多級閃蒸技術在淀粉質原料酒精生產液糖化工藝中的應用

黃景祿，畢春普，谷玉鳳，張翠英，肖冬光

(1.承德避暑山莊企業集團，河北承德 067500；2.天津科技大學生物工程學院，天津 300457)

酒精生產液糖化工藝，加熱和冷卻都是必不可少的環節，也是酒精生產過程中蒸汽消耗的主要工段之一。一般情況下，經粉碎的淀粉質原料用酒精蒸餾過程的冷卻水等拌料，粉漿溫度為30～40 ℃，加入液化酶，經蒸汽加熱到88～90 ℃進行液化，再進入蒸汽噴射器提溫到100 ℃左右或更高進行保溫蒸煮熟化；熟化后的液化醪經過冷卻換熱降溫到60 ℃，加入糖化酶進行糖化，轉化為糖化醪，60 ℃糖化醪再降溫到30 ℃加入酒母進行發酵。在此過程中，粉漿自30～40 ℃升溫到100 ℃左右需要輸入大量的熱能（蒸汽），液化醪由100 ℃左右降溫至60 ℃糖化，糖化醪再降溫到30 ℃去發酵，需要冷卻輸出大量熱量。如何實現同一淀粉質原料兩種不同狀態物料之間熱量的高效互換，利用液化醪的余熱對淀粉質原料進行預煮,從而實現液化醪的余熱回收再利用，一直是酒精行業研究的課題[1]。各生產廠家采取的方法不同，傳統的換熱方式是利用間接換熱方式將液化醪與粉漿換熱，盡可能回收液化醪的部分熱量，減少加熱蒸汽用量。然而，間接換熱受換熱效率低的制約，仍有大部分的熱量沒有利用，導致冷介質需求量高于熱介質的量，形成過多的低溫熱量損失，增加蒸汽消耗量。

傳統換熱方式中的間接換熱，無論是板式換熱器、列管換熱器還是螺旋板換熱器，都是物料將熱量傳導到換熱面，通過換熱面實現高低溫度介質之間的熱傳導，都受到換熱器的導熱系數和流速、溫差等因素影響，換熱效率低，往往需要較大換熱設備或過量的冷介質來實現高溫介質的降溫。這是造成傳到冷介質的熱能低而影響熱能再利用的主要原因。

葛德忠[2]報道了在酒精生產液化系統中采用真空閃蒸技術，將二次蒸汽返回用于加熱液化前部分的混合料，從而達到降低能源消耗的目的。陳俊英等[3]發明了一種淀粉質原料液化糖化余熱回收工藝，在淀粉質原料液化糖化過程中增加了閃蒸過程，閃蒸產生的二次蒸汽作為預液化步驟中第二級換熱的換熱介質進行加熱，冷卻的冷凝水作為配料水添加，提高了節能節水效果。由于二次蒸汽與冷介質的換熱是間接換熱，換熱效率的提高仍然有限。孫發喜等[4]發明了淀粉質原料生產酒精的節能噴射液化系統，采用“閃蒸+吸收塔”組合方式，替代傳統間接換熱方法，有效提高了換熱效率?！伴W蒸-吸收塔”組合換熱的原理是將一定溫度的原料引入閃蒸室，由于閃蒸室中的壓力低于原料在該溫度下所對應的飽和蒸汽壓，故原料進入閃蒸室后成為過熱溶液而急速部分氣化，原料自身的溫度降低，所產生的蒸汽與吸收塔冷介質直接接觸，熱量通過蒸汽轉移到冷介質中與冷介質混合，隨著設備技術的不斷提高，吸收塔內部構件的改進，增加熱蒸汽與冷液體介質的接觸面，使得設備換熱效率幾近100%，遠大于間接換熱器的換熱效率，是相同介質間換熱的最佳選擇。根據物料沸點和壓力的對應關系，通過控制閃蒸罐的負壓來實現物料溫度控制，閃蒸出的高溫蒸汽與吸收塔內的冷介質直接接觸，加熱冷介質，此方法適合于同一物料的高低溫物料間的熱能交換，用于淀粉質原料液糖化工序的高低溫物料熱量轉換可有效提高熱能利用的效率。然而，在此物料換熱過程中，冷熱介質量是固定的，冷熱介質溫差達40～60 ℃，對于同一物料，一次降溫溫差過大，即采取一級“閃蒸-吸收塔”的換熱方式，不能達到所需換熱量，會出現因所需冷量過多，造成能源再利用受到制約。只有采用多級“閃蒸-吸收塔”組合，實現梯度換熱，才能解決此問題，從而大大提升熱量回收率。

1 八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工藝流程

1.1 八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工段工藝流程

承德避暑山莊企業集團年產10 萬噸玉米酒精生產線，其液糖化工序的主要溫度節點為：玉米粉漿溫度為39～40 ℃，蒸汽加熱到88～90 ℃進行液化，隨后進入噴射器再提溫到97～98 ℃后熟，熟化后的液化醪換熱降溫到60 ℃加糖化酶進行糖化，糖化醪再換熱降溫到30 ℃加入酒母進行發酵。為最大限度節約液糖化工段熱能，不僅對高溫液化醪熱量回收，也對糖化醪余熱部分回收，一并采用“閃蒸-吸收塔”組合換熱方式實現冷熱介質熱量互換。經過實際測算，對液化醪采取六級“閃蒸-吸收塔”由98 ℃降溫至60 ℃，對糖化醪采取二級“閃蒸-吸收塔”換熱，由60 ℃降溫至47.4 ℃，合計采用八級“閃蒸-吸收塔”組合梯度換熱，基本能實現液糖化熱量的全部回收利用。

八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工段工藝流程見圖1。玉米原料粉碎后，用酒糟離心清液、精塔冷卻水、鍋爐濃水等混合拌料，拌料后粉漿溫度為39～40 ℃，進入八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序液化糖化。具體工藝流程如圖1 所示，粉漿經離心泵送至一級、二級、三級組合吸收塔的頂部，吸收60 ℃的糖化液經兩級閃蒸逐級降溫至53.5 ℃、47.5 ℃產生的二次蒸汽的熱能及液化液六級閃蒸降溫至60 ℃產生的二次蒸汽的熱能，粉漿溫度逐級升溫至45.4 ℃、51.7 ℃、58 ℃；粉漿從一級、二級、三級組合吸收塔的底部經泵送至四級、五級組合吸收塔的頂部，吸收79 ℃液化成熟醪經過四級、五級閃蒸罐逐級閃蒸降溫至72.7 ℃、66.3 ℃產生的二次蒸汽，粉漿溫度逐級升至64.3 ℃、70.6 ℃；粉漿從四級、五級組合吸收塔底部排至料封罐，溢流至第一級預液化液罐，后經泵送至六級、七級、八級組合吸收塔的頂部，吸收98 ℃液化成熟醪經過一級、二級、三級閃蒸罐逐級閃蒸降溫至91.7 ℃、85.4 ℃、79 ℃產生的二次蒸汽，溫度逐級升溫至77 ℃、83.4 ℃、89.7 ℃；粉漿從六級、七級、八級組合吸收塔的底部排至料封罐，溢流至第二級預液化液罐液化，經離心泵送至噴射液化器，升溫至98 ℃，進入液化柱液化；液化成熟醪經泵送至液化液一級閃蒸罐，溫度從98 ℃降至91.7 ℃，經過液封逐級進入液化液二級、三級、四級、五級、六級閃蒸罐，溫度逐級降至85.4 ℃、79 ℃、72.7 ℃、66.3 ℃、60 ℃；降溫至60 ℃的液化液進入糖化罐糖化，糖化好的糖化液經泵送至糖化液一級閃蒸罐，降溫至53.7 ℃，經液封進入糖化液二級閃蒸罐，溫度降至47.5 ℃；降溫至47.5 ℃的糖化成熟醪經板式換熱器與25 ℃的循環水進行換熱，降溫至30 ℃后經泵送至發酵工段。

圖1 年產10萬噸玉米酒精生產線8級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序

1.2 八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序主要工藝參數

年產10 萬噸玉米酒精生產線八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序主要工藝參數如下：

（1）液化粉漿流量：124.7 t/h；冷卻水按25 ℃設計計算,玉米溫度按20 ℃設計計算。

（2）液化最高溫度98 ℃。

（3）生蒸汽用量：最大粉漿流量124.7 t/h，酒精度按14.5%vol，酒精產量14.3 t/h，噸酒精粉漿流量為8.7 t，從89.7 ℃升至98 ℃，理論計算（不考慮散熱損失）蒸汽消耗量為每噸酒精約0.107 t，考慮熱損失，冬季（-16 ℃）實際運行蒸汽消耗量為每噸酒精約0.15 t。

（4）液化醪從98 ℃降至60 ℃，糖化液從60 ℃降至47.5 ℃，全部通過醪-醪換熱實現，不需要消耗冷卻水（除冷凝不凝氣及真空泵工作密封水外）。

2 八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序運行情況

2.1 節能降耗情況

2020 年11 月14—18 日，8 級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序運行情況見表1。

（1）改造前液化工段噸酒精蒸汽消耗為0.53 t。

（2）改造后噸酒精蒸汽消耗為0.16 t（表1），液化工段噸酒精節省蒸汽0.37 t，增加電耗折算每噸酒精為8度。

表1 2020年11月14日至18日液糖化工序運行情況

（3）液化工段每小時節省25 ℃循環冷卻水112 t，折算每噸酒精節約7.8 t。

（4）糖化工段每小時節省循環冷卻水103 t，循環水進口溫度25 ℃，出口溫度40 ℃，折算每噸酒精節約7.2 t。

（5）減少去污水處理廠冷卻水63.3 t/h，折算每噸酒精節約用水4.4 t。

2.2 經濟效益分析

八級“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序噸酒精經濟效益計算見表2，從結果看，噸酒精節省蒸汽消耗0.37 t，節省循環用水15 t，減少污水處理量4.4 t，噸酒精綜合節省費用為60.2 元。承德避暑山莊企業集團年產玉米酒精10 萬噸，液糖化工段年節省蒸汽3.7 萬噸，節省循環用水150 萬噸，減少污水處理量44萬噸，綜合經濟效益為602萬元。

表2 液糖化工序噸酒精經濟效益計算

3 小結

由于各生產廠家原料和工藝的差異，粉漿溫度及液化溫度控制不一定相同，我們需要根據其冷物料與高溫物料溫度的差值來確定“閃蒸-吸收塔”的級數。粉漿初始溫度與預液化醪溫度（進入噴射器前），決定了最大回收熱量，而選擇的閃蒸級數決定了能回收熱量的多少。原理上閃蒸級數越多，回收熱量越多，但因受到粉漿初始溫度和液化醪溫度限制，閃蒸級數越多，各級閃蒸溫差越小，熱量回收增加不明顯。另一方面，閃蒸級數越多，需要配套更多的閃蒸罐和吸收塔，在設備投資及安裝占地上費用增加，相反閃蒸級數越少，各級溫差越大，則負壓差也相應增大，需要的冷量越多。