烟气除霾减碳微藻养殖系统及烟气处理方法与流程

本发明涉及环境保护技术领域，特别涉及一种利用微藻处理烟气的设备方法。

背景技术：

随着工业技术的飞速发展，工业烟气的排放量也在飞速增加，造成环境污染情况日益严重，已经影响到了整个地球的生态圈。工业烟气，也称工业废气，其主要成分包括：各种粉尘和烟尘，硫酸铅汞等重金属化合物，一氧化碳和二氧化碳等碳化物，二氧化硫、二硫化碳和硫化氢等硫化物，以及各种氮氧化物等。这些物质通过不同的途径呼吸道进入人的体内，有的直接产生危害，有的还有蓄积作用，会更加严重的危害人的健康。其中，粉尘、烟尘和重金属化合物在常年积累下还有可能造成雾霾，大幅度扩大其危害范围。

而二氧化碳作为最常见的废气，往往在工业烟气成分中占据较大的比例，而二氧化碳的排放量过高会加剧温室效应，造成环境恶化，严重影响生态平衡。所以，限制二氧化碳的排放量，稳定大气中的二氧化碳的含量，对于环境保护具有非常重要的意义。

由于植物能够进行光合作用，吸收空气中的二氧化碳并释放氧气，所以通过种植植物、绿化造林等方法能够有效地较少二氧化碳的含量。但是一方面，种植一般的树木等植物需要占据较大的土地面积，二氧化碳排放较为严重的城市等地方难以实现大规模的树木种植；另一方面，植物的种植和维护工作往往较为繁琐，但能够直接收获的效益却很少，经济性较低。综合各方面的考虑，藻类植物的养殖技术以其高环保性和高经济性，逐渐成为一门新兴产业，为解决二氧化碳排放过量问题作出了巨大贡献。

现有的藻类养殖技术均以露天养殖为主，但是，现有养殖藻类于露天养殖，分类采收不易，其中又掺杂了茁壮的成株、有病虫害的弱株、渐渐老化的老株及尚未成长的幼苗，不仅无法获取所需的微藻成株，其同时获取的许多过老、病害或过幼均影响后续生产作业的效率。并且，露天养殖还会受到雨季等天气因素，使得养分被冲淡稀释，造成生长养分不足，若遇天候温差过大，如过冷或过热均会对藻类生长造成损伤。

技术实现要素：

为解决上述烟气污染环境并造成和加剧雾霾和温室效应以及藻类露天养殖受环境变化影响的问题，本发明提供了一种烟气除霾减碳微藻养殖系统，以及用于该系统的烟气处理方法。

烟气除霾减碳微藻养殖系统包括依次连接的旋风除尘器、喷淋洗涤塔、vocs处理设备、气管和藻桶等部件。

所述旋风除尘器将烟囱排放烟气进行气固分离，除去烟气中的大颗粒粉尘，除尘后的烟气输入到所述喷淋洗涤塔中。

所述喷淋洗涤塔将除尘后的烟气进行喷淋洗涤，除去烟气中的细微粉尘颗粒以及硫化物和氮氧化物等酸性气体，洗涤后的烟气输入到所述vocs处理设备中。

所述vocs处理设备具有雾化增氧系统和纳米微气泡系统，可将经过喷淋洗涤后的烟气使用超氧纳米微气泡技术进行处理，分解其中的有机废气，将处理后的气体输入到所述气管中。处理后的气体以co2气体为主，并可能包含少量so2、co、no、no2以及其他氮氧化物等成分，其中co2气体的体积浓度为3％～20％。

气管能够将气体进行分流和/或加压处理，并按照需求输出到所述藻桶中。所述藻桶是封闭的，其内部养殖有微藻，一般为蓝藻或绿藻或小球藻，用于进行光合作用吸收从气管中输出的气体。

所述藻桶的内部设有光源装置、曝气装置和搅拌装置，其中所述曝气装置和所述射流管均与所述气管相连接。

所述光源装置包括多根竖直的led灯柱，每根所述led灯柱的顶部均设有电源，其中所述led灯柱发出的光一般为红、蓝光搭配，光谱为500-800nm。由此，可以为微藻的光合作用提供必要的光照条件。

所述曝气装置包括多个放置在藻桶底部的曝气盘和与每个所述曝气盘均连接的一根曝气导管，所述曝气导管与所述气管相连通。由此，可以形成微小的汽泡为微藻的光合作用提供必要的气体。

所述搅拌装置包括多根射流管，所述射流管具有竖直设置并上下两端同向开口的出液管，以及一端与所述出液管中段相连通并且另一端与所述气管相连通的进气管。所述出液管的上下两个端口处安装有一根水平的延伸管。由此，可以产生搅拌效果，能够增加汽泡和微藻的接触几率，提高微藻进行光合作用的效率。

本发明所提供的烟气除霾减碳微藻养殖系统以及用于该系统的烟气处理方法能够过滤除去烟气中的粉尘颗粒、二氧化硫和氮氧化物等无机废气以及各种有机废气，得到二氧化碳气体并用于微藻养殖。该系统和方法不仅对烟气进行了有效的净化处理，避免和减轻了烟气污染环境可能造成的雾霾和温室效应的问题，还从烟气中提取出二氧化碳用来进行微藻养殖以产生经济效益。此外，本发明还实现了封闭式微藻养殖，降低了露天环境的变化对微藻生长的影响，稳定并提高了微藻的养殖效率。

附图说明

图1为本发明的烟气除霾减碳微藻养殖系统的流程图；

图2为本发明的旋风除尘器的结构示意图；

图3为本发明的喷淋洗涤塔的结构示意图；

图4为本发明的vocs处理设备的工作原理图；

图5为本发明的vocs处理设备的结构示意图；

图6为本发明的藻桶的局部剖视图；

图7为图6中射流管分布的俯视图。

图中：旋风除尘器1，喷淋洗涤塔2，vocs设备3，气管4，藻桶5；

进气管11，筒体12，锥体13，排灰口14，回流区15，排气管16，外旋气流17，内旋气流18，二次流19；

洗涤液入口21，喷嘴22，气体入口23，排污口24，补水口25，循环泵26，循环水入口27，除沫器28，气体出口29；

砂滤及水循环系统31，进气口32，雾化增氧系统33，纳米微气泡系统34，反应槽35，轴流风机36，出风口37，检测口38，plc控制系统39，副水箱311，循环泵312，排渣口313，低压泵331、负离子低压管道系统332，负离子发生器333，高压泵341、微气泡高压管道系统342，微气泡发生器343；

桶盖51，led灯柱52，电源53，曝气盘54，曝气导管55，射流管56，出液管561，进气管562，延伸管563。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1示意性地显示了根据本发明的气除霾减碳微藻养殖系统的流程图。如图所示，烟气除霾减碳微藻养殖系统包括依次连接的旋风除尘器、喷淋洗涤塔、vocs处理设备、气管和藻桶等部件。由工厂烟囱等排放的工业烟气依次经过旋风除尘器、喷淋洗涤塔和vocs处理设备，除去其中的各种粉尘、烟尘和酸性气体等污染物，将余下的co2气体通过气管输入到藻桶中，用以供应微藻进行光合作用，产生并输出新鲜的氧气。此外，旋风除尘器中的烟灰和藻桶中的藻泥可以混合制成有机肥并加以利用，而藻桶的清洗水也可以回收到喷淋洗涤塔中在过滤后用来进行喷淋，实现循环利用。

图2显示了根据本发明的烟气除霾减碳微藻养殖系统的旋风除尘器的结构示意图。旋风除尘器是一种工业上常用的除尘装置，其原理是当含尘气流进入除尘器后，在除尘器内作旋转运动，气流中的粉尘在离心力作用下向外壁移动，到达壁面，并在气流和重力作用下沿壁落到底部而达到分离的目的。

如图所示，烟气从进气管11进入到筒体12中，随着筒体12的旋转产生旋转，其绝大部分沿器壁自筒体呈螺旋状由上向下向锥体的底部运动，形成下降的外旋气流17，在旋转过程中所产生的离心力将密度远远大于气体的粉尘颗粒甩向器壁，粉尘颗粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和自身的重力沿锥体13的壁面下落并从排灰口14。而外旋气流17在到达锥体13的底部的回流区15后.沿除尘器的轴心部位转而向上.形成上升的内旋气流18，并由除尘器的排气管16排出。

外旋气流17的另一小部分气流，则向上方流动然后沿排气管16的外侧向下流动，当达到排气管16下端时，即反转向上形成二次流19，并随上升的中心气流一同从排气管排出，分散在其中的粉尘颗粒也一起带走。

旋风除尘器将烟囱排放烟气进行气固分离，除去烟气中的大颗粒粉尘，一般是5-15微米以上的各种粉尘和烟尘，包括硫酸铅汞等重金属化合物。除尘后，烟气会输入到喷淋洗涤塔中。

图3显示了根据本发明的烟气除霾减碳微藻养殖系统的喷淋洗涤塔的结构示意图。如图所示，喷淋洗涤塔2是一种湿法除尘设备，其原理是将洗涤液从洗涤液入口21处输入，并通过喷嘴22雾化成细小液滴均匀地向下喷淋，而含尘气体由喷淋塔下部的气体入口23处进入并自下向上流动，与洗涤液逆流接触，利用尘粒与水滴的接触碰撞而相互凝聚或尘粒间团聚，使其重量大大增加，靠重力作用而沉降下来。被捕集的粉尘在贮液槽内作重力沉降，形成底部的高含固浓相液并通过排污口24定期排出作进一步处理，其中部分澄清液可与从补水口25输入的补充清液一起通过循环泵26从循环水入口27通入喷淋洗涤塔2内进行喷淋洗涤，实现循环使用，从而减少了液体的耗量以及二次污水的处理量。经喷淋洗涤后的净化气体，通过除沫器28除去气体所夹带的细小液滴后，由塔顶的气体出口29输出。

本发明中除尘后的烟气经过喷淋洗涤塔的喷淋洗涤，能够除去烟气中的5微米以下细微粉尘颗粒，采用碱性洗涤液可以中和出去烟气中的大部分酸性气体，主要是so2等硫化物以及包括no和no2在内的一些氮氧化物，但一般来说，这些酸性气体难以被完全清楚，仍然会有少量存在。洗涤后的烟气以有机废气和co2为主要成分，输入到vocs处理设备中。

图4显示了根据本发明的烟气除霾减碳微藻养殖系统的vocs处理设备的工作原理图。vocs，意为挥发性有机化合物，一般称为有机废气，也是经过洗涤后的烟气的主要成分之一，vocs处理设备就是用于分解处理有机废气的一种工业设备。对于有机废气的处理，现有的常用技术主要包括热破坏法、液体吸收法、活性炭吸附法、低温冷凝法、生物转化法以及光催化氧化法等等。如图所示，本发明中的vocs处理设备是将烟气中的有机废气依次经过雾化增氧系统和纳米微气泡系统中进行降解处理，并将处理后的物质通过轴流风机进行排放，整个处理排放过程均通过plc控制系统进行控制。此外，在处理过程中还将自来水外部水源通过砂滤及水循环系统处理后通入到雾化增氧系统和纳米微气泡系统中以保持通入充足的水量，砂滤及水循环系统会排出一些有机废气和漆雾分解残渣以及少量废水。

由此可见，本发明处理烟气用的是采用雾化增氧系统和纳米微气泡降系统降解有机废气的方法，其核心技术为超氧纳米微气泡技术。

纳米微气泡是气泡发生时直径在10微米左右到数百纳米之间的气泡，这种气泡是介于微米气泡和纳米气泡之间，具有常规气泡所不具备的物理与化学特性，比如表面带电、容易产生大量自由基传质效率高和气体溶解率高等。而纳米微气泡降解有机废气的原理为：使用纳米微气泡发生装置产生纳米级微气泡。纳米微气泡由于空化效应，会在极短时间(约10^-9秒)内溃灭，瞬时产生大量热量(约4000k)和极高的气压(约1800atm)，在水中释放出大量的羟基、自由基等，与捕捉到的有机气体发生机械剪切、热解、自由基氧化、超临界水氧化等物理化学反应，达到分解和去除有机气体的作用。

较之其他常用的有机废气处理方法，超氧纳米微气泡技术具有能够用于各种浓度的有机废气、无需进行预处理、操作简单、运行和建设成本低、建设周期短、占地面积小以及无二次污染等诸多优势。

图5则显示了根据本发明的烟气除霾减碳微藻养殖系统的vocs处理设备的结构示意图。如图所示，vocs处理设备3包括烟气处理通道、砂滤及水循环系统31以及与烟气处理通道底部连通的进气口32，该烟气处理通道由下而上依次设有雾化增氧系统33、纳米微气泡系统34以及反应槽35，反应槽35可以设有上下两个且通过轴流风机连通，烟气处理通道的顶端开设有出风口37，靠近出风口37处附近还设有检测口38。其中砂滤及水循环系统31包括副水箱311及与副水箱311连通的循环泵312。雾化增氧系统33包括低压泵331、负离子低压管道系统332以及与负离子低压管道系统332一端连接的负离子发生器333，负离子发生器333位于烟气处理通道内部。纳米微气泡系统34包括多组高压泵341、微气泡高压管道系统342及微气泡发生器343，其中微气泡发生器343位于烟气处理通道内部且位于负离子发生器333上方。水从水源处通入到砂滤及水循环系统31中，其中砂滤及水循环系统31在将水进行净化处理后通入到副水箱311中以供设备使用，被净化的杂质可使用循环泵312进行循环净化处理，最后剩余一些有机废气和漆雾分解残渣以及少量废水从排渣口313排出。

待处理的烟气从进气口32通入到设备中，先经雾化增氧系统33进行初步处理，成为气液混合物，再进入到纳米微气泡系统34中进行降解，整个过程所使用的技术可称为超氧纳米微气泡技术。其中，雾化增氧系统33用于制造超氧环境，而纳米微气泡系统34用于制造微气泡，具体的反应在反应槽35中进行。

经过超氧纳米微气泡技术处理的烟气中有机废气此时被降解为co2气体和水分，可使用轴流风机36将处理后的气体从出风口37处排放出，还可以在出风口37处开设一个检测口38，使部分气体从检测口38处排出以检测处理效果。

vocs处理设备3中所有系统的工作和反应过程都是在plc控制系统39的控制下进行的，从出风口37处排放出的气体则被输送到气管4中。此时的气体成分以co2气体为主，其体积浓度为3％～20％，其他杂质气体的含量极低。气管4能够接收从vocs处理设备中输入的气体后，并把气体继续输送到藻桶5中，藻桶5中的微藻可以大量吸收co2以进行光合作用，并形成微藻生长必须的养分。

藻桶5需要从多个不同的位置接收气体，并且往往不同位置需要接收不同流速的气体，为此，气管4中具有相应的设备能够将气体进行分流和/或加压处理，并按照需求输送到藻桶的不同接收位置中。

图6显示了根据本发明的烟气除霾减碳微藻养殖系统的藻桶的结构图。如图所示，藻桶5上方设有桶盖51，将桶盖51安装上之后藻桶5是封闭的，藻桶5内部灌游水，水中养殖有微藻，微藻一般选择蓝藻或绿藻或小球藻，能够吸收从气管中输出的气体中的co2进行光合作用并输出氧气。藻桶5的内部还有一些用于微藻养殖的辅助设备，主要包括光源装置、曝气装置和搅拌装置。

光源装置包括多根竖直固定的led灯柱52，本发明中优选地是四根，均匀分布在藻桶内的各个部位，每根led灯柱52的顶部均设有一个电源53，电源53能够提供电力使led灯柱52发光，为微藻的光合作用提供必要的光照条件。led灯柱52发出的光一般为红、蓝光搭配，光谱为500-800nm，有利于微藻的生长。尤其注意电源53的外壳要进行防水处理，并且尽量不要接触到水面。

曝气装置主要包括有设置在藻桶底部的多个曝气盘54和一根与所有曝气盘54均连接的曝气导管55，导管竖直55固定在藻桶中，其顶端通过桶盖51与气管4相连通，底端则延伸到藻桶5的底部并向侧面延伸出多根分支，本发明中曝气盘54优选的数目是两个，可以分别安装在各个分支上。

曝气导管55能够接收从气管4中输入的气体，并且将其输送到各个曝气盘54中。曝气盘54是一种能够促进气体和液体之间的物质交换的装置，c气体通过曝气盘54传递到水中，能够由气相向液相进行传质转移，形成微小的汽泡，这些汽泡在水中运动时会接触到微藻的表面，为微藻的光合作用提供必要的co2。

所述搅拌装置包括多根射流管56，射流管56由出液管561和进气管562两部分组成，出液管561和进气管562在藻桶中均为竖直固定设置，其中出液管561的上下两端向同一个侧向方向开口，底端位于藻桶5的底部，顶端位于水面上方不远处；而进气管562一端连通到出液管561的中段，另一端延伸到通过桶盖51与气管4相连通。

射流管56在工作时，进气管562能够接收从气管4中输入的气体，将其输送到出液管561中，由于出液管561大部分位于水中，所以从出液管561中的水会被进气管输入的气体推动从出液管561的上下两端喷射出。多根射流管56喷射出水在藻桶中形成涡流，产生搅拌效果，使汽泡和微藻随之运动，能够增加汽泡和微藻的接触几率，提高微藻进行光合作用的效率。

一般来说，为了有效形成涡流，往往需要从气管562中输入的气体具有较大的流速，对于这一点可以在气管4中对输入到射流管56中的气体进行针对性的加压，也可以采用一些其他手段，比如在射流管56上安装文氏管等能够增加气体流速的装置。此外，为了增加水的喷射距离，还可以在出液管561的上下两个端口处安装一段水平的延伸管563。

图7显示了多个射流管在藻桶中的的分布的俯视图。如图所示，多个射流管56的出液管561的开口均按照同一流向分布，可以是顺时针，也可以是逆时针，这样在射流管56通过出液管561和延伸管563喷射水流时，能够更加有效地在水中形成涡流，促进搅拌效果。

将微藻养殖成熟后，可进行藻水分离采收，即将成熟的微藻与水分离，并从藻桶内采集收取出来。其中藻水分离采收的主要过程为：将藻桶内的原液引入一个藻液收集池；然后进行溢流法或者使用提升泵再将其导入一个超滤膜池，在膜池中由于膜精密过滤原理能够截留藻液，使得较高浓度的藻液在膜池进行富集浓缩沉淀，与较低浓度的水份分离开来。当藻液沉淀到一定量时，比如一半以上，可以先将形成的藻泥排出以进行采收，然后继续进行藻水分离工作。

经过在藻桶中的反应，气体中的co2大部分被用于微藻的光合作用，而其他的一些酸性气体比如so2、no和no2等也被进一步清除，其中so2等气体甚至可能被完全清除。

表1中显示了几次对于烟气刚排放时和经过本系统处理后的各种污染气体含量的检测结果。其中烟气中的主要污染气体成分为no2、no、so2、co和co2等，此外，还有一些其他的氮氧化物，可以使用nox表示。此外，由于几次检测的日期不完全相同，受天气等因素影响，有些数据与其他数据有相当的差距。

表1烟气处理前后各种污染气体含量的检测数据

如表1所示，在刚排放出时有烟气中的各污染气体成分的含量均较高，其中，no2的含量一般为30-80mg/m³，no的含量一般为80-160mg/m³，其他氮氧化物nox的含量普遍在150-280mg/m左右，so2的含量更高，往往在280-380mg/m³左右，而co2的体积浓度一般5％-6％之间。

表1中还可以明显得到在经过本系统的烟气处理方法的一系列处理步骤，主要是经过针对污染气体成分的喷淋洗涤和微藻养殖等步骤之后，最终在藻桶中测得的各污染气体含量，其中no2的含量一般在3mg/m³以下，有的时候含量为0，总去除率达到96.2％；no的含量最高也不过11mg/m³左右，总去除率达到92.0％；其他氮氧化物nox的含量普遍不超过20mg/m，总去除率为93.0％；so2被清除得更加彻底，大部分情况下含量为0，总去除率甚至达到99.8％；co在处理过程中一般是被氧化成了co2，而co2在藻桶中用于养殖微藻之后，体积浓度降低到0.2％左右，总去除率一共是96.2％。从表格中提供的数据可以得到，经过处理后的各污染气体含量均有极大幅度降低，有时候某些气体甚至被完全清除。

以上仅为本系统的生产厂家对本系统的烟气处理情况作出的检测，除此以外，厂家还委托了江苏华创检测技术服务有限公司对本系统做了废气检测，并出具了具有权威性的检测报告，报告编号为uhti1703ev0029。检测报告中的废气检测结果如表2所示。

表2检测报告的废气检测结果

如表2所示，可以证明本系统对于从烟囱排放的废气中的颗粒物、汞及其化合物、氮氧化物、二氧化硫和二氧化碳等主要的污染性物质和气体均具有较高的去除效果，尤其是以固体结构为主的颗粒物，具有99％的去除率；而二氧化碳的去除率为98％，说明其充分起到了用于微藻养殖的作用。由此可见，本系统确实能够实现非常出色的烟气处理效果。

其中，该检测报告的各分析项目均参照国家规定的参考标准和分析方法进行分析，具体如表3所示。

表3检测报告说明

此外，由于本发明中的藻桶是封闭式的，所以其养殖过程需要使用计算机进行监控，其ph值、co2含量、流动率、温度、光照、盐度等各个条件均能够通过计算机进行调整。封闭式的微藻养殖不同于以往的露天式微藻养殖，避免了雨季旱季、温差过大等自然环境因素对微藻生长的影响，稳定了微藻的生长速度，有效提高了微藻的产量，还方便了成品微藻的分类采收工作。

本发明中的微藻养殖系统一方面能够逐步处理烟气，避免烟气对环境的污染，另一方面能够从藻桶中释放氧气，提高空气质量，还有，养殖出的成品微藻在医药、食品、能源、生物技术以及环境检测和净化灯多个领域均具有重要用途，实现可观的经济利益。

以上的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。