專利名稱：碳質材料氣化方法
碳質材料氣化方法技術領域
本公開總體上涉及將碳質材料氣化以生產合成氣體或合成氣的方法。本公開還涉及在至少一種微生物存在下經發酵或消化從所述合成氣生產一種或多種醇的方法。
背景技術：
本公開設想了經碳質材料的氣化來生產包含一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、和氫氣(H2)的合成氣體。通過生物或化學途徑，合成氣體可用于生產一種或多種化學物質。合成氣體還可用于產生能量來發電。
因此，合成氣通過某些微生物的發酵或消化可以起到生產醇(甲醇、乙醇、丙醇、 丁醇等)、乙酸、乙酸酯、氫氣等的作用。已描述了多株產乙酸菌用于從合成氣生產液體燃料食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、產乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、 Clostridium carboxidivorans、 楊氏梭菌(Clostridium Ijungdahlii)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)。
Gaddy等的美國專利No. 5，173，429公開了從合成氣體生產乙醇和乙酸酯的厭氧微生物楊氏梭菌ATCC No. 49587。Gaddy等的美國專利No. 5，807，722公開了使用厭氧細菌例如楊氏梭菌ATCC No. 55380將廢氣轉化成有用產物例如有機酸和醇的方法和裝置。Gaddy 等的美國專利No. 6，136，577公開了使用厭氧細菌例如楊氏梭菌ATCC No. 55988和55989 將廢氣轉化成有用產物例如有機酸和醇(特別是乙醇)的方法和裝置。Gaddy等的美國專利 No. 6，136，577公開了使用楊氏梭菌的厭氧菌株將廢氣轉化成有用產物例如有機酸和醇(特別是乙酸)的方法和裝置。Gaddy等的美國專利No. 6，753，170公開了用于生產乙酸的厭氧微生物發酵方法。Gaddy等的美國專利No. 7，285，402公開了用于生產醇的厭氧微生物發酵方法。
美國專利申請No. 20070275447公開了梭狀芽胞桿菌屬菌種(Clostridium carboxidivorans, ATCC BAA-624, “P7”)，該菌種能夠從廢氣合成可用作生物燃料的產物。 美國專利申請No. 20080057554公開了梭狀芽胞桿菌屬菌種(拉氏梭菌，ATCC BAA-622, “P11”)，該菌種能夠從廢氣合成可用作生物燃料的產物。
WO 2007/117157公開了厭氧發酵過程的方法，該厭氧發酵過程除了生產期望的產物外，還生產作為副產物的乙酸酯，并可以在發酵中利用氫氣和/或二氧化碳。在該公開中，發酵是由一株或多株選自梭菌屬(Clostridium)、穆爾氏菌屬(Moorella)和一氧化碳嗜熱菌屬(Carboxydothermus)的細菌來執行的。WO 2009/064200公開了一類細菌,這類細菌在通過對含有一氧化碳的底物厭氧發酵來生產乙醇的過程中具有改進的效率。正如所公開的，所示例的細菌產乙醇梭菌能夠生產乙醇和乙酸酯。
利用化學催化途徑例如使用含有銅(Cu)和鋅(Zn)的催化劑來制備甲醇或混合醇的方法、使用含有鈷(Co)和銠(Rh)的催化劑來生產乙醇的方法、以及用于制備烯烴的費-托(Fischer-Tropsch)型合成法等，合成氣可以被轉化成各種化學物質和燃料。WO 2009/035851公開了使用包含能夠將合成氣轉化成醇的催化劑的反應器來將合成氣轉化成乙醇和/或其它高級醇的方法，所述催化劑包含至少一種IB族元素、至少一種IIB族元素、 和至少一種IIIA族元素。
WO 2010/002618公開了用于從包含氫氣和一氧化碳的氣體制備醇的方法，所述方法包括使氣體通過攜帶有催化劑的反應器，所述催化劑包含元素鑰、鈷和堿金屬或堿土金屬、和/或其氫化物。
化學物質或電力的生產總體上取決于所生產的合成氣的質量，例如合成氣中的一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的量或濃度，以及一氧化碳與氫氣的比率(C0/H2)。
一種廣泛使用的將碳質材料氣化以生產富含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的合成氣的方法在氣化器中使用氧不足或缺氧的氣氛，該氣氛防止碳質材料中的碳完全轉化。然而， 在缺氧的條件下，碳質材料中的一部分碳含量往往作為未反應的碳粒子或煙炱留在產物合成氣中。碳質材料中的另一部分碳含量作為未反應的碳留在灰中。
碳質原料不完全轉化成一氧化碳(CO)和氫氣(H2)意味著是用于生產電力或化學物質(例如醇)的可用的一氧化碳(CO)和氫氣(H2)較少。在粗制合成氣中的未反應或未轉化的碳粒子或煙炱的量增加，增加了凈化合成氣的難度和成本。在灰中的未反應的碳的量增加，增加了處置灰的處理難度和成本。
希望的是有一種操作氣化器的方法，該方法最大限度地提高由產生于氣化器的合成氣所生產的電力或化學物質，同時將在粗制合成氣中的未反應或未轉化的碳粒子的量保持在所希望的低值。
希望的是有一種操作氣化器的方法，該方法最大限度地提高由產生于氣化器的合成氣所生產的電力或化學物質，同時將在粗制合成氣中的未反應或未轉化的碳粒子的量以及在灰中的未反應的碳的量保持在所希望的低值。
希望的是有一種操作氣化器的方法，該方法最大限度地提高由產生于氣化器的合成氣所生產的電力或化學物質，同時將在粗制合成氣中的煙炱的量保持在所希望的低值。
希望的是有一種操作氣化器的方法，該方法最大限度地提高由產生于氣化器的合成氣所生產的電力或化學物質，同時將在粗制合成氣中的煙炱的量以及在灰中的未反應的碳的量保持在所希望的低值。
本公開提供了各種新的和所希望的氣化器設計以及本領域中未知的操作氣化器的方法。本公開達到了上述需求。
發明概述
本公開提供了將碳質材料在氣化器中氣化以生產包含一氧化碳、氫氣和焦油的產物氣體的方法所述方法包括向所述氣化器中添加一種或多種碳質材料、添加含分子氧的氣體、以及任選地添加水；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約O. 75。在一種實施方式中，以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量為約O. 75至約3. O。作為實施方式，本公開還包括在分子氧存在下在約1750° F至約3500° F的溫度下處理所述產物氣體以生產粗制合成氣，所述粗制合成氣包含一氧化碳、氫氣和合成氣-碳。在一種實施方式中，粗制合成氣還包含二氧化碳。
作為實施方式，本公開提供了使用部分氧化方法將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區和第二反應區；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約1.25。在一種實施方式中，以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器的所述第一反應區中的總氧的量為約I. 25至約3. 5。
作為實施方式，本公開提供了將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法 所述氣化器包含第一反應區和第二反應區；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約I. 25。在一種實施方式中，以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器的所述第一反應區中的總氧的量為約 I. 25 至約 3. 5。
本公開提供的一種方法還包括使所述粗制合成氣經歷冷卻和凈化，以生產清潔的合成氣；使所述清潔的合成氣與發酵容器中的生物催化劑接觸，以生產醇產物的混合物。
在一種實施方式中，在一種或多種所述碳質材料中的碳與氫的質量比為I至20。 在一種實施方式中，在一種或多種所述碳質材料中的碳與氧的質量比為I至200。
本公開提供了使用部分氧化方法將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室； 所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽； 包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
本公開提供了使用部分氧化方法生產合成氣的氣化器；所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
本公開提供了將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
本公開提供了生產合成氣的氣化器；所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
圖I包含示出了用于本公開的氣化過程的實施方式的示意圖；圖I給出了兩級氣化過程的實施方式。
圖2包含示出了經碳質材料的氣化來生產乙醇的過程的實施方式的示意圖。
圖3包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言,被輸入到氣化器中的總氧對合成氣-碳的影響的實施方式。
圖4包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言,被輸入到氣化器中的總氧對生產的乙醇的量的影響的實施方式。
圖5包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言,被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧對合成氣_碳的影響的實施方式。
圖6包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言,被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧對生產的乙醇的量的影響的實施方式。
發明詳述
定義
除非另有限定，在本公開的整個說明書中使用的以下術語的定義如下，這些術語可以包括下文所規定的定義的單數或復數形式
修飾任何數量的術語“約”是指在真實世界的條件下遇到的該數量的變化，例如在維持微生物培養的真實世界的條件下例如在實驗室、中試工廠、或生產設施中遇到的所指數量的變化。例如，當被“約”修飾時，混合物或參量中采用的成分或度量結果的數量包括在生產工廠或實驗室的實驗條件下測量時的變化和通常所采用的關注程度。例如，當被“約” 修飾時，產物的組分的數量包括在工廠或實驗室的多次實驗中的各批次間的變化，以及分析方法所固有的變化。無論是否被“約”修飾，數量都包括那些數量的等效值。本文所述的并被“約”修飾的任何量也可以作為未被“約”修飾的數量用于本公開中。
術語“產乙酸菌”或“產乙酸的”是指生成乙酸酯作為厭氧呼吸的產物的細菌。該過程不同于乙酸酯發酵，盡管這兩者都在不存在氧的條件下發生并產生乙酸酯。由于所有已知的產乙酸菌都是細菌，因此這些生物體也被稱作產乙酸的細菌。產乙酸菌可見于多種生境，通常為那些厭氧(缺氧)的生境。產乙酸菌可以使用多種化合物作為能量和碳的來源； 被最徹底研究過的產乙酸的代謝形式包括使用二氧化碳作為碳源以及使用氫作為能量來源。
術語“灰-碳”表示在從氣化器去除的灰中的未轉化的碳的含量。
術語“灰熔融溫度”表示碳質材料中所含的至少一部分灰或無機物融化時的溫度。 該溫度通常為約1400° F。
對于本公開來說，術語“生物催化劑”表示天然催化劑、蛋白質酶、活細胞、微生物和細菌。
術語“生物反應器”、“反應器”或“發酵生物反應器”包括由一個或多個容器和/或塔或管道排列組成的發酵裝置，包括連續攪拌罐反應器(CSTR)、固定化細胞反應器(ICR)、 滴流床反應器(TBR)、鼓泡塔、氣升式發酵罐、靜態混合器、或其它適用于氣-液接觸的裝置。對于本公開的方法而言，優選的發酵生物反應器包括將發酵液進料到第二發酵生物反應器的生長反應器，其中大部分的產物乙醇在第二發酵生物反應器中產生。
在本文中使用時，“碳質材料”是指富含碳的材料，例如煤和石油化學產物。然而，在本說明書中，碳質材料包括固態、液態、氣態或等離子態的任何碳材料。在眾多可以被視為碳質材料的物品中，本公開設想了 碳質液體產物、碳質工業液體回收物、碳質城市固體廢物(MSW或msw)、碳質城市廢物、碳質農業材料、碳質林業材料、碳質木材廢料、碳質建筑材料、碳質植物材料、碳質工業廢物、碳質發酵廢物、碳質石油化學副產物、碳質醇生產副產物、碳質煤、輪胎、塑料、廢塑料、焦爐焦油、纖維軟質(fibersoft)、木質素、黑液、聚合物、廢聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETA)、聚苯乙烯(PS)、污水污泥、動物糞便、作物殘茬、能源作物、森林加工剩余物、木材加工剩余物、家畜糞便、家禽糞便、食品加工剩余物、發酵過程的廢物、乙醇副產物、用過的谷物、用過的微生物或上述物質的組合。對于本公開而言，二氧化碳和含甲烷的氣體不被視為碳質材料。為了避免疑慮，無論使用了單數還是復數形式的詞，在適當的情況下，該定義中提供的各種碳質材料均可以被解釋為單數或復數形式。
術語“發酵”表示一氧化碳(CO)發酵成醇和乙酸酯。已知許多厭氧細菌能夠實現將一氧化碳(CO)發酵成包括丁醇和乙醇的醇以及乙酸，并適合在本公開的過程中使用。這種適合在本公開中使用的細菌的實例包括梭菌屬的細菌，例如楊氏梭菌的菌株以及產乙醇梭菌的菌株，所述楊氏梭菌的菌株包括在WO 2000/68407、EP 117309、美國專利 No. 5，173，429,5, 593，886 和 6，368，819、WO 1998/00558 和 WO 2002/08438 中描述的那些菌株。其它適合的細菌包括穆爾氏菌屬的細菌和一氧化碳嗜熱菌屬的細菌，所述穆爾氏菌屬的細菌包括Moorella sp HUC22-1。這些公布各自的公開內容通過參考完全結合于此。 此外，本領域技術人員可以選擇其它產乙酸的厭氧細菌用于本公開的過程中。還應了解的是，在本公開的過程中可以使用兩種或更多種細菌的混合培養物。適合在本公開中使用的一種微生物是產乙醇梭菌，該微生物可以購自DSMZ并具有DSMZ保藏號DSMZ 10061的鑒別特征。發酵可以在任何適合的生物反應器例如連續攪拌罐反應器(CTSR)、鼓泡塔反應器 (BCR)或滴流床反應器(TBR)中進行。并且，在本公開的一些優選實施方式中，生物反應器可包含在其中培養微生物的第一生長反應器，以及第二發酵反應器，其中來自生長反應器的發酵液被進料到所述第二發酵反應器中并且在所述第二發酵反應器中產生大部分的發酵產物(乙醇和乙酸酯)。
術語“纖維軟質”表示由于各種物質的軟化和濃縮而產生的一類碳質材料；在一個實例中，碳質材料通過高壓蒸汽處理各種物質而產生。在另一個實例中，纖維軟質可包括高壓蒸汽處理市政廢物、工業廢物、商業廢物、醫療廢物而產生的纖維質糊狀材料。
“氣化器”表示逆流固定床氣化器、順流固定床氣化器、移動床、流化床氣化器、氣流床氣化器、等離子弧氣化器、單級氣化器、多級氣化器、兩級氣化器、三級氣化器、四級氣化器、五級氣化器、及它們的組合。
術語“微生物”包括細菌、真菌、酵母、古細菌和原生生物；微生植物(稱為綠藻); 以及動物，例如浮游生物、渦蟲和阿米巴。有些還包括病毒，但其他人認為這些是無生命的。微生物生活在有液體水的生物圈的所有地方，包括土壤、溫泉、海底上、大氣高處、地殼內巖石深處。由于微生物起到分解者的作用，因此它們對營養物在生態系統中的再循環是至關重要的。微生物還被人們用在生物技術、傳統的食品和飲料兩者的制備、以及基于基因工程的現代技術中。設想了在本公開中利用可以含有或可以不含各種微生物菌株的混合菌株微生物。還設想了定向進化可以選擇性地篩選可用于本公開的微生物。進一步設想了重組DNA技術可以用現有微生物的精選菌株產生微生物。設想了在本公開中利用能將一氧化碳(CO)和水或者氫氣(H2)和CO2轉化成乙醇和乙酸產物的產乙酸的厭氧(或兼性)細胞。根據本公開有用的細菌包括但不限于凱伍產醋菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodii)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌、Caldanaerobacter subterraneus、Caldanaerobacter subterraneus pacificus、 生氫一氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、產乙醇梭菌、熱醋梭菌 (Clostridium thermoaceticum)、粘真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌 PETC、楊氏梭菌ERI2、楊氏梭菌C-01、楊氏梭菌0-52、Clostridium ultunense、拉氏梭菌、Clostridium carboxidivorans、硫還原泥土桿菌(Geobacter sulfurreducens)、穆爾氏菌屬、Moorella thermacetica和產生消化鏈球菌(Peptostreptococcus productus)。其它產乙酸的厭氧細菌由本領域技術人員選擇用于這些方法。在本公開的一些實施方式中，幾株示例性楊氏梭菌(C. Ijungdahlii)包括菌株PETC (美國專利No. 5，173，429)、菌株ERI2 (美國專利 No. 5，593，886)和菌株C-Ol和0-52 (美國專利No. 6，136，577)。這些菌株各自保藏在美國典型培養物保藏中心(American Type Culture Collection), 10801University Boulevard ,Manassas, Va. 20110-2209，保藏號分別為 55383 (以前為 ATCC No. 49587),55380,55988 和 55989。楊氏梭菌的這些菌株各自為鳥嘌呤和胞嘧啶(G+C)核苷酸含量為約22摩爾％的厭氧的革蘭氏陽性細菌。這些細菌利用多種底物來生長，但不利用甲醇或乳酸。這些菌株的不同之處在于它們的一氧化碳(CO)耐受性、單位氣體攝取率和單位生產率。在自然界中發現的“野生”菌株中，觀察到非常小的乙醇產量。楊氏梭菌的菌株在理想的情況下是在37°C下操作，并且在“野生”狀態下通常產生約1:20的乙醇與乙酰基(即，其指的是游離的或分子的乙酸和乙酸鹽兩者)的產物比率(每20份乙酰基I份乙醇)。乙醇濃度通常僅為l_2g/L。 盡管其生產乙醇的能力是值得關注的，但是乙醇生產率低的“野生”細菌不能用于在商業基礎上經濟地生產乙醇。伴隨著次要營養物的操控，上述楊氏梭菌菌株已用于生產乙醇和乙酰基，產物比率為1:1(等份的乙醇和乙酰基)，但乙醇濃度小于10g/L，這種水平導致了低于 10g/L/天的低生產率。此外，培養物的穩定性也是一個問題，這主要是由于相對高(8-10g/ L)濃度的乙酰基(2.5-3g/L分子乙酸)以及存在乙醇而造成的。此外，當嘗試增加氣體速率以生產更多的乙醇時，培養物首先被分子乙酸抑制，然后被一氧化碳(CO)抑制。因此，培養物變得不穩定并且不能攝取氣體和生產更多的產物。另外，本發明人的早期工作表明在穩態操作中難以產生大于2:1比率的乙醇與乙酰基。大量文獻描述了楊氏梭菌以外的厭氧細菌在用于生產溶劑的且不消耗一氧化碳(CO)、CO2和氫氣(H2)的糖發酵中的應用。在提供高乙醇收率的嘗試中，改變過的多種參數包括營養物類型、微生物、還原劑的具體添加、 pH變化和添加外源性氣體。
術語“城市固體廢物”或“MSW”或“msw”表示包含家庭、商業、工業和/或殘余廢物的廢物。
術語“合成氣”或“合成氣體”表示合成氣體，這是給予含有不同量的一氧化碳和氫氣的氣體混合物的名稱。生產方法的實例包括用于生產氫氣的天然氣或烴的蒸汽重整、 煤的氣化、以及在某些類型的廢物變能源的氣化設施中。這個名稱來自于它們在生產合成天然氣(SNG)的過程中以及用于生產氨或甲醇的過程中作為中間體的用途。合成氣還在通過費-托合成法和先前的Mobil甲醇制汽油工藝來生產合成石油以用作燃料或潤滑劑的過程中用作中間體。合成氣主要由氫氣、一氧化碳以及往往還有一些二氧化碳組成，其能量密度(即BTU含量)小于天然氣的一半。合成氣是可燃的，并且往往被用作燃料源或用作用于生產其它化學物質的中間體。
術語“合成氣-碳”表示在產生自氣化過程的粗制合成氣中的未轉化的碳粒子的含量。
術語“被輸入到氣化器中的總碳”或“被添加到氣化器中的總碳”表示被進料到氣化器中的任何材料中所含的所有碳的總和，例如被添加到氣化器中的一種或多種如上所定義的碳質材料中所含的碳。
術語“被輸入到氣化器的第一反應區中的總碳”或“被添加到氣化器的第一反應區中的總碳”表示被進料到氣化器的第一反應區中的任何材料中所含的所有碳的總和，例如被添加到氣化器的第一反應區中的一種或多種如上所定義的碳質材料中所含的碳。
術語“被輸入到氣化器中的總氧”或“被添加到氣化器中的總氧”表示被進料到氣化器中的任何材料中所含的所有氧的總和，例如被添加到氣化器中的含分子氧的氣體中所含的氧、被添加到氣化器中的一種或多種如上所定義的碳質材料中所含的氧、被添加到氣化器中的任何水或蒸汽中所含的氧。
術語“被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧”或“被添加到氣化器的第一反應區中的總氧”表示被進料到氣化器的第一反應區中的任何材料中所含的所有氧的總和，例如被添加到氣化器的第一反應區中的含分子氧的氣體中所含的氧、被添加到氣化器的第一反應區中的一種或多種如上所定義的碳質材料中所含的氧、被添加到氣化器的第一反應區中的任何水或蒸汽中所含的氧。
詳細描述
現在將參照附圖更充分地描述本公開，附圖中顯示了本公開的各種實施方式。然而，本公開的主題內容可以以許多不同的形式體現，并且不應當被解釋為受限于本文所闡述的實施方式。
本公開提供了將碳質材料在氣化器中氣化以生產包含一氧化碳、氫氣和焦油的產物氣體的方法所述方法包括向所述氣化器中添加一種或多種碳質材料、添加含分子氧的氣體、以及任選地添加水；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約O. 75。在一種實施方式中，以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量為約O. 75至約3. O。作為實施方式，本公開還包括向所述氣化器中添加水；包括向所述氣化器中直接添加蒸汽；包括通過部分地向所述氣化器中直接添加蒸汽來添加水；包括向所述氣化器中添加一種或多種含有水分的所述碳質材料。
在本公開的實施方式中，一種或多種所述碳質材料包括選自下列的物質碳質材料、碳質液體產物、碳質工業液體回收物、碳質城市固體廢物(MSW或msw)、碳質城市廢物、 碳質農業材料、碳質林業材料、碳質木材廢料、碳質建筑材料、碳質植物材料、碳質工業廢物、碳質發酵廢物、碳質石油化學副產物、碳質醇生產副產物、碳質煤、輪胎、塑料、廢塑料、 焦爐焦油、纖維軟質、木質素、黑液、聚合物、廢聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETA)、聚苯乙烯(PS )、污水污泥、動物糞便、作物殘茬、能源作物、森林加工剩余物、木材加工剩余物、家畜糞便、家禽糞便、食品加工剩余物、發酵過程的廢物、乙醇副產物、用過的谷物、用過的微生物或上述物質的組合。在一種實施方式中，在不含水的基礎上，一種或多種所述碳質材料的碳含量為約O. 25磅至約I. O磅/磅一種或多種所述碳質材料。在一種實施方式中，在不含水的基礎上，一種或多種所述碳質材料的氫含量為約O. O磅至約O. 25磅/磅一種或多種所述碳質材料。在一種實施方式中，在不含水的基礎上，一種或多種所述碳質材料的氧含量為約O. O膀至約O. 5膀/膀一種或多種所述碳質材料。
在一種實施方式中，所述碳質材料包括選自下列的多種碳質材料碳質材料、碳質液體產物、工業碳質液體回收物、碳質城市固體廢物(MSW)、碳質城市廢物、碳質農業材料、 碳質林業材料、碳質木材廢料、碳質建筑材料、碳質植物材料、碳質石油化學副產物、碳質煤、塑料、廢塑料、焦爐焦油、纖維軟質、輪胎、木質素、黑液、聚合物、廢聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETA)、聚苯乙烯(PS)、污水污泥、動物糞便、作物殘茬、能源作物、森林加工剩余物、木材加工剩余物、家畜糞便、家禽糞便、食品加工剩余物、發酵過程的廢物、碳質工業廢物、醇生產廢物、乙醇副產物、用過的谷物、用過的微生物、或任何這些材料的組合。
在實施方式中，氣化器產生含有灰_碳的灰，并且其中所述灰包含小于約10%的灰-碳。在實施方式中，氣化器產生含有灰_碳的灰，并且其中所述灰包含小于約5%的灰-碳。
在實施方式中，本公開提供了用于在分子氧存在下在約1750° F至約3500° F的溫度下處理所述產物氣體以生產粗制合成氣的方法，所述粗制合成氣包含一氧化碳、氫氣和合成氣-碳。在各種實施方式中，粗制合成氣還包含二氧化碳。
在實施方式中，在一種或多種所述碳質材料中的碳與氫的質量比為I至20。在實施方式中，在一種或多種所述碳質材料中的碳與氧的質量比為I至200。
作為實施方式，所述粗制合成氣包含小于約O. 5磅的合成氣-碳/1000SCF生產的粗制合成氣。
本公開提供了使用部分氧化方法將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區和第二反應區；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約I. 25。在實施方式中，以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器的所述第一反應區中的總氧的量為約I.25至約3. 5。在一種實施方式中，所述第一反應區的溫度為650-1450° F。在一種實施方式中，所述第二反應區的溫度為1750-3500° F。
本公開提供了將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區和第二反應區；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約1.25。在實施方式中，以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器的所述第一反應區中的總氧的量為約I. 25至約3. 5。在一種實施方式中，所述第一反應區的溫度為650-1450° F。在一種實施方式中，所述第二反應區的溫度為1750-3500° F。
本公開還提供了一種方法，所述方法包括使所述粗制合成氣經歷冷卻和凈化，以生產清潔的合成氣；使所述清潔的合成氣與發酵容器中的生物催化劑接觸，以生產醇產物的混合物。在一種實施方式中，在一種或多種所述碳質材料中的碳與氫的質量比為I至20。 在一種實施方式中，在一種或多種所述碳質材料中的碳與氧的質量比為I至200。
本公開提供了使用部分氧化方法將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室； 所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽； 包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
本公開提供了使用部分氧化方法生產合成氣的氣化器；所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
本公開提供了將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
本公開提供了生產合成氣的氣化器；所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
在本公開的一種實施方式中，所述氣化器的溫度為約650° F至約3500° F。在一種實施方式中，所述溫度為約650° F至約1450° F。在一種實施方式中，所述氣化器的溫度為約950° F至約1400° F。在一種實施方式中，所述氣化器的溫度為約1400° F。在一種實施方式中，所述氣化器的溫度為約1750° F至約2250° F。在一種實施方式中，所述氣化器的溫度為約2250° F。
在本公開的各種實施方式中，可以用公布的技術中描述的各種去除焦油的方法處理所述含焦油的產物氣體以去除或破壞至少一部分被包含在所述含焦油的產物氣體中的焦油，以便生產不含焦油或含較少的焦油的粗制合成氣。在本公開的一種實施方式中，在分子氧存在下在約1750° F至約3500° F的溫度下處理所述含焦油的產物氣體以取出或生產粗制合成氣，所述粗制合成氣包含一氧化碳、氫氣和合成氣-碳。在本公開的一種實施方式中，在分子氧存在下在約1750° F至約3500° F的溫度下處理所述含焦油的產物氣體以取出或生產粗制合成氣，所述粗制合成氣包含二氧化碳。據推測，在這樣的處理中，通過焦油的裂解來破壞焦油。據推測，在這樣的處理中，通過焦油的部分氧化來破壞焦油。在一種實施方式中，處理溫度為約1750° F至約2250° F。在一種實施方式中，處理溫度為約 2250° F。
如上操作氣化器不能實現被導入到氣化器中的所有碳的完全燃燒以產生二氧化碳。據推測，實現了碳的部分氧化，這增加了一氧化碳的產生。這種部分氧化還可能導致形成未反應的碳粒子或煙炱(“合成氣-碳”)，所述未反應的碳粒子或煙炱留在粗制合成氣中。含有大量合成氣-碳的粗制合成氣是不合人意的，因為它增加了清潔粗制合成氣的難度和成本。在本公開的方法中，所述粗制合成氣包含小于約O. 5磅的合成氣-碳/1000SCF 生產的粗制合成氣。在本公開的一種實施方式中，所述粗制合成氣包含小于約O. 25磅合成氣-碳/1000SCF生產的粗制合成氣。在一種實施方式中，所述粗制合成氣包含小于約0. 125 磅的合成氣_碳/1000SCF生產的粗制合成氣。
如上操作氣化器不能實現被導入到氣化器中的所有碳的完全燃燒以產生二氧化碳。據推測，實現了碳的不完全氧化，這增加了一氧化碳的產生。這種不完全氧化還可能導致形成未反應的碳粒子或煙炱(“合成氣-碳”)，所述未反應的碳粒子或煙炱留在粗制合成氣中。含有大量合成氣_碳的粗制合成氣是不合人意的，因為它增加了清潔粗制合成氣的難度和成本。在本公開的方法中，所述粗制合成氣包含小于約0. 5磅的合成氣-碳/1000SCF 生產的粗制合成氣。在本公開的一種實施方式中，所述粗制合成氣包含小于約0. 25磅的合成氣-碳/1000SCF生產的粗制合成氣。在一種實施方式中，所述粗制合成氣包含小于約 0. 125磅的合成氣-碳/1000SCF生產的粗制合成氣。
可以在多個獨立的加工單元中或者在帶有多個反應區或腔室或隔室的單個單元中實現將碳質材料氣化以生產含焦油的產物氣體以及隨后在含分子氧的氣體存在下、在高溫下處理所述含焦油的產物氣體(“焦油裂解”)以生產不含焦油或含較少的焦油的粗制合成氣。
可以在多個獨立的加工單元中或者在帶有多個反應區或腔室或隔室的單個單元中實現將碳質材料氣化以生產含焦油的產物氣體以及隨后在含分子氧的氣體存在下、在高溫下處理所述含焦油的產物氣體(“焦油的部分氧化”)以生產不含焦油或含較少的焦油的粗制合成氣。
在本公開的一種實施方式中，使用的氣化單元包含兩個反應區第一反應區，其生產含焦油的產物氣體；以及第二反應區，其從含焦油的產物氣體生產不含焦油或含較少的焦油的粗制合成氣。
在本公開的一種實施方式中，使用多級氣化單元，所述裝置包含兩個反應區第一反應區，其生產含焦油的產物氣體；以及第二反應區，其從含焦油的產物氣體生產不含焦油或含較少的焦油的粗制合成氣。
在本公開的一種實施方式中，使用兩級氣化單元，所述裝置包含兩個反應區第一反應區，其生產含焦油的產物氣體；以及第二反應區，其從含焦油的產物氣體生產不含焦油或含較少的焦油的粗制合成氣。
在本公開的一種實施方式中，第一反應區中的溫度不應該超過碳質材料中形成灰的無機組分的熔點。該溫度可以被稱為灰熔融溫度。在一種實施方式中，將第一反應區的溫度維持在約650° F至約1450° F。在一種實施方式中，將第一反應區的溫度維持在約 950° F至約1450° F。在一種實施方式中，將第一反應區的溫度維持在約1400° F。
第二反應區中的溫度應當高至足讓焦油裂解有效地進行。在一種實施方式中，將第二反應區的溫度維持在約1750° F至約3500° F。在一種實施方式中，將第二反應區的溫度維持在約1750° F至約2250° F。在一種實施方式中，將第二反應區的溫度維持在約 2250° F。除了維持合適的溫度以外，還應當依一定尺寸制造第二反應區，使得能夠為焦油裂解提供合適的接觸時間或停留時間。通常維持停留時間為約2至約5秒。
第二反應區中的溫度應當高至足讓部分氧化有效地進行。在一種實施方式中，將第二反應區的溫度維持在約1750° F至約3500° F。在一種實施方式中，將第二反應區的溫度維持在約1750° F至約2250° F。在一種實施方式中，將第二反應區的溫度維持在約 2250° F。除了維持合適的溫度以外，還應當依一定尺寸制造第二反應區，使得能夠為焦油裂解提供合適的接觸時間或停留時間。通常維持停留時間為約2至約5秒。
在一種實施方式中，第二反應區被垂直置于第一反應區上方。在一種實施方式中， 第二反應區被垂直置于第一反應區下方。
含分子氧的氣體被添加在所述氣化器的第一反應區中。含分子氧的氣體被添加在所述氣化器的第二反應區中。含分子氧的氣體被添加在所述氣化器的第一反應區和第二反應區兩者中。含分子氧的氣體可以是空氣、富含氧氣的空氣或純氧氣。含分子氧的氣體可以含有約21體積％至約100體積％的分子氧。
在本公開中，被添加在氣化器中的總氧是被添加到氣化器中的一種或多種碳質材料的氧含量、任何任選添加的水或蒸汽中所含的氧、以及被注入到氣化器的第一反應區或下部腔室以及第二反應區或上部腔室兩者中的含分子氧的氣體中所含的氧的總和；被添加在氣化器中的總碳是被添加到氣化器中的一種或多種碳質材料的碳含量的總和。
在本公開中，被添加在氣化器的第一反應區中的總氧是被添加在氣化器的第一反應區中的一種或多種碳質材料的氧含量、任何任選被添加在氣化器的第一反應區中的水或蒸汽中所含的氧、以及被添加在氣化器的第一反應區中的含分子氧的氣體中所含的氧的總和；被添加在氣化器的第一反應區中的總碳是被添加在氣化器的第一反應區中的一種或多種碳質材料的碳含量的總和。
在一種實施方式中，被添加在氣化器的第一反應區中的總碳等于被添加在氣化器中的總碳。
在一種實施方式中，被添加在氣化器的第一反應區中的總碳不等于被添加在氣化器中的總碳。
作為實施方式，本公開還提供了生產醇的方法，所述方法包括
使所述粗制合成氣經歷冷卻和凈化，以生產清潔的合成氣；
使所述清潔的合成氣與發酵容器中的生物催化劑接觸，以生產醇產物的混合物。
在一種實施方式中，一種或多種所述醇包含甲醇。在一種實施方式中，一種或多種所述醇包含乙醇。在一種實施方式中，一種或多種所述醇包含甲醇、乙醇、丙醇、丁醇及它們的組合。
在一種實施方式中，從醇產物的混合物中選擇性地回收醇。在一種實施方式中,選擇性回收的醇是乙醇。在一種實施方式中，選擇性回收的醇是丁醇。
作為實施方式，所述生物催化劑包含微生物；產乙酸的細菌；一株或多株選自梭菌屬、穆爾氏菌屬和一氧化碳嗜熱菌屬的菌株或其混合菌株；楊氏梭菌。本公開的所述楊氏梭菌選自由PETC、ERI-2、0-52和C-Ol或它們的組合組成的菌株。
圖I包含示出了氣化器的實施方式的示意圖。圖I給出了兩級氣化器的示意圖。作為實施方式，圖I給出了使用部分氧化的兩級氣化器的示意圖。現在參照圖1，從進料漏斗(100)將一種或多種碳質材料(150)進料到氣化器的第一反應區或下部腔室(200)中用于氣化。含分子氧的氣體(220)被導入到下部腔室中用于輔助氣化。在一種實施方式中， 水或蒸汽可以被添加在下部腔室中以輔助氣化。調節被注入在下部腔室中的氧的量，使得能夠防止碳質材料完全燃燒。換言之，下部腔室是缺氧的。防止完全燃燒還可以通過調節下部腔室中的溫度來調整。下部腔室中的溫度被維持在750至1450° F。在一種實施方式中，調節下部腔室中的溫度，使得能夠防止任何在氣化過程中形成的灰發生熔化。在一種實施方式中，下部腔室中的溫度為1400° F。在一種實施方式中，在干燥或不含水的基礎上， 被導入在下部腔室中的分子氧的量包含10至100磅-摩爾/噸碳質材料。
在第一反應區或下部腔室中產生的氣態材料的料流經由腔室(300)移動到氣化器的第二反應區或上部腔室(400)中，所述腔室(300)將第一反應區/下部腔室與第二反應區/上部腔室連接。從下部腔室去除灰料流(250)。在第一反應區中產生的氣態材料的料流經由氣化器的連接腔室(300 )移動到氣化器的第二反應區(400 )中，所述連接腔室(300 ) 將第一反應區與第二反應區連接。從第一反應區去除灰料流(250)。
在實施方式中，蒸汽可以被添加在第一反應區/下部腔室(200)中。在實施方式中，蒸汽可以被添加在第二反應區/上部腔室(400 )中。在實施方式中，蒸汽可以被添加在第一反應區/下部腔室(200)和第二反應區/上部腔室(400)中。在實施方式中，蒸汽可以被添加在連接第一反應區/下部腔室與第二反應區/上部腔室的腔室中。在實施方式中， 蒸汽可以被添加在進入到連接第一反應區/下部腔室與第二反應區/上部腔室的腔室中的氣體料流(310)中。
在實施方式中，連續蒸汽可以被添加在第一反應區/下部腔室(200)中。在實施方式中，連續蒸汽可以被添加在第二反應區/上部腔室(400)中。在實施方式中，連續蒸汽可以被添加在第一反應區/下部腔室(200)和第二反應區/上部腔室(400)中。在實施方式中，連續蒸汽可以被添加在連接第一反應區/下部腔室與第二反應區/上部腔室的腔室(300)中。在實施方式中，連續蒸汽可以被添加在進入到連接第一反應區/下部腔室與第二反應區/上部腔室的腔室中的氣體料流(310)中。
據推測，在下部腔室中產生的氣態材料中所含的焦油的部分氧化是在上部腔室中完成的。據推測，在下部腔室中產生的氣態材料中所含的焦油的裂解是在上部腔室中完成的。將含分子氧的氣體料流導入到連接第一反應區/下部腔室與第二反應區/上部腔室的腔室(300)或氣化器的喉管中，以便輔助焦油在上部腔室中的部分氧化和/或裂解。在一種實施方式中，將含分子氧的氣體直接導入到上部腔室內。焦油的部分氧化還可以通過調節氣化器的上部腔室中的溫度來調整。焦油裂解還可以通過調節氣化器的上部腔室中的溫度來調整。上部腔室中的溫度被維持在1750至3500° F。在一種實施方式中，上部腔室中的溫度為2250° F。在一種實施方式中，在干燥或不含水的基礎上，被導入在上部腔室中的分子氧的量包含10至100磅-摩爾/噸碳質材料。
在一種實施方式中，上部腔室被置于在下部腔室頂部的垂直上方水平處。在一種實施方式中，上部腔室被置于在下部腔室頂部的非垂直上方水平處。在一種實施方式中，下部腔室和上部腔室被置于大約相同的垂直高度，即并排。從氣化器的上部腔室取出粗制合成氣料流(410)。15
圖2包含示出了經所述碳質材料的氣化來生產來自碳質材料的乙醇的過程的實施方式的示意圖。現在參照圖2，碳質材料(I)被進料到氣化器(10)中，在氣化器(10)中， 碳質材料被轉化成包含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的發生爐氣體或合成氣體或合成氣。從氣化器取出粗制合成氣產物(11)。粗制合成氣是熱的，并且它可能含有含硫氣體和其他酸性氣體、顆粒狀材料等，使所述粗制合成氣在冷卻和凈化過程(20)中經歷冷卻和凈化。通過冷卻和凈化過程生產的冷卻并凈化后的合成氣料流(21)被導入到生物反應器或發酵罐或發酵器(30)中來生產乙醇。在生物反應器中，微生物使合成氣的一氧化碳(CO)和氫氣 (H2)起作用以生產乙醇。從生物反應器取出含乙醇的料流(31)。可以進一步加工含乙醇的料流以生產燃料級乙醇(圖中未示出)。
圖3包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言,被輸入到氣化器中的總氧對合成氣_碳的影響的實施方式。作為實施方式，圖3示出了總合成氣_碳含量隨著被輸入到氣化器中的總氧增加而降低的趨勢。圖3是以磅/KSCF生產的粗制合成氣為單位的合成氣碳(y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的輸入的總氧(X-軸)的曲線圖。 圖3是以磅/千SCF生產的粗制合成氣為單位的合成氣碳(y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的輸入的總氧(X-軸)的曲線圖。圖3是以磅/千SCF生產的粗制合成氣為單位的合成氣碳(y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的輸入的總氧(X-軸)的曲線圖；其中輸入的總氧是被輸入到氣化器中的總氧，以及輸入的總碳是被輸入到氣化器中的總碳。對于被輸入到氣化器中的總氧大于約I. 4磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳而言，粗制合成氣包含小于約一(I)磅(Ib)的合成氣-碳/ 一千標準立方英尺(1000SCF或KSCF) 生產的粗制合成氣。對于被輸入到氣化器中的總氧大于約I. 5磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳而言，粗制合成氣包含小于約O. 3磅(Ib)的合成氣-碳/ 一千標準立方英尺 (1000SCF或KSCF)生產的粗制合成氣。
圖4包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言，被輸入到氣化器中的總氧對生產的乙醇的量的影響的實施方式。作為實施方式，圖4示出了醇產量最初隨著輸入的總氧增加而增加的趨勢。圖4是以磅/磅輸入的總碳為單位的生產的乙醇(y軸) 相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的輸入的總氧(X-軸)的曲線圖。圖4是以磅/磅輸入的總碳為單位的生產的乙醇(y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的輸入的總氧(X-軸) 的曲線圖；其中輸入的總氧是被輸入到氣化器中的總氧，以及輸入的總碳是被輸入到氣化器中的總碳。作為實施方式，圖4示出了醇產量最初隨著輸入的總氧增加而增加、然后隨著輸入的總氧增加而降低的趨勢。作為實施方式，圖4示出了乙醇產量最初隨著輸入的總氧增加而增加的趨勢。作為實施方式，圖4示出了乙醇產量最初隨著輸入的總氧增加而增加、 然后隨著輸入的總氧增加而降低的趨勢。作為實施方式，圖4示出了在輸入的總氧為約I. 5 磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳之前，乙醇產量(生產的乙醇磅數/磅被輸入到氣化器中的總碳)隨著被輸入到氣化器中的總氧增加而增加的趨勢。作為實施方式，圖4示出了在輸入的總氧為約I. 5磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳之前，乙醇產量(生產的乙醇磅數/磅被輸入到氣化器中的總碳)隨著被輸入到氣化器中的總氧增加而增加，以及被輸入到氣化器中的總氧超過約I. 5磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳后，乙醇產量 (生產的乙醇磅數/磅被輸入到氣化器中的總碳)隨著被輸入到氣化器中的總氧增加而降低的趨勢。
圖5包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言,被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧對合成氣-碳的影響的實施方式。作為實施方式，圖5示出了粗制合成氣的總合成氣-碳含量隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而降低的趨勢。 圖5是以磅/KSCF生產的粗制合成氣為單位的合成氣碳(y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的被輸入到第一反應區中的總氧(X-軸)的曲線圖。圖5是以磅/千SCF生產的粗制合成氣為單位的合成氣碳(y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的被輸入到第一反應區中的總氧(X-軸)的曲線圖。圖5是以磅/千SCF生產的粗制合成氣為單位的合成氣碳 (y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的被輸入到第一反應區中的總氧(X-軸)的曲線圖；其中被輸入到第一反應區中的總氧是被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧，以及輸入的總碳是被輸入到氣化器中的總碳。對于被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧大于約 O. 75磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳而言，粗制合成氣包含小于約一(I)磅(Ib) 的合成氣-碳/ 一千標準立方英尺(1000SCF)生產的粗制合成氣。對于被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧大于約O. 9磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳而言，粗制合成氣包含小于約O. 3磅(Ib)的合成氣-碳/ 一千標準立方英尺(1000SCF或KSCF)生產的粗制合成氣。
圖6包含的不意圖不出了對于水向氣化器中的各種輸入量而言，被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧對生產的乙醇的量的影響的實施方式。作為實施方式，圖6示出了醇產量最初隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而增加的趨勢。圖6是以磅/ 磅輸入的總碳為單位的生產的乙醇(y軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的被輸入到第一反應區中的總氧(X-軸)的曲線圖。圖6是以磅/磅輸入的總碳為單位的生產的乙醇(y 軸)相對于以磅/磅輸入的總碳為單位的被輸入到第一反應區中的總氧(X-軸)的曲線圖； 其中被輸入到第一反應區中的總氧是被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧，以及輸入的總碳是被輸入到氣化器中的總碳。作為實施方式，圖6示出了醇產量最初隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而增加、然后隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而降低的趨勢。作為實施方式，圖6示出了乙醇產量最初隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而增加的趨勢。作為實施方式，圖6示出了乙醇產量最初隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而增加、然后隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而降低的趨勢。作為實施方式，圖6示出了在被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧為約O. 9磅/磅(lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳之前，乙醇產量(生產的乙醇磅數/ 磅被輸入到氣化器中的總碳)隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而增加的趨勢。作為實施方式，圖6示出了在被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧為約O. 9磅/磅 (lb/lb)被輸入到氣化器中的總碳之前，乙醇產量(生產的乙醇磅數/磅被輸入到氣化器中的總碳)隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而增加，以及被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧超過O. 9磅/磅(lb/lb)后，乙醇產量(生產的乙醇磅數/磅被輸入到氣化器中的總碳)隨著被輸入到氣化器的第一反應區中的總氧增加而降低的趨勢。
出于說明和描述的目的，給出了對本公開的特定實施方式的前述描述。它們并不旨在是窮舉性的或將所公開的內容限制在精確的形式。顯然，鑒于上述教導，許多修改和變體都是有可能的。盡管選擇和描述了某些實施方式，以便最好地解釋本公開的原理及其實際應用，從而使本領域的其他技術人員能夠最好地利用本公開，但是，適合于特定用途的、具有各種修改的各種實施方式也是有可能的。
在本公開的一種實施方式中，醇的生產是通過將合成氣與發酵容器中的生物催化劑接觸以生產醇產物的混合物。在一種實施方式中，所述醇包含甲醇、乙醇、丙醇、和丁醇或它們的組合。在一種實施方式中，所述醇包含乙醇。在一種實施方式中，所述生物催化劑包含產乙酸的細菌。在一種實施方式中，所述生物催化劑包含一株或多株選自梭菌屬、穆爾氏菌屬和一氧化碳嗜熱菌屬的菌株或其混合菌株。在一種實施方式中，所述生物催化劑包含一株或多株楊氏梭菌菌株。在一種實施方式中,所述楊氏梭菌選自由PETC、ERI-2、0-52 和C-Ol或它們的組合組成的菌株。在一種實施方式中，所述生物催化劑包含一株或多株 Clostridium carboxidivorans菌株。在一種實施方式中,所述生物催化劑包含一株或多株拉氏梭菌菌株。在一種實施方式中，所述生物催化劑包含一株或多株產乙醇梭菌菌株。實施例
本公開中設想了多級氣化器。作為實施方式，本公開中設想了使用部分氧化法的多級氣化器。下面的利用兩級氣化器的實施例如圖I所示。該氣化器包含第一級或第一反應區或下部腔室以及第二級或第二反應區或上部腔室。碳質材料被進料到下部腔室中，在下部腔室中可以將空氣、富含氧氣的空氣或純氧氣以受控的速率注入到爐柵下方。對于下面給出的實施例，純氧氣被注入到下部腔室中。控制下部腔室的溫度和輸入的氧氣，使得僅發生碳質材料的不完全氧化，不完全燃燒(也被描述為缺空氣或缺氧的燃燒)。控制下部腔室的溫度和輸入的氧氣，使得僅發生碳質材料的部分氧化，不完全燃燒(也被描述為缺空氣或缺氧的燃燒)。下部腔室中的溫度被維持在約750至約1450° F。在一種實施方式中，第一級中的溫度被維持在約1400° F。在一種實施方式中，第一級或下部腔室中的溫度被維持在小于約1400° F。來自下部腔室的氣態產物移動到第二級或上部腔室中。從下部腔室去除灰。純氧氣被導入到上部腔室中，以將溫度升高至上部腔室溫度為約1750至約3500° F， 以便完成來自第一級的氣態料流中所含的任何焦油(例如重質烴類)的裂解。純氧氣被導入到上部腔室中，以將溫度升高至上部腔室溫度為約1750至約3500° F，以便完成來自第一級的氣態料流中所含的任何焦油(例如重質烴類)的部分氧化。對于下面給出的實施例， 上部腔室的溫度為2250° F。含有一氧化碳(CO)、氫氣(H2)XO2、N2和其他成分(例如O2、顆粒狀物質(PM)、焦油、金屬)的粗制的發生爐氣體(也稱為粗制合成氣體或粗制合成氣)從上部腔室中產生，并將其從上部腔室中取出。在一種實施方式中，蒸汽可以被注入到下部腔室中。在一種實施方式中，蒸汽可以被注入到上部腔室中。
在氣化后，使粗制合成氣經歷冷卻和凈化，以生產產物合成氣。將產物合成氣導入到生物反應器或發酵器或發酵罐中，以生產醇、甲醇、乙醇、丙醇、和/或丁醇。在下面的實施例中，在生物反應器中生產乙醇。
在下面的實施例中，使用數學模型來計算對于各種過程條件和進料材料而言的氣化器和發酵罐的輸出量，以代替實際的實驗。為了計算氣化器的輸出量，使用基于CHEMKIN 數學模型。
該模型使用了 5%的空氣泄漏進入氣化器的下部腔室或第一反應區中。
用于發酵過程的模型包括轉化90%—氧化碳的過程以及轉化40%氫氣的過程，每個過程均具有95%的選擇性，從而制備乙醇。
實施例1-29 :
實施例1-29舉例說明了在碳質材料不含水或含可忽略不計的水并且未向氣化器直接添加水或蒸汽的情況下將碳質材料氣化的實施方式，以及在碳質材料含大量的水和/ 或向氣化器直接添加大量水或蒸汽的情況下將碳質材料氣化的實施方式。這些實施例舉例說明了將單一的碳質材料例如煤、焦爐焦油(焦炭)、塑料、輪胎、木材、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETA)氣化的實施方式，以及將多種碳質材料例如輪胎和木材的摻混物、塑料和木材的摻混物、塑料和msw的摻混物、以及焦爐焦油和纖維軟質的摻混物氣化的實施方式。對于所有這些實施例，第一反應區中的溫度為1400° F，并且第二反應區中的溫度為2250° F。相關的碳質材料的性質、其他氣化條件和產物數據被總結在下面的表I和表II中。0114]作為實施方式中，以下是對實施例1-29中示出的碳質材料摻混物的描述0115]生物質-VW-15 80重量％生物質和20重量％建筑木材廢料或植物廢料的摻混物， 摻混物的含水量為15重量％0116]焦炭-纖維軟質-10 50重量％的不含水的焦爐焦油(焦炭)和50重量％的含20 重量％水的濕纖維軟質的摻混物，得到摻混物的含水量為10重量％0117]焦炭-纖維軟質-20 50重量％的不含水的焦爐焦油(焦炭)和50重量％的含40 重量％水的濕纖維軟質的摻混物，得到摻混物的含水量為20重量％0118]焦炭-纖維軟質-30 50重量％的不含水的焦爐焦油(焦炭)和50重量％的含60 重量％水的濕纖維軟質的摻混物，得到摻混物的含水量為30重量％0119]塑料-MSW-03 90重量％的含O. 2重量％水的塑料和10 的MSW的摻混物，得到摻混物的含水量為3. 2重量％0120] 塑料-MSW-08 75重量％的含O. 2重量％水的塑料和25 的MSW的摻混物，得到摻混物的含水量為7. 7重量％0121 ] 塑料-MSW-15 50重量％的含O. 2重量％水的塑料和50 的MSW的摻混物，得到摻混物的含水量為15. I重量％0122]塑料-木材-04 90重量％的含O. 2重量％水的塑料和水的木材的摻混物，得到摻混物的含水量為4. 2重量％0123]塑料-木材-10 75重量％的含O. 2重量％水的塑料和水的木材的摻混物，得到摻混物的含水量為10. 2重量％0124]塑料-木材-20 50重量％的含O. 2重量％水的塑料和水的木材的摻混物，得到摻混物的含水量為20. I重量％0125]輪胎-木材-00 85重量％的不含水的輪胎和15重量％ 的摻混物，然后預先干燥以去除所有水0126]輪胎-木材-03 85重量％的不含水的輪胎和15重量％ 的摻混物，然后預先干燥至摻混物的含水量為3重量％0127]輪胎-木材-04 90重量％的不含水的輪胎和10重量％ 的摻混物，得到摻混物的含水量為4. O重量％0128]輪胎-木材-06 85重量％的不含水的輪胎和15重量％ 的摻混物，得到摻混物的含水量為6. O重量％重量％的含30 重量％的含30 重量％的含30 10重量％的含 25重量％的含 50重量％的含的含40重量％ 的含40重量％ 的含40重量％ 的含40重量％重量％水重量％水重量％水 40重量% 40重量% 40重量% 水的木材水的木材水的木材水的木材
輪胎-木材-09 85重量％的不含水的輪胎和15重量％的含40 S的摻混物，然后添加水至摻混物的含水量為9%輪胎-木材-10 75重量％的不含水的輪胎和25重量％的含40 S的摻混物，得到摻混物的含水量為10重量％輪胎-木材-12 85重量％的不含水的輪胎和15重量％的含40 S的摻混物，然后添加水至摻混物的含水量為15%輪胎-木材-15 85重量％的不含水的輪胎和15重量％的含40 S的摻混物，然后添加水至摻混物的含水量為15%表I.實施例1-29的碳質材料的性質和氣化過程的條件
量％水的木材量％水的木材量％水的木材量％水的木材
20
權利要求
1.將碳質材料在氣化器中氣化以生產包含一氧化碳、氫氣和焦油的產物氣體的方法 所述方法包括向所述氣化器中添加一種或多種碳質材料、添加含分子氧的氣體、以及任選地添加水；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約O. 75。
2.權利要求I的方法，其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量為約O. 75至約3. O。
3.權利要求I的方法，其包括向所述氣化器中添加水。
4.權利要求I的方法，其包括向所述氣化器中直接添加蒸汽。
5.權利要求I的方法，其包括通過部分地向所述氣化器中直接添加蒸汽來添加水。
6.權利要求I的方法，其包括向所述氣化器中添加一種或多種含有水分的所述碳質材料。
7.權利要求I的方法，其中一種或多種所述碳質材料包括選自下列的物質碳質材料、 碳質液體產物、工業碳質液體回收物、碳質城市固體廢物(MSW)、碳質城市廢物、碳質農業材料、碳質林業材料、碳質木材廢料、碳質建筑材料、碳質植物材料、碳質石油化學副產物、碳質煤、塑料、廢塑料、焦爐焦油、纖維軟質、輪胎、木質素、黑液、聚合物、廢聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETA)、聚苯乙烯(PS)、污水污泥、動物糞便、作物殘茬、能源作物、森林加工剩余物、木材加工剩余物、家畜糞便、家禽糞便、食品加工剩余物、發酵過程的廢物、碳質工業廢物、醇生產廢物、乙醇副產物、用過的谷物、用過的微生物或上述物質的組合。
8.權利要求I的方法，其中一種或多種所述碳質材料的碳含量在不含水的基礎上，為約O. 25磅至約I. O磅/磅一種或多種所述碳質材料。
9.權利要求I的方法，其中一種或多種所述碳質材料的氫含量在不含水的基礎上，為約O. O磅至約O. 25磅/磅一種或多種所述碳質材料。
10.權利要求I的方法，其中一種或多種所述碳質材料的氧含量在不含水的基礎上，為約O. O磅至約O. 5磅/磅一種或多種所述碳質材料。
11.權利要求I的方法,其中氣化器產生包含灰-碳的灰,并且其中所述灰包含小于約 10%的灰-碳。
12.權利要求I的方法,其中氣化器產生包含灰-碳的灰,并且其中所述灰包含小于約 5%的灰-碳。
13.權利要求I的方法，其還包括在分子氧存在下在約1750°F至約3500° F的溫度下處理所述產物氣體以生產粗制合成氣，所述粗制合成氣包含一氧化碳、氫氣和合成氣_碳。
14.權利要求I的方法，其中在一種或多種所述碳質材料中的碳與氫的質量比為I至20。
15.權利要求I的方法，其中在一種或多種所述碳質材料中的碳與氧的質量比為I至200。
16.權利要求13的方法，其中所述粗制合成氣包含小于約O.5磅的合成氣-碳 /1000SCF生產的粗制合成氣。
17.將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區和第二反應區；所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器中的總氧的量大于約I. 25。
18.權利要求17的方法，其中以磅/磅被添加到所述氣化器中的總碳為單位，被添加到所述氣化器的所述第一反應區中的總氧的量為約I. 25至約3. 5。
19.權利要求17的方法，其中所述第一反應區的溫度為650-1450°F。
20.權利要求17的方法，其中所述第二反應區的溫度為1750-3500°F。
21.權利要求13或17的方法，其還包括使所述粗制合成氣經歷冷卻和凈化，以生產清潔的合成氣；使所述清潔的合成氣與發酵容器中的生物催化劑接觸，以生產醇產物的混合物。
22.權利要求17的方法，其中在一種或多種所述碳質材料中的碳與氫的質量比為I至20。
23.權利要求17的方法，其中在一種或多種所述碳質材料中的碳與氧的質量比為I至200。
24.將碳質材料在氣化器中氣化以生產合成氣的方法所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室;所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
25.生產合成氣的氣化器；所述氣化器包含第一反應區、第二反應區、以及連接第一反應區和第二反應區的腔室;所述方法包括向氣化器的所述第一反應區中添加一種或多種碳質材料；向所述氣化器的所述第一反應區和第二反應區之一或兩者中添加含分子氧的氣體并任選地添加水或蒸汽；包括向所述氣化器的連接所述第一反應區和所述第二反應區的所述腔室中添加含分子氧的氣體。
全文摘要
本發明涉及將碳質材料氣化以生產合成氣體或合成氣的方法。本公開提供了改進的氣化方法，所述方法包括向所述氣化器中添加含分子氧的氣體以及任選地添加水。本發明還涉及在至少一種微生物存在下經發酵或消化從所述合成氣生產一種或多種醇的方法。
文檔編號C12P7/02GK102939360SQ201180028999
公開日2013年2月20日 申請日期2011年4月11日 優先權日2010年4月13日
發明者巴豪焦·錢德拉·蘇特拉達爾, 青-煥·辜 申請人:伊內奧斯美國公司