[发明专利]用于将合成气发酵中的尾气再循环为乙醇的方法和设备

说明书

本发明提供了一种将生物质转化为乙醇的方法(和合适的设备)，包括将所述生物质气化以产生粗合成气；将所述粗合成气进料至酸性气体去除单元，以去除至少一些CO₂并产生经调节的合成气料流；将所述经调节的合成气料流进料至发酵器，以将所述合成气生物转化为乙醇；从所述发酵器的出口捕获尾气，其中所述尾气至少包含CO₂和未转化的CO或H₂；将所述尾气的第一部分再循环至所述发酵器并且/或者将所述尾气的第二部分再循环至所述酸性气体去除单元。本发明允许提高合成气转化为乙醇的转化率、改善工艺效率，以及获得更好的将生物质转化为乙醇的总体生物精炼经济性。

优先权数据

本国际专利申请要求2017年6月12日提交的美国临时专利申请号62/518,295和2018年1月21日提交的美国专利申请号15/876,198的优先权，它们中的每一者特此通过援引并入本文。

技术领域

本发明整体涉及用于将合成气体转化为产物(诸如乙醇)的工艺、工艺配置和设备的领域。

背景技术

合成气体(下文中称为合成气)是氢气(H₂)和一氧化碳(CO)的混合物。原则上，合成气可以由几乎任何含碳材料产生。碳质材料通常包括化石资源，诸如天然气、石油、煤炭和褐煤；以及可再生资源，诸如木质纤维素生物质和各种富含碳的废料。由于与化石资源相关联的经济、环境和社会成本日益增长，所以优选利用可再生资源来生产合成气。

合成气是化学工业和生物精炼工业中的平台中间体，用途广泛。合成气可以转化为烷烃、烯烃、含氧化合物和醇。这些化学品可以混入柴油燃料、汽油和其他液体燃料，或者直接用作柴油燃料、汽油和其他液体燃料。合成气可以例如通过甲醇合成、混合醇合成、费托(Fischer-Tropsch)化学和合成气发酵成乙醇而转化成液体燃料。合成气也可以直接燃烧以产生热量和动力。

众所周知，某些微生物可以根据以下总反应将一氧化碳、氢气和二氧化碳的组合发酵成乙醇：

6CO+3H₂O→C₂H₅OH+4CO₂

6H₂+2CO₂→C₂H₅OH+3H₂O

根据这些反应的发酵通常采用厌氧条件。取决于生物体和反应条件(例如pH)，可以产生各种其他产物，诸如乙酸、丁酸或丁醇。据报道，厌氧微生物的一些菌株以高选择性将合成气转化为乙醇、正丁醇或其他化学品。

合成气发酵为产物(诸如乙醇和乙酸)可以实现相当高的选择性，但是由于质量传递限制和每单位体积反应器的低活性，反应器倾向于非常大。在充分混合的反应器中合成气的转化通常是有限的。

此外，由合成气产生乙醇将导致共形成CO₂。该CO₂存在于发酵器的尾气(即，来自发酵器的蒸气料流)中。尾气通常含有任何未转化的合成气、发酵中产生的CO₂，和最初包含在进入发酵器的合成气进料中的惰性物质(包括CO₂)。通常燃烧尾气来回收未转化的合成气中的能量，以及经调节的合成气料流中所包含的任何其他可燃组分(诸如甲烷)中的能量。

未转化的合成气不能简单地再循环至消失。发酵器中产生的惰性物质和CO₂必须从整个工艺中除去。在发酵器下游的单独单元中从尾气中除去CO₂耗资相对巨大。而且，不希望将未转化的合成气与惰性气体和其他物质(诸如甲烷)分离。

鉴于与合成气发酵相关联的这些问题，需要更有效地利用合成气组分以产生所关注的液体产物(诸如乙醇)的改进的工艺配置。优选地，任何此类改进都不会导致总的工厂基建费用显著增加。

发明内容