CN103667361A

CN103667361A - 发酵法生产乙醇并将残渣转化成燃料气体用于发电的整合工艺

Info

Publication number: CN103667361A
Application number: CN201210316636.8A
Authority: CN
Inventors: 胡立舜; 理查德.A.德皮; 薛俊利; 张冰; 俞平
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及一种整合型乙醇发酵工艺，该工艺包括以下步骤：（a）使糖发酵转化成乙醇并产生湿的发酵残渣；（b）通过转化工艺从所述发酵残渣中生产燃料气体；（c）在气体发动机或燃料轮机中燃烧所述燃料气体以发电并产生热量或蒸汽；以及（d）利用所述热量或蒸汽为所述步骤（a）和（或）步骤（b）提供能量。

Description

发酵法生产乙醇并将残渣转化成燃料气体用于发电的整合工艺

技术领域

本发明涉及一种发酵法生产乙醇的乙醇发酵工艺，该工艺还整合了残渣转化工艺，用来将发酵残渣转化成燃料气体用于发电。

背景技术

生物质（Biomass）是用作燃料或能源的生物材料，具有广泛的材料来源，比如植物材料、动物粪便等。作为一种可再生的能量来源，生物质被认为是化石燃料最好的替代品。对于生物质用途的研究已广泛开展了多年，其中，利用生物质的一种重要手段是通过乙醇发酵从生物质中生产乙醇。乙醇发酵是一种将糖转化为含乙醇的发酵产物（Fermentate）并将该发酵产物蒸馏以获取乙醇的生物过程。

乙醇发酵的原料来源非常丰富，用于乙醇发酵的糖既可从含糖材料中萃取，也可通过水解或其他工艺从纤维材料中获得。其中含糖材料如玉米、蔗糖等是广泛种植的作物，而纤维素则几乎存在于每一种无需农作或成本的自然生长的作物、树木和灌木中，广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况下，乙醇发酵受到越来越多的重视。

在传统的乙醇发酵过程中，发酵产生的残渣往往被丢弃或被用作肥料，而没有高效利用发酵残渣中的能量的方法。目前有一种利用发酵残渣中能量的方法是将其干燥后直接燃烧，以获取热量或蒸汽。然而，通过直接燃烧发酵残渣获取能量的方法的能量利用效率很低。因此又必要开发一种经济实用的工艺对发酵残渣进行高效利用。

发明内容

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1中的流程图显示了一种乙醇发酵工艺，该工艺还整合了残渣转化工艺，用来将发酵残渣转化成燃料气体用于发电。

图2中的工艺流程图显示了一种整合了残渣转化工艺的乙醇发酵工艺的的各个步骤。

图3中的流程图显示了本发明是一个实施例中的一种整合了残渣气化工艺的乙醇发酵工艺。

图4中的流程图显示了本发明另一实施例中的一种整合了残渣厌氧消解工艺的乙醇发酵工艺。

图5中的流程图显示了本发明又一实施例中的一种整合了残渣气化和厌氧消解联合工艺的乙醇发酵工艺。

图6中的流程图显示了现有技术中一种类似的生产乙醇并发电的乙醇发酵工艺，但该工艺是通过燃烧发酵残渣产生蒸汽来发电的。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”表示允许其修正的数值在正负百分之十（10%）的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001,0.001,0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述例子仅作举例说明之用，实际上，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种元件和另一种元件。并且，“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。

如图1所示，一种用糖来生产乙醇的乙醇发酵工艺整合了一种将发酵残渣转化成燃料气体的转化工艺，并将所述燃料气体通过气体发动机或燃气轮机用于发电。所述发动机或轮机中产生的废气能量用来为所述转化工艺和（或）所述乙醇发酵过程中的再沸器提供热量或蒸汽。所述整合工艺可通过一种高效环保的方式从可再生的生物质中生产乙醇和电能。

如图2所示，并结合图1，所述工艺包括以下步骤：使糖发酵转化成乙醇并产生湿的发酵残渣（步骤11）；通过转化工艺从所述发酵残渣中生产燃料气体（步骤12）；在气体发动机或燃料轮机中燃烧所述燃料气体以发电并产生热量或蒸汽（步骤13）；以及利用所述热量或蒸汽为所述发酵步骤和（或）转化工艺提供能量（步骤14）。

在步骤11中，糖的发酵工艺是在使用酵母的情况下在发酵装置中进行的用糖生产乙醇的过程。其中所使用的糖不受来源限制，可以是任何适用于乙醇发酵的糖类，比如，其可以是来自含糖作物（如甘蔗）中的糖，也可以是通过水解工艺从纤维材料中获得的糖。纤维材料的来源可以是纤维质废物，也可以是为了生产乙醇的目的有意种植的植物。其中所使用的酵母是一种生物体，其在发酵的过程中死亡后变成待处理的发酵残渣中的一部分。发酵产生的乙醇可能以乙醇和水的混合物（发酵产物）的形式从发酵装置中出来，所述从发酵装置中出来的发酵产物可能被输送到蒸馏装置中，并在其中将乙醇从水中蒸馏出来。所述蒸馏装置可包括一个或多个再沸器，所述再沸器需要大量的能量来将乙醇从水中蒸馏出来。在一些实施例中，所述发酵产物中乙醇的质量百分含量约为5-20%，通过蒸馏获得的产物中乙醇的质量百分含量高于90%。

在步骤12中，所述转化工艺可包括用来将发酵残渣气化以生产合成气或发生炉煤气的气化工艺、用来以发酵残渣生产沼气的厌氧消解工艺、或者它们的组合。

可使用任何适用于将生物质残渣气化以生产合成气或发生炉煤气的气化装置。气化装置的例子包括但不制于固定床气化器、流化床气化器和循环流化床气化器。在一些实施例中，用于驱动一个发电能力较低，比如小于5MW的发电系统时，所述发酵残渣在固定床气化器中发生气化。在另一些实施例中，用于驱动一个发电能力较高，比如大于5MW的发电系统时，所述发酵残渣在流化床气化器中发生气化。为了满足气化的需求，可对所述湿的发酵残渣进行干燥，以降低其中的含水量。为了尽可能的减少干燥残渣所需的能量，可采用一种机械干燥和热干燥联合干燥工艺。在一个实施例中，先通过机械干燥将所述湿的残渣的含水量（质量百分含量，下同）从80%左右或更高降低到50%左右，再通过热干燥降低到20%左右或更低。

发酵残渣气化获得的合成气或发生炉煤气主要包括一氧化碳、氢气、氮气、氧气和蒸汽，其热值不小于700kcal/Nm³，此外可能还包括一些杂质，包括但不限于焦油、重质烃如苯和石脑油、颗粒物如灰粉和未烧尽的残留物等。这些杂质可能会对合成气燃烧发电产生不利的影响，因此，在将所述合成气或发生炉煤气输送到气体发动机或燃气轮机之前可对其进行处理，以移除其中的杂质，降低其杂质含量。其中焦油可通过油洗涤塔、水洗涤塔或静电除尘器去除。苯和石脑油等重质烃可通过水洗、萃取或催化反应等方法去除。颗粒物可通过旋风或滤袋去除，其中颗粒尺寸大于10微米的颗粒一般通过旋风或袋式过滤器去除，颗粒尺寸小于10微米的颗粒一般通过细筛过滤器如凝聚过滤器去除。在一个实施例中，可对合成气进行处理以将其中的焦油含量降低到30mg/Nm³以下，苯含量降低到2g/Nm³以下，石脑油含量降低到4mg/Nm³，颗粒物的含量降低到1mg/Nm³以下。

所述厌氧消解是在20℃到70℃的温度下（取决于所用的厌氧消解的类型）悬浮于水中生产沼气的过程，其可以分批进行，也可以连续进行。沼气中主要含甲醇和二氧化碳。所述发酵残渣的厌氧消解可通过业界已知的技术实现。所述湿的发酵残渣可不经干燥直接用于厌氧消解。过程中产生的沼气可通过水洗或过滤去除其中的颗粒物，然后再进入气体发动机或燃气轮机中燃烧。

在步骤13中，将在步骤12中产生的燃料气体，包括气化产生的合成气或发生炉煤气和（或）厌氧消解产生的沼气，输送到气体发动机或燃气轮机中燃烧发电。所述发电的过程还产生废热和蒸汽，所述废热和蒸汽可用于为前述转化工艺和（或）发酵过程提供能量。

在步骤14中，所述来自气体发动机或燃气轮机的废热或蒸汽可用于为甲醇蒸馏装置中的再沸器和（或）气化装置体提供能量，还可用于干燥所述湿的残渣。这样，所述工艺可能在湿残渣的干燥过程、气化和（或）发酵产物的蒸馏过程实现能量自给。

为了更好地理解本发明的整合型工艺，以下将结合图3-5对具体的示例性的实施例进行说明。

如图3所示，将包括但不限于通过水解工艺从纤维材料中获取的糖进行发酵产生乙醇和湿的残渣。对所述湿的残渣，可能再加上一些纤维材料一起，进行干燥。将干燥后的残渣（和纤维材料）气化以产生一种包括合成气或发生炉煤气的燃料气体。将所述燃料气体输送到气体发动机或燃气轮机中燃烧发电。在输入气体发动机或燃气轮机之前，可对所述燃料气体进行处理以去除其中杂质。所述发电过程也产生一定的热量和蒸汽，用于所述残渣的干燥、气化和（或）发酵产物蒸馏过程中再沸器的加热。

如图4所示，将包括但不限于通过水解工艺从纤维材料中获取的糖进行发酵产生乙醇和湿的残渣。用湿的残渣进行厌氧消解产生一种包括沼气的燃料气体。将所述燃料气体输送到气体发动机或燃气轮机中燃烧发电。在输入气体发动机或燃气轮机之前，可对所述燃料气体进行处理以去除其中杂质。所述发电过程也产生一定的热量和蒸汽，用于加热发酵产物蒸馏过程中的再沸器。

如图5所示，将包括但不限于通过水解工艺从纤维材料中获取的糖进行发酵产生乙醇和湿的残渣。用湿的残渣进行厌氧消解产生一种包括沼气的第一燃料气体，该厌氧消解还残留一些湿的残渣（湿的消解残渣）。将所述湿的消解残渣，可能再加上一些纤维材料一起，进行干燥，然后气化以产生一种包括合成气或发生炉煤气的第二燃料气体。将所述第一燃料气体和第二燃料气体输送到气体发动机或燃气轮机中燃烧发电。在输入气体发动机或燃气轮机之前，可对所述燃料气体进行处理以去除其中杂质。所述发电过程也产生一定的热量和蒸汽，用于所述残渣的干燥、气化和（或）发酵产物蒸馏过程中再沸器的加热。

所述工艺整合了乙醇发酵和将发酵残渣转化成燃料气体用于发电的转化工艺，其可利用发酵残渣中的能量获得电能。与传统的直接燃烧发酵残渣的方法相比，本发明工艺可提高发酵残渣的能量利用率并减少污染物的排放。比如，在如图6所示的一个通过直接燃烧干燥后的发酵残渣产生蒸汽用于蒸汽轮机发电的现有工艺中，总的电效率小于20%，总的热效率小于40%。但在如图1所示的以发酵残渣产生燃料气体用于燃烧驱动气体发动机或燃气轮机发电的整合型工艺中，总的电效率和热效率可分别达到30%和50%。此外，与直接燃烧发酵残渣相比，用发酵残渣生产燃料气体用于燃烧的方法还可减少污染物的排放。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种整合型乙醇发酵工艺，其包括以下步骤：

（a）使糖发酵转化成乙醇并产生湿的发酵残渣；

（b）通过转化工艺从所述发酵残渣中生产燃料气体；

（c）在气体发动机或燃料轮机中燃烧所述燃料气体以发电并产生热量或蒸汽；以及

（d）利用所述热量或蒸汽为所述步骤（a）和（或）步骤（b）提供能量。

2.如权利要求1所述的工艺，其中所述转化工艺包括发酵残渣的气化和（或）厌氧消解。

3.如权利要求1所述的工艺，其中所述步骤（b）包括：

将所述湿的发酵残渣干燥；以及

通过气化从所述干燥的发酵残渣中生产包括合成气或发生炉煤气的燃料气体。

4.如权利要求3所述的工艺，其中所述湿的发酵残渣是通过机械干燥和热干燥混合工艺进行干燥的。

5.如权利要求4所述的工艺，其中，通过机械干燥将所述湿的发酵残渣中水的质量百分含量从80%左右或更高降低到50%左右，再通过热干燥降低到20%左右或更低。

6.如权利要求3所述的工艺，在进入所述气体发动机或燃气轮机之前，对所述合成气或发生炉煤气进行处理，使其中的焦油含量减低到30mg/Nm3以下，苯含量降低到2g/Nm3，石脑油含量降低到4mg/Nm3以下，颗粒物含量降低到1mg/Nm3以下。

7.如权利要求3所述的工艺，其中所述干燥的发酵残渣是在固定床气化器中气化的。

8.如权利要求3所述的工艺，其中所述干燥的发酵残渣是在流化床气化器中气化的。

9.如权利要求1所述的工艺中，其中所述步骤（b）包括：通过厌氧消解从所述湿的发酵残渣中生产包括沼气的燃料气体。

10.如权利要求1所述的工艺，其中所述步骤（b）包括：

通过厌氧消解从所述湿的发酵残渣中生产包括沼气的燃料气体，该过程还产生湿的消解残渣；

将所述湿的消解残渣和（或）湿的发酵残渣干燥；以及

通过气化从所述干燥的残渣中生产包括合成气或发生炉煤气的燃料气体。