CN107099556A - 一种工业尾气发酵法制乙醇的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的主要目的在于提供一种工业尾气发酵法制乙醇的方法及系统，所述方法包括：将工业尾气进行预处理，所述预处理包括：脱除工业尾气中的有毒物质，得到净化的尾气；将所述净化的尾气用于发酵，得到发酵成熟醪以及余气；将所述发酵成熟醪蒸馏，得到乙醇以及含菌余馏水；将所述含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；将所述清液净化处理；将所述余气进行尾气处理，去除残留的CO。本发明方法实现了全系统工艺的优化和有机结合，乙醇收率及纯度高，并且有效净化了排放的污水及尾气，原料得到了有效的利用，实现了全系统物质和能量的循环利用。

Description

一种工业尾气发酵法制乙醇的方法及系统
技术领域
本发明属于尾气回收技术领域，尤其涉及一种工业尾气发酵法制乙醇的方法及系统。
背景技术
传统燃料乙醇生产工艺多以玉米、小麦、木薯等为原料，通过酵母菌发酵生产乙醇，目前国内已有多家燃料乙醇企业采用此生产工艺，但该工艺都是以粮食及农作物为原料，加工成本较高；同时中国作为人口众多，人均耕地面积较少的国家，大量使用粮食作物作为原料生产乙醇存在粮食安全问题，难以解决“不与人争粮，不与人争地”的发展困扰。而以工业尾气为原料的气体发酵，以CO作为碳源，采用细菌发酵产出乙醇及其他产品，原料气体资源丰富，廉价且易于收集，生产成本较传统粮食燃料乙醇有明显优势。
工业企业的尾气通常以燃烧加热或发电的形式回收利用，会排放大量的污染物如CO2、SO2、NOx及粉尘等。而将工业尾气作为原料直接转化为液体乙醇及其他产品，可以有效减少因燃烧带来的CO2、颗粒物及NOx排放，对治理雾霾天气、保护环境有积极作用。但工业尾气发酵制乙醇工艺也存在发酵液中乙醇浓度较低，同时菌体蛋白受热变性易堵塞蒸馏塔板，污水中COD及BOD含量高等问题；而且发酵尾气中仍含有少量CO，无法直接排放到空气中。
发明内容
为了解决现有技术中的上述缺陷，本发明的主要目的在于提供一种工业尾气发酵法制乙醇的方法及系统，实现了全系统工艺的优化和有机结合，乙醇收率及纯度高，并且有效净化了排放的污水及尾气，原料得到了有效的利用，实现全系统物质和能量的优化循环利用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种工业尾气发酵法制乙醇的方法，所述方法包括：
将工业尾气进行预处理，所述预处理包括：脱除工业尾气中的有毒物质，得到净化的尾气；
将所述净化的尾气用于发酵，得到发酵成熟醪以及余气；
将所述发酵成熟醪蒸馏，得到乙醇以及含菌余馏水；
将所述含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；
将所述清液净化处理；
将所述余气进行尾气处理，去除残留的CO。
作为进一步的优选，所述方法还包括：从所述发酵成熟醪中提取乙醇和BDO混合物，剩下的为废液；将所述混合物进行蒸馏，得到分离的乙醇和BDO(2,3-丁二醇)。
作为进一步的优选，所述方法还包括：将所述乙醇脱水。
作为进一步的优选，所述方法还包括：将所述废液净化处理。
作为进一步的优选，所述方法还包括：将所述浓液干燥，得到干粉蛋白。
作为进一步的优选，所述方法还包括：回收所述尾气处理中产生的热量，将所述热量用于蒸馏和浓液干燥；回收所述蒸馏和浓液干燥产生的冷凝水，将所述冷凝水用于所述尾气处理。
作为进一步的优选，所述方法还包括：所述发酵成熟醪蒸馏时还产生余馏水，将所述余馏水回收用于发酵，将净化处理后的清液或废液回收用于发酵。
一种工业尾气发酵法制乙醇的系统，所述系统包括：
气体预处理装置，用于脱除尾气中的有毒物质，得到净化的尾气；
发酵装置，与所述气体预处理装置的气体出口连接，将净化的尾气用于发酵，得到发酵成熟醪以及余气；
蒸馏装置，与所述发酵装置连接，用于将发酵成熟醪蒸馏，得到乙醇及含菌余馏水；
菌体蛋白分离装置，与所述蒸馏装置连接，用于将所述含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；
尾气处理装置，与所述发酵装置连接，用于去除所述余气中残留的CO；
污水处理装置，与所述菌体蛋白分离装置连接，用于将所述清液净化处理。
作为进一步的优选，还包括蛋白干燥装置，与所述菌体蛋白分离装置连接，用于将浓液干燥，得到干粉蛋白。
作为进一步的优选，还包括BDO分离装置，连接在所述发酵装置和蒸馏装置之间，用于提取出发酵成熟醪中的乙醇和BDO混合物。
作为进一步的优选，所述污水处理装置还与所述BDO分离装置连接，用于净化处理BDO分离装置中的废液。
作为进一步的优选，还包括脱水装置，与所述蒸馏装置连接，用于将蒸馏得到的乙醇脱水。
本发明的有益效果是：本发明方法中将工业尾气进行预处理，脱除工业尾气中的有毒物质等杂质，得到净化的尾气，以提高后期得到的乙醇的纯度及收率；本发明将净化的尾气用于发酵得到发酵成熟醪；将发酵成熟醪蒸馏得到乙醇，原料得到了有效的利用；将所述蒸馏中的含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；本发明将含菌余馏水进行浓缩分离，避免了菌体蛋白受热变性易堵塞蒸馏塔板的缺陷；本发明将发酵后的余气进行尾气处理，去除残留的CO；将含菌余馏水分离浓缩得到的清液净化处理，进一步净化了尾气及污水的排放。
附图说明
图1为本发明实施例1以工业尾气为原料制备乙醇的方法的流程示意图。
图2为本发明实施例2以工业尾气为原料制备乙醇的方法的结构示意图。
附图中的标记说明如下：1-气体预处理系统，2-发酵系统，3-蒸馏系统，4-脱水系统，5-菌体蛋白分离系统，6-干燥系统，7-污水处理系统，8-尾气处理系统，9-CNG系统，10—无水乙醇，11-干粉蛋白，12-CNG，13-循环水系统，14-净化工业尾气，15-发酵尾气，16-精馏塔底余馏水，17-成熟醪，18-乙醇，19-粗馏余馏水，20、23-蒸汽，21、24-冷凝水，22-离心浓液，25-离心清液，26-沼气，27、28-污水，29-BDO分离系统，30-乙醇与BDO的混合物，31-废液，32-BDO。
具体实施方式
本发明通过提供一种工业尾气发酵法制乙醇的方法及系统，解决了现有方法的工业尾气发酵制乙醇工艺中存在的发酵液中乙醇浓度较低，菌体蛋白受热变性易堵塞蒸馏塔板，同时污水中COD及BOD含量高以及尾气不能直排等问题。
为了解决上述缺陷，本发明实施例的主要思路是：
本发明实施例工业尾气发酵法制乙醇的方法，所述方法包括：
将工业尾气进行预处理，所述预处理包括：脱除工业尾气中的有毒物质，得到净化的尾气；
将所述净化的尾气用于发酵，得到发酵成熟醪以及余气；
将所述发酵成熟醪蒸馏，得到乙醇以及含菌余馏水；
将所述含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；
将所述清液净化处理；
将所述余气进行尾气处理，去除残留的CO。
本发明实施例工业尾气发酵法制乙醇的系统，所述系统包括：
气体预处理装置，用于脱除尾气中的有毒物质，得到净化的尾气；
发酵装置，与所述气体预处理装置的气体出口连接，将净化的尾气用于发酵，得到发酵成熟醪以及余气；
蒸馏装置，与所述发酵装置连接，用于将发酵成熟醪蒸馏，得到乙醇及含菌余馏水；
菌体蛋白分离装置，与所述蒸馏装置连接，用于将所述含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；
尾气处理装置，与所述发酵装置连接，用于去除所述余气中残留的CO；
污水处理装置，与所述菌体蛋白分离装置连接，用于将所述清液净化处理。
所述的气体预处理装置包含但不限于变温吸附塔(TSA)、工业尾气压缩机、脱硫塔、加热器、脱氧塔、冷却器等，脱除气体中的有害物质，并对原料气加压；
所述的蒸馏装置包括但不限于由粗镏塔、精馏塔等组成，含菌醪液进入粗镏塔，清液进入精馏塔，粗镏塔顶馏出物同样送入精馏处理；
所述的菌体蛋白分离装置可采用卧螺离心机、蝶式离心机或板框压滤机等进行菌体蛋白分离浓缩；
所述的尾气处理装置可包含气体氧化/焚烧炉及锅炉系统；例如，氧化炉可选用蓄热式氧化炉或直燃式氧化炉；所述的焚烧炉可选用为立式或卧式焚烧炉；
所述的污水处理装置可采用厌氧处理工艺，所用的厌氧反应器可选用IC反应器或UASB反应器。本发明实施例系统还可设置压缩天然气装置，与所述污水处理装置连接，用于将污水处理装置中的沼气净化处理，得到压缩天然气CNG。
本发明实施例方法发酵产生的含乙醇成熟醪送入蒸馏系统，再经过脱水可得到99.5％(v/v)的无水乙醇，之后通过与变性剂的混配可制得燃料乙醇应用。
为了更加清晰地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体例子所涉及的具体数据仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1工业尾气发酵法制乙醇的系统包括气体预处理装置1，发酵装置2，蒸馏装置3，脱水装置4，菌体蛋白分离装置5，干燥装置6，污水处理装置7，尾气处理装置8；采用上述系统以工业尾气为原料制备乙醇的方法包括如下步骤：
原料工业尾气在气体预处理系统中经过压缩机增压，之后经脱硫、脱氧、冷却后得到净化工业尾气14，送至发酵装置2。在发酵装置2中菌体以工业尾气为原料不断增殖，并通过新陈代谢产出乙醇等化学品。由发酵装置2产出的含乙醇浓度3-7％的成熟醪17送入蒸馏装置3进行纯化分离。
蒸馏装置3包括粗镏塔、精馏塔等，含菌醪液进入粗镏塔，清液进入精馏塔，粗镏塔顶馏出物同样送入精馏处理，在精馏塔顶产出浓度为95％(v/v)的乙醇18。含菌体蛋白的粗镏塔底余馏水19送入菌体蛋白分离装置5进行浓缩分离。精馏产出的乙醇18送入脱水装置4进行脱水处理，得到纯度为99.5％(v/v)的无水乙醇10。所述的脱水装置4可采用分子筛脱水或渗透汽化膜脱水。
粗馏塔底余馏水19送入菌体蛋白分离装置5中采用离心机浓缩分离，产出固含量15-30％的离心浓液22，浓液送入干燥装置6进行干燥处理，得到含水量不高于12％的干粉蛋白。离心清液25则送入污水处理装置7进行处理。
发酵尾气15含5-15％的CO，送入尾气处理装置8进行处理。尾气处理装置8包含氧化炉及锅炉系统，在氧化炉中通过高温氧化将CO等可燃物处理。
离心清液25送入污水处理装置7进行处理，采用厌氧加好氧的处理工艺，降低COD及氨氮。厌氧采用IC反应器，副产CH4浓度为60-80％的沼气26。
经本工艺流程，原料得到了有效的利用，产物都得到了有效的回收，实现了全工艺流程的循环及无污染排放，具有良好的经济价值及社会效益。
实施例2
如图2所示，本发明实施例2以工业尾气为原料制备乙醇的系统包括气体预处理装置1，发酵装置2，蒸馏装置3，脱水装置4，菌体蛋白分离装置5，干燥装置6，污水处理装置7，尾气处理装置8，压缩天然气CNG装置9及BDO分离装置29；采用上述系统以工业尾气为原料制备乙醇的方法包括如下步骤：
原料工业尾气在气体预处理装置1中经过压缩机增压，之后经脱硫、脱氧、冷却后得到净化工业尾气14，送至发酵装置2。在发酵装置2中菌体以工业尾气为原料不断增殖，并通过新陈代谢产出乙醇等化学品。发酵物含有副产物2,3-丁二醇(BDO)，可通过色谱分离的方法将BDO与乙醇提纯出来，之后通过蒸馏将2,3-丁二醇与BDO分离纯化。BDO分离装置29采用色谱吸附分离方法，例如模拟移动床分离方法。
将发酵装置2产出的含乙醇浓度3-7％的成熟醪17送入BDO分离装置29中，成熟醪液可通过色谱分离得到乙醇与BDO的混合物30，其余废液31送入污水处理装置7。混合物30进入蒸馏装置3蒸馏得到产品乙醇及发酵副产2,3-丁二醇(BDO)32。
蒸馏装置3包括粗镏塔、精馏塔等，含菌醪液进入粗镏塔，清液进入精馏塔，粗镏塔顶馏出物同样送入精馏处理，在精馏塔顶产出浓度为95％(v/v)的乙醇。含菌体蛋白的粗镏塔底余馏水19送入菌体蛋白分离装置5进行浓缩分离，精馏塔底余馏水16回用于发酵装置2。精馏产出的乙醇送入脱水装置4进行脱水处理，得到纯度为99.5％(v/v)的无水乙醇。
粗馏余馏水19送入菌体蛋白分离装置5中采用离心机浓缩分离，产出固含量15-30％的离心浓液22，浓液送入干燥装置6进行干燥处理，得到含水量不高于12％的干粉蛋白。离心清液25则送入污水处理装置7进行处理。
发酵尾气15含5-15％的CO，送入尾气处理装置8进行处理。尾气处理装置8包含氧化炉及锅炉装置，在氧化炉中通过高温氧化将CO等可燃物处理，同时产生热量，热量送入锅炉装置产出1MPa的蒸汽20、23，送往蒸馏装置3和蛋白干燥装置6，所述蒸馏装置3和蛋白干燥装置6产生的冷凝水21、24返回至锅炉装置。
离心清液25送入污水处理装置7进行处理，采用厌氧加好氧的处理工艺，降低COD及氨氮。厌氧采用IC反应器，副产CH4浓度为60-80％的沼气26。
经处理后的污水，一部分28回用于发酵装置2，另一部分27用于循环水系统13补水。
污水处理产出的沼气26送入CNG装置9，经脱硫、脱碳、压缩后制得CNG压缩天然气12。CNG装置9包括脱硫、脱碳等工艺，所用的脱碳工艺为变压吸附或高压水洗法。
本发明实施例2中发酵尾气送入尾气处理装置，在将尾气中残余的CO处理掉的同时回收热量并产出蒸汽，产出的蒸汽供蒸馏和蛋白干燥装置使用；干燥和精馏装置以蒸汽为能源，产生的冷凝水回到尾气处理装置的锅炉单元；余馏水分离菌体后的废液送入污水处理系统进行处理，经过处理后的水一部分回用于发酵，另一部分最终出水用于循环冷却水补水；污水系统副产沼气，经净化处理、压缩后制得CNG。本发明方法实现了从原料处理到发酵产物的分离纯化，废气的处理及能量回收，副产品的回收，污水处理及处理后水的回用，形成了一个完成的循环工艺路线，降低了蒸馏的能耗，通过全系统工艺流程的优化集成实现了物料、能量的综合利用和循环经济，具有良好的工业化应用前景。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本发明方法中将工业尾气进行预处理，脱除工业尾气中的有毒物质等杂质，得到净化的尾气，以提高后期得到的乙醇的纯度及收率；本发明将净化的尾气用于发酵得到发酵成熟醪；将发酵成熟醪蒸馏得到乙醇，原料得到了有效的利用；将所述蒸馏中的含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；本发明将含菌余馏水进行浓缩分离，避免了菌体蛋白受热变性易堵塞蒸馏塔板的缺陷；本发明将发酵后的余气进行尾气处理，去除残留的CO；将含菌余馏水分离浓缩得到的清液净化处理，进一步净化了尾气及污水的排放。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种工业尾气发酵法制乙醇的方法，其特征在于：所述方法包括：
将工业尾气进行预处理，所述预处理包括：脱除工业尾气中的有毒物质，得到净化的尾气；
将所述净化的尾气用于发酵，得到发酵成熟醪以及余气；
将所述发酵成熟醪蒸馏，得到乙醇以及含菌余馏水；
将所述含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；
将所述清液净化处理；
将所述余气进行尾气处理，去除残留的CO。
2.根据权利要求1所述的工业尾气发酵法制乙醇的方法，其特征在于：所述方法还包括：从所述发酵成熟醪中提取乙醇和BDO混合物，剩下的为废液；将所述混合物进行蒸馏，得到分离的乙醇和BDO。
3.根据权利要求1或2所述的工业尾气发酵法制乙醇的方法，其特征在于：所述方法还包括：将所述乙醇脱水。
4.根据权利要求2所述的工业尾气发酵法制乙醇的方法，其特征在于：所述方法还包括：将所述废液净化处理。
5.根据权利要求1或所述的工业尾气发酵法制乙醇的方法，其特征在于：所述方法还包括：将所述浓液干燥，得到干粉蛋白。
6.根据权利要求5所述的工业尾气发酵法制乙醇的方法，其特征在于：所述方法还包括：回收所述尾气处理中产生的热量，将所述热量用于蒸馏和浓液干燥；回收所述蒸馏和浓液干燥产生的冷凝水，将所述冷凝水用于所述尾气处理。
7.根据权利要求1或2所述的工业尾气发酵法制乙醇的方法，其特征在于：所述方法还包括：所述发酵成熟醪蒸馏时还得到余馏水，将所述余馏水回收用于发酵，将净化处理后的清液或废液回收用于发酵。
8.一种工业尾气发酵法制乙醇的系统，其特征在于：所述系统包括：
气体预处理装置，用于脱除尾气中的有毒物质，得到净化的尾气；
发酵装置，与所述气体预处理装置的气体出口连接，将净化的尾气用于发酵，得到发酵成熟醪以及余气；
蒸馏装置，与所述发酵装置连接，用于将发酵成熟醪蒸馏，得到乙醇及含菌余馏水；
菌体蛋白分离装置，与所述蒸馏装置连接，用于将所述含菌余馏水分离浓缩，得到浓液及清液；
尾气处理装置，与所述发酵装置连接，用于去除所述余气中残留的CO；
污水处理装置，与所述菌体蛋白分离装置连接，用于将所述清液净化处理。
9.根据权利要求8所述的工业尾气发酵法制乙醇的系统，其特征在于：还包括蛋白干燥装置，与所述菌体蛋白分离装置连接，用于将浓液干燥，得到干粉蛋白。
10.根据权利要求8所述的工业尾气发酵法制乙醇的系统，其特征在于：还包括BDO分离装置，连接在所述发酵装置和蒸馏装置之间，用于提取出发酵成熟醪中的乙醇和BDO混合物。
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