试验,2002年已经采用这样的方法制备出了生物柴油。用以作为普通柴油的添加剂,来促进低温时发动机的启动。但是,这种生物柴油的价格比从化石原料中炼制的柴油高1倍左右。

      微藻大规模减排CO2的核心是光生物反应器,可分为开放式池和封闭式两类。开放式是传统而又简单的微藻养殖模式,也是目前较为成熟的一种微藻养殖技术。其优点是构建简单、成本低廉及操作简便,但开放式养殖过程受光照、温度等自然环境影响较大,易被真菌、原生动物和其他藻种污染,同时水分蒸发严重,这些因素都导致细胞培养密度偏低。

      封闭式光生物反应器培养条件稳定,易进行高密度培养,微藻的生长速度快,生产周期短,可以动态、连续地培养微藻,大幅度提高微藻生产效率;而且这种养殖封闭性好,隔断了与外界的直接接触,可减少敌害生物的危害,已成为今后的发展方向。

      封闭式光生物反应器有柱式、管式和板式等多种形式。其中,柱式比表面小、造价高,不适合于大宗产品的生产。管式光反应器的优点是对光角度可调,可以简单地增加反应单元来实现规模扩大。缺点是温度不容易控制。当使用泵驱动流体循环时,不太适合剪切力敏感的藻种;另外,培养的藻种有的容易贴壁,清洗困难。板式反应器比管式光反应器的采光面积大,但是同样清洗困难。

      国外已经开发了多种类型的用于规模化培养的管式和板式光反应器,并用于微藻的养殖。荷兰AlgaeLink公司2007年10月宣布开发成功专利海藻光生物反应器系统,开始向全球销售其反应器,并提供相关技术支持。美国Green Star Products公司宣布于2008年1月在蒙大拿州完成第三阶段试验,验证了其复合(hybird)系统的可行性。美国Solix公司的膜封闭池(enclosed chambers)系统已完成第一阶段中试,并开展第二阶段中试,且与新比利时酿酒公司合作开展微藻生物柴油工业示范研究。美国GreenFuel公司于2005年在Arizona APS完成中试,并在其封闭管式光反应器中试成功的基础上开始进行更大规模工业试验,目标是到2009年达到300英亩规模。

      但封闭式光生物反应器养殖微藻仍存在一些困难。当微藻达到较高细胞密度时,光的穿透性受到限制,内部细胞难以得到充分的光照;水压增加使细胞受损,温度难控制,pH值不易调控、溶解氧积累严重、反应器表面和传感器上的生物附着等问题。另外,反应器造价高也是微藻成本居高不下的重要原因。

      我国微藻行业目前大约有近100家企业,总产量约5000吨,都是以碳酸氢钠作为碳源。国内多家单位在微藻大规模养殖技术方面开展了研究。中科院武汉植物园和南海海洋所开发了微藻大规模开放池养殖技术,积累了丰富的经验。青岛海洋所、华南理工大学、华东理工大学等单位研制了多种管道式、板式光生物反应器。中科院过程工程研究所发明了开放池的高效补碳技术,研制了系列封闭式光生物反应器。中科院青岛生物能源研究所在微藻分子生物学、微藻产氢、微藻生物柴油方面也开展了工作。

      但是,通过微藻养殖减排炼厂CO2技术未见报道。调研发现,武汉钢铁公司和武汉科技大学合作进行了烟道气CO2减排研究,开发了一种新型的光生物反应器和处理工艺,但没有报道规模大小。新奥公司正在开展以电厂废气养殖微藻的工作,目前处于实验室阶段,尚没有建成示范装置。

      本课题拟在光生物反应器和产油微藻养殖研究的基础上,开发炼厂CO2绿色减排技术及产油微藻养殖示范装置,实现炼厂CO2的有效减排。

      本项目与中国石化的主业发展密切相关。炼油工业是CO2排放的主要来源之一。通过产油微藻示范装置的开发和炼厂CO2减排技术的研究,可以为中国石化实现CO2绿色减排提供基础数据,产生良好的示范效应。同时,为新一代微藻生物能源提供基础原料,提高生物替代能源研究的开发速度,对解决目前发展生物质燃料急需的油脂来源问题具有重大的意义。

      本项目的创新性主要表现在:

      (1)首次开发使用炼厂CO2为碳源的产油微藻示范装置,建成40000L级光生物反应器;

      (2)首次利用炼厂CO2气在线养殖产油微藻,实现炼厂CO2的在线减排。同时,产生生物能源需要的微藻生物质,炼厂CO2单程利用率>50%。