专利名称：纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明属于可再生能源技术领域，特别涉及以木质纤维素为原料的生物质直 燃或混燃发电的一种纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺。
技术背景生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能 源，在整个能源系统中占有重要地位。近年来能源供应紧张，为保障能源和电力的可持续供给，中国对可再生能源的发展给予了高度重视。2006年颁布实施的《可 再生能源法》为可再生能源的发展提供了法律保障。《国家中长期科学和技术发 展规划纲要(2006—2020年)》明确提出"可再生能源低成本规模化开发利用"作 为优先主题。生物质燃烧发电基本不增加温室气体，对于装机容量为2.5万千瓦的生物质发 电机组，与同功率燃煤机组相比，每年可减少二氧化碳排放约10万吨。生物质 燃烧发电无二氧化硫排放问题(生物质含硫量低)，对于减少不可再生化石燃料 消耗，减少污染物排放具有重要意义。燃料乙醇是减少对石油的依存度，实现清 洁燃料的生产的重要选择(Wyman Charles E, What is (and is not) vital to advancing cellulosic ethanol. TRENDS in Biotechnology. 2007， 25:153-157)。但是，以谷物为 原料的燃料乙醇产业需要大量的土地，这势必威胁食品安全(DavidPimentel, Marcia Pimentel. Corn and Cellulosic Ethanol Cause Major Problems. Energies. 2008, 1:35-37),而纤维乙醇因为原料丰富受到各国的日益关注。木质纤维素原料含有纤维素30-50%，半纤维素25-30%，木质素为15-30%， 具有较复杂的结构特点，需要将其水解成单糖，才能被微生物发酵利用生产乙醇。 需要采用不同的预处理工艺，其目的是降低纤维素的结晶度以及提高基质的孔隙 率、提高酶水解的结合率、避免碳水化合物的降解和损失、避免产生对水解及发 酵过程起抑制作用的副产品等(陈洪章，邱卫华.秸秆发酵燃料乙醇关键问题及 其进展.化学进展.2007,19:1116-1121)。预处理需要消耗大量的热能，这为生物质燃烧发电和纤维乙醇工艺的耦联提供了可能，同时，生物质的组成成分中木质素 的热值占到总热值的一半左右，是燃烧发电的主要原料，因此尽可能多的利用纤 维素和半纤维素生产燃料乙醇，利用其它物质发电能够提高生物质的利用效率。目前国内外尚没有耦合生物质燃烧发电和燃料乙醇生产的工艺研究，本发明 提出一种耦合工艺，以实现生物质的综合利用，提高利用效率。发明内容本发明的目的是针对木质纤维素原料的特点，提出了纤维生产乙醇和生物质 燃烧发电的耦合工艺，其特征在于(1) 木质纤维素类原料单独通过木质纤维素进料装置，进入生物质直接燃烧 发电装置，实现直燃发电；或与煤炭混合燃烧，实现混燃发电，从而实现木质纤 维素的燃烧发电；(2) 发电工艺产生的热蒸汽通过余热回收装置回收，并提供给纤维生产乙醇 工艺加热用；产生的电力通过变压器进入国家电网或供给纤维生产乙醇生产用 电；所述生物质与煤炭混合燃烧按重量比l; l混合。 所述木质纤维素原料为农作物秸秆、灌木植物，木材刨花或木屑。 所述木质纤维素包括纤维素，半纤维素和木质素。所述纤维生产乙醇是以木质纤维素为原料，生产乙醇的工艺包括纤维素预处 理工艺，纤维素酶解工艺和乙醇发酵工艺和发酵液通过下游工艺；所述纤维素预处理工艺和纤维素酶解工艺所需的热量来自发电余热回收装 置回收的热蒸汽，预处理温度控制在100-350°C，处理时间为15-60 min。所述纤维素预处理工艺、纤维素酶解工艺，乙醇发酵工艺及下游处理工艺的 电能来自木质纤维素的燃烧发电，多余电能进入国家电网；所述纤维素预处理工艺和纤维素酶解工艺产生的黑液和木质纤维素杂质通 过木质纤维素进料装置再进入生物质发电工艺过程燃烧。所述乙醇发酵工艺采用酿酒酵母或运动假单胞菌，发酵温度为35-45 °C 本发明的有益效果是该工艺能够利用发电过程的余热，为木质纤维素的预处理和纤维素的酶解提供能源，以预处理的黑液和木质素作为发电的辅助原料，既 解决了污染物的处理问题，同时实现其资源化利用，实现生物质发电和燃料乙醇 联产，实现了木质纤维素的综合利用，能够提高原料的利用效率，从而相对降低 了生物质发电和燃料乙醇的生产成本。
图1为纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺示意图。图中木质纤维素进料装置2，生物质燃烧发电装置5、发电余热回收装置4、变压器6、木质纤 维素预处理装置8、纤维素酶解装置9和燃料乙醇发酵装置10;木质纤竭素1和 煤炭2是发电的原料。 ，
具体实施例方式本发明针对木质纤维素原料的特点，提出了纤维生产乙醇和生物质燃烧发电 的耦合工艺。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。图l所示为本发明纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺示意图。图中 粗箭头线表示物质流，细箭头线表示能量或电流。木质纤维素类原料1单独通过 木质纤维素进料装置2进入生物质燃烧发电装置5，实现直燃发电；或与煤炭3 混合燃烧，实现混燃发电，从而实现木质纤维素的燃烧发电；发电工艺产生的热蒸汽通过余热回收装置4回收，发电余热回收装置4回收 的热蒸汽，进入木质纤维素预处理装置8和纤维素酶解装置9,所需的热量预处 理温度控制在100-350 °C，处理时间为15-60 min。木质纤维素的燃烧发电产生的 电力通过变压器6进入国家电网7或供给纤维生产乙醇生产的木质纤维素预处理 装置8和纤维素酶解装置9和燃料乙醇发酵装置10，乙醇的发酵釆用酿酒酵母或 运动假单胞菌，发酵温度为35-45 °C;发酵液通过下游提取工艺ll回收乙醇.。上述整个工艺流程中，生物质发电和纤维生产乙醇消耗的木质纤维素比例、 木质纤维素和煤炭的混合比例、木质纤维素的预处理时间和温度、燃料乙醇的发 酵温度和发酵周期是十分关键的操作参数在下面实施例中说明。实施例1:以小麦秸秆作为生物质燃烧发电和纤维生产乙醇发酵的原料，其中纤维素，半纤维素和木质素的质量百分含量分别为34.8%， 35%和18.5% (测定方法参考 屈维均主编.制浆造纸实验.北京:中国轻工业出版社，1990)。在华北电力大学自 制的生物质小型锅炉进行直燃试验，采用螺旋进料，进料量lt/h，功率为30kW 的单级背压发电汽轮机STF426 (淄博桑特动力设备有限公司)配套发电，试验 进行2h，获得电力3000kJ，回收余热蒸汽10MPa，蒸汽量1.5 kg/h,发电效率为 28%。纤维生产乙醇工艺中，小麦秸秆用微型植物试样粉碎机FZ102 (天津泰斯特 仪器有限公司)粉碎，过60目筛。调节余热蒸汽压力为2.5MPa,在木质纤维素预 处理装置中预浸lh，释压爆破，测得固形物中纤维素，半纤维素和木质素的质量 百分含量分别为40.5%， 33.4%和10.5%，收集固形物进行纤维素酶解。纤维素酶 解进行预处理，添加酶量为30FPU/g，温度为5(TC。 水解后，已糖在糖液中所 占的比例达到82 % (测定方法参考Keikhosro K, Shauker K ， Mohammad J . Taherzadeh conversion of rice straw to sugars by dilute -acid hydrolysis [ J ] . Biomass andBioenergy ，2006. 30: 247- 25,)。酿酒酵母培养基己糖10g/L,麦芽汁5g/L，酵母膏1.0g/L,蛋白胨5.0g/L， KH2 P04 0. 1 g/L, MgS04 7H20 0. 15g/L, ( NH4 ) 2HP04 0. 2 g/L,青霉素2 X107U/L。以振荡次数为100r/min在摇瓶中于30。C增殖24h,培养基中酵母 细胞含量约为3 X108个/mL。三角瓶中装发酵液200mL35。C发酵40h，乙醇 浓度为5 g/L (测定方法参考Zheng ZM， Hu QL, Hao J et al. Statistical optimization of culture conditions for 1, 3-propanediol by Klebsiella pneumoniae AC 15 via central composite design. Bioresource Technol.2008, 99:1052-1056)。实施例2:小麦秸秆作为生物质燃烧发电和纤维生产乙醇发酵的原料，其中纤维素，半纤维素和木质素的质量百分含量分别为34.8%， 35%和18.5%。在华北电力大学 自制的生物质小型锅炉进行直燃试验，采用气力输送装置进料，进料量3t/h，功 率为30kW的单级背压发电汽轮机STF426 (淄博桑特动力设备有限公司)配套 发电，试验进行2h，获得电力17556kJ，回收余热蒸汽压力10MPa，蒸汽量14kg/h，发电效率为35%。纤维生产乙醇工艺中小麦秸秆用微型植物试样粉碎机FZ102粉碎，过60目 筛。通蒸汽到木质纤维素预处理装置中，温度控制为100。C，添加硫酸(质量分 数为4%)，处理15min后，测得固形物中纤维素，半纤维素和木质素的质量百 分含量分别为31%, 16%和9.8%，收集固形物进行纤维素酶解。纤维素酶解进行 预处理，添加酶量为30FPU/g，温度为5(TC。水解后，已糖在糖液中所占的比 例达到83% 。酿酒酵母增殖基同实施例1，在500mL三角瓶中装发酵液200mL30。C发 酵40h，乙醇浓度为6.5g/L。实施例3:玉米秸秆作为生物质燃烧发电和纤维生产乙醇发酵的原料，玉米秸秆和煤炭 混燃进行生物质燃烧发电。玉米秸秆中纤维素，半纤维素和木质素的质量百分含量分别为39%， 19.5%和15.1%。在华北电力大学自制的生物质直燃小型锅炉进 行燃烧试验，采用气力输送装置进料，玉米秸秆和煤炭的质量比为1: 1，进料量 3 t/h，功率为30 kW的单级背压发电汽轮机STF426 (淄博桑特动力设备有限公 司)配套发电，试验进行2h，获得电力27556kJ，回收余热蒸汽压力lOMPa， 蒸汽量18kg/h,发电效率为32%。纤维生产乙醇工艺中玉米秸秆用微型植物试样粉碎机FZ102粉碎，过60目 筛。通蒸汽到木质纤维素预处理装置中，温度控制为35(TC，处理时间lh，添 加硫酸(质量分数为1%),处理后，测得固形物中纤维素，半纤维素和木质素的 质量百分含量分别为0%， 0%和9.0%，水解液中己糖含量为11°/。。收集固形物进 行燃烧发电。用CaC12中和水解液，过滤出去沉淀。利用酸处理液直接发酵。运动假单胞菌培养基己糖5g/L，，酵母膏1.5g/L，蛋白胨5.0g/L,KH2PO4 0. 2 g/L, MgS04 7H20 0. 2g/L, ( NH4 ) 2HP04 0. 2 g/L。以振荡次数为100 r/min 在摇瓶中于35'C增殖12h，培养基中酵母细胞含量约为3X108个/mL。在 500mL三角瓶中装发酵液200mL35r发酵30h，乙醇浓度为4.0g/L。实施例4:玉米秸秆作为生物质燃烧发电和纤维生产乙醇发酵的原料，玉米秸秆和煤炭 混燃进行生物质燃烧发电。玉米秸秆中纤维素，半纤维素和木质素的质量百分含量分别为39%， 19.5%和15.1%。在华北电力大学自制的生物质直燃小型锅炉进行燃烧试验，采用气力输送装置进料，玉米秸秆和煤炭的质量比为1: 0.5，进料量3t/h，功率为30kW的单级背压发电汽轮机STF426 (淄博桑特动力设备有限 公司)配套发电，试验进行2h，获得电力20556kJ，回收余热蒸汽压力lOMPa， 蒸汽量16kg/h,发电效率为30.5%。纤维生产乙醇工艺中玉米秸秆用微型植物试样粉碎机FZ102粉碎，过60目 筛。通蒸汽到木质纤维素预处理装置中，温度控制为150'C。处理时间15min， 添加硫酸(质量分数为1.5%)，处理后，测得固形物中纤维素，半纤维素和木质 素的质量百分含量分别为15%， 10%和13.0%，水解液中己糖含量为7%。收集 固形物进行纤维素酶解，添加酶量为30FPU/g，温度为5(TC。水解后，已糖在糖 液中所占的比例达到65% 。用氨水中和水解液，混合酶解液和酸处理液进行乙 醇发酵发酵。运动假单胞培养基同实施例3:在500 mL三角瓶中装发酵液200 mL 45°C发 酵40h，乙醇浓度为2.5g/L。 实施例5玉米秸秆和煤炭混燃进行生物质燃烧发电，玉米秸秆作为纤维生产乙醇发酵 和生物质燃烧发电的原料。玉米秸秆中纤维素，半纤维素和木质素的质量百分含 量分别为39%， 19.5%和15.1%。在华北电力大学自制的生物质直燃小型锅炉进 行燃烧试验，采用气力输送装置进料，玉米秸秆和煤炭的质量比为1: 1，进料量 0.5 t/h，功率为30 kW的单级背压发电汽轮机STF426 (淄博桑特动力设备有限公 司)配套发电，试验进行lh，获得电力18556kJ，回收余热蒸汽压力3 MPa，蒸 汽量4kg/h，发电效率为28.5%。纤维生产乙醇工艺中玉米秸秆用微型植物试样粉碎机FZ102粉碎，过60目 筛。通蒸汽到木质纤维素预处理装置中，温度控制为150 °C。处理时间45min， 添加硫酸(质量分数为0.8%)，处理后，测得固形物中纤维素，半纤维素和木质素的质量百分含量分别为13%， 0.9%和12.40%，水解液中己糖含量为9%。收集 固形物进行纤维素酶解，添加酶量为30FPU/g，温度为5(TC。水解后，已糖在糖 液中所占的比例达到69% 。用氨水中和水解液，混合酶解液和酸处理液进行乙 醇发酵发酵。运动假单胞培养基同实施例3:在500 mL三角瓶中装发酵液200 mL 45°C发 酵40h，乙醇浓度为4.5g/L。 术语定义"生物质直燃发电"，是指利用直接燃烧木质纤维素获得的热能，产生蒸汽驱 动发电机组的技术。"生物质混燃发电"，是指将木质纤维素和煤炭混合燃烧，利用获得的热能 制备蒸汽，驱动发电机组的技术。
权利要求
1.一种纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征在于，所述生物质燃烧发电包括步骤(1)木质纤维素类原料单独通过木质纤维素进料装置，进入生物质燃烧发电装置，实现直燃发电；或与煤炭混合燃烧，实现混燃发电，从而实现木质纤维素的燃烧发电；(2)发电工艺产生的热蒸汽通过余热回收装置回收，并提供给纤维生产乙醇工艺加热用；产生的电力通过变压器进入国家电网或供给纤维生产乙醇生产用电。
2. 根据权利要求1所述纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征 在于，所述木质纤维素原料为农作物秸秆、灌木植物，木材刨花或木屑。
3. 根据权利要求1所述纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征 在于，所述木质纤维素包括纤维素，半纤维素和木质素。
4. 根据权利要求1所述纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征 在于，所述纤维生产乙醇是以木质纤维素为原料，生产乙醇的工艺包括纤维素预 处理工艺，纤维素酶解工艺和乙醇发酵工艺和发酵液通过下游工艺。
5. 根据权利要求4所述纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征 在于，所述纤维素预处理工艺和纤维素酶解工艺所需的热量来自发电余热回收装 置回收的热蒸汽，预处理温度控制在100-350 。C,处理时间为15-60min。
6. 根据权利要求4所述纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征 在于，所述纤维素预处理工艺、纤维素酶解工艺，乙醇发酵工艺及下游处理工艺 的电能来自木质纤维素的燃烧发电进入国家电网的变压器。
7. 根据权利要求4所述纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征 在于，所述纤维素预处理工艺和纤维素酶解工艺产生的黑液和木质纤维素杂质通 过木质纤维素进料装置再进入生物质发电工艺过程燃烧。
8.根据权利要求4所述纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺，其特征在 于，所述乙醇发酵工艺采用酿酒酵母或运动假单胞菌，发酵温度为35-45 °C。
全文摘要
本发明公开了属于可再生能源技术领域的一种纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺。它以木质纤维素为原料，进行纤维生产乙醇和生物质直燃或混燃发电的耦合工艺，木质纤维素类原料单独通过木质纤维素进料装置，进入生物质燃烧发电装置，实现直燃发电；或与煤炭混合燃烧，实现混燃发电，从而实现木质纤维素的燃烧发电；发电工艺产生的热蒸汽通过余热回收装置回收，并提供给纤维生产乙醇工艺加热用；产生的电力通过变压器进入国家电网或供给纤维生产乙醇生产用电。从而实现纤维生产乙醇和生物质燃烧发电的耦合工艺。生物质发电效率达到28-32％，可以提供电能。
文档编号C12P19/14GK101402983SQ200810226859
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者杨勇平, 董长青, 郑宗明 申请人:华北电力大学