用于将CO₂从燃烧过程的烟气或者废气中移除的方法

专利名称：用于将CO₂从燃烧过程的烟气或者废气中移除的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将(X)2从燃烧过程的烟气或者废气中移除的方法。
背景技术：
在科学上，最迟自上世纪90年代起就承认，存在着在统计学上显著的气候变化并且原因之一是大气中的二氧化碳简称(X)2的浓度上升。这种一开始还引起较大的不确定性的怀疑在研究过程中并且经过围绕着全球变暖进行的激烈的争论之后一再得到证实并且今天在很大程度上在科学上取得一致意见。在不考虑大气中的温室气体的情况下，根据绝大多数科学家的观点所观测到的温度数据无法解释。全球变暖的后果应该通过气候保护来降低。从太阳到达地球的辐射的绝大部分或多或少地在未受阻拦的情况下穿过地球大气。而被地球反射的辐射的大部分尤其光谱的红外范围内的份额则被处于大气中的CO2所吸收。其后果是大气得到加热。这种特性将二氧化碳变成所谓的温室气体。在水蒸汽之后， 二氧化碳根据其量的份额成为温室气体中的最有效的部分，尽管甲烷和臭氧的单位有效性更高。所有温室气体一起将地球表面上的平均温度从大约-18°C提高到大约+15°C (自然的温室效应)。二氧化碳在这种总效应中拥有大约9%到26%的份额并且由此在较高的程度上一同负责地球的对生命友好的气候。地球大气中的CO2份额在地球历史的演变中经受了巨大的波动，这些波动具有不同的生态的、化学的和物理的原因。但是，自至少650，000年以来，这个份额始终低于 280ppm。在过去的10，000年里0)2浓度比较恒定地保持在观0 111。二氧化碳循环的收支由此在这个时间里在很大程度上得到平衡。随着19世纪里的工业化的开始，大气中的CO2 份额上升到迄今381ppm (在2006年)并且目前每年继续上升平均1. 5到2ppm。人类起源的也就是说由人引起的CO2排放由于全球性的毁林只有大约45%被自然的二氧化碳降低源比如被繁殖在大洋中的浮游植物所吸收。因此二氧化碳累积在大气中。由于全球变暖以及所猜测的与地球大气中的CO2浓度的关联，过去和现在都尝试了一些方案来降低地球大气中的(X)2的积聚水平，所述地球大气中的(X)2浓度的原因在于由人触发的温室气体的排放。一种可选方案归纳在关键词CO2封存下面。在此CO2封存是指比如在发电站产生的二氧化碳的存放。封存是所谓的CCS(“Carbon Dioxide Capture and Storage”)过程的一部分，所述CCS过程用于在发电时在(X)2较少的情况下使用化石的原材料。在此应该将来自化石的能量载体的(X)2分离并且而后加以贮存，以防止其到达大气中。作为真正意义上的封存，是指(X)2的贮存。可以用不同的方法将二氧化碳从发电站过程的燃烧产物中分离出来，比如根据煤的气化(CO2还原的IGCC发电站)、在氧气环境中的燃烧或者来自发电站的烟气或废气的CO2洗涤。一方面地质学上的地层比如石油矿床、 天然气矿床、含盐的地下水层(“Aquifere (含水土层)”)或者煤层适合用作可能的用于分离出来的CO2的贮存器。另一方面也研究将二氧化碳存放在深海中，但是该方法由于大洋的酸化作用而不合适。
至今为止的研究或计划通常仅仅关心液态的或者气态的(X)2的贮存或者干冰的形式的贮存。不过，此外也有这种可能性，也就是将CO2作为生物质来结合并且将从中提取的碳加以贮存或者继续进行其它处理。比如可以借助于微藻在供给来自发电站过程的废气的 CO2的情况下产生用于在能量方面加以利用的生物质。一种用来实现这样的(X)2封存的方案在于利用在自然界进行的过程。单细胞的在大洋中出现的生物体比如藻类或者藻青菌或者说浮游植物比如负责通过光合作用引起的全球的碳固定的一半。这种得到固定的碳的绝大部分通过海洋的食物链又以(X)2的形式返回到大气中。但是，生物地球化学的碳的较小部分下沉到较深的海层中并且由此在较长的时间里从大气中取走。这后一种过程在很大程度上依赖于海洋中可用的铁。但是，全球海洋中的一部分的特征在于缺乏可用的铁。为了促进所述过程并且由此促进碳固定，相应地用铁来催肥海洋的做法是一种可选方案。但是研究已经表明，通过将铁添加到这些区域中的做法会触发藻类大量繁殖。通过藻类催肥可能对海洋生态系统来说产生严重的后果，现今尚未对此进行相应的研究。作为替代方案，已经知道，将在化石的能源载体燃烧时释放的(X)2结合到微生物的形式的生物质中，所述生物质在与太阳能和其它营养素比如磷酸盐或者氮的共同作用下通过直接的光合作用能够将CO2固定在生物质中。对于这种形式的CO2封存来说，将燃烧产物或者说化石的能量载体的烟气在(主要对硫化物进行的)相应的净化之后导送穿过一种溶液，在该溶液中存在着所述生物体。所述生物体在特定的生命周期中会指数级地繁殖，这引起生物质的快速形成，而快速形成的生物质则部分明显处于那些农业上种植的植物比如象草、甘蔗或者油料作物上面。在光合作用方面活性的细胞的培育或者说生物体的培育要么在敞开的系统中比如较浅的池塘中进行，要么在生物反应器中进行。所述敞开的系统易受来自空气的杂质的输入的影响，所述杂质会持续损坏或者说破坏细胞结构，而在生物反应器中进行的过程则能够比较容易地控制。所述生物反应器通过垂直的结构的方案潜在地拥有微小的面积需求，不过也需要较高的投资开销。用于这样的设备的效率的决定性的特征参量是通过所述过程每设备面积和时间单位所提供的生物质。因为细胞生物体比如藻类的生长遵循所谓的对数的生长法则，所以对于尽可能大的细胞生长率来说值得追求的是，在所谓的对数-阶段中调节种群动态 (Populationsdynamik)，也就是说细胞指数级地繁殖并且从所述过程中移走的细胞可以尽可能快速地再次复制。用于得到指数级的生长的前提是不断地从所述过程中移除细胞并且不断地更新细胞的生命基础，也就是说更新营养素和C02。为了防止细胞的非生产性的振荡阶段和饱和效应，所述过程应该尽可能连续地进行。此外，应该在再生的细胞量与移除的细胞量之间出现稳定的平衡。之所以也应该防止不受控制的生长情况，是因为由此阳光的大部分被吸收到近表面的细胞中并且再也不会到达较深的层中。过程的中断和重新开始必然导致生产损失。移除方法从现有技术中为人所知。比如借助于离心机或者滗析器来分离悬浮物。 但是这些移除方法通常具有较高的能量需求并且因此为分离细胞而显得不经济。另一种流行的方法是微细过滤。但是，在这些与通常很小的仅仅具有小于10 μ m的直径的细胞的分离过程结合使用的方法中，严重的是恰好在与藻类的结合中通过所谓的生物淤积引起的过滤器的堵塞。在这种经常在与无菌的水的接触之中进行的过程中，产生有黏性的表层，该表层使所使用的微型过滤器很快耗尽其过滤能力。但是，经常性的过滤器更换会对这样的过程的经济性产生很大的负面影响。此外，为提取细胞必须很麻烦地对过滤器进行反洗。除了这些物理的/机械的方法之外，从现有技术中也知道了一些用于移除目的的化学方法。比如在所谓的浮选方法中，借助于吹入的气体和多数形成泡沫的浮选剂的添加来使藻类结合、泡软并且与泡沫一起撇去。此外知道絮凝方法，对于所述絮凝方法来说比如通过PH值的变化来超过附加料的溶度积。在产生的絮状物中也嵌入了在悬浮物中存在的藻类，所述藻类而后可以作为沉积物与所述絮状物一起除去。这些化学的移除方法的缺点一方面是化学药品的添加。因此在添加碱液的情况下，如果想再次将碱性的过程介质导回到循环中，那么随后就必须实施中和。浮选剂经常难以除去并且会部分地对藻类生长的生态产生有害的影响。此外，如此分离出来的生物质还总是包含添加物的残余物质，这些残余物质经常难以除去。

发明内容
因此，本发明的任务是，说明一种作为替代方案的方法，利用该方法能够将二氧化碳从燃烧过程的烟气或者废气中移除。该任务通过在独立权利要求中所说明的发明得到解决。有利的设计方案从从属权利要求中获得。按本发明提出，为了将CO2从燃烧过程的烟气或者废气中移除而至少使所述烟气或者废气的一部分与生物体尤其细胞生物体相接触，其中所述生物体对包含在烟气或者废气中的CO2的至少一部分进行处理以产生生物质。在此将有磁性的微粒混合到所述生物体和/或所产生的生物质中。如此产生的生物质的至少一部分最终在磁性的分离级中分离出来。有利的是，在第一种设计方案中使所述烟气或者废气在第一容器中与所述生物体相接触，其中产生所述生物质。向所述第一容器输送所述有磁性的微粒，所述有磁性的微粒与所产生的生物质相结合。最后用所述磁性的分离级将所产生的生物质的至少一部分分离出来。在一种作为替代方案的设计方案中，首先在第一容器中使所述烟气或者废气与所述生物体相接触。而后将在所述第一容器中产生的生物质的至少一部分输送给另一个容器。在所述另一个容器中将有磁性的微粒混合到所述生物质中。最后将所述与有磁性的微粒相混合的生物质的至少一部分输送给磁性的分离级并且用该分离级分离出来。有利地如此执行所述方法，从而在多级的过程中产生生物质。同样可以在移除生物质之前通过添加絮状物的形式的添加物来使所述细胞生物体沉淀，其中将所述有磁性的微粒至少部分地嵌入到所述絮状物中。每时间单位移除的生物质的量可以有利地通过所添加的有磁性的微粒的量来控制。在所述第一容器中细胞生物体再生。在移除生物质时，仅仅移除如此之多的生物质，从而在再生的细胞量与所移除的细胞量之间出现稳定的平衡。有利的是，连续地移除所述生物质。
被所述磁性的分离级分离出来的生物质在发酵过程步骤中处理成生物气。有利的是，在另一个磁性的分离步骤中从所述生物质的在发酵过程步骤中留下的剩余部分中取走有磁性的微粒。在第一过程步骤中从所述被磁性的分离级分离出来的生物质中取走水。作为替代方案或者补充方案，在第二过程步骤中对所述被磁性的分离级分离出来的生物质进行压榨，以提取植物油，其中将压榨残余物输送给发酵过程步骤。将来自第一过程步骤的经过脱水的生物质输送给所述第二过程步骤或者所述发酵过程步骤。一种按本发明的用于从燃烧过程的烟气或废气中移除(X)2的装置具有废气管路， 通过该废气管路将烟气或者废气输送给一个容器，在该容器中有生物体尤其细胞生物体。 所述生物体将在所述烟气或者废气中存在的ω2的至少一部分处理成生物质。给所述生物体和/或所产生的生物质的至少一部分提供有磁性的微粒。此外设置了磁性的分离级，借助于该磁性的分离级能够将所产生的生物质的至少一部分分离出来。


本发明的其它优点、特征和细节从下面所描述的实施例中并且借助于附图来获得。附图示出如下
图1是具有布置在后面的(X)2封存设备的火电站；并且图2是用于将(X)2从燃烧过程的烟气或废气中移除的设备以及过程步骤。
具体实施例方式图1以原理图示出了具有废气管路20的发电站1，在此通过所述废气管路20来将在发电站1中在化石的能源载体燃烧时产生的废气或者说烟气排出。在此发电站1中的燃烧过程的废气包含有害的二氧化碳，这种二氧化碳应该从废气流中除去。所述废气通过废气管路20到达容器30中，该容器围住一个空间，在该空间中有细胞生物体40。所述细胞生物体比如是在光合作用方面活性的细胞比如微藻或者细菌尤其藻青菌。所述细胞生物体 40在供给通过进口 110到达所述容器30或者说所述空间中的营养素比如磷酸盐或者氮的情况下将在发电站1的废气流中存在的二氧化碳转变为生物质10。这种生物质10或者其中至少一部分可以通过所述容器30的移除口 50来移除。按本发明，向所述细胞生物体40添加尤其由磁体构成的有磁性的微粒60。所述细胞生物体40通过其新陈代谢能够除了吸收来自废气流的二氧化碳以及所述营养素之外也吸收所述有磁性的微粒60并且嵌入到其细胞结构中，比如积聚在所述有磁性的微粒上。 为了使这个步骤变得容易，在该实施方式中使用功能化的有磁性的微粒60，所述有磁性的微粒60比如用蛋白或者糖层来包裹，用于提高生物学上的活性。通过这种方式，所述已经吸收了磁体60或者说已经积聚在所述磁体60上的细胞生物体40本身得到磁矩并且接下来可以通过磁性的分离级120来移除。作为磁性的分离级120，比如可以使用磁性的滚筒分离器或者也可以使用其它磁性分离器。在这种移除过程中，其余的无磁体的细胞生物体 40不受影响。因此这些生物体40继续供以光合作用将CO2转变为生物质的过程所用。通过所添加的有磁性的微粒60的量，由此可以控制细胞生物体40或者说生物质的移除率。容器30中的细胞生物体在添加营养素的情况下不断再生。在考虑到再生的情况下，如此控制或者说调节所述生物质10的移除过程，从而仅仅将如此之多的生物质10移除，从而在再生的细胞量与所移除的细胞量之间出现稳定的平衡。为此设置了对所述磁性的分离级120进行控制或者调节的控制及调节装置130。在理想情况下连续地移除所述生物质10。通过所描述的磁性的分离来移除的生物质10随后在根据生物质10的所期望的使用情况来构成的装置70中继续进行处理。比如在所述装置70中将生物质转变为原始能量载体比如生物气、生物乙醇或者生物柴油。按所使用的细胞生物体40的含油量，可以在所述装置70中直接对所述生物质10进行压榨，以提取植物油。压榨残余物还有可能拥有较高份额的有磁性的微粒60，所述压榨残余物可以通过管路80直接导回到所述容器30中， 用于对所移除的有磁性的微粒60的损失进行补偿。压榨出来的油可以通过所述装置70的取油口 90来取出并且输送给另一个磁性的分离器100，也用于回收包含在油中的磁体残余物。这些磁体残余物也可以通过管路80又输送给所述容器30。如果以其它方式对在移除口 50上从容器30中取出的生物质10进行处理，比如酿为甲醇或者发酵为甲烷，那么在此通常使用含水的悬浮物。从所述含水的悬浮物中同样可以在合适的位置上回收所述有磁性的微粒并且又将其输送给容器30中的原有的封存过程。在一种作为替代方案的实施方式中，在容器30中为除去细胞生物质10而进行絮凝过程(Flukkulationsprozess)，其中将有磁性的微粒比如磁体微粒嵌入到在这过程中产生的絮状物中。所形成的絮状物如上面已经描述的一样通过磁性的分离方法从过程流中除去。在这种用于在利用絮凝过程的情况下移除生物质的方法中，在中间的过程中通过添加物的添加在存在磁性的微粒60的情况下使所述细胞生物体以絮状物的形式沉淀。存在的有磁性的微粒60在此至少部分地嵌入到所沉淀的絮状物中，从而能够将后者通过所述磁性的分离过程移除。图2A和2B示出了用于进行(X)2封存的设备的一种作为替代方案的实施方式连同一张流程图。如可以在图2A中看出的一样，通过发电站1的废气管路20将该发电站1的废气的至少一部分移除。所移除的废气到达容器30中并且在那里在多级的过程中导送穿过空间32-36，在这些空间32-36中有细胞生物体40。通过入口 31向所述容器30除了输送废气之外也输送营养素N以及水和可能的如下面还要描述的一样的生物质。所述细胞生物体40如上面所描述的一样将在废气流中存在的二氧化碳转变为生物质10。最后，从所述串列中的最后一个空间36中移除所产生的生物质。与图1的实施方式不同的是，这里设置了另一个容器140，在该容器140中向所述生物质输送有磁性的微粒60。在图1中在容器30中就已经进行这个过程。从所述空间36中移除的生物质10通过容器30的移除口 50输送给另一个容器 140。泵150用于输送生物质10。将所述有磁性的微粒60输送给容器140并且借助于搅拌装置170使其与生物质10相混合，从而如上面刚刚所描述的一样实现这一点，即所述生物质10或者说细胞生物体40吸收有磁性的微粒60或者说积聚在所述有磁性的微粒60上。 通过这种方式，所述已经吸收了磁体60或者说积聚在所述磁体60上的细胞生物体40 (以及由此所述生物质10)本身得到磁矩。
紧接在所述另一个容器140的后面设置了磁性的分离级120。这个磁性的分离级 120比如可以构造为磁性的滚筒分离器。拥有磁矩的生物质10被所述滚筒分离器120分离出来并且通过所述分离器120的出口 121排出。结合图2B对这里排出的生物质10的进一步处理进行描述。不是由分离器120分离出来的生物质通过相应的管路并且借助于泵150 又输送给所述另一个容器140并且/或者借助于泵190来输送给所述容器30。图2B以流程图示出了所分离的生物质10的进一步处理情况。为进行处理而设置了两个分支210、220 在分支210中首先在第一过程步骤211中从所分离的生物质10中取走水11。在第二步骤212中对经过脱水的生物质10进行压榨，比如用于提取植物油，其中将所提取的油12排出。压榨残余物可能还拥有较高份额的有磁性的微粒60，在包括发酵过程的第三过程步骤213中将所述压榨残余物处理成生物气13，在此同样将该生物气13排出。在第四过程步骤214或者说另一个磁性的分离步骤214中在另外的磁性分离器中从所述生物质10的在此留下的剩余部分中取走所包含的有磁性的微粒60并且比如又将其输送给所述另一个容器140。现在仅仅留下水14以及有机的残余物15。作为替代方案，在第一过程步骤211中经过脱水的生物质也可以在避开第二过程步骤212的情况下直接输送给所述第四过程步骤214。在分支220中，将在滚筒分离器120中分离出来的生物质10在第一过程步骤221 中输送给发酵过程，在所述发酵过程中产生生物气13。如在分支210中一样在第二过程步骤222或者说另一个磁性的分离步骤222中在另一个磁性的分离器中从所述生物质10的在此留下的剩余部分中取走所包含的有磁性的微粒60并且比如又将其输送给所述另一个容器140。这里也留下水14以及有机的残余物15。
权利要求
1.用于将CO2从燃烧过程的烟气或者废气(20)中移除的方法，其中使所述烟气或者废气的至少一部分与生物体(40)尤其与细胞生物体相接触，其中所述生物体对包含在所述烟气或者废气中的CO2的至少一部分进行处理，用于产生生物质(10)，其特征在于，将有磁性的微粒(60)混合到所述生物体(40)和/或所产生的生物质(10)中并且在磁性的分离级(120)中将所产生的生物质(10)的至少一部分分离出来。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，-使所述烟气或者废气在第一容器(30 )中与所述生物体(40 )相接触，其中产生所述生物质(10)，-向所述第一容器(30)输送有磁性的微粒(60)，所述有磁性的微粒(60)与所产生的生物质(10)相结合，并且-用所述磁性的分离级(120)将所产生的生物质(10)的至少一部分离出来。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，-使所述烟气或者废气首先在第一容器(30 )中与所述生物体(40 )相接触，-将在所述第一容器(30)中产生的生物质(10)的至少一部分输送给另一个容器 (140)，-在所述另一个容器(140)中将有磁性的微粒(60)混合到所述生物质(10)中，并且-将所述与有磁性的微粒(60)相混合的生物质(10)的至少一部分输送给所述磁性的分离级(120)并且用该分离级(120)将其分离出来。
4.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在多级的过程中产生生物质 (10)。
5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述有磁性的微粒(60)-被所述生物体(40)并且/或者被所产生的生物质(10)吸收并且被嵌入到其细胞结构中或者-积聚在所述生物体上(40)并且/或者积聚在所产生的生物质(10)上。
6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在移除生物质(10)之前通过添加絮状物的形式的添加物来使所述细胞生物体(40)沉淀，其中将所述有磁性的微粒(60) 至少部分地嵌入到所述絮状物中。
7.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，每时间单位移除的生物质(10) 的量通过所添加的有磁性的微粒(60)的量来控制。
8.按权利要求2到7中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一容器(30)中细胞生物体(40)再生，其中在移除生物质(10)时，只移除如此之多的生物质(10)，从而在再生的细胞量与所移除的细胞量之间出现稳定的平衡。
9.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，连续地移除所述生物质(10)。
10.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，被所述磁性的分离级(120)分离出来的生物质在发酵过程步骤(213、221)中加工成生物气(13)。
11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，在另一个磁性的分离步骤(214、222)中从所述生物质的在发酵过程步骤(213、221)中留下的剩余部分中取走有磁性的微粒。
12.按权利要求10或11所述的方法，其特征在于，-在第一过程步骤(211)中从所述被磁性的分离级(120)分离出来的生物质中取走水，并且/或者-在第二过程步骤(212)中对所述被磁性的分离级(120)分离出来的生物质进行压榨， 以提取植物油(12)，其中将压榨残余物输送给所述发酵过程步骤(213)，其中将来自第一过程步骤的经过脱水的生物质(10)输送给所述第二过程步骤(212) 或者所述发酵过程步骤(213 )。
13.用于从燃烧过程的烟气或废气中移除CO2的装置，该装置具有废气管路(20)，通过该废气管路(20 )将烟气或者废气输送给容器(30 )，在该容器(30 )中有生物体(40 )尤其细胞生物体，所述生物体(40)将在所述烟气或者废气中存在的CO2的至少一部分加工成生物质(10)，其特征在于，给所述生物体(40)和/或所产生的生物质(10)的至少一部分提供有磁性的微粒(60)，并且设置了磁性的分离级(120)，借助于该磁性的分离级(120)能够将所产生的生物质(10)的至少一部分分离出来。
全文摘要
本发明涉及将CO2从发电站(1)中的燃烧过程的烟气或者废气(20)中除去。将包含CO2的废气输送给容器(30)，在该容器(30)中有细胞生物体(40)比如微藻，所述微藻在添加营养素(N)的情况下将所述CO2转变为生物质(10)。将有磁性的微粒(60)添加到所述微藻和/或所产生的生物质中，所述有磁性的微粒(60)与所述微藻并且/或者与所述生物质相结合。在磁性的分离级(120)比如磁性的滚筒分离器中将带有所述有磁性的微粒的生物质分离出来。
文档编号B01D53/85GK102458616SQ201080028485
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月28日 优先权日2009年6月26日
发明者黑德 D-P., 吕里希 M. 申请人:西门子公司