CN103266141A - 一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法 - Google Patents

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张成明
李纪红
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Abstract

本发明公开了一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法，是以糖质物料发酵生产酒精，发酵结束后，将得到的蒸馏废水送入厌氧发酵系统进行发酵，得到生物燃气厌氧废水，厌氧废水作为生物燃气生产单元土地的灌溉用水进行使用。本发明通过将燃料乙醇生产单元和生物燃气生产单元通过规划，形成一个相互关联的有机整体，即获得了大量的清洁的可再生能源，又使系统中的废水排放量实现最小化，同时对系统中的营养成分进行了多级利用，可获得显著的环境效益和经济效益。

Description

一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法
技术领域
本发明涉及一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法，属于生物质燃料加工技术领域。
背景技术
由于石化资源的不可再生性，以及由于环境保护的考虑，世界各国都致力于可再生能源的开发，以替代目前的石化资源。在众多的可再生能源中，以非粮原料为底物进行燃料乙醇生产，以及利用农业及城市废弃物进行生物燃气生产是目前的研究热点。如何处理生产过程中生成的大量废水是这两个产业共同面临的问题。
一方面，我国燃料乙醇行业采用最普遍的工艺是以淀粉质原料为底物，通过液态发酵法进行生产。采用液体发酵法面临的最大问题是，在生产乙醇的同时，会生成大量的蒸馏废水。通常情况下，生产1吨乙醇会同时生成10～12吨的蒸馏废水，这些废水需要经过厌氧-好氧-深度处理后才可以达标排放。在很多情况下，即使经过深度处理也无法保证废水能够达标排放，不仅给企业带来的沉重的经济负担，也带来了巨大的环境污染隐患。为了解决这一问题，本实验室李十中教授从设备及工艺角度（中国专利申请号：200710080388.0）出发，对传统固态发酵工艺进行改进，建立了以甜高粱为原料的固态酒精发酵工艺，并实现工业化运行。在该工艺中，蒸馏废水生成量比液态发酵法下降50%～70%。通过生物厌氧处理对蒸馏废水进行处理可以获得大量的生物燃气，但是，好氧生物处理及后续的深度处理将极大的增加企业的经济负担。另一方面，在我南方地方，尤其是广东、广西及海南等地，热带水果是当地的重要经济来源之一。在生产水果的同时，会生成大量的作物秸秆等废弃物，通常情况下，这些秸秆会被直接粉碎还田，或者自然堆放，任其自然腐败。这些做法不仅造成资源浪费、生产大量的温室气体，还容易滋生严重的植物病害，给当地的种植业带来了很大的隐患。
发明内容
本发明提供一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法，技术方案如下：
（1）粉碎：对糖质物料进行粉碎；
（2）水分调节：根据酒精发酵的需要，利用生物燃气生产单元的厌氧废水对粉碎物料的水分进行调节；
（3）酒精发酵：将培养好的酵母种子液与（2）中得到的物料进行混合并进行酒精发酵,酒精发酵结束后，经蒸馏得到粗酒精和酒糟；
（4）厌氧废水的获得和使用：对酒糟进行固液分离，获得水分含量较低的酒糟和蒸馏废液，将蒸馏废液送入厌氧发酵工序，获得沼气和厌氧废水，厌氧废水作为生物燃气单元土地的灌溉用水，收集产生的作物秸秆。
更进一步，为实现清洁生产减少环境污染，本发明具体步骤如下：
a)燃料乙醇生产单元：
（1）物料水分控制：降低糖质物料中的水分含量；
（2）粉碎：对糖质物料进行粉碎；
（3）水分调节：根据酒精发酵的需要，利用生物燃气生产单元的厌氧废水和/或新鲜水对粉碎物料的水分进行调节；
（4）酒精发酵：将培养好的酵母种子液与（2）中得到的物料进行混合并进行酒精发酵,酒精发酵结束后，经蒸馏得到粗酒精和酒糟；
（5）厌氧废水的获得和使用：对酒糟进行固液分离，获得水分含量较低的酒糟和蒸馏废液，将蒸馏废液送入厌氧发酵工序，获得沼气和厌氧废水，厌氧废水作为生物燃气单元土地的灌溉用水，收集产生的作物秸秆；
b)生物燃气生产单元：
（1）原料预处理：将收集的作物秸秆进行粉碎，使其适合于沼气发酵；
（2）沼气发酵：将（1）中获得的物料送入沼气发酵系统中，获得生物燃气和厌氧废水，厌氧废水作为燃料乙醇生产单元的水分调节剂进行使用。
所述燃料乙醇生产单元采用的糖质原料为甜高粱、甘蔗、甜菜或菊芋中任一一种或多种的混合物。
燃料乙醇生产单元步骤（1）物料中的水分可以控制在20%～70%。
燃料乙醇生产单元步骤（3）厌氧废水与水混合后对粉碎后的物料进行水分调节。
厌氧废水在酒精发酵前进行添加。
当生物燃气生产单元的厌氧废水未产生时，以水替代厌氧废水进行物料的水分调节。
燃料乙醇生产单元步骤（4）接种酵母种子液后，物料的含水率在60%～85%之间。
酒精发酵温度范围为28～40°C，发酵时间为16～30小时。
所述酵母为酿酒酵母。
燃料乙醇生产单元产生的厌氧废水作为液态肥用于香蕉园的灌溉用水，香蕉杆作为生物燃气生产单元沼气发酵的原料。
本发明具有以下优点：
1、以生物燃气生产单元的厌氧废水作为酒精发酵单元的底物水分调节剂，可以减少酒精生产单元中，物料水分调节时的新鲜水用量。
2、将酒精生产单元获得的厌氧废水作为生物燃气生产单元的灌溉用水，降低了酒精生产单元的废水处理成本，同时避免了秸秆直接还田时引起的植物疫病。
附图说明
图1为本发明工艺流程图
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下面将结合附图中的实施例对本发明作进一步描述（注：以下实施例的百分数如无特殊说明均为重量百分数）：
实施例1
本发明一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法，采用以下步骤：
燃料乙醇生产单元：
（1）物料水分控制：取16t甜高粱茎秆，通过自然风干，控制其水分为20%；
（2）粉碎：对（1）中的含水率为20%的甜高粱茎秆进行粉碎；
（3）水分调节：向（2）中得到粉碎物料中加入生物燃气生产单元的厌氧废水及新鲜用水各1.9吨；
（4）酒精发酵：将培养好的酵母种子液2.2吨与（3）中得到的物料进行混合并进行酒精发酵；发酵料的水分含量为60%，发酵温度为30°C，发酵时间16小时；
（5）酒精发酵结束后，经蒸馏、精馏后得到乙醇含量99.5%（v/v）的工业酒精1t和含水量74%的酒糟10t。对酒糟进行固液分离获得含水量50%的酒糟5t和5t蒸馏废液。将蒸馏废液送入厌氧发酵工序，获得沼气和厌氧废水5t。将厌氧废水作为香蕉园的灌溉用水进行使用。
生物燃气生产单元：
（1）取9吨新鲜香蕉杆（含水量92%），进行粉碎，并送入生物燃气生产系统；
（2）通过厌氧发酵，获得1800m3甲烷和5吨厌氧废水。取1.9吨厌氧废水作为燃料乙醇生产单元的水分调节剂进行使用。
未产生厌氧废水时，以新鲜水进行水分调节。
实施例2
本发明一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法采用以下步骤：
（1）物料水分控制：取8吨甜高粱茎秆和8吨甘蔗茎秆，维持其水分含量不变；
（2）粉碎：对（1）中的含水率为70%的茎秆进行粉碎；
（3）水分调节：向（2）中得到粉碎物料中加入生物燃气生产单元的厌氧废水2.6吨；
（4）酒精发酵：将2.4吨培养好的酵母种子液与（3）中得到的物料进行混合并进行酒精发酵；发酵料的水分含量为77%，发酵温度为40°C，发酵时间24小时；
（5）酒精发酵结束后，经蒸馏、精馏后得到乙醇含量99.5%（v/v）的工业酒精1t和含水量86.4%的酒糟18.8吨。对酒糟进行固液分离获得含水量50%的酒糟5.1t和13.6吨蒸馏废液。将蒸馏废液送入厌氧发酵工序，获得沼气和厌氧废水13.6吨。将厌氧废水作为香蕉园的灌溉用水进行使用。
生物燃气生产单元：
（1）取5吨新鲜香蕉杆（含水量92%），进行粉碎，并送入生物燃气生产系统；
（2）通过厌氧发酵，获得1000m3甲烷，和2.6吨厌氧废水。将全部的厌氧废水作为燃料乙醇生产单元的水分调节剂进行使用。
未产生厌氧废水时，以新鲜水进行水分调节。
实施例3
本发明一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法采用以下步骤：
（1）物料水分控制：取16t甘蔗（含糖14%，水分含量70%），降低其含水量至50%；
（2）粉碎：对（1）中的含水率为50%的茎秆进行粉碎；
（3）水分调节：向（2）中得到粉碎物料中加入生物燃气生产单元的厌氧废水20吨；
（4）酒精发酵：将2.4吨培养好的酵母种子液与（3）中得到的物料进行混合并进行酒精发酵；发酵料的水分含量为85%，发酵温度为28°C，发酵时间30小时；
（5）酒精发酵结束后，经蒸馏、精馏后得到乙醇含量99.5%（v/v）的工业酒精1t和含水量91%的酒糟30吨。对酒糟进行固液分离获得含水量70%的酒糟8.5吨和21吨蒸馏废液。将蒸馏废液送入厌氧发酵工序，获得沼气和厌氧废水21吨。将厌氧废水作为香蕉园的灌溉用水进行使用。
生物燃气生产单元：
（1）取33吨新鲜香蕉杆（含水量92%），进行粉碎，并送入生物燃气生产系统；
（2）通过厌氧发酵，获得6600m3甲烷，和20吨厌氧废水。厌氧废水作为燃料乙醇生产单元的水分调节剂进行使用。
未产生厌氧废水时，以新鲜水进行水分调节。

Claims (10)

1.一种生态型联产燃料乙醇和生物燃气的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）粉碎：对糖质物料进行粉碎；
（2）水分调节：根据酒精发酵的需要，利用生物燃气生产单元的厌氧废水对粉碎物料的水分进行调节；
（3）酒精发酵：将培养好的酵母种子液与（2）中得到的物料进行混合并进行酒精发酵,酒精发酵结束后，经蒸馏得到粗酒精和酒糟；
（4）厌氧废水的获得和使用：对酒糟进行固液分离，获得水分含量较低的酒糟和蒸馏废液，将蒸馏废液送入厌氧发酵工序，获得沼气和厌氧废水，厌氧废水作为生物燃气单元土地的灌溉用水，收集产生的作物秸秆。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)燃料乙醇生产单元：
（1）物料水分控制：降低或维持糖质物料中的水分含量；
（2）粉碎：对糖质物料进行粉碎；
（3）水分调节：根据酒精发酵的需要，利用生物燃气生产单元的厌氧废水和/或新鲜水对粉碎物料的水分进行调节；
（4）酒精发酵：将培养好的酵母种子液与（3）中得到的物料进行混合并进行酒精发酵,酒精发酵结束后，经蒸馏得到粗酒精和酒糟；
（5）厌氧废水的获得和使用：对酒糟进行固液分离，获得水分含量较低的酒糟和蒸馏废液，将蒸馏废液送入厌氧发酵工序，获得沼气和厌氧废水，厌氧废水作为生物燃气单元土地的灌溉用水，收集产生的作物秸秆；
b)生物燃气生产单元：
（1）原料预处理：将收集的作物秸秆进行粉碎，使其适合于沼气发酵；
（2）沼气发酵：将（1）中获得的物料送入沼气发酵系统中，获得生物燃气和厌氧废水，厌氧废水作为燃料乙醇生产单元的水分调节剂进行使用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，燃料乙醇生产单元采用的糖质原料为甜高粱茎秆、甘蔗、甜菜或菊芋中任一一种或多种的混合物。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述糖质原料为甜高粱茎秆和/或甘蔗。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，燃料乙醇生产单元步骤（1）物料中的水分可以控制在20%～70%。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，燃料乙醇生产单元步骤（3）厌氧废水与水混合后对粉碎后的物料进行水分调节。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，厌氧废水在酒精发酵前进行添加。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，燃料乙醇生产单元步骤（4）接种酵母种子液后，物料的含水率在60%～85%之间。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，酒精发酵温度范围为28～40°C，发酵时间为16～30小时，所述酵母为酿酒酵母。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，燃料乙醇生产单元产生的厌氧废水作为液态肥用于香蕉园的灌溉用水，香蕉杆作为生物燃气生产单元沼气发酵的原料。
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