吸收-微藻法固定燃气电厂低浓度CO2同步产油技术研究进展

秦振芳，廖日红，马伟芳

（1 北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083；2 北京市南水北调环线管理处，北京 100176）

我国电力行业发展迅速，针对火电造成的能源浪费和环境污染问题，国家出台一系列政策，一定程度上实现了火电机组向清洁高效的转型。电力行业的绝大部分碳排放来源于火电，火电机组再次面临着低碳转型挑战。在“双碳”目标的背景下，中国能源结构将实现从高碳向低碳的转型升级，为保障电能安全稳定供给，天然气将成为转型升级期内最佳的过渡能源，燃气装机容量稳步增长，从而确保电力系统的稳定发展[1]。燃气电厂以天然气为燃料，天然气被称为清洁能源，但本质上属于化石能源，燃烧后会生成CO2，对燃气电厂低浓度CO2进行捕集与利用能有效减少发电行业CO2排放。目前针对低浓度烟气的CO2捕集技术，主要包括吸收法、吸附法和膜分离法；其中化学吸收法的应用最广泛，技术成熟，分离后的CO2纯度高[2−3]，但存在再生能耗过高的问题。针对燃气电厂烟气排放特点及降低捕集成本的要求，基于吸收−微藻法的工艺更具竞争力[4]。而生物固碳法中，利用微藻可以将CO2快速封存并产生高效的光合作用，体内脂质含量超过其生物质的20%，通过酯交换过程，脂质可以转化为生物柴油[5−6]。因此，吸收−微藻法的耦合工艺在降低空气污染物释放的同时还可以产生生物柴油等能源物质，具有很好的环境和经济效益。本文结合燃气电厂烟气特征，概述工艺全过程中吸收液的应用、培养模式、通气方式以及微藻性能改进这四个主要部分的研究现状，以期为未来电力系统实现碳中和提供可行思路。

1 燃气电厂烟气排放特征

燃气电厂以天然气为燃料，天然气原料杂质少，被称为清洁能源。经过煤电的清洁改造，超低排放的燃煤机组主要大气污染物的达标排放率已经达到99%以上，燃气电厂和超低排放燃煤电厂的烟气成分及占比情况如表1所示。随着洁净煤技术的应用和发展，煤原料更加清洁化，污染物控制更加严格，近零排放机组的改造现在也取得很好的效果，应用清洁煤电近零排放技术的燃煤机组SO2和NOx排放浓度分别不高于10mg/m3、20mg/m3[7]。相比来看，燃气电厂烟气 CO2排放量不足燃煤电厂的1/3，SOx排放量远低于国家标准中关于燃气发电机组的排放限值，可以不考虑其污染影响，则NOx为主要污染物。因此，针对燃气电厂CO2浓度低这一典型特点，在低浓度下捕集CO2对捕集技术及工艺提出了更高的要求。

表1 超低排放燃煤电厂和燃气电厂的烟气成分[8−10]

2 微藻生物固定CO2的优势

微藻固定CO2同步产油为碳捕集和资源化利用提供了广阔的应用前景，将有效促进碳减排。但由于微藻具有复杂的多组分生化相互作用机制，利用微藻进行碳封存面临着各种挑战，大气因素和生存因素的交互作用对微藻利用CO2效能有显著影响[11−12]。与在自然大气条件下[CO2体积分数（下同）为0.03%]不同，电厂烟气中含有更高浓度的CO2（CO2体积分数范围3%～16%），同时含有一些酸性成分（NOx和SOx），从而刺激了藻类的繁殖和产油基因的表达。如小球藻Chlorellasp. (Cv)的氧化磷酸化、光合作用、硫代谢、氮代谢等基因的调控表达对CO2固定效能具有积极影响，表明烟气中污染物的捕集与净化速率和效能取决于微藻各种特定基因。此外，细胞内硝酸盐还原酶被消耗以刺激微藻细胞对NOx的利用，这表明电厂烟气可以直接用于微藻培养，并有助于提高微藻对CO2的封存[13]。

目前发现的微藻种类多样，常见的微藻包括小球藻、微绿球藻、栅藻、葡萄藻等[14]。多种类的微藻可以在不同浓度CO2的环境下生存，为固定不同浓度的CO2提供了多种选择，基于燃气电厂烟气中CO2浓度低的特点，梳理出不同藻种在4%～6% CO2浓度下微藻的固碳效果（表2）。微藻的显著优势是生长速度快、油脂含量高。在光自养的培养模式下，微藻细胞通过光合作用利用CO2合成油脂，并以甘油三酯（TAG）的形式积累[15]。相比陆生植物，微藻生长迅速（10～20h繁殖一代），光合效率可达到3%～6%[16]，CO2生物固定效率高，为陆生植物的10～15倍[17]，且几乎全部生物量都可以被转化，据报道，微藻利用1.8kg 的CO2可以转化生产1kg 的生物质[18]。在适宜的条件下，微藻生产不受季节影响，可以每天连续收获[19]。不同种类的微藻油脂含量差别较大，一般微藻的脂质含量在20%～50%之间[20]，在生长条件调控限制的情况下，含油量可以高达80%。常见是在氮限制条件下提升微藻脂质含量，一方面藻类细胞吸收大量碳，但无法进行细胞分裂，碳直接转化为TAG；另一方面，由于氮限制，积累的TAG 不能用于细胞内各种膜的合成，因此以脂质的形式储存起来，其脂质生产率远高于传统油料作物，是生物燃料的优质原料[6]。

表2 低浓度CO2下微藻的固碳效果[21−25]

3 吸收−微藻法工艺研究进展

3.1 生物转化全流程分析

燃气电厂烟气成分相对清洁，可以直接用于微藻培养，在固定CO2的同时，微藻可以将烟气中的NOx和SOx转化为对生物质有用的营养成分。图1展示了CO2从燃气电厂排放到最终被生物转化为生物柴油的全过程。燃气电厂中天然气燃烧后烟气进行余热回收和脱硫脱硝预处理，处理后可以回收大量烟气余热且脱除烟气中的部分NOx和SOx；同时烟气温度冷却到30～35℃，可以直接通入光生物反应器（主要成分包括藻液、化学吸收液和营养成分）进行CO2的吸收和微藻的培养：CO2气体分子被吸收液吸收转化为溶解的无机碳酸盐，微藻在光照条件下捕获光能，以无机碳酸盐为碳源进行光合作用，形成有机物。微藻的生物转化过程包含了三个阶段：光能的捕获与传递、无机碳浓缩以及光合碳代谢[26]。将培养一段时间后的微藻（生物量和脂质含量达到最佳）收获并干燥处理，在一系列化学转化和工艺炼制后，蕴藏在脂质中的化学能以生物柴油的形式被使用。

图1 吸收−微藻法固碳产油全流程图

在生物反应器中，CO2从气体形式被吸收液吸收进而形成无机碳源被微藻转化利用的过程是吸收−微藻法工艺效率的关键。首先，吸收液类型的选择决定了CO2形成无机碳酸盐的类型（碳酸盐或碳酸氢盐），无机碳酸盐导致吸收液的高碱度环境，对微藻的抗碱性提出更高的要求；其次，吸收液作为微藻生长的潜在营养源，由于直接与微藻细胞接触，可能会对微藻细胞生长产生抑制作用，因此需要慎重选择吸收液的类型；最后，随着CO2气体的不断通入、吸收液的持续补充，微藻对营养成分进行吸收利用，吸收液的理化性质随之不断改变，例如碱度和盐度。总之，吸收液的性质直接决定了CO2的吸收效能和微藻的生长条件，因此了解吸收液的性质并对气体通入和微藻培养过程中的各种条件合理调控是提升工艺性能的关键。

吸收−微藻法的工业化规模应用一般在开放池（高生产能力、成本低但易污染）和封闭式光生物反应器（清洁但成本高）中进行。大型工业生长系统使用开放池培养微藻，其连续运行主要是使用桨轮（或泵）在周围循环微藻细胞、养分和水，使其有效混合，同时不断暴露在环境中，以自然光为光源和热源。相比而言，封闭式光生物反应器更适合降低污染风险并简化参数控制以提高生产率。在考虑规模化成本的因素下，目前开放池已在工业化规模微藻培养中普遍应用。Moheimani[27]在室外工业规模的1000L气升光生物反应器中以半连续方式培养T. suecicaCS−187，燃煤发电站的未经处理的烟气用于维持这种藻类生长所需的无机碳。在7个月的培养中，在收获日（每周3次）以电絮凝法回收微藻，培养液回流至反应器中，同时补充被消耗的营养物质，反应器的自动冷却系统控制温度在25℃左右。该规模化培养的潜在有机生物质生产力和碳封 存 为(178.90±30)mg/(L·d) 和(89.15±20)mgC/(L·d)。Wen 等[28]在200m2的开放池（培养体积40000L）通入CO2培养富含脂质的Graesiellasp.WBG−1，电动机驱动大桨轮控制藻液流速，同时放置在培养池底部的微孔聚合管（气体扩散器）自动注入纯CO2气体，在线pH 传感器控制CO2流量以维持一定的pH（pH 8.5～9.5），实现了65.7%的CO2利用率，脂质含量高达33.4%千重（DW），其中约90%是储存TAG。为充分发挥开放池和封闭式光生物反应器的优势，两阶段的混合培养系统不断发展，第一阶段是在封闭式光生物反应器中获得高生物质浓度的微藻；第二阶段是在开放池中大规模进行微藻光合固碳，Huntley 等[29]在25000L 的管道式光生物反应器培养藻种，50000L跑道式开放池大规模培养微藻积累油脂，整个混合系统占地面积2ha（1ha=104m2），实际培养后系统的平均生物质年产率达到38t/ha，油脂年产率达到10t/ha。

微藻采收成本过高是限制微藻工业化规模培养的重要瓶颈之一，微藻细胞体积小（3～30μm），培养密度较低（开放池<0.6g/L，封闭式光生物反应器<3g/L）[30]，微藻的采收难度较大，因此开发经济高效的采收技术对吸收−微藻法产业的长远发展非常重要。对于工业化大规模的微藻培养，目前最常采用的收集方法是使用工业分离机进行收集，培养成熟的藻细胞进入分离机后，在离心力、剪切力、分离机内停留时间等因素的影响下，微藻细胞破损，强大的离心力使藻液分离[31]。微藻的采收技术还包括过滤、沉降、浮选和絮凝，但这几种方法在大规模微藻采收的应用中存在一定局限，其中絮凝技术具有较高的经济性和采收效率，发展潜力巨大，有望成为普遍化的采收技术[32]。

3.2 吸收液类型及理化因素对CO2吸收和微藻培养的影响

3.2.1 吸收液的选择及固碳效果

目前，用于化学吸收法固定CO2的吸收液种类繁多，研究及应用最广泛的四种吸收液分别是胺基溶液、碳酸盐溶液、氨溶液以及氨基酸溶液（表3），在吸收−微藻法使用较多的单一吸收液是胺基溶液和碳酸盐溶液。胺基溶液中，用于吸收CO2最多的是单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇（MDEA），其中MEA 最常用于电厂烟气中CO2的吸收，成本低。氨溶液最主要的问题在于反应过程中氨逃逸，显著影响氨逃逸率的工艺参数主要包括氨浓度、吸收液碱度、CO2负载量、反应温度等[33]，这些参数是互相影响的，了解这些参数之间的相互关系有助于优化工艺，减少氨损失。一些研究发现，使用胺、碳酸钾等物质以及金属离子作添加剂不仅可以抑制氨逃逸，还可以提高CO2吸收[34−36]。氨基酸盐溶液用于CO2吸收时，一般是精氨酸、脯氨酸和甘氨酸等氨基酸与钠、钾等金属混合形成氨基酸盐，加入金属的目的是增加CO2的溶解度[37−38]，赖氨酸钾的CO2吸收性能优于大多数氨基酸盐，与MEA 不相上下。在结构上，氨基酸盐和胺类具有相似的官能团，这种特性使氨基酸盐能有效地用作混合吸收液的助溶剂和促进CO2吸收的添加剂[39]。碳酸盐溶液被证明可吸收CO2，包括碳酸钾、碳酸钠和碳酸钙[40−42]，但碳酸盐溶液存在吸收反应速率缓慢的缺点，为了提高反应速率，提出加入活化剂增强CO2反应速率。碳酸钾（K2CO3）作为典型碳酸盐吸收液，由于具有成本低、对环境友好、耐蒸发等优点被广泛研究，常用于促进K2CO3活化剂的种类包括盐类（硼酸盐、砷酸盐等）、碳酸酐酶、胺类（伯胺、仲胺、叔胺）、聚合物和酸类（硼酸等）[43]。由以上分析可知，可以利用单一吸收液的优缺点取长补短，朝着经济高效的目标，探索混合吸收液的潜力。

表3 化学吸收法固定CO2常用的吸收液类型

单一吸收液在吸收CO2的工艺中存在一定的缺陷，往往对CO2的吸收能力和选择性有限，需要使用添加剂/促进剂/抑制剂形成复合吸收液来改善它们的性能，提升系统对CO2吸收及固定的整体效率。例如2−氨基−2−甲基−1−丙醇共混物和胺共混物能实现约99%的CO2吸收。然而，一些添加剂/促进剂/抑制剂具有毒性、腐蚀性和挥发性，因此复合吸收液要谨慎用于吸收−微藻的工艺中，常用的单一吸收液和复合吸收液应用于吸收−微藻法中的性能的研究已经有很多（表4），复合吸收液在用于微藻培养时均表现出比其研究中对照组的单一吸收液更优异的性能，为更多复合吸收液的复配提供了思路。

表4 吸收-微藻法中不同类型吸收液的固碳效果

3.2.2 吸收液的碱度和盐度

碱度和盐度是吸收液培养微藻体系中影响微藻光合效率和CO2同化效率的两个关键理化因素，并且两者会产生交互影响。在藻类培养过程中消耗大量的碳酸氢盐可能导致培养基的高碱度，相对较高的碱度可能伴随着碳酸氢盐浓度的增加，而叶绿素浓度由于细胞对碳酸氢盐（HCO3−）的吸收增加而降低，影响微藻对脂质的积累[59−60]。吸收液中各种碳酸盐的平衡浓度也与溶液的碱度有关，在pH 低于4.5 时，碳酸盐物质将完全由碳酸（H2CO3）组成。当pH 增加到约8.5 时，碳酸盐物质将完全由HC组成。当pH升至8.5以上时，主要的无机碳物质将是碳酸盐（CO32−）[61]。相反地，溶解的无机碳会通过pH 的影响反馈到微藻对CO2的吸收，Yin 等[62]首次发现pH 对CO2吸收率的影响受无机碳盐浓度的影响，当培养基的溶解无机碳盐浓度大于9.52mmol/L，较高的pH环境将有利于CO2的吸收和利用。

通常，微藻的最适pH 范围是中性至微碱性（pH7～8），当pH 变化时可能会改变酶活性，新陈代谢受到抑制。微藻在培养过程中，培养基的pH随着微藻的生长而增加，在微藻的可承受范围内可以保护微藻受到污染。在开放的池塘培养系统中，轮虫、纤毛虫、变形虫等竞争微藻物种对培养物的污染非常普遍。这些入侵的生物会通过捕食和竞争危害藻类培养物，最终可能导致生物量或脂质生产率下降，甚至导致微藻难以存活。在某种程度上，高盐度可用于控制这些捕食者对培养物的攻击（如螺旋藻或杜氏盐藻）[63]。然而，只有少数嗜盐碱微藻适应高盐碱度的环境，对嗜碱（盐）和耐碱（盐）微藻还要进一步筛选和研究。

3.3 CO2吸收及生物转化的影响因素

3.3.1 温度和光照

温度和光照是影响微藻生长和生物质积累的重要因素。微藻的光合作用是温度依赖的一系列物理化学反应过程，大多数微藻进行光合作用的适宜温度范围在15～30℃，最佳生长温度在20～25℃。通常，过低温度会抑制Rubisco 酶活性，光合作用速度减慢[64]；而过高温度会降低CO2在培养基中的溶解度，导致Rubisco 酶与O2结合而不是CO2[65]，抑制微藻的代谢和呼吸强度。而微藻脂质积累与细胞生长呈相反的趋势[66]，在过低和过高温度下这种趋势更加明显。在实际情况下，封闭的光生物反应器中可以通过调整工艺条件保持培养基的最佳温度，使微藻处于最佳的生长状态。

微藻固定烟气CO2利用的光源主要分为太阳光（主要在开放式培养中）和人工光（主要在封闭光生物反应器培养中）两种，微藻含有叶绿素、类胡萝卜素和藻蛋白等色素，可以利用这两种可见光进行生长。据估计，43%～45%的总太阳辐射参与了光合作用的开始，这部分辐射被称为光合有效辐射（PAR），微藻使用大约27%的PAR将CO2转化为碳水化合物[67]。通常，光照条件主要指光强度和光/暗周期，光强度和微藻生长直接相关，将光照强度作为单一因素，其对微藻生长速率的影响可以用半经验模型来表示[68]，如式(1)。

式中，μ是比生长率；μmax是最大比生长率；In是光强度；Kn是光强度半饱和常数，μmol/(m2·s)。微藻的光合速率随着光照强度的增加而加快，但当光合速率达到最大后（即达到光饱和），光合作用会随着光照强度的增加而减慢。最常用的光强度范围在100～200μmol/(m2·s)之间，并且在低光强度下，脂质的积累会增加[69]。光照的光/暗周期也显著影响微藻的生长，微藻细胞在光周期进行细胞生长，在暗周期进行细胞分裂，此外细胞代谢产物也受光/暗周期循环的影响。在小球藻培养时，相比24h连续光照，12h 光/12h 暗周期循环的光照条件下，小球藻的生物质产量和脂质含量更高[70]。光照影响甚至还和温度有一定的关系，当微藻在最适温度下生长时，可以更有效地利用可见光。

3.3.2 通气方式

气液传质是微藻固定CO2的限制条件之一，而且传质效率会影响微藻的生长速率，通常解决办法是改进通气方式，来提高接触面积和混合程度（停留时间）[71−72]。目前，最广泛使用的通气方式有微孔鼓泡曝气和气升导流曝气两种，微孔鼓泡曝气是气体从底部通过孔盘进入吸收液来实现气体交换和物质传递的方式，气泡的上升运动会形成剪切力驱动吸收液流动。气升导流曝气是在鼓泡曝气的基础上，在反应器中安置导流筒或挡板，使气流和微藻产生循环流动，增强反应器的气液传质。

微孔鼓泡曝气法中鼓泡深度决定了CO2在吸收液中的停留时间，时间越长，碳固定率越高；经回归分析，CO2吸收率与鼓泡深度的对数成正比，回归方程为式(2)（碳浓度为95.24mmol/L时）[62]。

y= 11.937lnx+ 44.058R2= 0.998 (2)

如果采用适当工艺将CO2鼓泡深度提高到80cm，通过计算，CO2吸收率将提高到84.62%～95.98%，大大提高所供应CO2的利用效率。此外，控制气泡直径是延长停留时间的有效方法，不同尺寸的喷孔决定了气泡直径的大小。喷孔尺寸较大时，气泡直径较大，比表面积较小，不利于CO2传质，且由于上升速度较快导致停留时间短；较小的喷孔尺寸形成的气泡直径较小，在吸收液中停留时间较长，但直径过小的气泡会在上升过程中携带微藻细胞并聚集在吸收液表面，不利于微藻利用CO2。因此在常见的内径为0.042m、高为0.3m、容积为400mL 的光生物反应器内，喷孔直径以20～500μm 为宜[73−74]。从增加气液接触面积的角度来讲，中空纤维膜的表面积大，CO2气体与微藻充分接触，气泡产生更加均匀，停留时间长，大大提高了CO2的传质速率[75−76]。

气升导流曝气的通气方式在最近的研究中显示出较好的气液传质效果，对其不断进行改进，可以进一步提高其性能，对于气升导流的传质效果的改进主要在于对气升式光生物反应器的结构优化以及引入附属装置。引入静态混合装置可以有效提高气液传质并加强光/暗循环，该装置最显著的特点是诱导CO2气体和微藻定向紊流以促进气液混合，同时微藻从表面受光区可控地移动到反应器内光线昏暗的地方，为微藻生长提供光暗周期的交替，促进微藻高产。将这种静态混合器在集成式光生物反应器（FPA−PBR）中，湍流动能可以增加1.3倍，光/暗循环频率提高了85%～95%[77]，相比无静态混合器的光生物反应器，培养微藻的体积生产率提高了3.4 倍[51]。采用不同类型的挡板（矩形挡板、水纹挡板等）并将其分布安装在光生物反应器内，可以设计出具有上升段和下降段的分体式光生物反应器，对于紫球藻Porphyridium.的培养，这类反应器显示出比鼓泡式光生物反应器和传统气升式光生物反应器更高的生物质生产力[78−79]。无论采用何种设计，通气方式的改进主要集中在通过延长气体停留时间和增加气液混合和传质。为了进一步高效固定CO2，降低成本，促进吸收−微藻法的规模化发展，需要研制新型光生物反应器并优化通气方式。

通气速率[每单位体积培养基的气体体积流量（vvm）]是通气过程中重要的参数，适当的通气可以促进养分平衡，去除产生的氧气以及防止微藻的聚集和沉淀，但过度的通气可能会导致微藻细胞因难以承受由湍流引起的剪切力而受损，因此通气速率要设置在微藻可以耐受的范围内。通常，微藻CO2固定和生物量生产的性能与通气速率呈非线性关系。对于大多数封闭式培养，建议的通气速率为0.10～1.00vvm[64]。此外，研究表明，通气策略对微藻生长具有一定的影响，例如与恒定CO2供应相比，逐渐增加CO2供应可以提高生长速率和CO2固定速率。这是因为当CO2供应缓慢增加时，微藻能够很好地适应新的CO2浓度，并增强其耐CO2能力，尤其是在相对较高的CO2浓度下。

3.4 藻种诱变驯化和基因改造

利用微藻进行碳封存的第一步是筛选能够适应恶劣环境并耐受浓缩碳源的菌株，表现出高酶活性水平以达到高生长率，易于大规模培养，并且培养后的微藻可提炼油脂等有价值组分。对特定的微藻种类进行诱变驯化和基因改造，可以提升整个吸收−微藻工艺的性能。目前微藻诱变驯化的各项研究旨在提高油脂含量、加快生长速率、增强抗逆性以及增加次生代谢产物产量等性状的优化，从而提高产业化生产效率[80]。通过用可诱导突变的不同诱变剂或诱变方式处理微藻细胞来实现诱变，主要包括化学诱变[甲烷磺酸乙酯（EMS）、N−甲基−N−硝基−N−亚硝基胍（NTG）]和物理诱变（重离子）、伽马射线和紫外线（UV）[81]（表5）。

表5 微藻诱变获得特殊性状

此外，微藻的基因改造有助于开发具有工业竞争力的藻种，不仅能提高微藻的生物质生产力同时降低成本，提高生物燃料的质量。在最先进的CRISPR−Cas9 系统中，由sgRNAs 指导的Cas9 核酸酶可完成精准的基因敲除，实现了微藻基因改造的可行性[82]，该系统已被用于提高莱茵衣藻、盐藻、普通小球藻和微拟球藻的脂质生产力[83]。在各种微藻中，碳分配的有效转化促使碳从碳水化合物流向脂质，基于有关微藻脂质代谢的信息，已使用了各种基因工程策略，以提高微藻的脂质产量和质量。RNAi 机制则是利用dsRNA 有效且特异性降解细胞内同源mRNA，已被用作敲除各种靶基因的反向遗传学工具[84]，这种稳定的RNAi 基因沉默已经用在了莱茵衣藻、海洋微拟球藻[85]、珍珠柱形鼓藻[86]的固碳能力提升方面。进行基因沉默，增强脂质积累和质量的主要分子方法包括过度表达脂质生物合成酶，阻断竞争途径，改变脂肪酸链长和脂质分泌（表6）。这些研究清楚地表明，对参与光合途径的关键基因进行修饰，可以作为增强微藻CO2生物转化的一种有前途的策略。

表6 基因改造促进微藻脂质积累和脂质质量

4 经济分析

与碳捕集封存（CCS）相比，CO2的生物固定提供了资源化的新途径。微藻转化产品可作为第三代生物燃料的副产品进行销售，因此碳密集型行业可以将基于吸收−微藻的技术视为收入来源，而不是昂贵的减排措施。吸收−微藻法需要通过结合影响CO2固定参数的改变分析其经济特征。利用人工神经网络模型（ANN）对搜集到的技术经济数据（如微藻销售价格、CO2固定的技术投资等）进行建模分析，以显示不同主导变量之间的相关性对微藻固定二氧化碳的技术经济可行性。Rezvani 等[99]设计的ANN 中输入层有5 个神经元[包括表面积与体积（S−V）比、太阳辐射、光合效率、微藻成本和特定资本投资]，4个神经元的输出层预测CO2固定、微藻生长速率以及微藻销售的特定收入和特定培养成本（反应池或光生物反应器施工、养分和供水成本等）。以天然气联合循环（NGCC）电厂为例进行CO2生物固定技术经济分析（表7），发现在微藻价格为2881CNY/t，跑道式反应器的特定资本投资较低的情况下，CO2捕集成本估计约为309CNY/t CO2（2160～3601CNY/t是生物燃料生产的合理微藻价格）。将光合产率提高到6%，对于特定跑道式反应池成本为1080CNY/m3、微藻价格为2881CNY/t 的情况，CO2可以成为额外的收入来源（CO2捕集成本=−129CNY/t）。吸收−微藻法培养的能耗大大低于基于吸收技术的CCS 装置所需的能耗，其中NGCC 电厂的能耗可以降低17%～40%。由此可知，只有在长期运行中确保技术经济参数的优化，在燃气发电厂中大规模吸收−微藻法固碳才是可行的方法。而且，相关技术的更为广泛研发有助于从微藻产品中获取更高的利益。

表7 用于CO2生物固定技术经济分析的假设

为分析微藻生物柴油和商业化的潜力，Branco−Vieira 等[100]基于中试规模三角褐指藻种植实际操作获得的数据放大方案，分析三角褐指藻生物柴油生产的技术和经济可行性。该模型假设80000m3的微藻培养在一套安装于15.247ha土地上的鼓泡柱式光生物反应器中，全年微藻生物量达到1811t，生物柴油171.705L。微藻生物量估计生产成本为13.93CNY/kg，生物柴油估计生产成本为2.287CNY/L。微藻生物柴油生产的经济分析结果表明（表8），如果考虑剩余生物质和甘油副产品的经济价值，微藻捕获CO2生产柴油在10年可实现投资回收。

表8 生物柴油生产规模扩大方案项目的经济分析

目前有很多对化学吸收法捕集CO2的成本分析，但在计算具体成本时，由于对成本定义的不同、考虑因素的差异等各种原因，致使成本分析出现很大的变化和不一致。为更加直观地比较吸收−微藻法和传统化学吸收法捕集CO2的经济成本差异，选择功率为700MW 且CO2捕集效率为90%的NGCC−CO2捕集集成电厂，对其连续运行下耦合两种不同CO2捕集工艺的固定投资、运行费用、预期收入作大致的对比分析（表9）[101−102]。传统化学吸收法捕集工艺中的主要设备包括吸收器（吸收剂为MEA）、再生器以及压缩机和鼓风机；吸收−微藻法捕集工艺中的主要设备包括光生物反应器（或开放池）以及微藻采收设备。固定资本主要包括必要设施和辅助服务的设计和建造相关的成本；运行费用主要包括维护费用、人力费用。由分析可知，微藻固碳技术具有经济、可持续的特点，可为我国各地区的烟气CO2减排事业提供技术选择。该技术在我国的室外规模化发展还要考虑选址、气候以及光照等问题，最好选择光照条件好、平均气温高的区域，培养运行选择夏秋两季，最大化微藻固碳速率的同时降低经济成本[103]。

表9 不同CO2捕集工艺的经济对比

5 结语及展望

吸收−微藻法具有显著的技术经济优势，我国迅速发展的微藻固碳产业为我国实现能源行业碳中和提供了新思路。基于现在超低排放燃煤电厂的污染物排放浓度大大降低，甚至达到燃气电厂污染物排放标准，处于微藻耐受范围，可以将吸收−微藻法应用范围扩大至超低排放燃煤电厂，不断改进适用于清洁型烟气的CO2捕集技术。为了最大限度地提高CO2捕集和生物质生产的效能，在工业领域使用基于微藻的CO2固定和生物质生产时，吸收液高效捕集CO2同步养殖微藻的设计与配置、运行工艺参数的协同和工艺流程的全局优化是决定工艺效率和运行成败的决定性要素。在实际应用中，吸收−微藻法不断发展，使用人工智能、过程自动化和过程的严密控制是提高系统效率的必然选择。此外，建立多产品生物精炼厂，通过改进藻类生物量的下游处理，拓展工艺链的下游产品实现盈利最大价值。这种“化石产电+碳捕集利用同步产油”模式的规模化可以解决碳捕集之后的封存和资源化利用，有望在碳中和后期发挥关键作用。