[发明专利]集成氢气生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用来自氢气生产的弛放气流产生发酵产物的方法。

背景技术

目前，氢气大量用于化学和石油工业。在化学工业中，氢气主要经由涉及氮气和氢气反应产生氨的哈伯氏固氮法(Haber process)用来制备氨以用于土壤肥料。氢气还用于炼油厂中以在需要氢气的加氢处理单元操作(诸如氢化裂解和加氢处理工艺)中提高石油基化合物的品质。这些工艺通常有助于降低燃料成品中的硫含量。期望增加氢气在精炼厂中的使用，原因是环境因素驱动了对低硫燃料的增大需求。

文献描述了制备氢气的多种不同方法，其中很多是重要研究和开发工作的主题。一些公开的方法包括生物质热解或气化和生物方法，诸如细菌发酵和酶促氢气生产。电解是用于制备氢气的另一项技术，在该技术中水被分解成氧气和氧气。然而，目前氢气在商业上由化石甲烷产生。此类生产过程是廉价的，并且用于该过程的天然气原料广泛可得且成本相对较低。

由甲烷产生氢气包括使甲烷转化成一氧化碳和氢气的重整反应。常用的重整反应是使甲烷在蒸汽存在下转化为氢气和一氧化碳的蒸汽甲烷重整(SMR)。其它已知的重整反应为自热重整(ATR)，其在反应中使用氧气和二氧化碳或氧气和蒸汽与甲烷一起形成一氧化碳和氢气。重整之后在反应器中进行一个或多个水煤气变换(WGS)反应，该反应中一氧化碳和氢气转化为二氧化碳和附加氢气。然后从WGS反应器的出口料流中回收氢气。此类回收技术的示例为变压吸附(PSA)，其使用吸附剂材料诸如沸石、分子筛或活性炭在压力下用于从气体的混合物中分离气体物类。吸附剂材料在高压下吸附目标气体物类，并且分离依赖于气体流中各种气体物类的不同亲和力。在压力降低时，目标气体解吸。当用于回收氢气时，变压吸附吸附氢气并且解吸导致了氢气的浓缩的料流。包含未吸附物类的料流也由变压吸附产生，其通常被称为弛放气流。

在现有的商业操作中，弛放气流被燃烧以提供过程热。此类热整合是有利的，因为氢气生产中的许多单元操作均在高温下操作。在典型的氢气生产过程中，弛放气流被进料至SMR加热炉中，为甲烷重整反应提供热能。

弛放气流的组成根据上游重整的操作参数而变化。该料流中存在的组分可包括氢气和附加的二氧化碳、一氧化碳和/或甲烷。氢气因其在变压吸附或其它氢气回收操作中的不完全回收而存在。

虽然有热整合的优点，但是弛放气流中存在的氢气是一个显著缺点。氢气成本较高，并且简单地燃烧其而产生热是对该组分的低效使用。这继而降低了工艺的经济性。因此，现有技术需要更好利用弛放气中的组分特别是氢气而不显著破坏氢气生产过程的操作。

发明内容

本发明的一些实施方案提供从包含氢气生产所产生的化石氢气的料流产生发酵产物的方法。本文所公开的方法包括从氢气生产过程所产生的弛放气流产生发酵产物，并且将此类料流集成到氢气生产过程中。

本发明的一些实施方案涉及这样的方法：其中弛放气流中组分(特别是由氢气生产所得到的氢气)的能值转化为发酵产物，从而使氢气设备的产物输出最大化。根据本文进一步描述的过程的一些方面，来自氢气生产的弛放气流通过微生物在一个或多个生物反应器中进行发酵，以产生发酵产物，包括诸如燃料、燃料中间体或化学产物在内的产物。此外，通过获自一个或多个进行发酵的生物反应器的发酵废气流，将过程能量以热的形式提供给氢气生产过程的重整单元。因此，由存在于弛放气流中的氢气产生有价值的发酵产物，该弛放气流将以其它方式燃烧以用于过程能量，具有使得在氢气生产过程内能够热集成的附加益处。

此外，因为氢气在发酵反应期间转化为发酵产物，所以在弛放气流中留下较少的氢气用于燃烧，从而产生热以用于重整。因此，根据本发明的一些实施方案，为补偿该损失，将发酵中所用的氢气用燃料气体诸如化石甲烷替代，用于产生热以供重整。这包括将燃料气体加入到发酵废气流和/或重整单元中。在各种实施方案中，用于提供此类热的燃料气体的量至少为发酵中产生的发酵产物的燃烧热。

当将甲烷用作燃料气体时，这是特别有利的，原因是氢气比甲烷成本显著更高。因此，通过发酵氢气并随后用化石甲烷替代所消耗氢气的能量的至少一部分，将转化为发酵产物的较高价值的组分用低成本的化石甲烷替代。

本发明某些实施方案的另外有利特征在于，微生物产生发酵产物的效率提高，原因是弛放气流因使合成气转化成二氧化碳和氢气的水煤气变换而包含减少量的一氧化碳。因为一氧化碳可对用于产生发酵产物的细菌或其它微生物具有毒性效应，通过发酵具有减少的一氧化碳含量的弛放气流，发酵可随着抑制降低而潜在地进行，这继而可增大工艺效率。