發(fā)酵法生產乙醇并將殘渣轉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)酵轉化成乙醇并產生濕的發(fā)酵殘渣；（b）通過轉化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產燃料氣體；（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)酵法生產乙醇并將殘渣轉化成燃料氣體用于發(fā)電的整合工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)酵法生產乙醇的乙醇發(fā)酵工藝，該工藝還整合了殘渣轉化工藝，用來將發(fā)酵殘渣轉化成燃料氣體用于發(fā)電。
【背景技術】
[0002]生物質(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，生物質被認為是化石燃料最好的替代品。對于生物質用途的研究已廣泛開展了多年，其中，利用生物質的一種重要手段是通過乙醇發(fā)酵從生物質中生產乙醇。乙醇發(fā)酵是一種將糖轉化為含乙醇的發(fā)酵產物(Fermentate)并將該發(fā)酵產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]在傳統的乙醇發(fā)酵過程中，發(fā)酵產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)一種經濟實用的工藝對發(fā)酵殘渣進行高效利用。

【發(fā)明內容】

[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)酵轉化成乙醇并產生濕的發(fā)酵殘渣；(b)通過轉化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產燃料氣體；(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]通過結合附圖對于本發(fā)明的實施例進行描述，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化工藝，用來將發(fā)酵殘渣轉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合工藝的乙醇發(fā)酵工藝。
[0012]圖6中的流程圖顯示了現有技術中一種類似的生產乙醇并發(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】進行詳細描述。為了避免過多不必要的細節(jié)，在以下內容中將不對習知的結構或功能進行詳細的描述。
[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量有一定的變動。因此，用“大約”、“左右”等語言所修正的數值不限于該準確數值本身。在一些實施例中，“大約”表示允許其修正的數值在正負百分之十(10%)的范圍內變化，比如，“大約100”表示的可以是90到110之間的任何數值。此外，在“大約第一數值到第二數值”的表述中，大約同時修正第一和第二數值兩個數值。在某些情況下，近似性語言可能與測量儀器的精度有關。
[0015]本發(fā)明中所提及的數值包括從低到高一個單元一個單元增加的所有數值，此處假設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量或一個工藝參數的值，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15到85，22到68，43到51，30到32等數值都已經明白的列舉在此說明書中。對于小于I的數值，0.0001,0.001，0.01或者0.1被認為是比較適當的一個單元。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，本文中所用的技術和科學術語具有與本發(fā)明所屬領域技術人員普遍理解的相同含義。本文所用的術語“第一”、“第二”等并不表示任何順序、數量或重要性，而只是用于區(qū)別一種元件和另一種元件。并且，“一”或“一個”不表示數量的限定，而是表示存在一個的相關項目。
[0017]如圖1所示，一種用糖來生產乙醇的乙醇發(fā)酵工藝整合了一種將發(fā)酵殘渣轉化成燃料氣體的轉化工藝，并將所述燃料氣體通過氣體發(fā)動機或燃氣輪機用于發(fā)電。所述發(fā)動機或輪機中產生的廢氣能量用來為所述轉化工藝和(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中生產乙醇和電能。
[0018]如圖2所示，并結合圖1，所述工藝包括以下步驟:使糖發(fā)酵轉化成乙醇并產生濕的發(fā)酵殘渣(步驟11);通過轉化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產燃料氣體(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)酵裝置中進行的用糖生產乙醇的過程。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廢物，也可以是為了生產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)酵產生的乙醇可能以乙醇和水的混合物(發(fā)酵產物)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)酵產物中乙醇的質量百分含量約為5-20%，通過蒸餾獲得的產物中乙醇的質量百分含量高于90%。
[0020]在步驟12中，所述轉化工藝可包括用來將發(fā)酵殘渣氣化以生產合成氣或發(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殘渣氣化以生產合成氣或發(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，用于驅動一個發(fā)電能力較低，比如小于5MW的發(fā)電系統時,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，用于驅動一個發(fā)電能力較高，比如大于5MW的發(fā)電系統時，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，包括但不限于焦油、重質烴如苯和石腦油、顆粒物如灰粉和未燒盡的殘留物等。這些雜質可能會對合成氣燃燒發(fā)電產生不利的影響，因此，在將所述合成氣或發(fā)生爐煤氣輸送到氣體發(fā)動機或燃氣輪機之前可對其進行處理，以移除其中的雜質，降低其雜質含量。其中焦油可通過油洗滌塔、水洗滌塔或靜電除塵器去除。苯和石腦油等重質烴可通過水洗、萃取或催化反應等方法去除。顆粒物可通過旋風或濾袋去除，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)懸浮于水中生產沼氣的過程，其可以分批進行，也可以連續(xù)進行。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)界已知的技術實現。所述濕的發(fā)酵殘渣可不經干燥直接用于厭氧消解。過程中產生的沼氣可通過水洗或過濾去除其中的顆粒物，然后再進入氣體發(fā)動機或燃氣輪機中燃燒。
[0024]在步驟13中，將在步驟12中產生的燃料氣體，包括氣化產生的合成氣或發(fā)生爐煤氣和(或)厭氧消解產生的沼氣，輸送到氣體發(fā)動機或燃氣輪機中燃燒發(fā)電。所述發(fā)電的過程還產生廢熱和蒸汽，所述廢熱和蒸汽可用于為前述轉化工藝和(或)發(fā)酵過程提供能量。
[0025]在步驟14中，所述來自氣體發(fā)動機或燃氣輪機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)酵產物的蒸餾過程實現能量自給。[0026]為了更好地理解本發(fā)明的整合型工藝，以下將結合圖3-5對具體的示例性的實施例進行說明。
[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行發(fā)酵產生乙醇和濕的殘渣。對所述濕的殘渣，可能再加上一些纖維材料一起，進行干燥。將干燥后的殘渣(和纖維材料)氣化以產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)動機或燃氣輪機中燃燒發(fā)電。在輸入氣體發(fā)動機或燃氣輪機之前，可對所述燃料氣體進行處理以去除其中雜質。所述發(fā)電過程也產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行發(fā)酵產生乙醇和濕的殘渣。用濕的殘渣進行厭氧消解產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)動機或燃氣輪機中燃燒發(fā)電。在輸入氣體發(fā)動機或燃氣輪機之前，可對所述燃料氣體進行處理以去除其中雜質。所述發(fā)電過程也產生一定的熱量和蒸汽，用于加熱發(fā)酵產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行發(fā)酵產生乙醇和濕的殘渣。用濕的殘渣進行厭氧消解產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，進行干燥，然后氣化以產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)動機或燃氣輪機中燃燒發(fā)電。在輸入氣體發(fā)動機或燃氣輪機之前，可對所述燃料氣體進行處理以去除其中雜質。所述發(fā)電過程也產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)酵殘渣轉化成燃料氣體用于發(fā)電的轉化工藝，其可利用發(fā)酵殘渣中的能量獲得電能。與傳統的直接燃燒發(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)酵殘渣產生`蒸汽用于蒸汽輪機發(fā)電的現有工藝中，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)酵殘渣產生燃料氣體用于燃燒驅動氣體發(fā)動機或燃氣輪機發(fā)電的整合型工藝中，總的電效率和熱效率可分別達到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)明的權利要求書相當的含義和范圍內的任何改變，都應認為是包括在權利要求書的范圍內。
【權利要求】
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)酵轉化成乙醇并產生濕的發(fā)酵殘渣； (b)通過轉化工藝從所述發(fā)酵殘渣中生產燃料氣體； (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.如權利要求1所述的工藝，其中所述轉化工藝包括發(fā)酵殘渣的氣化和(或)厭氧消解。
3.如權利要求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)酵殘渣中生產包括合成氣或發(fā)生爐煤氣的燃料氣體。
4.如權利要求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行干燥的。
5.如權利要求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.如權利要求3所述的工藝，在進入所述氣體發(fā)動機或燃氣輪機之前，對所述合成氣或發(fā)生爐煤氣進行處理，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)酵殘渣中生產包括沼氣的燃料氣體。
10.如權利要求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)酵殘渣中生產包括沼氣的燃料氣體，該過程還產生濕的消解殘渣； 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