發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇并將殘渣轉(zhuǎn)化成燃料氣體用于發(fā)電的整合工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種整合型乙醇發(fā)酵工藝，該工藝包括以下步驟：（a）使糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇并產(chǎn)生濕的發(fā)酵殘渣；（b）通過轉(zhuǎn)化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產(chǎn)燃料氣體；（c）在氣體發(fā)動機或燃料輪機中燃燒所述燃料氣體以發(fā)電并產(chǎn)生熱量或蒸汽；以及（d）利用所述熱量或蒸汽為所述步驟（a）和（或）步驟（b）提供能量。
【專利說明】發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇并將殘渣轉(zhuǎn)化成燃料氣體用于發(fā)電的整合工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的乙醇發(fā)酵工藝，該工藝還整合了殘渣轉(zhuǎn)化工藝，用來將發(fā)酵殘渣轉(zhuǎn)化成燃料氣體用于發(fā)電。
【背景技術(shù)】
[0002]生物質(zhì)(Biomass)是用作燃料或能源的生物材料，具有廣泛的材料來源，比如植物材料、動物糞便等。作為一種可再生的能量來源，生物質(zhì)被認(rèn)為是化石燃料最好的替代品。對于生物質(zhì)用途的研究已廣泛開展了多年，其中，利用生物質(zhì)的一種重要手段是通過乙醇發(fā)酵從生物質(zhì)中生產(chǎn)乙醇。乙醇發(fā)酵是一種將糖轉(zhuǎn)化為含乙醇的發(fā)酵產(chǎn)物(Fermentate)并將該發(fā)酵產(chǎn)物蒸餾以獲取乙醇的生物過程。
[0003]乙醇發(fā)酵的原料來源非常豐富，用于乙醇發(fā)酵的糖既可從含糖材料中萃取，也可通過水解或其他工藝從纖維材料中獲得。其中含糖材料如玉米、蔗糖等是廣泛種植的作物，而纖維素則幾乎存在于每一種無需農(nóng)作或成本的自然生長的作物、樹木和灌木中，廣泛分布于世界各地的草地、森林和田地中。因此，在化石原料日益短缺的情況下，乙醇發(fā)酵受到越來越多的重視。
[0004]在傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵過程中，發(fā)酵產(chǎn)生的殘渣往往被丟棄或被用作肥料，而沒有高效利用發(fā)酵殘渣中的能量的方法。目前有一種利用發(fā)酵殘渣中能量的方法是將其干燥后直接燃燒，以獲取熱量或蒸汽。然而，通過直接燃燒發(fā)酵殘渣獲取能量的方法的能量利用效率很低。因此又必要開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)實用的工藝對發(fā)酵殘渣進(jìn)行高效利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種整合型乙醇發(fā)酵工藝，該工藝包括以下步驟:Ca)使糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇并產(chǎn)生濕的發(fā)酵殘渣；(b)通過轉(zhuǎn)化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產(chǎn)燃料氣體；(C)在氣體發(fā)動機或燃料輪機中燃燒所述燃料氣體以發(fā)電并產(chǎn)生熱量或蒸汽；以及(d)利用所述熱量或蒸汽為所述步驟(a)和(或)步驟(b)提供能量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0007]圖1中的流程圖顯示了一種乙醇發(fā)酵工藝，該工藝還整合了殘渣轉(zhuǎn)化工藝，用來將發(fā)酵殘渣轉(zhuǎn)化成燃料氣體用于發(fā)電。
[0008]圖2中的工藝流程圖顯示了一種整合了殘渣轉(zhuǎn)化工藝的乙醇發(fā)酵工藝的的各個步驟。
[0009]圖3中的流程圖顯示了本發(fā)明是一個實施例中的一種整合了殘渣氣化工藝的乙醇發(fā)酵工藝。[0010]圖4中的流程圖顯示了本發(fā)明另一實施例中的一種整合了殘渣厭氧消解工藝的乙醇發(fā)酵工藝。
[0011]圖5中的流程圖顯示了本發(fā)明又一實施例中的一種整合了殘渣氣化和厭氧消解聯(lián)合工藝的乙醇發(fā)酵工藝。
[0012]圖6中的流程圖顯示了現(xiàn)有技術(shù)中一種類似的生產(chǎn)乙醇并發(fā)電的乙醇發(fā)酵工藝，但該工藝是通過燃燒發(fā)酵殘渣產(chǎn)生蒸汽來發(fā)電的。
【具體實施方式】
[0013]以下將對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述。為了避免過多不必要的細(xì)節(jié)，在以下內(nèi)容中將不對習(xí)知的結(jié)構(gòu)或功能進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0014]本文中所使用的近似性的語言可用于定量表述，表明在不改變基本功能的情況下可允許數(shù)量有一定的變動。因此，用“大約”、“左右”等語言所修正的數(shù)值不限于該準(zhǔn)確數(shù)值本身。在一些實施例中，“大約”表示允許其修正的數(shù)值在正負(fù)百分之十(10%)的范圍內(nèi)變化，比如，“大約100”表示的可以是90到110之間的任何數(shù)值。此外，在“大約第一數(shù)值到第二數(shù)值”的表述中，大約同時修正第一和第二數(shù)值兩個數(shù)值。在某些情況下，近似性語言可能與測量儀器的精度有關(guān)。
[0015]本發(fā)明中所提及的數(shù)值包括從低到高一個單元一個單元增加的所有數(shù)值，此處假設(shè)任何較低值與較高值之間間隔至少兩個單元。舉例來說，如果說了一個組分的數(shù)量或一個工藝參數(shù)的值，比如，溫度，壓力，時間等等，是從I到90，20到80較佳，30到70最佳，是想表達(dá)15到85，22到68，43到51，30到32等數(shù)值都已經(jīng)明白的列舉在此說明書中。對于小于I的數(shù)值，0.0001,0.001，0.01或者0.1被認(rèn)為是比較適當(dāng)?shù)囊粋€單元。前述例子僅作舉例說明之用，實際上，所有在列舉的最低到最高值之間的數(shù)值組合均被視為以類似方式清楚地列在本說明書中。
[0016]除有定義外，本文中所用的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員普遍理解的相同含義。本文所用的術(shù)語“第一”、“第二”等并不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而只是用于區(qū)別一種元件和另一種元件。并且，“一”或“一個”不表示數(shù)量的限定，而是表示存在一個的相關(guān)項目。
[0017]如圖1所示，一種用糖來生產(chǎn)乙醇的乙醇發(fā)酵工藝整合了一種將發(fā)酵殘渣轉(zhuǎn)化成燃料氣體的轉(zhuǎn)化工藝，并將所述燃料氣體通過氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C用于發(fā)電。所述發(fā)動機或輪機中產(chǎn)生的廢氣能量用來為所述轉(zhuǎn)化工藝和(或)所述乙醇發(fā)酵過程中的再沸器提供熱量或蒸汽。所述整合工藝可通過一種高效環(huán)保的方式從可再生的生物質(zhì)中生產(chǎn)乙醇和電能。
[0018]如圖2所示，并結(jié)合圖1，所述工藝包括以下步驟:使糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇并產(chǎn)生濕的發(fā)酵殘渣(步驟11);通過轉(zhuǎn)化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產(chǎn)燃料氣體(步驟12);在氣體發(fā)動機或燃料輪機中燃燒所述燃料氣體以發(fā)電并產(chǎn)生熱量或蒸汽(步驟13);以及利用所述熱量或蒸汽為所述發(fā)酵步驟和(或)轉(zhuǎn)化工藝提供能量(步驟14)。
[0019]在步驟11中，糖的發(fā)酵工藝是在使用酵母的情況下在發(fā)酵裝置中進(jìn)行的用糖生產(chǎn)乙醇的過程。其中所使用的糖不受來源限制，可以是任何適用于乙醇發(fā)酵的糖類，比如，其可以是來自含糖作物(如甘蔗)中的糖，也可以是通過水解工藝從纖維材料中獲得的糖。纖維材料的來源可以是纖維質(zhì)廢物，也可以是為了生產(chǎn)乙醇的目的有意種植的植物。其中所使用的酵母是一種生物體，其在發(fā)酵的過程中死亡后變成待處理的發(fā)酵殘渣中的一部分。發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇可能以乙醇和水的混合物(發(fā)酵產(chǎn)物)的形式從發(fā)酵裝置中出來，所述從發(fā)酵裝置中出來的發(fā)酵產(chǎn)物可能被輸送到蒸餾裝置中，并在其中將乙醇從水中蒸餾出來。所述蒸餾裝置可包括一個或多個再沸器，所述再沸器需要大量的能量來將乙醇從水中蒸餾出來。在一些實施例中，所述發(fā)酵產(chǎn)物中乙醇的質(zhì)量百分含量約為5-20%，通過蒸餾獲得的產(chǎn)物中乙醇的質(zhì)量百分含量高于90%。
[0020]在步驟12中，所述轉(zhuǎn)化工藝可包括用來將發(fā)酵殘渣氣化以生產(chǎn)合成氣或發(fā)生爐煤氣的氣化工藝、用來以發(fā)酵殘渣生產(chǎn)沼氣的厭氧消解工藝、或者它們的組合。
[0021]可使用任何適用于將生物質(zhì)殘渣氣化以生產(chǎn)合成氣或發(fā)生爐煤氣的氣化裝置。氣化裝置的例子包括但不制于固定床氣化器、流化床氣化器和循環(huán)流化床氣化器。在一些實施例中，用于驅(qū)動一個發(fā)電能力較低，比如小于5MW的發(fā)電系統(tǒng)時,所述發(fā)酵殘渣在固定床氣化器中發(fā)生氣化。在另一些實施例中，用于驅(qū)動一個發(fā)電能力較高，比如大于5MW的發(fā)電系統(tǒng)時，所述發(fā)酵殘渣在流化床氣化器中發(fā)生氣化。為了滿足氣化的需求，可對所述濕的發(fā)酵殘渣進(jìn)行干燥，以降低其中的含水量。為了盡可能的減少干燥殘渣所需的能量，可采用一種機械干燥和熱干燥聯(lián)合干燥工藝。在一個實施例中，先通過機械干燥將所述濕的殘渣的含水量(質(zhì)量百分含量，下同)從80%左右或更高降低到50%左右，再通過熱干燥降低到20%左右或更低。 [0022]發(fā)酵殘渣氣化獲得的合成氣或發(fā)生爐煤氣主要包括一氧化碳、氫氣、氮氣、氧氣和蒸汽，其熱值不小于700kcal/Nm3，此外可能還包括一些雜質(zhì)，包括但不限于焦油、重質(zhì)烴如苯和石腦油、顆粒物如灰粉和未燒盡的殘留物等。這些雜質(zhì)可能會對合成氣燃燒發(fā)電產(chǎn)生不利的影響，因此，在將所述合成氣或發(fā)生爐煤氣輸送到氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C之前可對其進(jìn)行處理，以移除其中的雜質(zhì)，降低其雜質(zhì)含量。其中焦油可通過油洗滌塔、水洗滌塔或靜電除塵器去除。苯和石腦油等重質(zhì)烴可通過水洗、萃取或催化反應(yīng)等方法去除。顆粒物可通過旋風(fēng)或濾袋去除，其中顆粒尺寸大于10微米的顆粒一般通過旋風(fēng)或袋式過濾器去除，顆粒尺寸小于10微米的顆粒一般通過細(xì)篩過濾器如凝聚過濾器去除。在一個實施例中，可對合成氣進(jìn)行處理以將其中的焦油含量降低到30mg/Nm3以下，苯含量降低到2g/Nm3以下，石腦油含量降低到4mg/Nm3,顆粒物的含量降低到lmg/Nm3以下。
[0023]所述厭氧消解是在20°C到70°C的溫度下(取決于所用的厭氧消解的類型)懸浮于水中生產(chǎn)沼氣的過程，其可以分批進(jìn)行，也可以連續(xù)進(jìn)行。沼氣中主要含甲醇和二氧化碳。所述發(fā)酵殘渣的厭氧消解可通過業(yè)界已知的技術(shù)實現(xiàn)。所述濕的發(fā)酵殘渣可不經(jīng)干燥直接用于厭氧消解。過程中產(chǎn)生的沼氣可通過水洗或過濾去除其中的顆粒物，然后再進(jìn)入氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C中燃燒。
[0024]在步驟13中，將在步驟12中產(chǎn)生的燃料氣體，包括氣化產(chǎn)生的合成氣或發(fā)生爐煤氣和(或)厭氧消解產(chǎn)生的沼氣，輸送到氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C中燃燒發(fā)電。所述發(fā)電的過程還產(chǎn)生廢熱和蒸汽，所述廢熱和蒸汽可用于為前述轉(zhuǎn)化工藝和(或)發(fā)酵過程提供能量。
[0025]在步驟14中，所述來自氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C的廢熱或蒸汽可用于為甲醇蒸餾裝置中的再沸器和(或)氣化裝置體提供能量，還可用于干燥所述濕的殘渣。這樣，所述工藝可能在濕殘渣的干燥過程、氣化和(或)發(fā)酵產(chǎn)物的蒸餾過程實現(xiàn)能量自給。[0026]為了更好地理解本發(fā)明的整合型工藝，以下將結(jié)合圖3-5對具體的示例性的實施例進(jìn)行說明。
[0027]如圖3所示，將包括但不限于通過水解工藝從纖維材料中獲取的糖進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和濕的殘渣。對所述濕的殘渣，可能再加上一些纖維材料一起，進(jìn)行干燥。將干燥后的殘渣(和纖維材料)氣化以產(chǎn)生一種包括合成氣或發(fā)生爐煤氣的燃料氣體。將所述燃料氣體輸送到氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C中燃燒發(fā)電。在輸入氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C之前，可對所述燃料氣體進(jìn)行處理以去除其中雜質(zhì)。所述發(fā)電過程也產(chǎn)生一定的熱量和蒸汽，用于所述殘渣的干燥、氣化和(或)發(fā)酵產(chǎn)物蒸餾過程中再沸器的加熱。
[0028]如圖4所示，將包括但不限于通過水解工藝從纖維材料中獲取的糖進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和濕的殘渣。用濕的殘渣進(jìn)行厭氧消解產(chǎn)生一種包括沼氣的燃料氣體。將所述燃料氣體輸送到氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C中燃燒發(fā)電。在輸入氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C之前，可對所述燃料氣體進(jìn)行處理以去除其中雜質(zhì)。所述發(fā)電過程也產(chǎn)生一定的熱量和蒸汽，用于加熱發(fā)酵產(chǎn)物蒸餾過程中的再沸器。
[0029]如圖5所示，將包括但不限于通過水解工藝從纖維材料中獲取的糖進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生乙醇和濕的殘渣。用濕的殘渣進(jìn)行厭氧消解產(chǎn)生一種包括沼氣的第一燃料氣體，該厭氧消解還殘留一些濕的殘渣(濕的消解殘渣)。將所述濕的消解殘渣，可能再加上一些纖維材料一起，進(jìn)行干燥，然后氣化以產(chǎn)生一種包括合成氣或發(fā)生爐煤氣的第二燃料氣體。將所述第一燃料氣體和第二燃料氣體輸送到氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C中燃燒發(fā)電。在輸入氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C之前，可對所述燃料氣體進(jìn)行處理以去除其中雜質(zhì)。所述發(fā)電過程也產(chǎn)生一定的熱量和蒸汽，用于所述殘渣的干燥、氣化和(或)發(fā)酵產(chǎn)物蒸餾過程中再沸器的加熱。
[0030]所述工藝整合了乙醇發(fā)酵和將發(fā)酵殘渣轉(zhuǎn)化成燃料氣體用于發(fā)電的轉(zhuǎn)化工藝，其可利用發(fā)酵殘渣中的能量獲得電能。與傳統(tǒng)的直接燃燒發(fā)酵殘渣的方法相比，本發(fā)明工藝可提高發(fā)酵殘渣的能量利用率并減少污染物的排放。比如，在如圖6所示的一個通過直接燃燒干燥后的發(fā)酵殘渣產(chǎn)生`蒸汽用于蒸汽輪機發(fā)電的現(xiàn)有工藝中，總的電效率小于20%，總的熱效率小于40%。但在如圖1所示的以發(fā)酵殘渣產(chǎn)生燃料氣體用于燃燒驅(qū)動氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C發(fā)電的整合型工藝中，總的電效率和熱效率可分別達(dá)到30%和50%。此外，與直接燃燒發(fā)酵殘渣相比，用發(fā)酵殘渣生產(chǎn)燃料氣體用于燃燒的方法還可減少污染物的排放。
[0031]本發(fā)明可用其他的不違背本發(fā)明的精神或主要特征的具體形式來概述。因此，無論從哪一點來看，本發(fā)明的上述實施方案都只能認(rèn)為是對本發(fā)明的說明而不能限制本發(fā)明，本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求書界定，而不是由上述界定的，因此，在與本發(fā)明的權(quán)利要求書相當(dāng)?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)認(rèn)為是包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種整合型乙醇發(fā)酵工藝，其包括以下步驟: Ca)使糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇并產(chǎn)生濕的發(fā)酵殘渣； (b)通過轉(zhuǎn)化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產(chǎn)燃料氣體； (c)在氣體發(fā)動機或燃料輪機中燃燒所述燃料氣體以發(fā)電并產(chǎn)生熱量或蒸汽；以及 Cd)利用所述熱量或蒸汽為所述步驟(a)和(或)步驟(b)提供能量。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述轉(zhuǎn)化工藝包括發(fā)酵殘渣的氣化和(或)厭氧消解。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述步驟(b)包括: 將所述濕的發(fā)酵殘渣干燥；以及 通過氣化從所述干燥的發(fā)酵殘渣中生產(chǎn)包括合成氣或發(fā)生爐煤氣的燃料氣體。
4.如權(quán)利要求3所述的工藝，其中所述濕的發(fā)酵殘渣是通過機械干燥和熱干燥混合工藝進(jìn)行干燥的。
5.如權(quán)利要求4所述的 工藝，其中，通過機械干燥將所述濕的發(fā)酵殘渣中水的質(zhì)量百分含量從80%左右或更高降低到50%左右，再通過熱干燥降低到20%左右或更低。
6.如權(quán)利要求3所述的工藝，在進(jìn)入所述氣體發(fā)動機或燃?xì)廨啓C之前，對所述合成氣或發(fā)生爐煤氣進(jìn)行處理，使其中的焦油含量減低到30mg/Nm3以下，苯含量降低到2g/Nm3，石腦油含量降低到4mg/Nm3以下,顆粒物含量降低到Img/Nm3以下。
7.如權(quán)利要求3所述的工藝，其中所述干燥的發(fā)酵殘渣是在固定床氣化器中氣化的。
8.如權(quán)利要求3所述的工藝，其中所述干燥的發(fā)酵殘渣是在流化床氣化器中氣化的。
9.如權(quán)利要求1所述的工藝中，其中所述步驟(b)包括:通過厭氧消解從所述濕的發(fā)酵殘渣中生產(chǎn)包括沼氣的燃料氣體。
10.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述步驟(b)包括: 通過厭氧消解從所述濕的發(fā)酵殘渣中生產(chǎn)包括沼氣的燃料氣體，該過程還產(chǎn)生濕的消解殘渣； 將所述濕的消解殘渣和(或)濕的發(fā)酵殘渣干燥；以及 通過氣化從所述干燥的殘渣中生產(chǎn)包括合成氣或發(fā)生爐煤氣的燃料氣體。
【文檔編號】C12P7/06GK103667361SQ201210316636
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月30日
【發(fā)明者】胡立舜, 理查德.A.德皮, 薛俊利, 張冰, 俞平 申請人:通用電氣公司