[发明专利]生物燃料生产过程中的蒸馏和脱水子过程的综合模型预测控制

说明书

背景技术

技术领域

本发明一般性涉及生物燃料及其副产品的生产过程的模型预测控制 领域。更具体地，本发明涉及生物燃料生产过程中的蒸馏和脱水子过程的 综合模型预测控制的系统和方法。

现有技术说明

生物燃料的历史

生物燃料是指任何来源于生物质的燃料，即来源于新近的活生物体或 者它们的副产品。从大约1876-1908年开始，生物燃料就被用于汽车中。 奥托循环(1876)是第一个设计为使用乙醇和汽油的内燃机。亨利福特的 T模型(1908)设计为使用生物燃料、汽油或这两种燃料的任意组合。然 而，乙醇的高政府税妨碍了生物燃料的使用，于是几十年来汽油成为汽车 的主要燃料选择。

20世纪70年代的能源危机恢复了对矿物燃料替代物的研究。1978 年的能源税法案(H.R.5263)规定对混合生物燃料(最少10％的生物燃 料)的汽车燃料每加仑免收4美分的联邦税，并且对生物质-生物燃料转 化设备给予10％的能源投资税优惠(除了已获得的10％的投资税优惠之 外)以鼓励工厂建设。然而，到1985年，163家存在的商业化生物燃料 工厂中仅有45％的在运营。这样高的工厂倒闭率部分是商业判断差和工 程设计低效的结果。1988年，在科罗拉多州的丹佛市(该市命令冬季使 用氧化燃料)，生物燃料被用作氧化燃料。氧化燃料是被注入氧以减少燃 烧燃料期间产生的一氧化碳排放和NO_x排放的燃料。20世纪90年代的清 洁空气法(Clean Air Act)，促使作为污染控制添加剂的生物燃料的使用 额外增长。

美国国会通过了1990年的清洁空气法修正案，该修正案命令在高污 染地区使用含有增氧剂的“新配方汽油”。1992年开始，根据清洁空气法 修正案，在汽油中加入了更高浓度的甲基叔丁基醚(MTBE)。许多地区 空气质量的改善得益于添加MTBE的汽油的使用。然而到2000年，发现 MTBE(一种已知的致癌剂)主要通过地下汽油储罐的泄露，已经污染了地 下水系统。2004年加利福尼亚州和纽约州禁止了MTBE，通常用乙醇替 换它。不久之后其它几个州也开始替换。2005年能源议案要求逐步停止 使用MTBE并且不对石油公司提供法律保护。因此，石油公司开始用乙 醇(生物燃料的一个例子)替换MTBE，因此刺激了生物燃料工业的成 长。

自从2001年以来，原油价格的稳步升高已经使汽油价格升高到生物 燃料生产成本的收支平衡点以上。这使得一直在寻求使农产品和服务的需 求多样化途径的中西部农业地区非常受益。对于玉米富产地区，依赖补助 金收益的生物燃料工厂现在转变成经济上可行的投资。

生物燃料生产工厂

图1示出示例性高水平设计的生物燃料生产工厂或者生物燃料生产 过程，其中示出生物质是怎样通过几个阶段的处理生产出生物燃料和一种 或多种副产品的。首先，将生物质供给到碾磨和蒸煮过程(例如，碾磨和 蒸煮单元104)，在其中加水102(可能为循环水RW1和RW2)，使生物 质分解以增加表面积/体积比。表面积的增加允许水与生物质表面充分相 互作用，以获得可发酵的糖水溶液。蒸煮这种混合物(生物质和水的浆料) 以促进溶液中的生物质和水之间接触量的增加，以及提高碳水化合物生物 质与非碳水化合物生物质的分离。然后，将碾磨和蒸煮单元104的输出物 (即发酵物料或浆汁)运送到发酵过程，其中一个或多个发酵单元106 运行为使通过碾磨和蒸煮过程产生的生物质/水浆汁发酵。

如图1所示，发酵过程可要求加水102以控制发酵单元(此处也称作 发酵罐)的原料稠度。在发酵单元106中，生物质通过酵母和酶转化成生 物燃料和诸如二氧化碳、水和不可发酵的生物质(固体)等副产品。

将来自发酵单元106的输出物送到蒸馏过程(例如，一个或多个蒸馏 单元108)，以使生物燃料与水、二氧化碳和不可发酵固体分离。如果生 物燃料已经脱水至水分含量低于5体积％，则可以通过称作分子筛的处理 单元或类似处理单元(包括例如破坏水/乙醇共沸混合物的环己烷的附加 蒸馏)来处理生物燃料。然后处理最后的生物燃料以确保改变其性质并且 不用于人们的消费。