本實用新型總體上涉及工業(yè)尾氣處理領(lǐng)域，更特別地，涉及一種用于工業(yè)合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置，其能夠回收發(fā)酵尾氣中包含的有價值物質(zhì)，有效利用發(fā)酵尾氣中的熱值，并且減小發(fā)酵尾氣對大氣環(huán)境的污染。

背景技術(shù)：

我國是能源消耗大國，每年開采、進(jìn)口和使用大量的煤炭、石油和天然氣等能源用于石油化工、煤化工、鋼鐵、電力等諸多工業(yè)領(lǐng)域。一方面，這些能源的使用產(chǎn)生了大量工業(yè)尾氣，其對大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。另一方面，隨著我國經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷增大，能源獲取方面容易遇到瓶頸，而且煤炭、石油和天然氣都屬于不可再生資源，其儲量是有限的。因此，我國正在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，而出于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)方面的考慮，節(jié)能減排已成為經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中的重要考察指標(biāo)。

工業(yè)尾氣中含有大量的CO、CO₂和H₂等氣體，其是工業(yè)合成氣的主要成分，已經(jīng)提出了各種氣體發(fā)酵、生物合成技術(shù)來捕捉合成氣成分CO、CO₂和H₂，將其轉(zhuǎn)化成諸如有機(jī)酸、醇之類的高附加值產(chǎn)品，并且使其中蘊含的能量得到再次循環(huán)利用。從可持續(xù)發(fā)展和增加經(jīng)濟(jì)效益的角度來看，這不僅減少了工業(yè)尾氣在環(huán)境中的排放，還能以較低的能耗獲得更多有價值的產(chǎn)品，并且發(fā)酵過程中無危險、無污染產(chǎn)物，是傳統(tǒng)工業(yè)合成氣處理的一項優(yōu)質(zhì)替代技術(shù)。

但是，出于生物發(fā)酵工藝的特點以及經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，合成氣中的CO、H₂等可燃?xì)怏w并不能被完全利用，發(fā)酵尾氣中仍含有一定量的CO、H₂等可燃?xì)怏w，其含量一般在10％至60％的范圍，例如在30％左右，因此仍有較高的熱值未被利用。而且，CO、H₂也會對空氣造成污染，不宜直接排放到大氣環(huán)境中。此外，發(fā)酵尾氣中還可能含有合成有機(jī)物的蒸汽，如果直接排放到大氣中，會造成有價值物質(zhì)的浪費，并且污染大氣環(huán)境。

因此，需要一種尾氣處理裝置，其能夠?qū)I(yè)合成氣發(fā)酵尾氣進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)發(fā)酵尾氣的綜合利用和無害排放。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的一個方面在于提供一種用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置，其能夠回收發(fā)酵尾氣中包含的有價值物質(zhì)，有效利用發(fā)酵尾氣中的熱值，并且減小發(fā)酵尾氣排放對大氣環(huán)境的污染。

根據(jù)一示例性實施例，一種用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置包括：冷凝器，用于接收并且冷凝發(fā)酵尾氣；氣液分離器，連接到所述冷凝器以用于分離冷凝后的發(fā)酵尾氣和液體；預(yù)熱器，用于對助燃?xì)夂蛠碜运鰵庖悍蛛x器的發(fā)酵尾氣進(jìn)行預(yù)熱；以及蒸汽鍋爐，其具有燃燒器，預(yù)熱后的助燃?xì)夂桶l(fā)酵尾氣被提供給所述燃燒器并且在所述燃燒器中燃燒以加熱所述蒸汽鍋爐，燃燒所產(chǎn)生的煙氣被提供到所述預(yù)熱器以預(yù)熱發(fā)酵尾氣和助燃?xì)?，然后被排出?/p>

在一示例中，所述尾氣處理裝置還包括：助燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)閥，設(shè)置在助燃?xì)夤苈飞弦钥刂铺峁┙o所述燃燒器的助燃?xì)獾牧髁俊?/p>

在一示例中，所述尾氣處理裝置還包括：氣體分析儀，連接到所述發(fā)酵尾氣管路以檢測提供給所述燃燒器的發(fā)酵尾氣中的可燃?xì)怏w的濃度。

在一示例中，所述可燃?xì)怏w包括CO和H₂，所述助燃?xì)獍諝饣蚋谎鯕狻?/p>

在一示例中，所述尾氣處理裝置還包括：流量計，設(shè)置在所述氣液分離器與所述燃燒器之間的發(fā)酵尾氣管路上以檢測提供給所述燃燒器的發(fā)酵尾氣的流量；或者尾氣流量調(diào)節(jié)閥，設(shè)置在所述氣液分離器與所述燃燒器之間的發(fā)酵尾氣管路上以調(diào)節(jié)提供給所述燃燒器的發(fā)酵尾氣的流量。

在一示例中，所述尾氣處理裝置還包括：控制器，用于根據(jù)所述發(fā)酵尾氣的流量和所述發(fā)酵尾氣中的可燃?xì)怏w的濃度來調(diào)節(jié)所述助燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)閥，以控制提供給所述燃燒器的助燃?xì)獾牧髁俊?/p>

在一示例中，所述尾氣處理裝置還包括：可燃劑源，用于向所述燃燒器提供可燃劑。

在一示例中，所述可燃劑包括可燃?xì)怏w、可燃液體和可燃粉塵中的一種或多種。

在一示例中，所述尾氣處理裝置還包括：可燃劑流量調(diào)節(jié)閥，設(shè)置在可燃劑管路上以控制提供給所述燃燒器的可燃劑的流量。

在一示例中，所述控制器根據(jù)所述發(fā)酵尾氣的流量和所述發(fā)酵尾氣中的可燃?xì)怏w的濃度來調(diào)節(jié)所述助燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)閥和所述可燃劑流量調(diào)節(jié)閥以分別控制提供給所述燃燒器的助燃?xì)夂涂扇紕┑牧髁俊?/p>

在一示例中，所述發(fā)酵尾氣中包括有10％至60％體積比的可燃?xì)怏w。

在一示例中，所述冷凝器是水冷式冷凝器、風(fēng)冷式冷凝器、或蒸發(fā)式冷凝器。

在一示例中，所述氣液分離器是旋風(fēng)式氣液分離器、重力沉降分離器、折流分離器、離心力分離器、絲網(wǎng)分離器、超濾分離器、或填料分離器。優(yōu)選地，所述氣液分離器是旋風(fēng)式氣液分離器。

在一示例中，所述預(yù)熱器是管式預(yù)熱器。優(yōu)選地，所述預(yù)熱器是盤管式預(yù)熱器。

在一示例中，所述燃燒器是燃?xì)馐饺紵骰蛉加褪饺紵鳌?/p>

本實用新型所提供的用于工業(yè)合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置的優(yōu)勢在于，發(fā)酵尾氣通過冷凝器和氣液分離器可實現(xiàn)尾氣與發(fā)酵有機(jī)產(chǎn)物的蒸汽的分離，從而能實現(xiàn)高附加值的有機(jī)產(chǎn)物的有效回收。之后，通過使發(fā)酵尾氣與預(yù)定配比的助燃?xì)庠谡羝仩t的燃燒室中充分燃燒，產(chǎn)生的蒸汽可供發(fā)酵生產(chǎn)使用，同時放出的熱可用于預(yù)熱發(fā)酵尾氣和助燃?xì)?，充分利用了燃燒產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)了合成氣發(fā)酵尾氣的綜合利用和無害排放。

本實用新型的上述和其他特征和優(yōu)點將通過下面參照附圖對示例性實施例的描述而變得顯而易見。

附圖說明

圖1示出根據(jù)本實用新型一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2示出根據(jù)本實用新型另一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3示出根據(jù)本實用新型又一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4示出根據(jù)本實用新型再一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面將參照示例性實施例來描述本實用新型。應(yīng)理解，這些實施例僅是示例性的，并非對本實用新型的任何限制。除非另外指出，否則在本說明書、權(quán)利要求書和示例性實施例中出現(xiàn)的所有數(shù)值，均不應(yīng)理解為絕對精確值，而是可具有本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解的、現(xiàn)有技術(shù)所允許的誤差范圍?；谶@里給出的詳細(xì)說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可以對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的范圍，這些修改和替換均落在權(quán)利要求所涵蓋的本實用新型的范圍內(nèi)。

下面結(jié)合附圖來描述本實用新型的示例性實施例。

圖1示出根據(jù)本實用新型一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置100的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，合成氣發(fā)酵的尾氣可從冷凝器102的入口進(jìn)入尾氣處理裝置100。發(fā)酵尾氣中可含有CO、H₂、CO₂、N₂等氣體，其中可燃?xì)怏wCO、H₂的體積比之和一般在10％至60％的水平，例如在30％左右，因此含有較大的可利用熱值。此外，發(fā)酵尾氣中還含有一定量的水蒸汽和發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物的蒸汽，例如有機(jī)酸、醇類等。這些有機(jī)物屬于高附加值產(chǎn)物，期望能得到進(jìn)一步的回收利用。

發(fā)酵尾氣可在冷凝器102中冷卻，使得其中的水蒸汽和揮發(fā)性有機(jī)物蒸汽能夠液化，而諸如CO、H₂、CO₂、N₂之類的氣體由于液化溫度極低，所以仍保持為氣態(tài)。冷凝器102可以是任何類型的冷凝器，例如水冷式冷凝器、風(fēng)冷式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器等，本實用新型不對其進(jìn)行任何限制。

冷凝器102的出口可連接到氣液分離器104以對發(fā)酵尾氣和液化的水和有機(jī)物進(jìn)行分離。氣液分離器104可以采用多種方式中的任何一種來執(zhí)行氣液分離，例如但不限于重力沉降分離、折流分離、離心力分離、絲網(wǎng)分離、超濾分離、填料分離等。在一示例中，優(yōu)選地，氣液分離器104可以是旋風(fēng)式氣液分離器，從而可以實現(xiàn)更高的分離效率。分離出來的液態(tài)的水和有機(jī)物可被回收再利用，氣態(tài)的發(fā)酵尾氣，包括CO、H₂、CO₂、N₂等氣體，可以被提供給預(yù)熱器106以進(jìn)行預(yù)熱。

預(yù)熱器106可以是例如管式預(yù)熱器，優(yōu)選是盤管式預(yù)熱器以提高熱交換效率，其可以具有多個入口和出口以同時對多種流體進(jìn)行預(yù)熱。例如，預(yù)熱器106可以具有連接到氣液分離器104以接收發(fā)酵尾氣的第一入口、連接到下游的蒸汽鍋爐110(稍后再詳細(xì)描述)的第一出口、以及連接在第一入口和第一出口之間的第一盤管(未示出)。此外，預(yù)熱器106還可以具有連接到助燃?xì)庠?08以接收助燃?xì)獾牡诙肟?、連接到下游的蒸汽鍋爐110的第二出口、以及連接在第二入口和第二出口之間的第二盤管(未示出)。預(yù)熱器106還可以具有熱質(zhì)(稍后描述)入口和熱質(zhì)出口，熱質(zhì)經(jīng)入口進(jìn)入圍繞第一盤管和第二盤管的密閉空間，與第一盤管和第二盤管進(jìn)行熱交換以預(yù)熱流經(jīng)其中的流體，然后經(jīng)熱質(zhì)出口離開預(yù)熱器106。在本實施例中，預(yù)熱器106對來自氣液分離器104的發(fā)酵尾氣和來自助燃?xì)庠?08的助燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱。應(yīng)理解，本實用新型不限于該具體結(jié)構(gòu)，而是預(yù)熱器106也可以采用任何其他結(jié)構(gòu)，只要能對發(fā)酵尾氣和助燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱即可。

助燃?xì)饪梢允强諝饣蚋谎鯕狻Ｒ阎氖?，空氣中含有大約21％體積比的氧氣，因此可用于助燃目的。在本實施例中，富氧氣可包括含氧量(體積比)超過空氣的任何氣體，例如工業(yè)氧氣等。助燃?xì)饪蓛Υ嬖谥細(xì)庠?08中，助燃?xì)庠?08可以是例如儲存有助燃?xì)獾臍夤蕖Ｔ谝皇纠?，?dāng)助燃?xì)馐强諝鈺r，助燃?xì)庠?08可被省略，而是直接將大氣中的空氣泵入預(yù)熱器106以進(jìn)行預(yù)熱。

預(yù)熱后的發(fā)酵尾氣和助燃?xì)獗粡念A(yù)熱器106提供給蒸汽鍋爐110。具體而言，蒸汽鍋爐110可具有燃燒器112，燃燒器112可以是燃?xì)馐交蛉加褪饺紵?，發(fā)酵尾氣和助燃?xì)獗惶峁┙o蒸汽鍋爐110的燃燒器112。如前所述，發(fā)酵尾氣中包括有一定量的可燃?xì)怏wCO、H₂，其與助燃?xì)庠谌紵?12中混合并且燃燒，轉(zhuǎn)變成無害的二氧化碳和水蒸汽。在一示例中，燃燒溫度可達(dá)700℃以上，甚至超過850℃，因此放出大量的熱。燃燒產(chǎn)生的熱可用于加熱蒸汽鍋爐110中的水，產(chǎn)生蒸汽。蒸汽鍋爐110產(chǎn)生的蒸汽可用于發(fā)酵生產(chǎn)，或者可用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)或其他動力設(shè)備，本實用新型不做任何特定限制。通過上述工藝，1立方米的發(fā)酵尾氣經(jīng)綜合利用，可產(chǎn)生約1公斤的低壓蒸汽，并且達(dá)到環(huán)保、安全的排放標(biāo)準(zhǔn)。

在燃燒器112中燃燒后產(chǎn)生的煙氣可經(jīng)燃燒器112的出口排出，出口處的煙氣溫度一般不超過350℃。煙氣可被從燃燒器112提供給預(yù)熱器106的熱質(zhì)入口以用于預(yù)熱發(fā)酵尾氣和助燃?xì)?。在一示例中，煙氣可將發(fā)酵尾氣和助燃?xì)忸A(yù)熱至大約200℃左右。這樣，使得發(fā)酵尾氣中的熱值能得到充分的利用。然后，煙氣經(jīng)預(yù)熱器106的熱質(zhì)出口排出，并且經(jīng)管道輸送至煙囪114，排放到大氣環(huán)境中。輸送到煙囪114處的煙氣的溫度可降至180℃左右。

雖然未示出，但是可以在煙氣管路上，例如在煙囪114處，設(shè)置氣體分析儀以檢測煙氣中的特定氣體例如CO的濃度，確定其是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)。還可以根據(jù)所檢測的濃度來優(yōu)化上述尾氣處理過程中的參數(shù)，例如發(fā)酵尾氣的流量、助燃?xì)獾牧髁康?，以實現(xiàn)最低的CO濃度

圖2示出根據(jù)本實用新型另一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置200的結(jié)構(gòu)框圖。與圖1所示的尾氣處理裝置100相比，在圖2的尾氣處理裝置200中用相同或相似的附圖標(biāo)記指示相同或相似的部件，這里將省略對其的重復(fù)描述，而僅著重描述二者的不同之處。

如圖2所示，尾氣處理裝置200還包括設(shè)置在發(fā)酵尾氣管路上的氣體分析儀202，以用于檢測提供給燃燒器112的發(fā)酵尾氣中的氣體濃度，尤其是可燃?xì)怏wCO、H₂等的氣體濃度(即體積比)。優(yōu)選地，氣體分析儀202設(shè)置在氣液分離器104之后，以避免有機(jī)物蒸汽(其在冷凝器102中液化并且在氣液分離器104中被分離)對測量結(jié)果的影響。雖然圖2示出了氣體分析儀202設(shè)置在氣液分離器104與預(yù)熱器106之間的發(fā)酵尾氣管路上，但是其也可以設(shè)置在預(yù)熱器106與蒸汽鍋爐110之間的發(fā)酵尾氣管路上。

尾氣處理裝置200還包括設(shè)置在發(fā)酵尾氣管路上的流量計204，以用于檢測提供給燃燒器112的發(fā)酵尾氣的流量。同樣，流量計204優(yōu)選設(shè)置在氣液分離器104之后，例如如圖2所示的那樣在氣液分離器104與預(yù)熱器106之間的發(fā)酵尾氣管路上，或者在預(yù)熱器106與蒸汽鍋爐110之間的發(fā)酵尾氣管路上。

通過檢測提供給蒸汽鍋爐110的發(fā)酵尾氣的流量和發(fā)酵尾氣中可燃?xì)怏w例如CO、H₂的體積比，即可確定應(yīng)提供給蒸汽鍋爐110的助燃?xì)獾牧髁俊Ｔ趫D2所示的實施例中，尾氣處理裝置200還包括設(shè)置在助燃?xì)夤苈飞系牡谝涣髁空{(diào)節(jié)閥206，以用于調(diào)節(jié)提供給燃燒器112的助燃?xì)獾牧髁俊ｋm然圖2示出了第一流量調(diào)節(jié)閥206設(shè)置在助燃?xì)庠?08與預(yù)熱器106之間的助燃?xì)夤苈飞?，但是其也可以設(shè)置在預(yù)熱器106與蒸汽鍋爐110之間的助燃?xì)夤苈飞稀?/p>

繼續(xù)參照圖2，尾氣處理裝置200還包括控制器208，控制器208可根據(jù)流量計204確定的發(fā)酵尾氣的流量和氣體分析儀202確定的可燃?xì)怏w的體積比來計算所需提供給蒸汽鍋爐110的助燃?xì)獾牧髁浚⑶腋鶕?jù)計算結(jié)果來調(diào)節(jié)第一流量調(diào)節(jié)閥206以控制實際提供給蒸汽鍋爐110的助燃?xì)獾牧髁?，例如使其等于計算流量。?yīng)注意，在計算所需的助燃?xì)饬髁繒r，計算流量應(yīng)大于根據(jù)化學(xué)配比所需的流量。例如，如果發(fā)酵尾氣的流量為1000sccm，其中CO和H₂的體積比之和為30％，那么所需純O₂氣體的化學(xué)配比流量為150sccm，或者所需空氣的化學(xué)配比流量約為714.3sccm。但是，控制器208計算所確定的流量應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)配比流量，例如是化學(xué)配比流量的20％至60％，優(yōu)選30％至50％，以保證可燃?xì)怏w的充分燃燒。另一方面，所提供的助燃?xì)獾牧髁恳膊灰诉^大，否則其會稀釋可燃?xì)怏w，導(dǎo)致部分可燃?xì)怏w不能得到充分燃燒。

如上所述，在圖2所示的尾氣處理裝置200中，通過利用控制器208來根據(jù)發(fā)酵尾氣的流量和發(fā)酵尾氣中的可燃?xì)怏w的濃度來確定所需提供的助燃?xì)怏w的流量，可以保證發(fā)酵尾氣在燃燒器112中的充分燃燒，從而使發(fā)酵尾氣中的熱值能得到充分利用，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益，同時最小化了發(fā)酵尾氣中作為有害成分的可燃?xì)怏wCO、H₂的量，實現(xiàn)了無害排放。

圖3示出根據(jù)本實用新型又一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置300的結(jié)構(gòu)框圖。與圖2所示的尾氣處理裝置200相比，在圖3的尾氣處理裝置300中用相同或相似的附圖標(biāo)記指示相同或相似的部件，這里將省略對其的重復(fù)描述，而僅著重描述二者的不同之處。

如圖3所示，尾氣處理裝置300還包括可燃劑源302，其中可儲存有可燃劑?？扇紕┛砂ǜ鞣N形式的可燃劑，例如可燃?xì)怏w、可燃液體(包括可燃油、可燃有機(jī)液體例如乙醇等)、可燃粉塵(例如煤粉等)等。當(dāng)發(fā)酵尾氣中的可燃?xì)怏w的濃度較低，不足以進(jìn)行燃燒或者不能充分燃燒時，可燃劑源302可將可燃劑提供給蒸汽鍋爐110的燃燒器112，例如通過噴嘴噴射到燃燒器112的燃燒室內(nèi)，以與發(fā)酵尾氣、助燃?xì)饣旌蟻磉M(jìn)行燃燒。在可燃劑管路上還可以設(shè)置有第二流量調(diào)節(jié)閥304以控制提供給燃燒器112的可燃劑的流量。第二流量調(diào)節(jié)閥304可由控制器208控制。例如，控制器208可根據(jù)發(fā)酵尾氣的流量和發(fā)酵尾氣中的可燃?xì)怏w的濃度來調(diào)節(jié)第一流量調(diào)節(jié)閥206和第二流量調(diào)節(jié)閥304，以分別控制提供給燃燒器112的助燃?xì)夂涂扇紕┑牧髁俊?/p>

圖4示出根據(jù)本實用新型再一示例性實施例的用于合成氣發(fā)酵的尾氣處理裝置400的結(jié)構(gòu)框圖。與圖3所示的尾氣處理裝置300相比，在圖4的尾氣處理裝置400中用相同或相似的附圖標(biāo)記指示相同或相似的部件，這里將省略對其的重復(fù)描述，而僅著重描述二者的不同之處。

如圖4所示，流量計204被第三流量調(diào)節(jié)閥402所代替，第三流量調(diào)節(jié)閥402可以被控制器208控制以調(diào)整提供給燃燒器112的發(fā)酵尾氣的流量。同樣，第三流量調(diào)節(jié)閥402優(yōu)選設(shè)置在氣液分離器104之后，例如如圖4所示的那樣在氣液分離器104與預(yù)熱器106之間的發(fā)酵尾氣管路上，或者在預(yù)熱器106與蒸汽鍋爐110之間的發(fā)酵尾氣管路上?？刂破?08可根據(jù)各種考慮因素來控制第三流量調(diào)節(jié)閥402，例如根據(jù)合成氣發(fā)酵工藝的進(jìn)程，或者根據(jù)蒸汽鍋爐110處所需的熱量等。在另一些實施例中，也可以由操作人員控制第三流量調(diào)節(jié)閥402，第三流量調(diào)節(jié)閥402將其設(shè)定流量值提供給控制器208。在確定了發(fā)酵尾氣的流量并且獲得了發(fā)酵尾氣中的可燃?xì)怏w濃度后，控制器208可以進(jìn)一步確定助燃?xì)獾牧髁亢涂扇紕┑牧髁浚缜懊婷枋龅哪菢?，此處不再贅述?/p>

上面參照附圖描述了本實用新型的示例性實施例。應(yīng)理解，這些實施例是示例性的，僅用于說明本實用新型的原理，而非在任何意義上限制本實用新型。在不脫離本實用新型的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出形式和細(xì)節(jié)上的修改或替代。本實用新型的范圍僅有所附權(quán)利要求及其等價物定義。