CN102094045A - 一种固态发酵料中连续分离乙醇的工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质能源的制造及后续处理技术领域，具体涉及一种固态发酵料中乙醇的提取工艺与装置。将固态发酵料送入连续蒸醇装置入口，物料经布料器后均匀分布在最上层加热盘表面上的转动栅格内，加热盘内通入饱和水蒸汽，发酵料经加热盘间接加热后落入下一层加热盘上对应的转动栅格内，依此连续流向装置出口，最后从出料口排出；发酵料中的乙醇和水经加热后部分汽化形成蒸馏气，蒸馏气经上方的排气口排出，一部分经冷凝后混入进料口中的发酵料形成回流，另一部分通入精馏塔进行精馏。能够实现工业规模的连续化生产，乙醇的蒸出率高达99.6％，而且缩短了蒸醇时间，保持了乙醇蒸汽浓度的稳定性，极大降低了劳动强度，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于生物质能源的制造领域、固态物料发酵技术领域和固态物料的连续干燥技术领域，具体涉及一种固态发酵料中乙醇的提取工艺与装置。
背景技术
燃料乙醇是生物质燃料的一种，是当今可以替代石油燃料的绿色可再生新能源，因其燃烧特性与汽油非常接近，将燃料乙醇以一定的比例混入汽油便形成了乙醇汽油。2009年全球燃料乙醇产量5859万吨，替代汽油5.4％，减排8760万吨CO2。因此，燃料乙醇具有广阔的发展空间。
固态发酵法是生产燃料乙醇的主要方法之一，是将甜高粱秆(亦包括甘蔗、甜菜、菊芋等)粉碎、发酵和蒸醇等操作来完成，由于能够降低原料预处理的强度、省去废水处理的步骤和整个生产***绿色环保而受到人们的青睐。但是，由于传统方法采用白酒的酿造工艺，从固态发酵料中分离乙醇的蒸酒操作只能间歇进行，因此蒸醇时间长，醇气纯度不稳定，劳动强度大，生产效率低，生产成本高，无法实现工业化规模生产。
在蒸醇操作连续化的研究中，发明专利CN101085995A将发酵料送入连续运转的旋转圆盘上并与自下而上的蒸汽直接接触，实现了蒸醇的连续操作；发明专利CN101333544A采用蒸汽对发酵料在隧道内直接加热，发酵料在隧道内不同层次的输送网上折线连续运动，实现了蒸醇操作的连续化；发明专利CN101724661A将发酵料置于不同的塔板并停留不同的时间，通过蒸汽直接传热，实现了发酵料从上一层塔板到下一层塔板在整体上的连续流动(而非微分级别上的连续流动，即一定短但不为零的时间内发酵料静止不动)。这些虽然实现了连续化，但由于蒸汽与发酵料的直接接触，物料中的冷凝水稀释了物料内乙醇的浓度，由气液平衡可知，气相中乙醇的浓度将会降低；而未冷凝的蒸汽进入气相亦将稀释气相中乙醇的浓度，这两者都将导致气相中乙醇浓度的降低，对于提高蒸醇的效率和节能降耗不利。
甘蔗、甜高粱等秸秆粉碎后的发酵料由于相互摩擦力较大，运动起来容易撕拉结团而很难实现连续流动，再加上其运动的多变性和运动参数的不易检测等特点，致使固态发酵料实现连续蒸醇的工艺成为世界级难题。因此，实现固态发酵料蒸醇工艺的连续化，提高气相中乙醇的浓度和稳定性，提高生产效率，降低生产成本和能耗已经成为实现秸秆固态发酵连续蒸醇操作的当务之急。
发明内容
为解决固态发酵料蒸醇工艺连续化生产困难，以及连续化与提高生产效率实现节能降耗不能兼得的难题，本发明针对物料流动的特性，并结合蒸馏工艺操作的特点，参考干燥原理及其设备，提出了一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺及装置。
本发明采用如下技术方案实现：
所述固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺包括以下步骤：
(a)将固态发酵料经螺旋送料器送入连续蒸醇装置入口，物料经布料器后均匀分布在最上层加热盘表面上的转动栅格内，加热盘内通入0.1-1MPa的饱和水蒸汽，发酵料经加热盘间接加热后从其下料口落入下一层加热盘上对应的转动栅格内，依此连续流向装置出口，最后从出料口排出；
(b)发酵料中的乙醇和水经加热后部分汽化形成蒸馏气，蒸馏气经上方的排气口排出，排出的蒸馏气中一部分经冷凝后混入进料口中的发酵料形成回流，另一部分则直接通入精馏塔进行精馏。
所述步骤(a)中的饱和水蒸汽用高温导热油蒸汽或其他热气体替代。
所述步骤(b)中的蒸馏气冷凝部分和直接去精馏部分的比值为0～0.5。
所述连续蒸醇装置内部的温度保持在100℃及以上。
本发明提供的固态发酵料中连续分离燃料乙醇的装置，包括外壳、与外壳入口连接的螺旋物料输入机、与外壳出口连接的下料仓以及螺旋物料输出机、位于外壳中心轴上的转轴以及与转轴连接的驱动电机。所述螺旋物料输入机的下方、外壳内壁上设置布料栅板在所述转轴上串接多个加热盘，该加热盘是由两个圆盘和侧壁组成的中空体，腔体内设置蒸汽折挡板，并腔体内通入水蒸汽；在加热盘的侧壁对称开设蒸汽的进出口，并在加热盘上设置若干个供发酵料流动的扇形通孔；在每个加热盘上分别设置转动栅格；加热盘的蒸汽出口分别通过方形管道与流出蒸汽总管相连，并在流出蒸汽总管的末端设置气液分离器，将蒸汽和冷凝液分离；外壳的顶部设置蒸汽出口，并设置冷凝器，以及连接冷凝器与螺旋物料输入机的回流液管道。
所述加热盘内保持密封，蒸汽仅能从加热盘的进出口流入或流出；所述外壳的进料口和出料口均设有密封装置，进料口的密封采用发酵料堆积密封，出料口采用闸板阀或翻板阀或多层翻板阀进行密封，整个设备保持密封。
所述加热盘上的扇形通孔在垂直方向上依次向转动栅格转动反方向上错动一个扇形通孔大小的位置。
所述外壳的外壁上使用保温材料、采用夹套内通入蒸汽或电加热带进行保温，使温度保持在100℃及以上。
所述布料栅板是由数块栅格板组成的分料装置，由螺旋物料输入机输入的发酵料经布料器分料后能够均布在加热盘表面上的转动栅格内。
所述转动栅格是由两个圆筒型栅板，其间用数个直栅板连接而成，转动栅格的中心固定在贯穿于所有加热盘中心的转轴上，转动栅格随转轴一起转动。
本发明具有如下有益效果：
1.加热盘的独特设计及其与转动栅格的恰当工艺配合能够实现固态物料连续顺畅的流动，使得固态发酵料蒸醇工艺真正实现了连续化，从而提高了生产效率，降低了劳动强度，达到了节能降耗和降低生产成本的目的。
2.连续蒸醇工艺的实现使得蒸醇时间在较大的生产能力下缩短至半小时，大大提高了生产效率。
3.固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺及装置能够通过栅格的转动速度将生产能力调节在一定的范围，实现了生产的可控可调性操作。
4.通过调节回流比可以提高气相中乙醇的浓度，而且连续化操作使得气相中乙醇的浓度稳定，为进一步精馏提供了方便，为产品质量稳定提供了保障。
5.蒸馏气直接进入蒸馏塔进行精馏，省去了先冷凝再进入精馏塔的步骤，节约了能源，提高了精馏效率。
附图说明
图1为本发明所述的装置结构示意图。
图中标号：
1-驱动电机；2-冷凝液出口；3-气液分离器；4-蒸汽出口；5-流出蒸汽总管；6-蒸汽折流板；7-转轴；8-布料栅板；9-发酵料入口；10-螺旋物料输入机；11-冷凝器；12-装置外壳；13-转动栅格；14-加热盘；15-加热盘下料口；16-蒸汽入口；17-下料仓；18-螺旋物料输出机；19-双层翻板阀；20-出料口。
具体实施方式
本发明提供了一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺及装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，该装置主要包括外壳12、与外壳12入口连接的螺旋物料输入机10、与外壳12出口连接的下料仓17以及螺旋物料输出机18、位于外壳12中心轴上的转轴7以及与转轴7连接的驱动电机1。在螺旋物料输入机10的下方、外壳12内壁上设置布料栅板8，该布料栅板8是由数块栅格板组成的分料装置，由螺旋物料输入机10输入的发酵料经布料器分料后能够均布在加热盘表面上的转动栅格内。在所述转轴7上串接多个加热盘14，该加热盘14是由两个圆盘和侧壁组成的中空体，腔体内设置蒸汽折挡板6，并腔体内通入水蒸汽。在加热盘14的侧壁对称开设蒸汽的进出口，并在加热盘14上设置若干个供发酵料流动的扇形通孔。加热盘14内保持密封，蒸汽仅能从加热盘的进出口流入或流出。在每个加热盘14上分别设置转动栅格13，该转动栅格13是由两个圆筒型栅板，其间用数个直栅板连接而成，转动栅格的中心固定在贯穿于所有加热盘中心的转轴7上，转动栅格随转轴一起转动。加热盘14上的扇形通孔在垂直方向上依次向转动栅格13转动反方向上错动一个扇形通孔大小的位置。加热盘14的蒸汽出口分别通过方形管道与流出蒸汽总管5相连，并在流出蒸汽总管5的末端设置气液分离器3，将蒸汽和冷凝液分离；外壳12的顶部设置蒸汽出口，并设置冷凝器11，以及连接冷凝器11与螺旋物料输入机10的回流液管道。
外壳12的进料口和出料口均设有密封装置，进料口的密封采用发酵料堆积密封，出料口采用多层翻板阀19进行密封，整个设备保持密封。外壳12的外壁上使用保温材料、采用夹套内通蒸汽或者电加热带进行保温，使温度保持在100℃及以上。
固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺为：
(a)将秸秆类固态发酵料经螺旋送料器10送入装置顶部的布料栅板8，物料被均布在装置顶部第一层加热盘14上的转动栅格13内并随其一起运动，运动至加热盘下料口15时下落至第二层加热盘上的转动栅格内，依次类推直至装置底部的下料仓17，然后，物料经螺旋输出机18和双层翻板阀19输出，排出的糟渣进行干燥后燃烧或作为饲料处理。
(b)与此同时，饱和水蒸汽由蒸汽入口16进入装置内部并分散到各层加热盘的内部空间，冷凝放热后的冷凝水和未冷凝的蒸汽经流出蒸汽总管5汇集后进入气液分离器13，未冷凝的蒸汽进行余热利用，冷凝水汇集后与锅炉输水管并网输入锅炉。在热量由蒸汽向物料传递的同时，乙醇和水受热汽化后形成蒸馏气，蒸馏气输入冷凝器11进行部分冷凝，冷凝液混入螺旋物料输入机10中的固体发酵料形成回流，未冷凝的蒸馏气直接进入精馏塔进行精馏。
实施例1
向装置内的蒸汽管路通入0.4MPa的水蒸汽，稳定后，将甜高粱秸秆固态发酵料以5t/h的速度输入装置，发酵料中乙醇含量为3％(体积分数)，调整转轴转速使发酵料在装置内的停留时间为15min，发酵料在加热盘上的堆积高度维持在50～100mm，回流比调节为0.1。待***稳定后，取蒸馏后的糟渣进行乙醇含量分析，结果表明，乙醇的回收率为99.3％。
实施例2
向装置内的蒸汽管路通入0.4MPa的水蒸汽，稳定后，将甜高粱秸秆固态发酵料以3t/h的速度输入装置，发酵料中乙醇含量为5％(体积分数)，调整转轴转速使发酵料在装置内的停留时间为25min，发酵料在加热盘上的堆积高度维持在50～100mm，回流比调节为0.3。待***稳定后，取蒸馏后的糟渣进行乙醇含量分析，结果表明，乙醇的回收率为99.6％。
实施例3
向装置内的蒸汽管路通入0.4MPa的水蒸汽，稳定后，将甜高粱秸秆固态发酵料以2t/h的速度输入装置，发酵料中乙醇含量为7％(体积分数)，调整转轴转速使发酵料在装置内的停留时间为35min，发酵料在加热盘上的堆积高度维持在50～100mm，回流比调节为0.5。待***稳定后，取蒸馏后的糟渣进行乙醇含量分析，结果表明，乙醇的回收率为99.1％。
Claims (10)
1.一种固态发酵料中连续分离乙醇的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(a)将固态发酵料经螺旋送料器送入连续蒸醇装置入口，物料经布料器后均匀分布在最上层加热盘表面上的转动栅格内，加热盘内通入0.1-1MPa的饱和水蒸汽，发酵料经加热盘间接加热后由其下料口落入下一层加热盘上对应的转动栅格内，依此连续流向装置出口，最后从出料口排出；
(b)发酵料中的乙醇和水经加热后部分汽化形成蒸馏气，蒸馏气经上方的排气口排出，排出的蒸馏气一部分经冷凝后混入进料口处的发酵料形成回流，另一部分则直接通入精馏塔进行精馏。
2.根据权利要求1所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺，其特征在于，所述步骤(a)中的饱和水蒸汽用高温导热油代替。
3.根据权利要求1所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺，其特征在于，所述步骤(b)中的蒸馏气冷凝部分和直接去精馏部分的比值为0～0.5。
4.根据权利要求1所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的工艺，其特征在于，所述连续蒸醇装置内部的温度保持在100℃及以上。
5.一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的装置，包括外壳(12)、与外壳(12)入口连接的螺旋物料输入机(10)、与外壳(12)出口连接的下料仓(17)以及螺旋物料输出机(18)、位于外壳(12)中心轴上的转轴(7)以及与转轴(7)连接的驱动电机(1)，其特征在于，所述螺旋物料输入机(10)的下方、外壳(12)内壁上设置布料栅板(8)；在所述转轴(7)上串接多个加热盘(14)，该加热盘(14)是由两个圆盘和侧壁组成的中空体，腔体内设置蒸汽折挡板(6)，并腔体内通入水蒸汽；在加热盘(14)的侧壁对称开设蒸汽的进出口，并在加热盘(14)上设置若干个供发酵料流动的扇形通孔；在每个加热盘(14)上分别设置转动栅格(13)；加热盘(14)的蒸汽出口分别通过方形管道与流出蒸汽总管(5)相连，并在流出蒸汽总管(5)的末端设置气液分离器(3)，将蒸汽和冷凝液分离；外壳(12)的顶部设置蒸汽出口，并设置冷凝器(11)，以及连接冷凝器(11)与螺旋物料输入机(10)的回流液管道。
6.根据权利要求5所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的装置，其特征在于，所述加热盘(14)内保持密封，蒸汽仅能从加热盘的进出口流入或流出；所述外壳(12)的进料口和出料口均设有密封装置，进料口的密封采用发酵料堆积密封，出料口采用闸板阀或翻板阀或多层翻板阀进行密封，整个设备保持密封。
7.根据权利要求5所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的装置，其特征在于，所述加热盘(14)上的扇形通孔在垂直方向上依次向转动栅格(13)转动反方向上错动一个扇形通孔大小的位置。
8.根据权利要求5所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的装置，其特征在于，所述外壳(12)的外壁上使用保温材料、采用夹套结构或者电加热带进行保温，使温度保持在100℃及以上。
9.根据权利要求5所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的装置，其特征在于，所述布料栅板(8)是由数块栅格板组成的分料装置，由螺旋物料输入机(10)输入的发酵料经布料器分料后能够均布在加热盘表面上的转动栅格内。
10.根据权利要求5所述的一种固态发酵料中连续分离燃料乙醇的装置，其特征在于，所述转动栅格(13)是由两个圆筒型栅板，其间由数个直栅板连接而成，转动栅格的中心固定在贯穿于所有加热盘中心的转轴(7)上，转动栅格随转轴一起转动。
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