二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的方法、系统及应用与流程

本发明涉及环境保护，具体地，涉及一种二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的方法、系统及应用。

背景技术：

1、二氧化碳(co2)是形成温室效应的主要气体，为应对气候变化和促进可持续发展，对烟气中co2进行捕集利用成为能源化工行业实现低碳目标的重要技术手段之一。

2、目前二氧化碳的捕集方法主要有化学吸收法、中空纤维疏水膜吸收法、吸附法和二氧化碳分离膜捕集法。

3、其中，化学吸收法是目前最成熟的co2捕集技术，占比60％左右，应用最为广泛，其基本原理是气液吸收过程，co2低温吸收、高温解吸。常规的化学吸收法用于大规模co2捕集面临如下技术难题：①能耗高；②吸收剂与气体直接接触，如果操作不当，就容易造成起泡、液泛、溢流、雾沫夹带等现象；③化学吸收剂与sox、nox反应，使得吸收剂形成不可再生的盐类，降低吸收剂的利用率和稳定性，且吸收剂存在腐蚀和降解等问题。

4、吸附法是利用吸附剂对co2的选择性和可逆解吸作用来分离烟气中co2，吸附作用力范德华力，需要通过对系统进行降压或升温，打破系统平衡，才能实现co2解吸，再生出高纯度co2。因此，按吸附原理可将吸附法分为变压吸附(psa)、变温吸附(tsa)和变温变压吸附(tpsa)。吸附法最关键的问题是性能优良的吸附剂。另外，由于频繁吸附和解吸，自动化程度要求高，吸附剂用量大，吸附容量有限，适用于co2浓度高的工业气。烟气中co2浓度较低，需对烟气除水和除灰、增大co2分压以满足吸附分压等预处理，耗能大。因此，该方法不宜用于电厂烟气脱碳。

5、除此之外，co2分离膜是近年来发展起来的新兴技术，具有能耗低、膜装填密度高、气液接触面积大，界面稳定，分离效率高，操作弹性大，设备集成度高等优势。然而，单一的膜分离方法在实际co2捕集过程中仍然面临如下难题：①需要对气体加压；②膜材料成本高；③运行受膜污染、温度和压力变化影响等。

6、目前，捕集后的co2驱油与地质封存是co2非转化利用的一种主要途径，因其能产生较好的经济效益，在国内外应用较广泛。然而，在co2地质封存全过程中可能存在co2逃逸及潜在的环境影响、风险。

7、近年来，co2转化利用开始受到广泛关注。co2转化利用的主流技术主要有热转化、电化学转化、光催化、酶催化和生物转化等。其中，大部分都属于纯化学催化过程，转化速率快，但对催化剂要求较高，目前面临着选择性差和运行成本高等问题。生物转化以微生物作为催化剂，可在温和条件下高选择性地实现co2转化，与其他技术相比，具有如下独特优势：①运行成本低；②操作条件温和；③共存杂质适应性强；④绿色、可持续。co2生物转化将co2作为能源载体，能同步实现co2利用与间歇性可再生电能存储利用，在能源、气候变化和环保领域内都起到重要作用。co2生物转化的产物主要包括甲烷(ch4)、酸类、醇类等能源物质或化学品。其中，以ch4为目标产物具有产品易分离和适用性高等优点，可补充天然气供需缺口，为我国天然气困境提供一种长远且可持续的解决方案。然而，co2生物甲烷化速率偏低限制了其进一步推广应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术的存在的co2吸收过程出现起泡、液泛、溢流、雾沫夹带现象，且co2捕集率和生物甲烷化速率低的问题，提供一种二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的方法、系统及应用，该方法通过耦合化学吸收法和膜分离法的新型脱碳技术，即保证了化学吸收法的高脱碳率，又避免了化学吸收法过程中的溢流、液泛、雾沫夹带等现象，且比单纯膜分离法耗能低，操作简便，并且具有高的co2捕集率和生物甲烷化速率。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的方法，其特征在于，所述方法包括：

3、s1、在中空纤维疏水膜和加压的存在下，将含有co2的混合气体与吸收剂进行第一接触，得到脱除co2后的混合气和吸收剂吸收co2后生成的吸收液；

4、s2、在颗粒型生物膜的存在下，将所述吸收液与h2进行第二接触，得到ch4和再生吸收剂；

5、s3、所述再生吸收剂循环至步骤s1中进行再利用。

6、本发明第二方面提供一种二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的装置，其特征在于，所述装置包括：接触器1和生物反应器2；

7、所述接触器1用于将来自下部的含有co2的混合气体与来自上部的吸收剂进行第一接触，得到脱除co2后的混合气和吸收剂吸收co2后生成的吸收液；

8、所述生物反应器2中设有颗粒型生物膜和膜曝气组件4；

9、所述生物反应器2的上部入口与接触器1的下部出口连通，用于将所述吸收液与h2和颗粒型生物膜进行第二接触，得到ch4和再生吸收剂；

10、所述生物反应器2分为n个隔室，n取3-8的整数；

11、所述再生吸收剂循环至接触器1中进行再利用；

12、所述接触器1中设有中空纤维疏水膜5。

13、本发明第三方面提供一种上述方法和/或上述系统在co2吸收处理中的应用。

14、通过上述技术方案，本发明提供的二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的方法、系统及应用获得以下有益效果：

15、1、该方法通过耦合化学吸收法和膜分离法的新型脱碳技术，既保持了化学吸收法的高脱碳率，又避免了化学吸收法过程中的溢流、液泛、雾沫夹带等现象，且比单纯膜分离法耗能低，操作简便。

16、2、该方法具有膜装填密度高、气液接触面积大、界面稳定、传质速率快、操作弹性大和设备小，在大大提高了co2捕集效率的同时，减少了捕集占地面积，自动化程度高，无需土建，降低成本。

技术特征：

1.一种二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中空纤维疏水膜的孔径为0.02-0.04μm，孔隙率为37-45％；

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述吸收剂包含微生物营养液；

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述吸收剂的ph为8-11，优选为10-11。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述颗粒型生物膜为颗粒型厌氧生物膜；

6.一种二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的装置，其特征在于，所述装置包括：接触器(1)和生物反应器(2)；

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述装置还包括进气管(1.1)、出液管(1.2)、尾气管(1.3)、吸收剂储罐(3)、第一水泵(6)、第二水泵(7)、第三水泵(8)、供h2管(2.1)、回流管(2.2)、产气管(2.3)和补液管(3.1)；

8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述膜曝气组件(4)设置在沿着所述生物反应器(2)的上部入口至上部出口方向上的第1至第n-1隔室内。

9.根据权利要求6-8中任意一项所述的装置，其中，来自供h2管(2.1)中的h2通过所述膜曝气组件(4)扩散到所述生物反应器(2)中。

10.权利要求1-5中任意一项所述的方法和/或权利要求6-9中任意一项所述的系统在co2吸收处理中的应用。

技术总结
本发明涉及环境保护技术领域，公开了一种二氧化碳膜法吸收耦合同步生物解吸转化的方法、系统及应用。方法包括：S1、在中空纤维疏水膜和加压的存在下，将含有CO<subgt;2</subgt;的混合气体与吸收剂进行第一接触得到脱除CO<subgt;2</subgt;后的混合气和吸收剂吸收CO<subgt;2</subgt;后生成的吸收液；S2、在颗粒型生物膜存在下，将吸收液与H<subgt;2</subgt;第二接触得到CH<subgt;4</subgt;和再生吸收剂；S3、再生吸收剂循环至步骤S1中再利用。该方法耦合化学吸收和膜分离技术，降低吸收剂再生能耗和碳捕集成本，保持化学吸收法高脱碳率同时避免化学吸收法出现的溢流、液泛、雾沫夹带现象，比单纯膜分离法耗能低，操作简便，并且具有高的CO<subgt;2</subgt;捕集率和生物甲烷化效率。

技术研发人员：张新妙,徐恒,奚振宇,陈子扬,栾金义
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16