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CN112812930A - 一种二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统和工艺 - Google Patents

一种二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统和工艺 Download PDF

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Abstract

提供了一种二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统和工艺。系统包括：煤炭气化单元(1)，生物发酵单元(2)、发酵液分离单元(3)和二氧化碳单元(7)；其中，所述二氧化碳单元(7)的气相出口与所述煤炭气化单元(1)的气相入口相连，所述煤炭气化单元(1)的气相出口与所述发酵原料气纯化单元(4)的气相入口相连，所述发酵原料气纯化单元(4)的气相出口与所述生物发酵单元(2)的气相入口相连，所述生物发酵单元(2)的液相出口与所述发酵分离单元(3)的液相入口相连；所述煤炭气化单元(1)中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元(7)提供。

Description

一种二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统和工艺
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统和工艺。
背景技术
能源是国民经济发展的重要支撑，我国的能源禀赋呈现“富煤、贫油、少气”的特点，石油和天然气对外依存度高，并且国际贸易局势复杂多变，不稳定因素颇多。因此，发展煤炭高效清洁利用技术，具有重要的现实意义。现有新型煤化工技术通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃和煤制乙二醇等，这些过程的共同点是先将煤气化成合成气，进一步利用合成气转化成其他的化学品。这些煤化工的工艺路径相对较长，工艺生产成本比较高，二氧化碳排放量大，总体经济效益较差。
现有新型煤化工技术要求合成气中氢气达到一定比例，仅通过煤炭自身的氢含量难以达到生产需求，一般需以水为气化剂，利用水煤气变换反应提高合成气中氢气含量。这种技术特点，一方面增加了水资源的需求，另一方面降低了煤炭中碳资源的利用率，同时也增加了二氧化碳的排放量。
近年来我国大力推动全社会绿色发展，碳中和成为一种新型环保形式。然而我国煤化工产业年耗煤量大且不断增长，相应的温室气体二氧化碳排放量也将不断提高，煤化工成为我国二氧化碳排放的行业大户，必将成为减排重点。
为实现低碳环保、节能减排的战略任务，开发新型的煤化工技术并降低二氧化碳排放具有重要意义。
发明内容
鉴于上述背景，本发明提出了一种利用二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统和工艺，该系统和工艺提高了煤炭中碳资源的利用率，同时降低了二氧化碳排放量，进一步利用生物发酵技术，可将CO等无机碳转化为乙醇等高附加值含氧有机物，具有良好的经济效益和环保效益。
一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统，包括：煤炭气化单元1，生物发酵单元2、发酵液分离单元3和二氧化碳单元7；其中，所述二氧化碳单元7的气相出口与所述煤炭气化单元1的气相入口相连，所述煤炭气化单元1的气相出口与所述发酵原料气纯化单元4的气相入口相连，所述发酵原料气纯化单元4的气相出口与所述生物发酵单元2的气相入口相连，所述生物发酵单元2的液相出口与所述发酵分离单元3的液相入口相连；所述煤炭气化单元1中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元7提供。
进一步地，所述二氧化碳单元7包含二氧化碳分离子单元和二氧化碳压缩机，所述二氧化碳分离子单元的气相出口与所述二氧化碳压缩机的入口相连。
进一步地，所述煤炭气化单元1包含煤气化炉，所述煤气化炉为固定床气化炉、移动床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉之一。
进一步地，所述发酵原料气纯化单元4包含气固分离子单元、气体洗涤子单元和气体吸附子单元，所述气固分离子单元包含旋风分离除尘器，所述气体洗涤子单元包含气体洗涤塔。
进一步地，所述生物发酵单元2包含生物发酵反应器，所述生物发酵反应器为鼓泡床反应器、气升式环流反应器和搅拌釜反应器之一或其组合。
进一步地，所述发酵液分离单元3包含精馏塔，所述精馏塔为填料塔、筛板塔和复合塔之一或其组合。
进一步地，所述煤炭气化单元1中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连；所述发酵原料气纯化单元4中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连；所述发酵原料气纯化单元4中的废水出口与所述固废/废水处理单元8中废水入口相连；所述发酵液分离单元3中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元(5,5’)的入口相连。
进一步地，所述二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统包含发酵尾气处理单元(10,10’)，所述发酵尾气处理单元(10,10’)的气相入口与所述生物发酵单元2的气相出口相连；所述发酵尾气处理单元10’包含氢气纯化子单元，用于纯化发酵尾气得到氢气。
进一步地，所述含菌残液处理单元(5,5’)包含浓缩子单元和干燥子单元，和/或，所述含菌残液处理单元(5,5’)包含厌氧发酵子单元。
另一方面，本发明提供了一种利用二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的工艺，步骤如下：
(1)煤炭经过原料煤预处理单元6预处理后送入煤炭气化单元1，二氧化碳单元7将二氧化碳送入煤炭气化单元1；
(2)煤炭在煤炭气化单元1的煤气化炉中进行气化过程，产生发酵原料气；
(3)步骤2中生成的发酵原料气进入发酵原料气纯化单元4，除去发酵原料气中的杂质，所述杂质包括飞灰、含硫化合物和含氯化合物中的一种或多种；
(4)发酵原料气纯化单元4纯化后的发酵原料气进入生物发酵单元2，发酵气在生物发酵单元2的生物反应器中进行发酵过程，产生发酵液，所述发酵液包含含氧有机物产物；
(5)步骤4中生成的发酵液进入发酵液分离单元3，分离得到含氧有机物产物和含菌残液；
(6)步骤5中生成含菌残液进入含菌残液处理单元(5,5’)，进行含菌残液处理过程。
进一步地，步骤2所述煤炭气化过程中的气化剂包含二氧化碳，还包含氧气和水中的一种或组合；所述发酵原料气包含一氧化碳，还包含二氧化碳和氢气中的一种或组合。
进一步地，所述煤气化炉中的气化温度为800～2000℃，优选为900～1300℃。
进一步地，所述煤气化炉中的压力为0.5～8MPa，优选为3～6MPa。
进一步地，所述含氧有机物包括乙醇、乙酸、丁醇和丁二醇中的一种或组合。
进一步地，气化炉中可添加煤气化催化剂，用于提高煤炭气化速率，所述煤气化催化剂包含碱金属化合物、碱土金属化合物和过渡金属化合物中的一种或组合。优选地，为碱金属氧化物、碱土金属氧化物和过渡金属氧化物中的一种或组合。
进一步地，所述生物反应器中包含梭菌属微生物，所述梭菌属微生物包含梭状芽孢杆菌(Clostridium carboxidivorans)、杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和大梭菌(Clostridium magnum)中的一种或组合。
进一步地，所述煤炭气化单元1中的气化灰渣和所述发酵原料气纯化单元4中的废水进入固废/废水处理单元8进行固废和废水处理。
进一步地，所述生物发酵单元2的发酵尾气进入发酵尾气处理单元(10,10’)，发酵尾气在发酵尾气处理单元10’经过纯化后得到氢气。
进一步地，所述含菌残液在含菌残液处理单元(5,5’)中经过浓缩和干燥生成固体蛋白，和/或，所述含菌残液在含菌残液处理单元(5,5’)的厌氧发酵子单元中经过厌氧发酵生成沼气。
本发明的有益效果为：
1)本发明提供的利用二氧化碳和煤炭制备乙醇等含氧有机物的系统及工艺，首先利用煤炭和含二氧化碳的气化剂生产含一氧化碳的发酵原料气，进一步结合生物发酵技术生产乙醇等含氧有机物，同时发酵菌体可进一步生产固体蛋白或沼气。本发明提高了煤炭中碳资源的利用率，同时降低了二氧化碳排放量，可得到乙醇等高附加值含氧有机物，具有良好的经济效益和环保效益；
2)现有新型煤化工技术要求煤气化得到的合成气中氢气达到一定比例，本发明中的生物发酵技术对氢气含量要求低，因此减少了现有新型煤化工中利用水煤气变换反应带来的二氧化碳排放，同时具有工艺简单、三废排放少的优势，实现了煤炭高效清洁利用的效果；以及
3)本发明中的煤气化过程可直接利用原有的煤气化设备，在现有煤化工技术经济效益低的情况下，减少了原有固定资产的浪费，为煤化工的发展提供了新的技术路径。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的二氧化碳和煤炭生产含氧有机物系统的示意图。
图2为根据本发明另一实施例的二氧化碳和煤炭生产含氧有机物系统的示意图。
图3为根据本发明另一实施例的二氧化碳和煤炭生产含氧有机物系统的示意图。
图4为根据本发明另一实施例的煤炭生产含氧有机物系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明多个优选实施案例的实施方式。
实施例1
图1为二氧化碳和煤炭生产含氧有机物系统的示意图。在该实施例的系统中，包括煤炭气化单元1、生物发酵单元2、发酵原料气纯化单元4、发酵液分离单元3、二氧化碳单元7、固废/废水处理单元8和含菌残液处理单元5。
如图1所示，二氧化碳单元7的气相出口与煤炭气化单元1的气相入口相连，煤炭气化单元1的气相出口与发酵原料气纯化单元4的气相入口相连，发酵原料气纯化单元4的气相出口与生物发酵单元2的气相入口相连，生物发酵单元2的液相出口与发酵分离单元3的液相入口相连。
如图1所示，煤炭气化单元1中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，发酵原料气纯化单元4中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，所述发酵原料气纯化单元4中的废水出口与所述固废/废水处理单元8中废水入口相连，所述发酵液分离单元3中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元5的入口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元7提供
在该实施反应系统中，包含发酵尾气处理单元10，所述发酵尾气处理单元10的气相入口与所述生物发酵单元2的气相出口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1包含煤气化炉，所述煤气化炉为固定床气化炉、移动床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉之一；发酵原料气纯化单元4包含气固分离子单元、气体洗涤子单元和气体吸附子单元，所述气固分离子单元包含旋风分离除尘器，所述气体洗涤子单元包含气体洗涤塔；生物发酵单元2包含生物发酵反应器，所述生物发酵反应器为鼓泡床反应器、气升式环流反应器和搅拌釜反应器之一或其组合；发酵液分离单元3包含精馏塔，所述精馏塔为填料塔、筛板塔和复合塔之一或其组合。
实施例2
在该实施例的系统中，包括煤炭气化单元1、生物发酵单元2、发酵原料气纯化单元4、发酵液分离单元3、二氧化碳单元7、固废/废水处理单元8和含菌残液处理单元5。
在该实施反应系统中，二氧化碳单元7的气相出口与煤炭气化单元1的气相入口相连，煤炭气化单元1的气相出口与发酵原料气纯化单元4的气相入口相连，发酵原料气纯化单元4的气相出口与生物发酵单元2的气相入口相连，生物发酵单元2的液相出口与发酵分离单元3的液相入口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，发酵原料气纯化单元4中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，所述发酵原料气纯化单元4中的废水出口与所述固废/废水处理单元8中废水入口相连，所述发酵液分离单元3中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元5的入口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元7提供。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1、发酵原料气纯化单元4、生物发酵单元2和发酵液分离单元3与与实施例1相同。
在该实施反应系统中，含菌残液处理单元5包含浓缩离心子单元和干燥子单元，用于将含菌残液浓缩干燥后制备成固体蛋白。
实施例3
在该实施例的系统中，包括煤炭气化单元1、生物发酵单元2、发酵原料气纯化单元4、发酵液分离单元3、二氧化碳单元7、固废/废水处理单元8和含菌残液处理单元5。
在该实施反应系统中，二氧化碳单元7的气相出口与煤炭气化单元1的气相入口相连，煤炭气化单元1的气相出口与发酵原料气纯化单元4的气相入口相连，发酵原料气纯化单元4的气相出口与生物发酵单元2的气相入口相连，生物发酵单元2的液相出口与发酵分离单元3的液相入口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，发酵原料气纯化单元4中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，所述发酵原料气纯化单元4中的废水出口与所述固废/废水处理单元8中废水入口相连，所述发酵液分离单元3中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元5的入口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元7提供。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1、发酵原料气纯化单元4、生物发酵单元2和发酵液分离单元3与实施例1相同。
在该实施反应系统中，含菌残液处理单元5包含离心浓缩子单元和厌氧发酵子单元，用于将含菌残液发酵后生产沼气。
实施例4
图2为二氧化碳和煤炭生产含氧有机物系统的示意图。在该实施例的系统中，包括煤炭气化单元1、生物发酵单元2、发酵原料气纯化单元4、发酵液分离单元3、二氧化碳单元7、固废/废水处理单元8和含菌残液处理单元5。
如图2所示，二氧化碳单元7的气相出口与煤炭气化单元1的气相入口相连，煤炭气化单元1的气相出口与发酵原料气纯化单元4的气相入口相连，发酵原料气纯化单元4的气相出口与生物发酵单元2的气相入口相连，生物发酵单元2的液相出口与发酵分离单元3的液相入口相连。
如图2所示，煤炭气化单元1中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，发酵原料气纯化单元4中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，所述发酵原料气纯化单元4中的废水出口与所述固废/废水处理单元8中废水入口相连，所述发酵液分离单元3中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元5的入口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元7提供
如图2所示，在该实施反应系统中包含发酵尾气处理单元10’，所述发酵尾气处理单元10’的气相入口与所述生物发酵单元2的气相出口相连；所述发酵尾气处理单元10’包含氢气纯化子单元，用于纯化发酵尾气得到氢气。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1、发酵原料气纯化单元4、生物发酵单元2、发酵液分离单元3和含菌残液处理单元5与实施例1相同。
实施例5
图3为二氧化碳和煤炭生产含氧有机物系统的示意图。在该实施例的系统中，包括煤炭气化单元1、生物发酵单元2、发酵原料气纯化单元4、发酵液分离单元3、二氧化碳单元7、固废/废水处理单元8和含菌残液处理单元5’。
如图3所示，二氧化碳单元7的气相出口与煤炭气化单元1的气相入口相连，煤炭气化单元1的气相出口与发酵原料气纯化单元4的气相入口相连，发酵原料气纯化单元4的气相出口与生物发酵单元2的气相入口相连，生物发酵单元2的液相出口与发酵分离单元3的液相入口相连。
如图3所示，煤炭气化单元1中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，发酵原料气纯化单元4中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，所述发酵原料气纯化单元4中的废水出口与所述固废/废水处理单元8中废水入口相连，所述发酵液分离单元3中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元5’的入口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元7提供
如图3所示，在该实施反应系统中包含发酵尾气处理单元10，所述发酵尾气处理单元10的气相入口与所述生物发酵单元2的气相出口相连。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1、发酵原料气纯化单元4、生物发酵单元2和发酵液分离单元3与实施例1相同。
在该实施反应系统中，含菌残液处理单元5’包含离心浓缩子单元和厌氧发酵子单元，用于将含菌残液发酵后生产沼气；含菌残液处理单元5’气相出口与煤炭气化单元1的气相入口相连，用于将含菌残液处理单元5’中产生的沼气输送回煤气化单元1中参与煤炭气化反应。
实施例6
在该实施例的系统中，包括煤炭气化单元1、生物发酵单元2、发酵原料气纯化单元4、发酵液分离单元3、固废/废水处理单元8和含菌残液处理单元5。
如图4所示，煤炭气化单元1的气相出口与发酵原料气纯化单元4的气相入口相连，发酵原料气纯化单元4的气相出口与生物发酵单元2的气相入口相连，生物发酵单元2的液相出口与发酵分离单元3的液相入口相连。
如图4所示，煤炭气化单元1中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，发酵原料气纯化单元4中的固废出口与所述固废/废水处理单元8中固废入口相连，所述发酵原料气纯化单元4中的废水出口与所述固废/废水处理单元8中废水入口相连，所述发酵液分离单元3中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元5的入口相连。
如图4所示，在该实施反应系统中包含发酵尾气处理单元10’，所述发酵尾气处理单元10’的气相入口与所述生物发酵单元2的气相出口相连；所述发酵尾气处理单元10’包含氢气纯化子单元，用于纯化发酵尾气得到氢气。
在该实施反应系统中，煤炭气化单元1、发酵原料气纯化单元4、生物发酵单元2和发酵液分离单元3与实施例1相同。
实施例7
利用实施例1～3所述的系统，将二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的工艺。
在该实施例的工艺中，煤炭经过原料煤预处理单元6预处理后送入煤炭气化单元1，二氧化碳单元7将二氧化碳送入煤炭气化单元1；煤炭在煤炭气化单元1的煤气化炉中进行气化过程，产生发酵原料气；发酵原料气进入发酵原料气纯化单元4，除去发酵原料气中的杂质，所述杂质包括但不限于飞灰、含硫化合物和含氯化合物；发酵原料气纯化单元4纯化后的发酵原料气进入生物发酵单元2，发酵气在生物发酵单元2的生物发酵反应器中进行发酵过程，产生发酵液，所述发酵液包含含氧有机物产物；发酵液进入发酵液分离单元3，分离得到含氧有机物产物和含菌残液；含菌残液进入含菌残液处理单元5，进行含菌残液处理过程；煤炭气化单元1中的气化灰渣和所述发酵原料气纯化单元4中的废水进入固废/废水处理单元8进行固废和废水处理。
在该实施例的工艺中，煤炭气化过程中的气化剂包含二氧化碳、氧气和水；煤炭气化单元1中加入二氧化碳的摩尔量与煤炭中碳的摩尔量的比为0.1～1.2，优选为0.5～1；煤气化炉中的气化温度为800～2000℃，优选为900～1300℃；煤气化炉中的压力为0.5～8MPa，优选为3～6MPa；生成的发酵原料气包含一氧化碳、氢气和二氧化碳，其中一氧化碳含量为30～95％，优选为50～80％。
在该实施例的工艺中，生物反应器中包含梭菌属微生物，所述梭菌属微生物包含梭状芽孢杆菌(Clostridium carboxidivorans)、杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和大梭菌(Clostridium magnum)中的一种或组合。
在该实施例的工艺中，生物发酵单元2中CO转化率为60～99％，优选为75～90％，发酵液中含氧有机物产物的质量浓度为3～15％；优选地，含氧有机物产物的质量浓度为4～10％；更优选地，含氧有机物产物的质量浓度为5～8％。
在该实施例的工艺中，含氧有机物产物包含乙醇、乙酸、丁醇和丁二醇中的一种或组合。
在该实施例的方法中，含菌残液在含菌残液处理单元5中经过浓缩和干燥生成固体蛋白；和/或，含菌残液在含菌残液处理单元5的厌氧发酵子单元中经过厌氧发酵生成沼气。
实施例9
利用实施例1～3所述的系统，将二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的工艺。
在该实施例的工艺中，煤炭经过原料煤预处理单元6预处理后送入煤炭气化单元1，二氧化碳单元7将二氧化碳送入煤炭气化单元1；煤炭在煤炭气化单元1的煤气化炉中进行气化过程，产生发酵原料气；发酵原料气进入发酵原料气纯化单元4，除去发酵原料气中的杂质，所述杂质包括但不限于飞灰、含硫化合物和含氯化合物；发酵原料气纯化单元4纯化后的发酵原料气进入生物发酵单元2，发酵气在生物发酵单元2的生物发酵反应器中进行发酵过程，产生发酵液，所述发酵液包含含氧有机物产物；发酵液进入发酵液分离单元3，分离得到含氧有机物产物和含菌残液；含菌残液进入含菌残液处理单元5，进行含菌残液处理过程；煤炭气化单元1中的气化灰渣和所述发酵原料气纯化单元4中的废水进入固废/废水处理单元8进行固废和废水处理。
在该实施例的工艺中，煤炭气化过程中的气化剂为二氧化碳；煤炭气化单元1中加入二氧化碳的摩尔量与煤炭中碳的摩尔量的比为0.1～1.5，优选为0.8～1；煤气化炉中的气化温度为800～2000℃，优选为900～1300℃；煤气化炉中的压力为0.5～8MPa，优选为3～6MPa；生成的发酵原料气包含一氧化碳、氢气和二氧化碳，其中一氧化碳含量为30～95％，优选为60～85％。
在该实施例的工艺中，生物反应器中包含梭菌属微生物，所述梭菌属微生物包含梭状芽孢杆菌(Clostridium carboxidivorans)、杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和大梭菌(Clostridium magnum)中的一种或组合。
在该实施例的工艺中，生物发酵单元2中CO转化率为60～99％，优选为75～90％，发酵液中含氧有机物产物的质量浓度为3～15％；优选地，含氧有机物产物的质量浓度为4～10％；更优选地，含氧有机物产物的质量浓度为5～8％；所述含氧有机物产物为乙醇。
在该实施例的工艺中，含菌残液在含菌残液处理单元5中经过浓缩和干燥生成固体蛋白；和/或，含菌残液在含菌残液处理单元5的厌氧发酵子单元中经过厌氧发酵生成沼气。
实施例10
利用实施例4所述的系统，将二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的工艺。
在该实施例的工艺中，煤炭经过原料煤预处理单元6预处理后送入煤炭气化单元1，二氧化碳单元7将二氧化碳送入煤炭气化单元1；煤炭在煤炭气化单元1的煤气化炉中进行气化过程，产生发酵原料气；发酵原料气进入发酵原料气纯化单元4，除去发酵原料气中的杂质，所述杂质包括但不限于飞灰、含硫化合物和含氯化合物；发酵原料气纯化单元4纯化后的发酵原料气进入生物发酵单元2，发酵气在生物发酵单元2的生物发酵反应器中进行发酵过程，产生发酵液，所述发酵液包含含氧有机物产物；发酵液进入发酵液分离单元3，分离得到含氧有机物产物和含菌残液；含菌残液进入含菌残液处理单元5，进行含菌残液处理过程；煤炭气化单元1中的气化灰渣和所述发酵原料气纯化单元4中的废水进入固废/废水处理单元8进行固废和废水处理。
在该实施例的工艺中，煤炭气化过程中的气化剂包含二氧化碳、氧气和水；煤炭气化单元1中加入二氧化碳的摩尔量与煤炭中碳的摩尔量的比为0.1～1.2，优选为0.5～1；煤气化炉中的气化温度为800～2000℃，优选为900～1300℃；煤气化炉中的压力为0.5～8MPa，优选为3～6MPa；生成的发酵原料气包含一氧化碳、氢气和二氧化碳，其中一氧化碳含量为30～95％，优选为50～80％。
在该实施例的工艺中，生物反应器中包含梭菌属微生物，所述梭菌属微生物包含梭状芽孢杆菌(Clostridium carboxidivorans)、杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和大梭菌(Clostridium magnum)中的一种或组合。
在该实施例的工艺中，生物发酵单元2中CO转化率为60～99％，优选为75～90％，发酵液中含氧有机物产物的质量浓度为3～15％；优选地，含氧有机物产物的质量浓度为4～10％；更优选地，含氧有机物产物的质量浓度为5～8％。
在该实施例的工艺中，含氧有机物产物包含乙醇、乙酸、丁醇和丁二醇中的一种或组合。
在该实施例的工艺中，所述生物发酵单元2的发酵尾气进入发酵尾气处理单元10’，发酵尾气在发酵尾气处理单元10’经过纯化后得到氢气。
在该实施例的方法中，含菌残液在含菌残液处理单元5中经过浓缩和干燥生成固体蛋白；和/或，含菌残液在含菌残液处理单元5的厌氧发酵子单元中经过厌氧发酵生成沼气。
实施例11
利用实施例5所述的系统，将二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的工艺。
在该实施例的工艺中，煤炭经过原料煤预处理单元6预处理后送入煤炭气化单元1，二氧化碳单元7将二氧化碳送入煤炭气化单元1；煤炭在煤炭气化单元1的煤气化炉中进行气化过程，产生发酵原料气；发酵原料气进入发酵原料气纯化单元4，除去发酵原料气中的杂质，所述杂质包括但不限于飞灰、含硫化合物和含氯化合物；发酵原料气纯化单元4纯化后的发酵原料气进入生物发酵单元2，发酵气在生物发酵单元2的生物发酵反应器中进行发酵过程，产生发酵液，所述发酵液包含含氧有机物产物；发酵液进入发酵液分离单元3，分离得到含氧有机物产物和含菌残液；含菌残液进入含菌残液处理单元5’，进行含菌残液处理过程；煤炭气化单元1中的气化灰渣和所述发酵原料气纯化单元4中的废水进入固废/废水处理单元8进行固废和废水处理。
在该实施例的工艺中，煤炭气化过程中的气化剂包含二氧化碳、氧气和水；煤炭气化单元1中加入二氧化碳的摩尔量与煤炭中碳的摩尔量的比为0.1～1.2，优选为0.5～1；煤气化炉中的气化温度为800～2000℃，优选为900～1300℃；煤气化炉中的压力为0.5～8MPa，优选为3～6MPa；生成的发酵原料气包含一氧化碳、氢气和二氧化碳，其中一氧化碳含量为30～95％，优选为50～80％。
在该实施例的工艺中，生物反应器中包含梭菌属微生物，所述梭菌属微生物包含梭状芽孢杆菌(Clostridium carboxidivorans)、杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和大梭菌(Clostridium magnum)中的一种或组合。
在该实施例的工艺中，生物发酵单元2中CO转化率为60～99％，优选为75～90％，发酵液中含氧有机物产物的质量浓度为3～15％；优选地，含氧有机物产物的质量浓度为4～10％；更优选地，含氧有机物产物的质量浓度为5～8％。
在该实施例的工艺中，含氧有机物产物包含乙醇、乙酸、丁醇和丁二醇中的一种或组合。
在该实施例的方法中，含菌残液在含菌残液处理单元5’的厌氧发酵子单元中经过厌氧发酵生成沼气，含菌残液处理单元5’中产生沼气进一步输送回煤气化单元1中参与煤气化反应。
实施例13
利用实施例6所述的系统，生产含氧有机物的工艺。
在该实施例的工艺中，煤炭经过原料煤预处理单元6预处理后送入煤炭气化单元1；煤炭在煤炭气化单元1的煤气化炉中进行气化过程，产生发酵原料气；发酵原料气体进入发酵原料气纯化单元4，除去发酵原料气中的杂质，所述杂质包括但不限于飞灰、含硫化合物和含氯化合物；发酵原料气纯化单元4纯化后的发酵原料气进入生物发酵单元2，发酵气在生物发酵单元2的生物发酵反应器中进行发酵过程，产生发酵液，所述发酵液包含含氧有机物产物；发酵液进入发酵液分离单元3，分离得到含氧有机物产物和含菌残液；含菌残液进入含菌残液处理单元5，进行含菌残液处理过程；煤炭气化单元1中的气化灰渣和所述发酵原料气纯化单元4中的废水进入固废/废水处理单元8进行固废和废水处理。
在该实施例的工艺中，煤炭气化过程中的气化剂为水和氧气；煤气化炉中的气化温度为800～2000℃，优选为900～1300℃；煤气化炉中的压力为0.5～8MPa，优选为3～6MPa；生成的发酵原料气包含一氧化碳、氢气和二氧化碳，其中一氧化碳含量为30～70％，优选为40～65％。
在该实施例的工艺中，生物反应器中包含梭菌属微生物，所述梭菌属微生物包含梭状芽孢杆菌(Clostridium carboxidivorans)、杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)和大梭菌(Clostridium magnum)中的一种或组合。
在该实施例的工艺中，生物发酵单元2中CO转化率为60～99％，优选为75～85％，发酵液中含氧有机物产物的质量浓度为3～15％；优选地，含氧有机物产物的质量浓度为4～10％；更优选地，含氧有机物产物的质量浓度为5～8％。
在该实施例的工艺中，含氧有机物产物包含乙醇、乙酸、丁醇和丁二醇中的一种或组合。
在该实施例的方法中，含菌残液在含菌残液处理单元5中经过浓缩和干燥生成固体蛋白；和/或，含菌残液在含菌残液处理单元5的厌氧发酵子单元中经过厌氧发酵生成沼气。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

1.一种从二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的系统，其特征在于，包括：煤炭气化单元(1)、生物发酵单元(2)、发酵液分离单元(3)和二氧化碳单元(7)；其中，
所述二氧化碳单元(7)的气相出口与所述煤炭气化单元(1)的气相入口相连，所述煤炭气化单元(1)的气相出口与所述发酵原料气纯化单元(4)的气相入口相连，所述发酵原料气纯化单元(4)的气相出口与所述生物发酵单元(2)的气相入口相连，所述生物发酵单元(2)的液相出口与所述发酵分离单元(3)的液相入口相连；
所述煤炭气化单元(1)中发生煤气化过程，所述煤气化过程的气化剂包含二氧化碳，所述气化剂中包含的二氧化碳由所述二氧化碳单元(7)提供。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：二氧化碳单元(7)包含二氧化碳分离子单元和二氧化碳压缩机，所述二氧化碳分离子单元的气相出口与所述二氧化碳压缩机的入口相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述煤炭气化单元(1)包含煤气化炉，所述煤气化炉为固定床气化炉、移动床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉之一。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发酵原料气纯化单元(4)包含气固分离子单元、气体洗涤子单元和气体吸附子单元，所述气固分离子单元包含旋风分离除尘器，所述气体洗涤子单元包含气体洗涤塔。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述生物发酵单元(2)包含生物发酵反应器，所述生物发酵反应器为鼓泡床反应器、气升式环流反应器和搅拌釜反应器之一或其组合。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述发酵液分离单元(3)包含精馏塔，所述精馏塔为填料塔、筛板塔和复合塔之一或其组合。
7.根据权利要求1、3、4、6任一项所述的系统，其特征在于，还包含：固废/废水处理单元(8)和含菌残液处理单元(5)；其中，
所述煤炭气化单元(1)中的固废出口与所述固废/废水处理单元(8)中固废入口相连；
所述发酵原料气纯化单元(4)中的固废出口与所述固废/废水处理单元(8)中固废入口相连；
所述发酵原料气纯化单元(4)中的废水出口与所述固废/废水处理单元(8)中废水入口相连；以及
所述发酵液分离单元(3)中的含菌残液出口与所述含菌残液处理单元(5)的入口相连。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包含发酵尾气处理单元(10)，所述发酵尾气处理单元(10)的气相入口与所述生物发酵单元(2)的气相出口相连；所述发酵尾气处理单元(10)包含氢气纯化子单元，用于纯化发酵尾气得到氢气。
9.根据权利要求1、6、7任一项所述的系统，其特征在于，
所述含菌残液处理单元(5)包含浓缩子单元和干燥子单元；和/或，
所述含菌残液处理单元(5)包含厌氧发酵子单元。
10.一种利用权利1到8任一项所述的系统从二氧化碳和煤炭生产含氧有机物的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)、煤炭经过原料煤预处理单元(6)预处理后送入煤炭气化单元(1)，二氧化碳单元(7)将二氧化碳送入煤炭气化单元(1)；
2)、煤炭在煤炭气化单元(1)的煤气化炉中进行气化过程，产生发酵原料气；
3)、步骤(2)中生成的发酵原料气进入发酵原料气纯化单元(4)，除去发酵原料气中的杂质，所述杂质包括飞灰、含硫化合物和含氯化合物中的一种或多种；
4)、发酵原料气纯化单元(4)纯化后的发酵原料气进入生物发酵单元(2)，发酵原料气在生物发酵单元(2)的生物发酵反应器中进行发酵过程，产生发酵液，所述发酵液包含含氧有机物产物；
5)、步骤(4)中生成的发酵液进入发酵液分离单元(3)，分离得到含氧有机物产物和含菌残液；以及
6)、步骤(5)中生成含菌残液进入含菌残液处理单元(5)，进行含菌残液处理过程。
11.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于：
步骤(2)所述煤炭气化过程中的气化剂包含二氧化碳，还包含氧气和水中的一种或组合；
步骤(2)所述发酵原料气包含一氧化碳，还包含二氧化碳和氢气中的一种或组合；
所述含氧有机物包含乙醇、乙酸、丁醇和丁二醇中的一种或组合。
12.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于：
在煤气化炉中添加煤气化催化剂，用于提高煤炭气化速率，所述煤气化催化剂包含碱金属化合物、碱土金属化合物和过渡金属化合物中的一种或者组合。
13.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于：所述生物反应器中包含梭菌属微生物，所述梭菌属微生物包含梭状芽孢杆菌、杨氏梭菌和大梭菌中的一种或者组合。
14.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于：所述煤炭气化单元(1)中的气化灰渣和所述发酵原料气纯化单元(4)中的废水进入固废/废水处理单元(8)进行固废和废水处理。
15.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于：所述生物发酵单元(2)的发酵尾气进入发酵尾气处理单元(10)，发酵尾气在发酵尾气处理单元(10)经过纯化后得到氢气。
16.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于，
所述含菌残液在含菌残液处理单元(5)中经过浓缩和干燥生成固体蛋白；和/或，
所述含菌残液在含菌残液处理单元(5)的厌氧发酵子单元中经过厌氧发酵生成沼气。
17.根据权利要求11所述的工艺，所述煤气化炉中的气化温度为900～1300℃，气化压力为3～6MPa。
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