[发明专利]处理热合成气流以通过除去氨和COS转化成化学产物的方法

说明书

本申请是申请号为201080048704.6、申请日为2010年10月13日、发明名称为“处理热合成气流以通过除去氨和COS转化成化学产物的方法”的专利申请的分案申请。

本申请要求2009年10月27日提交的美国专利申请12/606,469的利益和优先权。

技术领域

本发明涉及使用水基气体洗涤和生物加工步骤以及在某些情况下HCN洗涤以环境友好和可容忍的方式从合成气中除去氨、COS和HCN的方法。

背景技术

用作液体发动机燃料或与传统汽油或柴油发动机燃料配混的生物燃料生产在世界范围内日益提高。这种生物燃料例如包括乙醇和正丁醇。生物燃料的一种主要驱动是它们通过发酵和生物加工技术衍生自可再生资源。按照惯例，生物燃料由可易于发酵的碳水化合物如糖和淀粉制备。例如用于常规生物乙醇生产的两种主要农作物为甘蔗(巴西和其他热带国家)和玉米或玉蜀黍(美国和其他温带国家)。由于与食品和饲料生产竞争、耕地使用、水分可用性和其他因素，提供易发酵碳水化合物的农业原料的可用性受限。因此，木质纤维素原料如林业残留、种植园树木、稻草、禾杆、禾草和其它农业残留可变为生物燃料生产的可行性原料。然而，能使它们提供植物和树木机械支护结构的木质纤维素材料的非常异质性使得它们固然反抗生物转化。

将木质纤维素生物质转化成乙醇的一条可能技术路线是在气化器中将木质纤维素生物质转化成合成气(也称为合成气体，主要是CO、H₂和CO₂与其它组分如CH₄、N₂、NH₃、H₂S和其它痕量气体的混合物)，然后将该气体用厌氧微生物发酵以产生生物燃料如乙醇、正丁醇或化学品如乙酸、丁酸等。该技术路线可以以良好效率(例如大于75％)将所有组分转化成合成气，且一些厌氧微生物菌株可以高(例如大于90％理论值)效率将合成气转化成乙醇、正丁醇或其它化学品。此外，合成气可以由许多其它含碳原料如天然气、重整气体、泥炭、石油焦、煤、固体废物和填埋气体制备，使得这为更普遍的技术路线。

然而，由生物质制备合成气导致产生氨、硫化羰(COS)和氰化氢(HCN)作为污染物，其对将合成气化学和生物转化成有用化学品有害。必须将这些污染物从合成气中除去，然后以环境可接受的方式，通常以显著费用管理或破坏。

用于在使用以前从合成气中除去氨、COS和HCN的常规方法一般性地涉及用含水溶液洗涤以从合成气中除去这些化合物，随后将洗涤溶液排到废水处理或经由可选择的处理方法。

用于氨除去的现代方法包括水洗涤方法，其中将气体通过水洗涤，所述水将氨溶解。将所得洗涤液泵送到蒸氨塔中，在那里蒸汽用于汽提出氨。可加工来自蒸氨塔的氨蒸气以形成硫酸铵，冷凝以形成强氨溶液，焚化或催化转化成氮气和氢气，然后使其再循环返回气化器中。

用于从焦炉气中除去氨的另一方法为US Steel开发的PHOSAM方法。该方法使用磷酸一铵溶液从气流中吸收氨。该方法产生可销售的无水氨，但在汽提塔中在大约50℃的温度和至多190psig(～13压力表大气压力)的压力下操作。需要用于处理合成气的更强力且成本低廉的方法，当用于生物转变成有用液体产物如乙醇、乙酸或丁醇时特别如此。

与水基洗涤器一致使用，熟知和使用的生物处理方法可满足从合成气中高度除去氨、COS和HCN的目的。生物处理方法可在大气压力和低温下操作而不需要昂贵的化学品的过度成本且不产生危险和/或有毒废物而操作。以前已进行了将氨、COS和HCN从气流中吸收到水中的生物处理加工。一般而言，氨使用轻微酸性或中性的pH洗涤液除去并将该废溶液送入需氧废水处理系统中，在那里将氨氧化成硝酸盐，随后通过通常使用加入的有机电子供体如甲醇脱氮而将硝酸盐还原成氮气。

发明内容

在本发明中，以节省成本、环境可忍受的方式从合成气中高度除去氨、COS和HCN以及随后消除它们的目的通过利用这一事实实现：在合成气生物发酵成乙醇和/或其它可溶性产物期间，必须将一些水从系统中清除以帮助消耗过量细胞生物质，以及防止次级代谢物和溶解固体的建立。对于将合成气转化成乙醇的情况，乙酸/乙酸酯存在于清洗水中。乙酸/乙酸酯提供控制所用洗涤器中的pH以俘获氨(和COS)，乙酸酯则可用作电子供体用于借助将吸收的氨生物氧化成N₂气体而转化形成的硝酸盐。