本發(fā)明涉及一種固定化碳酸酐酶碳酸化固定CO₂的裝置及其方法，其實質(zhì)是一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置及其方法,適用于捕集燃煤電站脫硫凈煙氣中的CO₂，屬于燃煤大氣污染物控制領(lǐng)域。

二.

背景技術(shù)：

據(jù)統(tǒng)計，2015年全球碳總排放量為232億噸，龐大的碳排放量，嚴重地影響了人類的生存環(huán)境和氣候變化。而燃煤電廠燃燒排放的CO₂是溫室氣體的主要來源，也是控制和減緩碳排放的主要領(lǐng)域。目前對CO₂的控制手段有：化學試劑吸收法(如：氨和MEA等)，薇藻固碳法，膜吸收和分離技術(shù)，富氧燃燒技術(shù)(可得到高濃度的CO₂)，流化床堿基干法捕集技術(shù)等?；瘜W試劑吸收法和流化床堿基干法捕集技術(shù)在國內(nèi)研究已經(jīng)相對較為成熟，但是存在一次性投資較高和運行成本昂貴等問題。

隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，利用碳酸酐酶的仿生技術(shù)實現(xiàn)CO₂捕集和封存逐漸成為人類研究的熱點問題。碳酸酐酶是目前發(fā)現(xiàn)促進CO₂水合反應最為有效的生物催化劑，且其水合產(chǎn)物HCO₃^-易與金屬離子形成熱力學穩(wěn)定的金屬碳酸鹽，這一仿生技術(shù)被認為是有重要應用前景的實現(xiàn)環(huán)境友好型且具有可行性的碳封存技術(shù)。但由于游離態(tài)碳酸酐酶存在穩(wěn)定性差、不易回收、易變性失活等缺點，使得酶的工業(yè)化應用受到很大的限制。為解決上述問題，需要對酶進行固定化處理，碳酸酐酶固定化載體種類很多，主要有丙烯酰胺聚合物、殼聚糖、海藻鹽、介孔氧化硅和天然高分子等。目前，固定化酶的回收方式多以過濾，離心為主，但這兩種分離方式較為繁瑣。因此不溶性的磁性載體逐漸受到研究人員關(guān)注，其固定化產(chǎn)物可直接用簡單而有效的外部磁場進行分離，是一類工業(yè)上廣泛應用的載體材料。使用固定化酶填料塔式去除CO₂時，由于填料本身顆粒比較小，容易在氣流和液體沖刷下脫落，故使用表面羧基化的Fe₃O₄作為載體材料；在氣液兩相流中，CO₂停留時間短，使得CO₂去除效率較低，故在進行填料塔設計時，采用三級填料層，且在氣體入口處加了一個氣體均布板，盡量使氣體和填料層之間得到充分接觸。

三、

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決填料中固定化酶顆粒容易脫落和CO₂停留時間較短的不足，提供一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置和方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能夠有效的解決碳酸酐酶易脫落和CO₂停留時間短的問題。

技術(shù)方案：一種固定化酶碳酸化固定CO₂的方法，含CO₂脫硫后煙氣從填料塔底部的進氣管進入填料塔反應器中，CO₂在固定化碳酸酐酶的作用下快速催化成HCO₃^-和CO₃^2-，吸收液從塔頂部的進液管進入填料塔，與氣體逆流接觸，HCO₃^-和CO₃^2-隨吸收液進入到超聲波浸取槽中，與浸取出的Ca²⁺反應生成CaCO₃和Ca(HCO₃)₂。

所述的固定化碳酸酐酶由表面羧基化的Fe₃O₄通過化學和戊二醛交聯(lián)法固定，粒徑為15-30nm。

一種用于所述的固定化酶碳酸化固定CO₂的方法中的裝置，包括脫硫裝置、填料塔吸收裝置、超聲波浸取槽和吸收液池；填料塔吸收裝置頂部的吸收液管與吸收液池連接，填料塔吸收裝置底部的進氣管通過靜態(tài)混合器與脫硫裝置連接，填料塔吸收裝置底部的廢液管與超聲波浸取槽連接；所述的填料塔吸收裝置中設置多級填料層，所述的填料層所述的填料層由上往下依次為石英棉表層、表面羧基化的Fe₃O₄作為載體制備的固定化酶層、石英棉夾層、釹鐵硼磁球。

在填料層的上部和下部均設有上下濾網(wǎng)。

填料層的下方設有氣流均布板。

所述的填料塔吸收裝置頂部設有除霧器。

所述的填料塔吸收裝置頂部設有吸收液噴嘴。

所述的填料塔吸收裝置頂部還設有排氣管。

所述的吸收液管與吸收液池之間設有蠕動泵。

有益效果：

(1)本發(fā)明是一種固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置,亦即一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球三級分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置，用于燃燒后CO₂的捕集，結(jié)構(gòu)簡單。氣體自下而上流動，吸收液從上向下噴淋，最大限度節(jié)省了空間。

(2)采用氣流均布板使氣流均勻分布，使得CO₂與碳酸酐酶填料得到充分接觸，同時設置三級填料層可增加CO₂與碳酸酐酶的停留時間，提高CO₂的去除效率。

(3)采用表面羧基化Fe₃O₄作載體材料，用石英棉包裹釹鐵硼磁球的方式進行填料層的布局，大大減少了固定化碳酸酐酶的損耗。

(4)本發(fā)明成功地結(jié)合碳酸酐酶對CO₂水合反應的高效催化作用與超聲波強化碳酸化反應，設計了一種固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置,亦即一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)常壓低濃度條件下對CO₂的去除，也能夠顯著縮小CO₂運行過程中的成本和規(guī)模。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)了CO₂的原位封存，大大降低了CO₂在運輸過程中的運輸成本(運輸成本約占CO₂處理成本的30％)，同時傳統(tǒng)的CO₂礦化過程均基于分離獲得高濃度CO₂，然后在高溫高壓下將CO₂轉(zhuǎn)化為CaCO₃，存在反應速率慢、轉(zhuǎn)化率低等不足。本發(fā)明可實現(xiàn)在工業(yè)廢氣實際濃度和常壓下條件下將CO₂轉(zhuǎn)化為CaCO₃。

四、附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖

圖中：1-脫硫裝置；2-靜態(tài)混合器；3-進氣管；4-氣流均布板；5-凸臺；6-密封墊；7-釹鐵硼磁球；8-石英棉；9-固定化酶填料；10-吸收液噴嘴；11-除霧器；12-排氣管；13-吸收液管；14-蠕動泵；15-吸收液池；16-煙囪；17-廢液管；18-超聲波浸取槽

五、具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置,亦即一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置和方法做出詳細說明：

一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置，該裝置包括配氣系統(tǒng)，填料塔吸收裝置，超聲波浸取槽，吸收液池等。

所述填料塔吸收裝置包括自下而上的進氣管、氣流均布板、三級石英棉包裹釹鐵硼磁球的碳酸酐酶填料層、吸收液噴嘴，吸收液進口管。所述的三級石英棉包裹釹鐵硼磁球的碳酸酐酶填料層由上往下依次為石英棉表層、表面羧基化的Fe₃O₄作為載體制備的固定化酶層、石英棉夾層、釹鐵硼磁球。

所述表面羧基化Fe₃O₄是納米載體材料。

所述碳酸酐酶為商用，從牛血紅蛋白中提取得到。

所述石英棉的纖維直徑較小，可達到5-9微米。

所述每級填料管銜接處設有凸臺。

所述在填料層上下部分設有上下濾網(wǎng)。

所述含有CO₃^2-和HCO₃^-吸收液廢液在超聲波浸取槽中，與浸取槽中的Ca²⁺反應生成CaCO₃和Ca(HCO₃)₂。

所述氣流通過填料層后，剩余氣體經(jīng)填料塔出氣口排出。

所述固定化酶布置于石英棉夾層中，釹鐵硼磁球置于分布于含有固定化酶的石英棉夾層的下方。

一種所述固定化酶碳酸化固定CO₂的方法，亦即石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的方法，包括如下步驟：含CO₂脫硫煙氣經(jīng)配氣系統(tǒng)從填料塔底部的進氣管進入填料塔反應器中，經(jīng)氣流均布板到達填料層，CO₂在固定化碳酸酐酶的作用下快速催化成HCO₃^-和CO₃^2-，吸收液從塔頂部的進液管進入填料塔，與氣體逆流接觸，HCO₃^-和CO₃^2-隨吸收液進入到超聲波浸取槽中。剩余的氣體經(jīng)填料塔出氣口從煙囪排出。

實施例

如圖所示，本發(fā)明是一種固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置,亦即一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置，包括脫硫裝置，填料塔吸收裝置，超聲波浸取槽，吸收液池。所述填料塔吸收裝置是由透明的有機玻璃制成。含CO₂脫硫后煙氣經(jīng)脫硫裝置1從填料塔底部的進氣管3進入填料塔吸收裝置中，CO₂在固定化碳酸酐酶的作用下快速催化成HCO₃^-和CO₃^2-，吸收液從塔頂部的吸收液管13進入填料塔，與氣體逆流接觸，HCO₃^-和CO₃^2-隨吸收液進入到超聲波浸取槽18中。剩余的氣體通過除霧器11，經(jīng)排氣管12從煙囪16排出。

所述填料塔吸收裝置設有氣流均布板4使得氣流均勻分布，保證CO₂與固定化碳酸酐酶填料得到充分接觸。

所述填料層是由石英棉包裹釹鐵硼磁球組成，固定化酶均勻布于石英棉夾層中，其下方布置有釹鐵硼磁球?qū)?，填料層上下部分均用濾網(wǎng)，其目的是有效防止填料層因氣液沖刷作用下發(fā)生變形和固定化碳酸酐酶脫落。

所述填料層共有三級，每截填料管可拆卸，且銜接處設有凸臺。

所述固定化酶由表面羧基化的Fe₃O₄通過化學和戊二醛交聯(lián)法固定，制備的固定化酶具有一定的機械強度，較好的熱穩(wěn)定性、操作穩(wěn)定性以及貯藏穩(wěn)定性，產(chǎn)物粒徑可達到納米級別：15-30nm。由于Fe₃O₄本身是磁性物質(zhì)，得到的固定化酶亦是磁性物質(zhì)。

所述超聲波浸取槽，含有HCO₃^-和CO₃^2-吸收液廢液進入超聲波浸取槽中，與浸取槽中浸取出的Ca²⁺反應生成CaCO₃和Ca(HCO₃)₂。

在本發(fā)明的實例中，填料塔的直徑為50mm，每級填料層的厚度為30mm，填料層處設有多孔支撐板，均勻分布50個小孔，小孔直徑為3mm。填料層處的釹鐵硼磁球的直徑為5mm，均勻布于石英棉上。

如圖1所示，填料塔上下分別設有進氣管，出氣管，吸收液進口管和吸收液廢液管，氣體進出口管的直徑為6mm，液體進出口管的直徑分別為10mm。

填料塔反應器采用有機玻璃制成，整個塔身的高度為1200mm，為了保證填料塔能夠承受一定的壓強，有機玻璃的厚度為3mm，每截填料管采用法蘭連接，并在法蘭連接處用密封圈加以密封。

使用本發(fā)明一種固定化酶碳酸化固定CO₂,亦即一種基于石英棉包裹釹鐵硼磁球分級布置實現(xiàn)固定化酶碳酸化固定CO₂的裝置捕集燃煤煙氣的試驗裝置。由于燃煤煙氣中脫硫裝置后濃度約為13％-18％，所以在進行CO₂吸收實驗時，當參數(shù)為：固定化酶的量1.2g(即4mg游離態(tài)碳酸酐酶)，氣量0.5L/min，CO₂濃度16.8％，液氣比為28L/m³，此時CO₂的出口濃度為7.9％，即CO₂的去除效率達到52.97％。而在空白實驗中，CO₂濃度幾乎沒有降低，仍為：16.45％。

最后說明的是，本發(fā)明并不限于實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明可以做適當變形，這些變形均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。