CN101235391B - 基于固态发酵料连续分离乙醇与余热利用的方法和*** - Google Patents

基于固态发酵料连续分离乙醇与余热利用的方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于固态发酵料连续分离乙醇与余热利用的方法和***，属于生物质燃料乙醇技术领域。所述方法主要包括密闭输送、入塔与布料、乙醇汽提、糟渣出塔和余热利用等步骤。该***通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。本发明提出的乙醇-糟渣连续分离技术和密闭环槽旋转圆盘乙醇汽提塔，适用于以甜高粱茎秆等糖质原料的固态发酵产物料中汽提乙醇，实现自动进出料和乙醇-糟渣连续分离；对精馏单元的釜残液潜热加以有效利用，补充部分过热蒸汽，实现固态发酵路线甜高粱乙醇高净能比和低环境负荷的优势。

Description

基于固态发酵料连续分离乙醇与余热利用的方法和***
技术领域
本发明涉及一种基于甜高粱茎秆(包括其他糖质原料，如甜菜、甘蔗、菊芋等)固态发酵料，连续分离乙醇和余热综合利用的一体化方法及***，特别是一种适于规模化糟渣-乙醇连续分离的集成技术和密闭环槽旋转圆盘汽提塔装备，并通过与后续精馏单元有机集成而降低生产能耗和实现余热再利用，属于生物燃料技术领域。
背景技术
生物液体燃料是目前国际公认的唯一能在运输领域大规模替代汽油和柴油的可再生能源，随着石油价格上涨和世人对C02减排的关注，生物液体燃料行业正处于十字路口。目前主要是燃料乙醇和生物柴油，其中燃料乙醇占85％以上。我国2006年燃料乙醇产量154万吨，替代3％的运输燃油，已经显示出节能减排效果和拉动三农的作用。国家在《可再生能源中长期发展规划》中提出了到2010年新增非粮燃料乙醇200万吨的目标。
以甜高粱茎杆生产燃料乙醇，在世界许多国家得到了广泛认可，其首要目标在于技术经济性，即能量投入产出比。迄今为止，尽管在甜高粱育种、种植等环节已取得显著成效，但乙醇转化技术始终没有实现商业化突破。因此，积极探索高效、低成本、清洁的甜高粱乙醇生产技术显得尤为迫切。
甜高粱燃料乙醇生产主要采用固态和液态两种发酵方式。液态发酵法通常是将鲜甜高粱茎秆多级压榨提取汁液并进行发酵。美国、印度、罗马尼亚等国借鉴甘蔗燃料乙醇生产工艺就甜高粱乙醇生产进行了探索，我国也申报了多项相关专利，但液态发酵法存在一系列症结难以攻克：压榨后的秆渣中还残留有可发酵糖分，未加以发酵利用；甜高粱榨汁期短，与周年连续生产不适应；高粱汁贮存需要浓缩后灭菌保存，能耗大；浓缩糖汁加水稀释后才能乙醇发酵，废水产生量大，加工成本难以承受，液态发酵路线难以实现商业化；固态发酵法生产燃料乙醇是将甜高粱杆粉碎后直接发酵，具有独特的优势，能够从根本上克服液态发酵的先天性不足，降低对原料预处理强度的要求，同时废水产生量小，能显著提高乙醇产率。国 内外学者对固态发酵法生产甜高粱乙醇进行了探索，但多数停留在实验室小试水平，其研究重点放在发酵工学上，对发酵料-乙醇分离研究不够；而工业上往往采用传统白酒酿造工艺，技术落后，劳动强度大，发酵周期长而效率低下；同时，发酵产物为固态料，“甑桶”蒸馏和过汽冷凝技术只能是间歇操作，劳动强度大，得到70％(v/v)以下不同度数的粗醇溶液，消耗大量的加热蒸汽和冷却介质，使其生产成本居高不下，且无法实现商业化大规模运作。更为甚者，传统的固态蒸馏工艺在理论与技术方面都没有深入的研究。
因此，在前述发明《一种基于甜高粱茎秆固体发酵制备乙醇的方法及***》(申请号：200710080388.0)和发明《一种基于甜高粱秆固态发酵料分离乙醇的方法及***》(申请号：200710100322.3)的基础上，基于甜高粱与甘蔗固态发酵料，提出一种糟渣-乙醇连续分离一体化技术和密闭环槽旋转圆盘汽提塔设备，以适应现代规模化固态发酵路线生产燃料乙醇的需要，降低乙醇分离能耗并实现余热综合利用。
本发明公开的秆渣-乙醇连续分离与余热综合利用一体化技术及其密闭环槽旋转圆盘汽提塔关键设备，能够对经固态发酵获得的发酵料进行连续乙醇汽提，所得恒定组成乙醇蒸汽作为汽相进料入后续精馏塔，乙醇分离后的糟渣能够自动出料并通过输送皮带送往糟渣深加工单元。通过对精馏工序排出的釜残液进行余热再利用，以补充固态蒸馏过程部分蒸汽消耗。这一集成技术显著节约能耗和降低成本，并满足现代工业化连续生产的要求，将对生物质资源化和能源化利用创造条件。
发明内容
本发明的目的在于围绕当前固态发酵法生产甜高粱乙醇过程中存在的如何从固态发酵料中连续提取乙醇以适应现代大规模商业化生产需要这一关键共性问题，以发明人提出的基于非粮原料(甜高粱与甘蔗等)糟渣-乙醇连续分离与余热综合利用一体化技术和密闭环槽旋转圆盘汽提塔设备为基础，实现固态发酵料自动进出、错流接触提取乙醇、提供恒定组成乙醇蒸汽(30～40％，v/v)，以确保精馏塔稳态运行，并实现余热综合利用以降低能源消耗和环境负荷，进而与精馏、分子筛脱水和挤条成型等后处理单元匹配，实现甜高粱茎杆固态发酵生产燃料乙醇技术商业化运行，这一集成技术同样适合于甘蔗原料固态发酵法生产燃料乙醇。
本发明提出一种基于固态发酵料实现糟渣-乙醇连续分离和余热综合利用的一体化方法和关键设备，其特征在于：所述方法含有以下工艺步骤：
(1)密闭输送：经固态发酵得到的发酵料，含有4～10％(v/v)的乙醇，为有效防止乙醇挥发损失，发酵罐出料安排在密封舱内进行，同时皮带输送也安排在密闭隧道中进行，并定期真空抽吸回收乙醇蒸汽；
(2)入塔与布料：固态发酵料经进料斗、星形布料器而连续进入密闭环槽旋转圆盘汽提塔，均匀洒落在旋转圆盘上，并借助圆盘的水平圆周转动(0.2~2.0rpm)，使固态料在圆盘上形成10～120cm的料层，料层表面通过固定于侧壁上的料耙实现平整，固态料层在旋转圆盘推动下也进行水平圆周运动；
(3)乙醇汽提：来自锅炉的2～5kg/cm2过热蒸汽从汽提塔底部经环管式蒸汽分布器沿圆周均布进入，并竖直向上穿过旋转圆盘与发酵料层，二者呈错流接触，使发酵料中的乙醇逐级提浓转入汽相，得到30～40％(v/v)恒定组成的乙醇蒸汽，并经乙醇蒸汽捕集区送往后续精馏单元，确保其稳态运行；少量残液(蒸汽冷凝液)经塔底排液口送往废水处理单元；
(4)糟渣出塔：发酵料随着旋转圆盘缓慢转动近一周后，其中的乙醇已大部转入汽相，糟渣经出料口附近的刮料斜板、推料绞轮和出料口(由料层掩埋)而进入糟渣收集罐，在对糟渣进一步真空抽吸回收乙醇蒸汽后，从下端糟渣出口流向皮带输送设备，送往糟渣深加工单元；
(5)余热利用：在精馏工序，塔顶获得95.5％(v/v)的乙醇同时，不可避免地在塔釜排出大量的残液。釜残液温度较高(在80～100℃范围内)，余热利用潜力很大，釜残液温度较高(在80～100℃)，通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。
在上述的方法中，所述步骤1的密闭输送是为有效降低发酵料中乙醇挥发损失以提高实际乙醇收率，固态发酵罐出料安排在密封舱中进行，发酵料在密闭隧道中皮带输送，同时配备乙醇抽吸装置与回收管路。
在上述方的法中，所述步骤2的入塔与布料是针对密闭环槽旋转圆盘汽提塔，发酵料连续均匀入塔，并借助旋转圆盘的水平圆周运动和料耙作用，使发酵料连续、均匀地入塔并形成40～100cm厚度的均匀料层。
在上述的方法中，所述步骤3的乙醇汽提是伴随着发酵料层的水平圆周转动，自下而上的过热蒸汽呈错流穿过料层，通过逐级提浓，实现乙醇分离，获得30～40％(v/v)恒定组 成的乙醇蒸汽，确保后续精馏塔稳态运行，满足大规模商业化连续运营的要求。
在上述方法中，所述步骤4的糟渣出料是乙醇汽提后的糟渣在出料斜板和推料绞轮共同作用下，在进一步真空抽吸回收乙醇蒸汽后实现连续自动出料。
在上述的方法中，所述步骤5的余热利用是针对精馏塔釜残液热值高、流量大的特点，通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。
本发明提出一种基于固态发酵料实现糟渣-乙醇连续分离和余热综合利用的一体化***，其特征在于：
所述密闭环槽旋转圆盘汽提塔主要由以下几部分组成：进料组件、转动内筒、静止外筒、旋转圆盘、蒸汽管路与组件、密封锥形顶盖、转轴与传动部件、出料组件、乙醇蒸汽回收组件。
所述出料密封舱(1)一端与斜面转鼓式固态发酵罐出料端相连，并对发酵罐出口实施密封，另一端与发酵料出口(2)相连；输送皮带(3)置于密闭隧道(4)中，密闭隧道(4)一端对发酵料出口(2)实施密封，另一端与密闭环槽旋转圆盘汽提塔进料口(5)相连；星形布料器(6)一端与进料口(5)相连，另一端与汽提塔顶盖上进料接口相连；
所述乙醇蒸汽收集室(7)位于汽提塔内上部，由锥形顶盖、内筒(8)、外筒(9)和料层(10)表面共同围成，其上部锥口与精馏塔(25)进料口相连；
所述外筒与液封槽(9)固定不动，锥形顶盖与外筒通过液封槽相连，内筒(8)下端与旋转圆盘相连，料层(10)位于旋转圆盘上；控制组件(17)调控变频电机(16)驱动齿轮(14)带动转轴(11)进而推动内筒(8)、旋转圆盘和料层(10)进行水平圆周运动；来自锅炉的过热蒸汽经蒸汽分布器(12)进入汽提塔；糟渣经出料斜板与推料绞轮(22)借助出料挡板(23)作用而进入糟渣收集罐(20)，在收集罐(20)中进一步回收乙醇蒸汽后经糟渣出料口(19)流入输送皮带，并自动送往饲料深加工工序；少量冷凝液经排液口(13)送往废水处理工序；整个汽提塔位于支座(15)之上；
所述连续固态蒸馏获得的乙醇蒸汽作为汽相进料入精馏塔，逐级汽化与冷凝后，在塔顶获得95.5％(v/v)的乙醇，同时在塔釜排出大量80～100℃的釜残液，通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。
本发明具有以下优点：
(1)借助密闭环槽旋转圆盘汽提塔这一新型糟渣-乙醇连续分离设备，可以实现固态发酵料的连续进出与机械化处理，降低劳动强度，进而满足现代大规模工业化生产的需要；
(2)为有效避免乙醇挥发损失，提高实际乙醇收率，发酵料出罐安排在密封舱中进行，同时在密闭隧道中皮带输送，并通过定期真空抽吸加以回收乙醇；
(3)固态蒸馏过程实现了发酵料水平圆周运动和过热蒸汽自下而上的错流接触，提高乙醇汽提效率，获得的乙醇蒸汽具有相对稳定的乙醇组成，能够适应后续精馏稳态操作的进料要求，确保精馏稳态连续运营；
(4)精馏过程排放的釜残液热值高、流量大，通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。
附图说明
附图1本发明优选的糟渣-乙醇连续分离与余热综合利用工艺流程示意图。
附图2本发明优选的密闭环槽旋转圆盘汽提塔结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
本发明采用的技术方案是基于固态发酵料实现糟渣-乙醇连续分离与余热综合利用的一体化方法和设备，包括以下工序和装备：
(1)密闭输送：经固态发酵得到的发酵料中酒精含量在4～10％(v/v)范围内，为有效防止乙醇挥发损失，发酵罐出料安排在密封舱内进行，同时皮带输送也在密封隧道中进行，并定期真空抽吸回收乙醇蒸汽；
(2)入塔与布料：固态发酵料经进料斗、星形布料器而连续进入密闭环槽旋转圆盘汽提塔，均匀洒落在旋转圆盘上，并借助圆盘的水平圆周转动作用，使固态料在圆盘上形成10～120cm的料层，料层表面的平整通过固定于侧壁上的料耙实现，发酵料层在旋转圆盘推动下进行水平圆周运动；
(3)乙醇汽提：来自锅炉的过热蒸汽从汽提塔底部经环管式蒸汽分布器沿圆周均布进 入，并竖直向上穿过旋转圆盘、发酵料层，二者呈错流接触，使发酵料中的乙醇逐级提浓转入汽相，得到30～40％(v/v)恒定组成的乙醇蒸汽，并经乙醇蒸汽捕集区送往后续精馏单元，可满足精馏操作稳定运行，少量残液(蒸汽冷凝液)经塔底排液口送往废水处理单元；
(4)糟渣出塔：发酵料随着旋转圆盘缓慢转动近一周后，其中的乙醇已大部转入汽相，糟渣经出料口附近的刮料斜板、推料绞轮和出料口(由料层掩埋)而进入糟渣收集罐，在对糟渣进一步回收乙醇蒸汽后，从下端糟渣出口流向皮带输送设备，随后送往糟渣深加工单元；
(5)余热利用：精馏工序在获得95.5％的乙醇同时，不可避免地在塔釜排出大量釜残液。釜残液温度较高(80～100℃范围内)，通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。
所述密闭输送是为有效降低发酵料中乙醇挥发造成的损失，固态发酵罐出料在密封舱中进行，发酵料在密闭隧道中皮带输送，同时配备乙醇抽吸装置与回收管路。
所述入塔与布料是针对密闭环槽旋转圆盘汽提塔，借助旋转圆盘的水平圆周运动和料耙作用，使发酵料连续、均匀地入塔并形成40～100cm厚度的料层。
所述乙醇汽提是伴随着发酵料层的水平圆周转动，自下而上的过热蒸汽呈错流穿过料层，通过逐级提浓，实现乙醇分离，获得30～40％(v/v)恒定组成的乙醇蒸汽，确保后续精馏塔稳态运行，满足大规模商业化连续运营的要求。
所述糟渣出料是乙醇汽提后的糟渣在出料斜板和推料绞轮共同作用下，经进一步回收乙醇蒸汽后实现自动出料。
所述余热利用是针对精馏塔釜残液热值高、流量大的特点，通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。
参阅图1～2
实施例
1.1吨含7％(v/v)乙醇的固体发酵料经密封舱内排至输送皮带，在密封隧道中运输，经进料斗、星形布料器进入密闭环槽旋转圆盘汽提塔，控制旋转圆盘转速在0.1~2rpm，以3.5kg/cm2的过热蒸汽分离乙醇，可获得30～40％(v/v)的乙醇蒸汽，折合99.5％(w/w)乙醇60.0kg，固态蒸馏过程乙醇收率为98.0％。

Claims (2)

1.一种基于甜高粱与甘蔗固态发酵料乙醇-糟渣连续分离与余热综合利用的一体化方法，其特征在于所述方法包含以下工艺步骤：
(1)密闭输送：经固态发酵而来的发酵料中酒精含量在4～10％v/v范围内，为有效防止乙醇挥发而造成损失，发酵罐出料安排在密封舱内进行，同时发酵料输送也在密闭隧道中进行，并定期从密闭隧道中回收乙醇蒸汽；
(2)入塔与布料：皮带输送而来的发酵料经进料斗、星形布料器而连续进入密闭环槽旋转圆盘汽提塔，均匀洒落在旋转圆盘上，并借助圆盘的水平圆周转动，使固态料在圆盘上形成10～120cm的料层，料层表面通过固定于侧壁上的料耙实现平整，发酵料层在旋转圆盘推动下也进行水平圆周运动；
(3)乙醇汽提：来自锅炉的过热蒸汽从汽提塔底部经环管式蒸汽分布器沿圆周均布进入，并竖直向上穿过旋转圆盘与发酵料层，二者呈错流接触，使发酵料中的乙醇逐级提浓转入汽相，得到30～40％v/v恒定组成的乙醇蒸汽，并经乙醇蒸汽捕集区送往后续精馏单元，以满足精馏操作稳定运行，少量蒸汽冷凝液残液经塔底排液口送往废水处理单元；
(4)糟渣出塔：发酵料随着旋转圆盘以0.1-5rpm缓慢转动近一周后，所含乙醇已大部转入汽相，剩余糟渣经出料口附近的刮料斜板、推料绞轮和由料层掩埋的出料口而进入糟渣收集罐，在对糟渣进一步真空抽吸回收乙醇蒸汽后，从下端糟渣出口流入输送皮带，随后送往后续糟渣深加工单元；
(5)余热利用：在精馏工序，塔顶获得95.5％的乙醇同时，不可避免地在塔釜有大量残液排出，釜残液温度在80～100℃范围内，通过如下两条途径实现余热利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。
2.一种基于固态发酵法生产甜高粱乙醇的糟渣-乙醇连续分离和余热综合利用的一体化***，其特征在于：所述***包含：出料密封舱(1)，发酵料出口(2)，输送皮带(3)，密闭隧道(4)，进料口(5)，星形布料器(6)，乙醇蒸汽收集室(7)，内筒(8)，液封槽与外筒(9)，料层(10)，转轴(11)，蒸汽分布器(12)，排液口(13)，齿轮(14)，支座(15)，变频电机(16)，控制组件(17)，糟渣输送皮带(18)，糟渣出料口(19)，收集罐(20)，乙醇蒸汽回收口(21)，出料斜板与推料绞轮(22)，出料挡板(23)，精馏塔(24)，电加热器 (25)；
所述出料密封舱(1)一端与斜面转鼓式固态发酵罐出料端相连，并对发酵罐出口实施密封，另一端与发酵料出口(2)相连；输送皮带(3)置于密闭隧道(4)中，密闭隧道(4)一端对发酵料出口(2)实施密封，另一端与密闭环槽旋转圆盘汽提塔进料口(5)相连；星形布料器(6)一端与进料口(5)相连，另一端与汽提塔顶盖上进料接口相连；
所述乙醇蒸汽收集室(7)位于汽提塔内上部，由锥形顶盖、内筒(8)、外筒(9)和料层(10)表面共同围成，其上部锥口与精馏塔(24)进料口相连；
所述液封槽与外筒(9)固定不动，锥形顶盖与外筒通过液封槽相连，内筒(8)下端与旋转圆盘相连，料层(10)位于旋转圆盘上；控制组件(17)调控变频电机(16)驱动齿轮(14)带动转轴(11)进而推动内筒(8)、旋转圆盘和料层(10)进行水平圆周运动；来自锅炉的过热蒸汽经蒸汽分布器(12)进入汽提塔；糟渣经出料斜板与推料绞轮(22)借助出料挡板(23)作用而进入糟渣收集罐(20)，在收集罐(20)中进一步回收乙醇蒸汽后经糟渣出料口(19)流入输送皮带，并自动送往饲料深加工工序；少量冷凝液经排液口(13)送往废水处理工序；整个汽提塔位于支座(15)之上；
固态蒸馏过程获得的乙醇蒸汽作为汽相进料入精馏塔(24)，经逐级提浓在塔顶获得95.5％v/v的乙醇；同时在塔釜，残液通过如下两条途径实现余热再利用：一是残液回送到密闭环槽旋转圆盘汽提塔外筒夹套间接加热物料和密闭隧道外夹套预热发酵料，二是通过电加热发生蒸汽以补充固态蒸馏蒸汽消耗。 
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