生物基燃料乙醇生产工艺的能耗分析与节能技术综述

化工进展·1596·CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2007年第26卷第1期生物基燃料乙醇生产工艺的能耗分析与节能技术综述董丹丹1,赵黛青1,廖翠萍!,陈宪笙2,唐兆兴2(中国科学院广州能源研究所,广东广州510640:2广东中科天元新能源科技有限公司,广东广州510640)摘要:针对如何高效、经济和可持续发展生物质液体燃料这一问题,考察了淀粉质原料生产燃料乙醇的整个流程,从原料预处理到酒精脱水,尤其针对蒸馏、蒸煮液化等耗能较大的阶段,对不同的生产工艺技术进行了能耗比较分析了不同的节能技术。通过大量的数据分析评述了最佳的技术路线,为燃料乙醇生产系统的节能降耗提出建议。关键词:燃料乙醇;能耗;淀粉质原料;生产工艺中图分类号:TS2614:TS262.6;TK08文献标识码:A文章编号:1000-6613(207)11-1596-06Energy consumption of fuel ethanol production and review ofenergy-saving technologiesDONG Dandan, ZHAO Daiqing, LIAO Cuiping, CHEN Xiansheng, TANG Zhaoxing2Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China;Guangdong Zhongke Tianyuan New Energy Sources Engineering Co, Ltd, Guangzhou 510640, Guangdong, China)Abstract: Fuel ethanol has become one of the most important liquid fuels because of the shortage offossil fuels. In this paper the production of starchiness-based fuel ethanol is reviewed, from thepretreatment of raw material to the dehydration of product. Different technologies are discussed andtheir energy consumptions are analyzed to find out the best technical route for the producers based onthe statistics. There are five steps to manufacture ethanol, and liquefaction and distillation are theimportant ones, as they consume more energy than others. Waste treatment is discussed based ondifferent raw materials. These results can be useful for the producersKey words fuel ethanol; energy consumption; starchiness-based material; production technology燃料乙醇可以通过谷物、薯类等发酵制得,脱将10%的燃料乙醇添加到汽油中,有助于遏制我国水后加入体积分数为5%的变性剂(一般为无铅汽日益增长的汽油需求量,它作为一种可再生资源代油或无铅的烃类)成为变性燃料乙醇。燃料乙醇除替石油是解决能源危机的一种行之有效的方法。燃具有替代车用燃料的功能外,还具有用作汽油辛烷料乙醇可以减少环境污染,对消化玉米、小麦陈化值改进剂和增加汽油氧含量以减少汽车尾气中的粮,实现农业的可持续发展,促进养殖业、加工业CO、烃类污染的功能。由中国石油和化学工业协的发展,提高我国的能源安全和国际竞争力等方面会提供的数据显示,2006年国内汽车产业持续快速都具有重要的战略意义围发展,推动汽油表观消费量较快增长,全年汽油表在2006年国际生物燃料会议上,国家发改委观消费量达到了52475万吨,同比增长87%。中工业司表示,今后政府将按照资源、技术、环保和国石油天然气集团公司所作的预期显示,2007年和能耗4项扶持指标控制支持范围和力度;国家还确2010年我国汽油需求将分别达到500万吨和60收稳日万吨左右2。而我国2006年原油进口量较上年增长基金项中国煤化工08-12005B70101040,14.5%,200年进口量有可能继续以两位数的势头XCNMHG增长,原油对外依存度继续扩大。这意味着我国将第一作者简介董丹丹(1982-),女,碩士研究生。联系人青,研究员,主要从事能源利用技术研发与评价工作。电话会越来越依赖于国外能源国家能源安全提上日程。870601E· mail zhaodq @msgiec accn第11期茧丹丹等:生物基燃料乙醇生产工艺的能耗分析与节能技术综述·1597·定了“2007年乙醇补贴统一减少到1373元吨”的选的处理工艺。对各阶段消耗的蒸汽、电力以及化新政策,而此前规定的2005年的补贴是1883元/学品生产所耗能量进行总汇,选用已产业化技术的吨,2006年是1628元吨。到2008年底,补贴将平均耗能值,可以得出各段的能耗消耗百分比,如再作调整。据有关专家分析,国家减少补贴的用意图2所示。分析得知,消耗蒸汽、电力最多的阶段是鼓励相关公司降低生产成本,提高企业的生产效即是能耗最大的阶段,如蒸馏、蒸煮液糖化和脱水率,在现有的补贴政策下实现最大限度的获利4。段;相比之下,化学品、微生物等的消耗所占的能本文作者对以淀粉为原料燃料乙醇生产流程进行耗量较小5。了分析,对不同的工艺及技术进行了能耗比较,提原料预处理出了各生产阶段的节能措施,用数据说明了不同技脱水20%术的节能效果,旨在为燃料乙醇企业的技术改革提蒸煮液糖化供建议1工艺流程乙醇的生产方法可概括为两大类:发酵法和化酵母发醇学合成法,我国乙醇生产以发酵法为主。按生产原料的不同,发酵法又分为淀粉质原料生产乙醇、糖45%质原料生产乙醇、纤维素原料生产乙醇以及用工厂废液生产乙醇等。糖质原料生产乙醇比淀粉质原料2燃料乙醇生产各阶段能量消耗的构成简单而直接,但酒槽的处理是其产业化的难点,2能耗分析和节能技术阶段该原料生产法的研究重点和其推广产业化的障在燃料乙醇生产流程中,蒸煮液糖化、蒸馏及碍之一。淀粉质原料发酵法是我国生产酒精的主要提纯工段是耗水耗蒸汽量最大的环节,因此也是当方法。该法是以玉米、木薯等农副产品为主要原料,今乙醇生产节能研究的热点。酒精废醪的处理也是对其中的淀粉成分进行液化发酵制得。原料首先经酒精生产的难点,废醪中的高COD如果直排会给过粉碎,破坏植物细胞组织,便于淀粉的游离。经环境带来很大压力,而不适宜的处理方法又给企业蒸煮处理,使淀粉糊化、液化,并破坏细胞,形成造成大量的成本消耗。下面针对生物基燃料乙醇主液化醪,使其更好地接受糖化酶的作用并转化为可要生产环节的能耗情况进行分析。发酵性糖后才能发酵。然后再进行蒸馏得到成品酒21蒸煮液糖化精,最后脱水就是无水酒精。无水乙醇添加变性蒸煮液糖化是原料发酵的准备阶段,将淀粉进剂就变成了燃料乙醇。其生产工艺流程见图1。行糊化、液化、糖化的阶段,为下一步酵母菌的利用可发酵性糖进行发酵做准备。a淀粉酶传统酒精生产采用135~145℃的高温和高压→世蒸馏,使淀粉粒溶解并科放出来,该过程由于耗用大量水蒸气因而其能耗占整个生产总能耗的30%左右6;另一方面,高温蒸煮易使原料中果糖转化为燃乙<“[水乙←换时]→↑焦糖,焦糖不仅不能使酵母发酵,还会阻碍糖化酶对淀粉的作用,影响酵母生长和酒精产量,淀粉损废处理「精糟「分静油失可达1.2%~1.5%,从而降低了淀粉出酒率,影图1淀粉质原料发酵法生产无水乙醇的工艺流程响企业效益。因此无蒸煮酒精发酵技术成为国内外竞相由图1淀粉质原料燃料乙醇生产流程图得知,蒸煮中国煤化工生料发酵、低温这是目前研究和燃料乙醇生产阶段主要有这样5个工段:预处理、应用CNMHG其中低温蒸煮蒸煮液糖化、酵母发酵、蒸馏、脱水。生产阶段后的可行性较强,其余3种则还处于实验研究或中试的废醪处理也要消耗一定的能量,这主要取决于所阶段。·1598·2007年第26卷低温蒸煮对于促进淀粉糊化溶解的原理与高吨酒精用水节约2t以上;③降低DDGS(即蛋白温蒸煮是不同的。它是在(85±5)℃的温度下,饲料)生产成本,提高其产出率,发酵醪浓度高,借助a-淀粉酶的作用,穿过网结构层而吸附于淀粉,固形物含量也高,分离、干燥费用就低:④减少废将淀粉链切短成糊精而使其溶出的一个过程。该水处理量;⑤提高设备利用率40%以上。工艺在国内外一些大型酒精生产厂已经成功工业同时,浓醪发酵也因为产物抑制、高渗透压和化应用。低温蒸煮可以减少高温蒸煮过程中糖分营养不足等因素,产生了发酵时间长、发酵不完全的损失,同时又可以减少高温高压的果胶质分解。物料黏度大、输送困难等的问题。把普通淀粉酶改但同时也有一些不足之处,因为蒸煮温度较低对用为耐高温a-淀粉酶,并减少糖化酶的使用量,能原料杀菌的效果就受到了限制,并且有碍淀粉颗取得良好的发酵结果1。酵母发酵中可能缺乏的营粒的充分糊化和溶出。研究发现,可以从以下几养物质包括氮、磷、镁、锌、硫、钙等无机盐以及方面提高低温蒸煮的出酒率:①采用合适的粉碎维生素、生物素等生长因子。针对薯类和谷物类及度,为15~1.8mm6;②添加复合酶,添加适量不同的生产条件,许多企业和研究单位对营养物和的蛋白酶、果胶酶、纤维素酶等,以破坏粗纤维、酶的最佳添加量进行了试验研究,得出优化的生产粗蛋白等对淀粉颗粒的保护作用;③添加抑菌工艺条件51,已逐步达到较先进的酒精生产企业剂,如青霉素等。④采用合适的工艺参数,拌浆10%~12%的发酵酒精浓度,其中天津冠达和吉林水温必须严格,不能低于60℃,液化时间尽可能乾安的酒精度达到14%保持在30min左右。此外,同步糖化发酵也是一个研究方向。据使用耐高温a淀粉酶在蒸煮温度85℃的情况调研,同步糖化的经济性、发酵周期都明显优于传下,可取得传统工艺蒸煮温度在135℃液化同样效统的先糖化后发酵的模式,但它的工业应用推广还果,蒸煮温度降低了45℃,在锅炉热效率为0.6有待进一步研究。的情况下,吨酒精节约原煤1456kg,降低率约为2.3蒸馏40%;吨酒精节水约40t;按10000万吨的原料计经酵母菌把糖转变成酒精后,在成熟发酵醪内,可多产酒精145。采用低温蒸煮,可有效地节能除含有酒精和大量水分外,还含有固形物和许多杂降耗,节能20%以上,提高产品得率1%。质。蒸馏就是经过粗馏和精馏,取得合乎规格的酒22酵母发酵精,同时得到副产物杂醇油,排出大量的酒槽。酒精发酵属于厌氧性发酵,发酵醪液中的营养蒸馏工段是能耗最大的工段,因此酒精生产物质一部分被酵母代谢合成菌体细胞,另一部分则.降低能耗的关键就在于如何降低蒸馏段的能耗。被发酵,生成酒精和二氧化碳除了调控好工艺本身的参数,如控制好进醪、供酵母发酵过程的浓醪发酵是现阶段国内外的研汽、冷却水量,采用最佳回流比,采用最适塔板究重点之一。浓醪发酵技术被认为是发展发酵工业数,合理增大板间距和汽速,运用夹点技术进行的有效途径之一,成熟发酵醪含酒精的高低不仅是诊断调优等,研究实践表明差压蒸馏、热泵蒸馏一个重要的技术经济指标,而且也是体现发酵技术热耦合蒸馏等更能明显降低蒸馏段的能耗,显著的标志。美国以玉米为原料的乙醇生产发酵酒度的降低生产成本平均水平是17%(体积分数,下同),有的高浓醪差压蒸馏是在两个或两个以上的塔系统内进发酵竟达20%;目前我国酒精生产仍有相当大部分行。各塔操作压力不同,前一效塔的压力高于后采用间歇式稀醪发酵,尤其是淀粉质原料的发酵醪效塔的压力,前一效塔顶蒸汽的冷凝温度略高浓度更低,成熟发酵醪含酒精一般在7%~10%。于后一效塔底液体的沸腾温度。第一效蒸馏可采这是我国酒精行业相对于国外同行在淀粉利用率、用生蒸汽加热,其塔顶蒸汽作为第二效塔釜再沸水耗、电耗、废水治理方面明显落后的一个重要原器的加热介质,同时被冷凝。依次逐效进行,最后因。在酒精生产过程中采用高浓度的醪液进行发酵,一效可以多方面提升生产流程1213:①降低能耗,经验压中国煤化工热源。经查,差表明,成熟醪酒精度每增加1%,蒸汽用量将减少所耗CNM产常压蒸馏吨酒精耗蒸汽约70%,其300kg;②节约工艺用水,目前一般酒精厂的料水它数据见表1。差压蒸馏已经在工程实际中得以应比为1:25左右,采用浓醪工艺为1:(1.8~20),用,节能效果显著。第11期華丹丹等:生物基燃料乙醇生产工艺的能耗分析与节能技术综述表1燃料乙醇蒸馏生产段差压蒸馏和常压蒸馏比较有分子筛、活性炭、生石灰、硅胶、氧化铝等。其常压燕馏差压蒸馏中分子筛是一类具有骨架结构的硅铝酸盐晶体,可蒸汽/·t1进行阳离子交换和可逆地脱水。与硅胶和活性氧化次水·t铝等吸附剂相比,分子筛具有强烈的吸水作用,其UkW·h原因是除了孔壁场的吸附作用力外,分子筛还有较大的静电力。两种作用力的存在使得分子筛吸附剂热泵蒸馏2是按照热力学第二定律,给蒸馏过的吸附力特别强。研究发现,采用酒精气相吸附、程施加外功,提高塔顶余热的品位,并用它作为塔用酒精蒸气作为分子筛再生介质,每生产1t无水釜的加热剂,达到节省蒸馏能耗的目的。热泵系统酒精消耗蒸汽09t,电25kW·hh,循环水85m3主要由蒸馏塔、压缩机、节流阀(膨胀机)、热交换一次水02t,消耗分子筛2kg;,消耗浓度95%(仁器组成。采用热泵蒸馏比常规蒸馏热效率至少提高积浓度)的酒精108t。30%,吨蒸馏汽耗可减少12~1.5t。热泵蒸馏技另一种引起注意的吸附剂是玉米粉。玉米粉在术处于有待推广的阶段。80~100℃温度范围内对乙醇-水蒸气系统中的水除此外,也可通过真空喷射装置采用闪蒸技术分子有很高的吸附选择性网,并且即使在水含量很达到节能的目的。闪蒸技术就是利用蒸汽喷射器低时,其吸附量也能保持较高水平。由于玉米粉是产生的真空,回收糟液中大量的二次蒸汽,使其与植物可再生的材料,且同时可作为原料使用,应用次蒸汽混合后被压送到用汽处,如蒸煮罐或粗塔前景乐观。存在的问题是流体通过时吸附剂阻力大,底部,从而减少了一次蒸汽的用量。闪蒸技术常常再生时能耗较高。目前该项技术在美国一些乙醇生用在常压蒸馏的两塔之间,回收粗塔废汽供精塔使产厂得到应用。用,其节能效果没有差压蒸馏显著。2.5废醪处理24脱水酒精糟液的处理是燃料乙醇生产中另一个关键蒸馏合格的酒精需要进一步脱水并添加改性剂工序。以淀粉质原料发酵法生产酒精,每吨酒精排放才能做燃料乙醇,脱水技术是生产燃料酒精的关键13~16t废液。这其中包括来自蒸馏发酵成熟醪后排技术之一。发酵得到的酒精醪液经普通精馏可得到出的酒精糟、生产设备的洗涤水、冲洗水以及蒸煮接近乙醇-水恒沸浓度的酒精产品,其体积分数为糖化、发酵、蒸馏工艺的冷却水等。废液中固体物含955%。而燃料乙醇要求酒精的体积分数为998%,量5%~8%,COD高达50000-700mgL,BOD需用特殊分离技术才能获得合格产品。目前脱水技达20003000mgL,而且含有机质N、P、K和术分为传统技术、改良传统技术和非传统技术3类。少量氨基酸等。该无毒超高浓度有机废液若不经处传统技术有真空蒸馏法和三元蒸馏法(或称恒沸精理直接排放,会给环境带来很大的危害,而且浪费了馏法)。真空法对设备的要求高,运行费用昂贵;三其中丰富的可供利用的营养物质;而不适当的处理方元法引入的第三组分苯或环己烷等对人体有害,苯式则会加大投资,增加企业负担。目前行之有效废液是一种公认的致癌物,环己烷的毒性也受到人们的处理方式是首先进行固液分离,固形物干燥作饲料怀疑,并且该方法能耗高1(70008000k乙上清液或回用用作拌料水,或进行直接进行厌氧处理醇)。传统改良技术即是在蒸馏段提到过的热泵和差发酵产沼气,废醪处理方案见图2压技术,在恒沸精馏等传统技术中应用热泵或差压,对于玉米酒糟液处理方法主要有二类:第一类两者都可显著提高蒸汽的利用率达到节能的效果。为固液分离厌氧处理工艺;第二类是DDGS工艺非传统技术主要包括超临界和亚临界提取技术、即将酒精糟离心分离,分离的清液进行浓缩,浓缩吸附脱水技术、超声波与沸石吸附相结合技术固体一处理作饲料加盐萃取技术及滲渗透蒸发新技术等。非传统方固液分离a∫接机本田法能耗低,是广泛研究的新领域,也是未来燃料乙中国煤化工→无害排放醇制备的发展方向。除吸附脱水技术已经工业化应用外,其余都还处于进一步实验研究阶段CNMHG好氧处理一排放全渣制Ds魂液厌氯一无害排放吸附脱水技术中利用吸附剂对混合物中不同组分的选择性吸附作用制得无水酒精。常用的吸附剂图2淀粉质原料酒精废醪处理方案示意图·1600化工进展2007年第26卷后的固形物与离心分离后的固形物一起再进行干物质可被酵母所利用,是回用发酵初期醪液中酒燥,加工成饲料即DDGS出售;蒸发冷凝液再进行精含量有所增高的重要因素。但同时酒精废糟中厌氧-好氧处理。国内当前第二种工艺类型呈发展趋还含有大量对酵母菌的生长和发酵有抑制作用的势,该工艺类型基本全部回收了酒精糟液固形物,物质,若不将其控制在一定的范围内,将会影响并较好地解决了环境二次污染问题。美国、西欧等整个生产的运经济发达国家均采用浓缩、蒸发工艺处理玉米酒精淀粉质原料的废糟还可以进行全醪发酵处理糟。DDGS的蛋白含量可达27%~30%,营养价值该方法简单可行,经济效益高。生产毎吨燃料乙醇与大豆相当,便于存放和运输,是十分畅销的精饲就有281m3的沼气产出沼气热值高达500kam3料,尤为重要的是较彻底地消除了酒精糟的严重污(1kcal=418k),可直接作为锅炉或发电的燃料,染。但该工艺也存在设备投资、设备维修率及工艺节约大量锅炉用煤,也可以直接供居民生活用能,流程耗能都很高的缺点。是乙醇生产的一项极具经济价值的副产物。薯干酒精废醪由于其黏度比玉米酒精废醪更26节能及节能效果大,因此直接的机械分离往往难以奏效。为了使机酒精行业是国民经济重要的基础原料产业,发槭分离得以顺利进行,常在机械分离之前添加一些展燃料乙醇是解决我国化石能源高消耗的方法之化学助剂(如pH调整剂、絮凝剂、助滤剂等)来降低乙醇生产过程能源消耗意义重大。表2对调节,以改善废醪分离性能。固形物分离后进行燃料乙醇生产的节能技术进行了总结。应用科学节干燥,一方面售给农户喂猪、牛,另一方面烘干售能的技术可以为节约大量能源。我国许多中型、小给饲料厂家作深加工。液体釆用复合厌氧反应器或型乙醇生产企业却不注重生产技术和生产设备的科厌氧好氧混合式技术进行处理,系统COD去除率学性,陈旧的技术和不合理的废糟处理方式不仅耗达99.6%,BOD3去除率998%,并且具有较好的经费了大量的能源,而且对环境造成了污染。目前国济效益内已有部分生产企业应用运行低温蒸煮、浓醪发酵固液分离后的清液除进行处理排放外,还可差压蒸馏和分子筛脱水等工艺,节能效果显著,总将一部分废液返回生产中用于拌料的回用路线。能耗可降低50%左右,针对不同原料的合理的废醪在节约生产用水的同时,废液中残存的某些营养处理也为企业带来经济效益。表2燃料乙醇生产流程节能技术及其节能效果生产工段陈旧技术适宜推广的新技术及其节能效果在研技术蒸煮液糖化135℃高温蒸煮双酶法85℃的低温蒸煮(1)生料发酵:(2)挤压膨化:(3)超细磨节能效果:节能20%以上,提髙产品得率1%酵母发酵酒度为8%左右的稀醪发酵洒度为10%以上的浓酵发醇节能效果:节能节水,提高设备利用率40%以上常压蒸馏差压蒸馏(1)热泵蒸馏;(2)真空喷射装置节能效果:节省蒸汽50脱水乙二醇萃取分子筛法(1)应用热泵或差压技术:(2)超临界和亚临界或环己烷共沸法节能效果:共节省蒸汽电力20%技术;(3)渗透蒸发技术;(4)加盐萃取技术废醪处理直排或先厌玉米:酒精废槽液生产全干燥蛋白饲料(DDGs)氧后好氧处埋木薯:全醪发酵生产沼气3结语(2)企业组建自身研发团队,依靠一线数据和中国煤化工新技术,鉴于我国实际情况,乙醇生产的节能可以从以生产能耗规定,定下几方面做起:期对CNMH(审查能源审计,勒(1)合并重组小型乙醇生产企业,扩大酒精生产令促使能源消耗、环境排放不合格的企业进行技改,能力增强企业实力进而进一步对企业进行技术改造。否则强行关闭。第11期董丹丹等:生物基燃料乙醇生产工艺的能耗分析与节能技术综述1601·参考文献I刀]肖冬光,许葵,李瑞青酒精浓醪发酵生产工艺的优化门酿酒科技,[韩德奇,李伟,张冬擲,等燃料乙醇的生产进展和应用探讨叨004(6)4042化工技术经济,2002,20(6)915[18] 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