藻类吸收二氧化碳制油发电可行性研究

藻类吸收二氧化碳制油发电可行性研究

集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

关于电厂废气经藻类转化为油的可行性研究

张军

自18世纪第一次产业革命以来,世界以惊人的速度消耗着各种化石能源(如煤、石油、天然气等),而化石能源的大量使用使人类面临能源短缺和全球变暖两大危机,因此开发可再生新能源和二氧化碳减排成为21世纪的重要任务。

电厂的废气主要包括二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，这些气体不仅污染环境，而且还会危及到人类的生存。本文就这如何利用藻类吸收二氧化碳制油，同时利用探讨如何消化吸收氮氧化物两个方面来阐述废气的利用的可行性。

1.藻类制油

1.1微藻制油的技术简介

1.1.1微藻制油的原理

微藻制油的原理其实就是利用光合作用，将二氧化碳转化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外，进行提炼加工从而生产出生物柴油。其示意图如下

图一微藻制油循环模式示意图

1.1.2藻类制油的优势

产油率高

微藻很像一个太阳光光能驱动的细胞工厂，可以源源不断地将CO2转化为潜在的生物燃料、、饲料以及高价值的生物活性物质。其中，最具有吸引力的是它潜在的生物燃料价值。由于微藻是单细胞结构，它用用极高的光能利用率和营养吸收率，微藻的生长和产油效率是油料作物如大豆的30～100倍。

作物产油率（升/公顷）

玉米145

大豆446

红花779

向日葵952

油菜籽1100

油棕5000

微藻100000

通过对产油率的比较，我们可以发现微藻似乎是唯一的潜在的能完全替代化石燃油的来源。因为微藻不像其它油料作物，它生长极快，而且大多数微藻含有丰富的。微藻含油量最高可以达到生物质干重的80％以上，含油水平在20％～50％。2对环境有益

微藻可以旺盛地消耗高浓度的CO

2和NO

2

，这些火力发电厂的污染物则是微藻

的营养。来自化石燃料发电厂的废气可以直接通入微藻生产设备，此举既能显着

地提高生产能力，还能清洁空气。微藻利用光合作用固定CO

2

，将光能转化为化学

能的形势储存于油脂，我们利用油脂生产生物柴油，燃烧后产成CO

2

和水，这一过

程完全符合节能减排的要求，且CO

2

又可被藻类利用。

3不占用耕地

微藻生长不会与农业产生竞争关系，它的生产设备可以是封闭的而且不需要，与传统农业相比节水99％，可以建在远离水源的非农业土地上。有些微藻还能在盐碱环境下生长，所以一些盐碱化土地也能用作培养微藻的场所。

1.1.3.国内外研究现状

1.1.3.1国外现状

美国可再生能源实验室（NREL）曾经做过大量藻类生物柴油的研究，但是一直未开发出商业可行的技术。在本世纪初，国外有三家企业制造了真正可持续运作的商业化光生物反应器，它们是德国的OkologischeProdukteAltmarkGmbH （OPA）、美国夏威夷的MicroGaia,Inc和AquasearchInc。

OPA在沃尔夫斯堡附近的克勒策建造了700m3工厂，投资额约为1600万德国马克。2000年6月，这家目前最大的工厂开车运转，前期仅用了7个月来规划和施工，其设计思路基于Pulz及其合作者开发的专门技术。由于OPA在当地还利用松树木屑堆肥生产人造泥煤，因此他们打算将堆肥过程中产生的二氧化碳回收转化为藻类生物质（Chlorellasp.,价格为每千克干重50英镑）。工厂共有20个基本单元，每个容积35m3，安装在占地12000m2的温室中。作为受光部分的硼硅玻璃管每根长6m、直径48mm，水平放置，两两间隔0.8m，竖直叠高至3m，形成类似栅栏的结构。玻璃管总长500km，由Skla`rnyKavaliera.s.

（Sazava,CzechRepublic）制造，单根长6m，使用一种特殊的胶水互相连接。每个基本单元都有一套在线控制系统。离心泵负责搅拌，两台Westfalia分离器负责收集并甩干生物质。预期产率为150吨/年。这是有史以来设计的最好的光生物反应器之一，如果运转成功，它将在微藻生物技术领域里把欧洲提到一个高度。

2000年，MicroGaia,Inc在夏威夷茂伊岛的茂伊研发技术园开辟了大约8公顷的土地建造工厂，基于其专利—生物穹顶型光生物反应器。2001年一月，MicroGaia,Inc开始为日本市场生产虾青素，同年6月，一千个直径1.2m的生物穹顶反应器安装完毕。生物穹顶反应器是相当精巧的系统，由两个半球状的透明穹顶相叠连接而成，表面凸起，形成一个半球形的培养室，2.5～10cm宽。环形底部安放了可移动的装置，通过鼓气来搅拌培养液并除气，从顶部插入空气管，连接上移动装置，一面进行圆周运动，同时刮壁清洗反应器。外部反应器有圆筒形

开口，用来排放多余的气体，从顶部向下喷水以冷却反应器，在底部安置人工光源以弥补日照不足。但是此套系统有两个严重的缺陷：首先必须制造并连接数以千计的反应单元才能实现商业需求；其次是非常难于清洗。

AquasearchInc制造了三台25000L计算机控制的光生物反应器，称作Aquasearch培育模块（AGMs），用于从Haematococcuspluviali s中生产虾青素。AGM是一种用低密度聚乙烯管制作的蛇盘型反应器，管直径0.18～0.41m，平行放置于地面。高流速的培养液使雷诺数保持在2×103～2×105之间。反应器浸在蓄水池里，从而实现温度控制。1999年间，当生物质密度为50～90g/m2时，面积产率从一月份的9g/m2/d上升到九月份的13g/m2/d。由于该系统容量庞大，因此体积产率相当低（0.036～0.052g/L/d）。可惜缺少一些重要的技术资料，比如搅拌和反应器设计。

目前最知名的企业有荷兰的AlgaeLinkNV与美国马萨诸塞州的GreenFuelTechnologies。AlgaeLinkNV公司是欧洲可替代燃料业界的领头羊之一，2007年底，宣布开发出世界上第一个不用预制管制造、而是用特制UV防护透明薄片做成的专利海藻光生物反应器系统（photobioreactorsystemsforalgae）。此光反应系统可以很容易地自动折叠收入一个坚固耐用、直径为64cm的圆形管中，这个管子能自动将水封紧。应用这一技术，运费成本将减少90%。AlgaeLinkNV公司在开发此项技术的三年中，在藻类科学的研究、微藻生产系统设计操作等方面也都取得了极大的进展。

GreenFuel是一个主要发展生物柴油的公司，其特点是利用燃气发电厂排放废气中的二氧化碳来养殖工程微藻，建造了所谓的能源农场（EnergyFarm）。2007年8月，GreenFuel在亚历桑那公用服务公司（APS）的Redhawk天然气发电厂成功试验了海藻培养系统—GreenFuel3DMatrixSystem（3DMS），这是GreenFuel公