用于合成气发酵的尾气处理装置的制作方法

本实用新型总体上涉及工业尾气处理领域，更特别地，涉及一种用于工业合成气发酵的尾气处理装置，其能够回收发酵尾气中包含的有价值物质，有效利用发酵尾气中的热值，并且减小发酵尾气对大气环境的污染。

背景技术：

我国是能源消耗大国，每年开采、进口和使用大量的煤炭、石油和天然气等能源用于石油化工、煤化工、钢铁、电力等诸多工业领域。一方面，这些能源的使用产生了大量工业尾气，其对大气环境造成了严重的污染。另一方面，随着我国经济规模的不断增大，能源获取方面容易遇到瓶颈，而且煤炭、石油和天然气都属于不可再生资源，其储量是有限的。因此，我国正在进行经济结构的调整，而出于环境保护和经济方面的考虑，节能减排已成为经济结构调整中的重要考察指标。

工业尾气中含有大量的CO、CO₂和H₂等气体，其是工业合成气的主要成分，已经提出了各种气体发酵、生物合成技术来捕捉合成气成分CO、CO₂和H₂，将其转化成诸如有机酸、醇之类的高附加值产品，并且使其中蕴含的能量得到再次循环利用。从可持续发展和增加经济效益的角度来看，这不仅减少了工业尾气在环境中的排放，还能以较低的能耗获得更多有价值的产品，并且发酵过程中无危险、无污染产物，是传统工业合成气处理的一项优质替代技术。

但是，出于生物发酵工艺的特点以及经济性方面的考虑，合成气中的CO、H₂等可燃气体并不能被完全利用，发酵尾气中仍含有一定量的CO、H₂等可燃气体，其含量一般在10％至60％的范围，例如在30％左右，因此仍有较高的热值未被利用。而且，CO、H₂也会对空气造成污染，不宜直接排放到大气环境中。此外，发酵尾气中还可能含有合成有机物的蒸汽，如果直接排放到大气中，会造成有价值物质的浪费，并且污染大气环境。

因此，需要一种尾气处理装置，其能够对工业合成气发酵尾气进行处理，从而实现发酵尾气的综合利用和无害排放。

技术实现要素：

本实用新型的一个方面在于提供一种用于合成气发酵的尾气处理装置，其能够回收发酵尾气中包含的有价值物质，有效利用发酵尾气中的热值，并且减小发酵尾气排放对大气环境的污染。

根据一示例性实施例，一种用于合成气发酵的尾气处理装置包括：冷凝器，用于接收并且冷凝发酵尾气；气液分离器，连接到所述冷凝器以用于分离冷凝后的发酵尾气和液体；预热器，用于对助燃气和来自所述气液分离器的发酵尾气进行预热；以及蒸汽锅炉，其具有燃烧器，预热后的助燃气和发酵尾气被提供给所述燃烧器并且在所述燃烧器中燃烧以加热所述蒸汽锅炉，燃烧所产生的烟气被提供到所述预热器以预热发酵尾气和助燃气，然后被排出。

在一示例中，所述尾气处理装置还包括：助燃气流量调节阀，设置在助燃气管路上以控制提供给所述燃烧器的助燃气的流量。

在一示例中，所述尾气处理装置还包括：气体分析仪，连接到所述发酵尾气管路以检测提供给所述燃烧器的发酵尾气中的可燃气体的浓度。

在一示例中，所述可燃气体包括CO和H₂，所述助燃气包括空气或富氧气。

在一示例中，所述尾气处理装置还包括：流量计，设置在所述气液分离器与所述燃烧器之间的发酵尾气管路上以检测提供给所述燃烧器的发酵尾气的流量；或者尾气流量调节阀，设置在所述气液分离器与所述燃烧器之间的发酵尾气管路上以调节提供给所述燃烧器的发酵尾气的流量。

在一示例中，所述尾气处理装置还包括：控制器，用于根据所述发酵尾气的流量和所述发酵尾气中的可燃气体的浓度来调节所述助燃气流量调节阀，以控制提供给所述燃烧器的助燃气的流量。

在一示例中，所述尾气处理装置还包括：可燃剂源，用于向所述燃烧器提供可燃剂。

在一示例中，所述可燃剂包括可燃气体、可燃液体和可燃粉尘中的一种或多种。

在一示例中，所述尾气处理装置还包括：可燃剂流量调节阀，设置在可燃剂管路上以控制提供给所述燃烧器的可燃剂的流量。

在一示例中，所述控制器根据所述发酵尾气的流量和所述发酵尾气中的可燃气体的浓度来调节所述助燃气流量调节阀和所述可燃剂流量调节阀以分别控制提供给所述燃烧器的助燃气和可燃剂的流量。

在一示例中，所述发酵尾气中包括有10％至60％体积比的可燃气体。

在一示例中，所述冷凝器是水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、或蒸发式冷凝器。

在一示例中，所述气液分离器是旋风式气液分离器、重力沉降分离器、折流分离器、离心力分离器、丝网分离器、超滤分离器、或填料分离器。优选地，所述气液分离器是旋风式气液分离器。

在一示例中，所述预热器是管式预热器。优选地，所述预热器是盘管式预热器。

在一示例中，所述燃烧器是燃气式燃烧器或燃油式燃烧器。

本实用新型所提供的用于工业合成气发酵的尾气处理装置的优势在于，发酵尾气通过冷凝器和气液分离器可实现尾气与发酵有机产物的蒸汽的分离，从而能实现高附加值的有机产物的有效回收。之后，通过使发酵尾气与预定配比的助燃气在蒸汽锅炉的燃烧室中充分燃烧，产生的蒸汽可供发酵生产使用，同时放出的热可用于预热发酵尾气和助燃气，充分利用了燃烧产生的热量，实现了合成气发酵尾气的综合利用和无害排放。

本实用新型的上述和其他特征和优点将通过下面参照附图对示例性实施例的描述而变得显而易见。

附图说明

图1示出根据本实用新型一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置的结构框图。

图2示出根据本实用新型另一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置的结构框图。

图3示出根据本实用新型又一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置的结构框图。

图4示出根据本实用新型再一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置的结构框图。

具体实施方式

下面将参照示例性实施例来描述本实用新型。应理解，这些实施例仅是示例性的，并非对本实用新型的任何限制。除非另外指出，否则在本说明书、权利要求书和示例性实施例中出现的所有数值，均不应理解为绝对精确值，而是可具有本领域技术人员能理解的、现有技术所允许的误差范围。基于这里给出的详细说明，本领域技术人员应理解的是，可以对本实用新型的技术方案进行修改或替换，而不脱离本实用新型技术方案的范围，这些修改和替换均落在权利要求所涵盖的本实用新型的范围内。

下面结合附图来描述本实用新型的示例性实施例。

图1示出根据本实用新型一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置100的结构框图。如图1所示，合成气发酵的尾气可从冷凝器102的入口进入尾气处理装置100。发酵尾气中可含有CO、H₂、CO₂、N₂等气体，其中可燃气体CO、H₂的体积比之和一般在10％至60％的水平，例如在30％左右，因此含有较大的可利用热值。此外，发酵尾气中还含有一定量的水蒸汽和发酵产生的挥发性有机物的蒸汽，例如有机酸、醇类等。这些有机物属于高附加值产物，期望能得到进一步的回收利用。

发酵尾气可在冷凝器102中冷却，使得其中的水蒸汽和挥发性有机物蒸汽能够液化，而诸如CO、H₂、CO₂、N₂之类的气体由于液化温度极低，所以仍保持为气态。冷凝器102可以是任何类型的冷凝器，例如水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、蒸发式冷凝器等，本实用新型不对其进行任何限制。

冷凝器102的出口可连接到气液分离器104以对发酵尾气和液化的水和有机物进行分离。气液分离器104可以采用多种方式中的任何一种来执行气液分离，例如但不限于重力沉降分离、折流分离、离心力分离、丝网分离、超滤分离、填料分离等。在一示例中，优选地，气液分离器104可以是旋风式气液分离器，从而可以实现更高的分离效率。分离出来的液态的水和有机物可被回收再利用，气态的发酵尾气，包括CO、H₂、CO₂、N₂等气体，可以被提供给预热器106以进行预热。

预热器106可以是例如管式预热器，优选是盘管式预热器以提高热交换效率，其可以具有多个入口和出口以同时对多种流体进行预热。例如，预热器106可以具有连接到气液分离器104以接收发酵尾气的第一入口、连接到下游的蒸汽锅炉110(稍后再详细描述)的第一出口、以及连接在第一入口和第一出口之间的第一盘管(未示出)。此外，预热器106还可以具有连接到助燃气源108以接收助燃气的第二入口、连接到下游的蒸汽锅炉110的第二出口、以及连接在第二入口和第二出口之间的第二盘管(未示出)。预热器106还可以具有热质(稍后描述)入口和热质出口，热质经入口进入围绕第一盘管和第二盘管的密闭空间，与第一盘管和第二盘管进行热交换以预热流经其中的流体，然后经热质出口离开预热器106。在本实施例中，预热器106对来自气液分离器104的发酵尾气和来自助燃气源108的助燃气进行预热。应理解，本实用新型不限于该具体结构，而是预热器106也可以采用任何其他结构，只要能对发酵尾气和助燃气进行预热即可。

助燃气可以是空气或富氧气。已知的是，空气中含有大约21％体积比的氧气，因此可用于助燃目的。在本实施例中，富氧气可包括含氧量(体积比)超过空气的任何气体，例如工业氧气等。助燃气可储存在助燃气源108中，助燃气源108可以是例如储存有助燃气的气罐。在一示例中，当助燃气是空气时，助燃气源108可被省略，而是直接将大气中的空气泵入预热器106以进行预热。

预热后的发酵尾气和助燃气被从预热器106提供给蒸汽锅炉110。具体而言，蒸汽锅炉110可具有燃烧器112，燃烧器112可以是燃气式或燃油式燃烧器，发酵尾气和助燃气被提供给蒸汽锅炉110的燃烧器112。如前所述，发酵尾气中包括有一定量的可燃气体CO、H₂，其与助燃气在燃烧器112中混合并且燃烧，转变成无害的二氧化碳和水蒸汽。在一示例中，燃烧温度可达700℃以上，甚至超过850℃，因此放出大量的热。燃烧产生的热可用于加热蒸汽锅炉110中的水，产生蒸汽。蒸汽锅炉110产生的蒸汽可用于发酵生产，或者可用于驱动发电机或其他动力设备，本实用新型不做任何特定限制。通过上述工艺，1立方米的发酵尾气经综合利用，可产生约1公斤的低压蒸汽，并且达到环保、安全的排放标准。

在燃烧器112中燃烧后产生的烟气可经燃烧器112的出口排出，出口处的烟气温度一般不超过350℃。烟气可被从燃烧器112提供给预热器106的热质入口以用于预热发酵尾气和助燃气。在一示例中，烟气可将发酵尾气和助燃气预热至大约200℃左右。这样，使得发酵尾气中的热值能得到充分的利用。然后，烟气经预热器106的热质出口排出，并且经管道输送至烟囱114，排放到大气环境中。输送到烟囱114处的烟气的温度可降至180℃左右。

虽然未示出，但是可以在烟气管路上，例如在烟囱114处，设置气体分析仪以检测烟气中的特定气体例如CO的浓度，确定其是否符合排放标准。还可以根据所检测的浓度来优化上述尾气处理过程中的参数，例如发酵尾气的流量、助燃气的流量等，以实现最低的CO浓度

图2示出根据本实用新型另一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置200的结构框图。与图1所示的尾气处理装置100相比，在图2的尾气处理装置200中用相同或相似的附图标记指示相同或相似的部件，这里将省略对其的重复描述，而仅着重描述二者的不同之处。

如图2所示，尾气处理装置200还包括设置在发酵尾气管路上的气体分析仪202，以用于检测提供给燃烧器112的发酵尾气中的气体浓度，尤其是可燃气体CO、H₂等的气体浓度(即体积比)。优选地，气体分析仪202设置在气液分离器104之后，以避免有机物蒸汽(其在冷凝器102中液化并且在气液分离器104中被分离)对测量结果的影响。虽然图2示出了气体分析仪202设置在气液分离器104与预热器106之间的发酵尾气管路上，但是其也可以设置在预热器106与蒸汽锅炉110之间的发酵尾气管路上。

尾气处理装置200还包括设置在发酵尾气管路上的流量计204，以用于检测提供给燃烧器112的发酵尾气的流量。同样，流量计204优选设置在气液分离器104之后，例如如图2所示的那样在气液分离器104与预热器106之间的发酵尾气管路上，或者在预热器106与蒸汽锅炉110之间的发酵尾气管路上。

通过检测提供给蒸汽锅炉110的发酵尾气的流量和发酵尾气中可燃气体例如CO、H₂的体积比，即可确定应提供给蒸汽锅炉110的助燃气的流量。在图2所示的实施例中，尾气处理装置200还包括设置在助燃气管路上的第一流量调节阀206，以用于调节提供给燃烧器112的助燃气的流量。虽然图2示出了第一流量调节阀206设置在助燃气源108与预热器106之间的助燃气管路上，但是其也可以设置在预热器106与蒸汽锅炉110之间的助燃气管路上。

继续参照图2，尾气处理装置200还包括控制器208，控制器208可根据流量计204确定的发酵尾气的流量和气体分析仪202确定的可燃气体的体积比来计算所需提供给蒸汽锅炉110的助燃气的流量，并且根据计算结果来调节第一流量调节阀206以控制实际提供给蒸汽锅炉110的助燃气的流量，例如使其等于计算流量。应注意，在计算所需的助燃气流量时，计算流量应大于根据化学配比所需的流量。例如，如果发酵尾气的流量为1000sccm，其中CO和H₂的体积比之和为30％，那么所需纯O₂气体的化学配比流量为150sccm，或者所需空气的化学配比流量约为714.3sccm。但是，控制器208计算所确定的流量应大于标准化学配比流量，例如是化学配比流量的20％至60％，优选30％至50％，以保证可燃气体的充分燃烧。另一方面，所提供的助燃气的流量也不宜过大，否则其会稀释可燃气体，导致部分可燃气体不能得到充分燃烧。

如上所述，在图2所示的尾气处理装置200中，通过利用控制器208来根据发酵尾气的流量和发酵尾气中的可燃气体的浓度来确定所需提供的助燃气体的流量，可以保证发酵尾气在燃烧器112中的充分燃烧，从而使发酵尾气中的热值能得到充分利用，取得更大的经济效益，同时最小化了发酵尾气中作为有害成分的可燃气体CO、H₂的量，实现了无害排放。

图3示出根据本实用新型又一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置300的结构框图。与图2所示的尾气处理装置200相比，在图3的尾气处理装置300中用相同或相似的附图标记指示相同或相似的部件，这里将省略对其的重复描述，而仅着重描述二者的不同之处。

如图3所示，尾气处理装置300还包括可燃剂源302，其中可储存有可燃剂。可燃剂可包括各种形式的可燃剂，例如可燃气体、可燃液体(包括可燃油、可燃有机液体例如乙醇等)、可燃粉尘(例如煤粉等)等。当发酵尾气中的可燃气体的浓度较低，不足以进行燃烧或者不能充分燃烧时，可燃剂源302可将可燃剂提供给蒸汽锅炉110的燃烧器112，例如通过喷嘴喷射到燃烧器112的燃烧室内，以与发酵尾气、助燃气混合来进行燃烧。在可燃剂管路上还可以设置有第二流量调节阀304以控制提供给燃烧器112的可燃剂的流量。第二流量调节阀304可由控制器208控制。例如，控制器208可根据发酵尾气的流量和发酵尾气中的可燃气体的浓度来调节第一流量调节阀206和第二流量调节阀304，以分别控制提供给燃烧器112的助燃气和可燃剂的流量。

图4示出根据本实用新型再一示例性实施例的用于合成气发酵的尾气处理装置400的结构框图。与图3所示的尾气处理装置300相比，在图4的尾气处理装置400中用相同或相似的附图标记指示相同或相似的部件，这里将省略对其的重复描述，而仅着重描述二者的不同之处。

如图4所示，流量计204被第三流量调节阀402所代替，第三流量调节阀402可以被控制器208控制以调整提供给燃烧器112的发酵尾气的流量。同样，第三流量调节阀402优选设置在气液分离器104之后，例如如图4所示的那样在气液分离器104与预热器106之间的发酵尾气管路上，或者在预热器106与蒸汽锅炉110之间的发酵尾气管路上。控制器208可根据各种考虑因素来控制第三流量调节阀402，例如根据合成气发酵工艺的进程，或者根据蒸汽锅炉110处所需的热量等。在另一些实施例中，也可以由操作人员控制第三流量调节阀402，第三流量调节阀402将其设定流量值提供给控制器208。在确定了发酵尾气的流量并且获得了发酵尾气中的可燃气体浓度后，控制器208可以进一步确定助燃气的流量和可燃剂的流量，如前面描述的那样，此处不再赘述。

上面参照附图描述了本实用新型的示例性实施例。应理解，这些实施例是示例性的，仅用于说明本实用新型的原理，而非在任何意义上限制本实用新型。在不脱离本实用新型的范围的情况下，本领域技术人员可以做出形式和细节上的修改或替代。本实用新型的范围仅有所附权利要求及其等价物定义。