燃料乙醇生產(chǎn)工藝中熱耦合技術(shù)應(yīng)用及研究進(jìn)展

武國慶，魏 妮，李冬敏，沈乃東，張宏嘉

(1.中糧營養(yǎng)健康研究院，北京 102209；2.國家能源生物液體燃料研發(fā)中心，北京 102209)

節(jié)能降耗是企業(yè)降本增效、提升經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，也是建設(shè)生態(tài)型社會，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。我國“十四五”時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃把發(fā)展綠色生態(tài)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)新進(jìn)步作為社會發(fā)展的主要目標(biāo)之一，明確提出到2025 年“單位GDP能源消耗”要降低13.5%[1]，并將其列為約束性指標(biāo)，這為生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)節(jié)能技術(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益提出了更高的要求。

燃料乙醇是清潔高效的可再生能源之一，為降低石油等化石能源消耗，減輕環(huán)境污染，促進(jìn)生態(tài)社會建設(shè)發(fā)揮了重要作用。燃料乙醇生產(chǎn)過程需要消耗大量能量，節(jié)能降耗已成為該行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施和必然途徑。其生產(chǎn)工藝主要包括原料液糖化及發(fā)酵等生化反應(yīng)、乙醇分離（精餾聯(lián)合分子篩脫水）和聯(lián)產(chǎn)品DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles)生產(chǎn)3 個(gè)部分，其中涉及精餾、蒸發(fā)、干燥等諸多化工單元操作，需要消耗大量蒸汽。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的玉米乙醇生產(chǎn)工藝核算，蒸汽消耗約占總能量消耗的90 %。其中，精餾、DDGS 生產(chǎn)和液化過程分別消耗蒸汽1.8 t/t 乙醇、1.56 t/t 乙醇和0.4 t/t 乙醇，占總蒸汽消耗的50 %、40%和10%[2]。因此，通過生產(chǎn)過程熱耦合實(shí)現(xiàn)能源梯級利用，降低精餾和DDGS 生產(chǎn)的蒸汽消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，是燃料乙醇行業(yè)的重要發(fā)展方向之一。

“熱耦合”主要指工廠利用低品位余熱作為熱源，通過直接或者間接方式供熱，是一種簡單易行的有效節(jié)能手段。在燃料乙醇生產(chǎn)過程中，余熱回收與利用主要通過閃蒸[3-5]、熱交換[6-8]、機(jī)械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression，MVR）[9-10]等方式實(shí)現(xiàn)。在工藝設(shè)計(jì)中，如何通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算，將熱能在不同生產(chǎn)單元之間梯級利用，是實(shí)現(xiàn)熱耦合的關(guān)鍵。

國內(nèi)較早的燃料乙醇生產(chǎn)裝置多延續(xù)食用酒精設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)大多追求口味，對能耗問題重視不足，缺乏對整體生產(chǎn)工藝的熱耦合設(shè)計(jì)與核算，導(dǎo)致單位生產(chǎn)能耗偏高[11]。近幾年新建的燃料乙醇裝置高度注重節(jié)能降耗，在重點(diǎn)關(guān)注生產(chǎn)單元之間的熱耦合的同時(shí)，也兼顧了配套能源站與生產(chǎn)單元的耦合[12-13]，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終達(dá)到節(jié)能降耗，提高企業(yè)綜合效益的目的。近些年，隨著原料變化及工藝改進(jìn)，現(xiàn)有的能量耦合方式出現(xiàn)了一些新問題。本文針對現(xiàn)有典型燃料乙醇生產(chǎn)工藝中的能量耦合方式的特點(diǎn)，深入分析各操作單元的熱能利用方式及存在問題，為工廠節(jié)能降耗提出改進(jìn)建議，供業(yè)界參考。

1 燃料乙醇生產(chǎn)典型工藝熱耦合

燃料乙醇生產(chǎn)中各個(gè)單元可能采用不同的工藝，導(dǎo)致熱量耦合方式也不同。本文針對國內(nèi)典型燃料乙醇生產(chǎn)工藝和美國應(yīng)用最廣泛的ICM工藝，分別對其熱耦合進(jìn)行分析，探討其優(yōu)勢和不足。這兩種工藝的區(qū)別主要在于精餾、DDGS 干燥工藝以及干燥能源供給方式不同。國內(nèi)燃料乙醇生產(chǎn)通常采用三塔差壓精餾，DDGS 干燥采用管殼式干燥機(jī)，干燥熱源為燃煤鍋爐間接生產(chǎn)的蒸汽。而ICM采用全負(fù)壓精餾，DDGS 干燥采用旋轉(zhuǎn)鼓式或者環(huán)式干燥機(jī)，干燥熱源為天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣，因此熱耦合形式不同。

1.1 國內(nèi)典型燃料乙醇生產(chǎn)工藝中熱耦合應(yīng)用現(xiàn)狀

在國內(nèi)燃料乙醇生產(chǎn)中，普遍采用噴射液化、同步糖化發(fā)酵、三塔差壓精餾聯(lián)合分子篩脫水和蒸發(fā)濃縮相結(jié)合的干燥工藝。工藝流程如圖1所示。

1.1.1 調(diào)漿液化過程中熱耦合的應(yīng)用

由圖1 可見，首先玉米等粉料與熱水按一定比例混合進(jìn)行調(diào)漿，調(diào)漿溫度通常控制在60 ℃左右，調(diào)漿水利用精餾塔釜水、清液等高溫?zé)嵩此S還會根據(jù)實(shí)際情況利用其他單元產(chǎn)生的廢水或新鮮工藝水補(bǔ)充調(diào)漿水，并利用精餾余熱加熱。

噴射液化溫度通常在90～105 ℃，液化醪溫度控制在80～90 ℃，而后續(xù)同步糖化發(fā)酵溫度在30 ℃左右，采用液化醪與成熟醪換熱的方式回收液化醪熱量。

液化醪余熱回收也可采用閃蒸方式。液化醪閃蒸降溫，液化閃蒸汽為調(diào)漿提供熱源。河南天冠公司在調(diào)漿和液化過程中為進(jìn)一步優(yōu)化能量利用，將液化后二級閃蒸蒸煮工藝改造為三級閃蒸蒸煮工藝，節(jié)省約0.5 t 蒸汽/噸酒精[14]。葛德忠[15]采用四級閃蒸對液化系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，利用產(chǎn)生的多級閃蒸汽給不同級液化罐供熱，實(shí)現(xiàn)了能量梯級利用，與改造前相比節(jié)省蒸汽0.231 t/t乙醇。

近些年隨著高效液化酶的出現(xiàn)，部分裝置采用了DELTA-T 低溫液化工藝，85 ℃調(diào)漿后液化，無蒸汽噴射過程，充分體現(xiàn)出節(jié)能的優(yōu)勢[16]。此工藝調(diào)漿水需要加熱至約99 ℃，除了利用高溫塔釜水、清液外，再利用多效蒸發(fā)高溫凝液、DDGS 干燥外供蒸汽凝液加熱，最后再用外供蒸汽加熱，充分利用工廠余熱，降低蒸汽耗量。

1.1.2 乙醇精餾過程中熱耦合的應(yīng)用

如圖1乙醇分離部分所示，精餾采用粗塔、組合塔和精塔三塔差壓工藝。三塔分別在負(fù)壓、常壓和加壓下操作。精塔塔釜外供蒸汽（約175 ℃），精塔頂酒精蒸汽送至組合塔塔釜再沸器（約120 ℃），組合塔塔頂蒸汽送至粗塔塔釜再沸器，實(shí)現(xiàn)了熱量的梯級利用。三塔差壓精餾蒸汽消耗為2.6～2.9 MJ/L乙醇，而酒精的總熱量為23.5 MJ/L，精餾能耗占產(chǎn)品總能量的11 %～12 %。如果不采用熱耦合技術(shù)，采用常壓精餾法進(jìn)行分離乙醇，則能耗為7～14 MJ/L，占產(chǎn)品總能量的30%～60%[17]。相比之下，三塔差壓精餾節(jié)能效果顯著。

提高進(jìn)料溫度也是蒸餾系統(tǒng)節(jié)能的措施之一。利用熱交換技術(shù)使塔底高溫物流與進(jìn)塔物流換熱，提高進(jìn)料溫度至接近其泡點(diǎn)溫度，從而降低再沸器熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)熱量綜合利用[18]。

1.1.3 DDGS生產(chǎn)過程中熱耦合的應(yīng)用

如圖1 中DDGS 部分所示，干燥尾氣給蒸發(fā)濃縮供熱。由于干燥尾氣不能滿足蒸發(fā)熱量需求，需要將外供蒸汽凝液閃蒸后的閃蒸汽作為蒸發(fā)濃縮的補(bǔ)充熱源。該工藝中干燥與蒸發(fā)熱耦合使蒸發(fā)濃縮單元不需要外供蒸汽，節(jié)省了蒸汽消耗。

圖1 國內(nèi)典型生產(chǎn)工藝流程圖

有些裝置濕糟可以直接銷售不需要干燥。當(dāng)沒有干燥尾氣利用時(shí)，清液濃縮時(shí)可以采用MVR技術(shù)達(dá)到節(jié)能的目的。在多效蒸發(fā)系統(tǒng)中，末效二次蒸汽溫度40～50 ℃，可以采用MVR 技術(shù)提高二次蒸汽的溫度和熱值，再作為蒸發(fā)熱源。MVR 啟動(dòng)后不需要輸入外供蒸汽，如果工廠還有多余低品位閃蒸汽，可以與MVR 聯(lián)合使用，降低蒸發(fā)能耗，低品位蒸汽與MVR 聯(lián)合使用蒸發(fā)1 t 水的電耗僅為18～20 kW/h[19]。

表1 總結(jié)了國內(nèi)典型工藝和ICM 工藝需熱單元與供熱方式，由表1 可知，該工藝在各需熱單元中液化、精餾和干燥對熱源品位要求高，需要外供蒸汽。而蒸發(fā)可以利用較低品位的蒸汽作為熱源。調(diào)漿需要熱源品位最低，可以回收精餾中高溫物流的顯熱和潛熱熱量來滿足調(diào)漿對熱量的需求。

表1 國內(nèi)典型工藝和ICM工藝需熱單元與供熱方式

1.2 ICM生產(chǎn)工藝

ICM 公司是美國知名的工程設(shè)計(jì)公司，其開發(fā)的燃料乙醇生產(chǎn)工藝在北美市場占有率超過60 %，有120 多家燃料乙醇工廠使用[20]。下面以ICM 公司代表性的專利技術(shù)為例介紹熱耦合技術(shù)在燃料乙醇生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用[21]，工藝流程圖見圖2。與國內(nèi)典型燃料乙醇工藝類似，ICM 工藝同樣在液化、精餾及蒸發(fā)三個(gè)單元的供熱設(shè)計(jì)中采用了熱耦合技術(shù)，但在具體實(shí)施過程中有其獨(dú)特之處。

1.2.1 調(diào)漿、液化熱耦合

ICM 工藝的調(diào)漿、液化單元與國內(nèi)典型工藝基本相同，只是工藝參數(shù)略有不同，其采用85 ℃調(diào)漿，105 ℃噴射液化[16]。精餾采用了全負(fù)壓操作，塔溫低，因此液化閃蒸汽能夠作為汽提塔熱源，精餾與液化耦合。

1.2.2 乙醇精餾熱耦合

與國內(nèi)燃料乙醇工藝不同，ICM 工藝中采用了粗塔、精塔和汽提塔三塔全負(fù)壓的精餾方式，熱源溫度不超過90 ℃，因此，可以利用工藝過程中的低品位蒸汽進(jìn)行供熱。如圖2 所示，粉漿噴射液化后產(chǎn)生的閃蒸汽和清液蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的二次汽分別為汽提塔和粗塔提供熱源，汽提塔塔頂汽送至精塔繼續(xù)提純和供熱，汽提塔釜液為調(diào)漿水提供熱源。PSA（Pressure Swing Adsorption）產(chǎn)生的過熱酒精汽作為清液蒸發(fā)熱源。由于充分利用了余熱，整個(gè)精餾過程無需輸入外供蒸汽。

圖2 ICM生產(chǎn)工藝流程圖

1.2.3 DDGS熱耦合

從圖2 可以看出，清液蒸發(fā)熱源為過熱酒精蒸汽與外供低壓蒸汽混合熱源，而多效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次汽與精餾耦合，作為粗塔熱源。濕糟與濃漿干燥采用直燃旋轉(zhuǎn)鼓式干燥機(jī)或環(huán)式干燥機(jī)，熱源為天然氣直接燃燒產(chǎn)生的煙氣，煙氣與濕糟直接接觸，干燥尾氣直接焚燒處理。若采用間接燃燒旋轉(zhuǎn)鼓或者環(huán)式干燥機(jī)更加節(jié)能，通常用天然氣直接燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過煙氣換熱器間接加熱濕糟中干燥出的水蒸汽（干燥尾氣），干燥尾氣部分循環(huán)回干燥機(jī)，剩余干燥尾氣進(jìn)行余熱回收，一般多用于生產(chǎn)低壓蒸汽，供其他用熱單元使用[22]。

從表1 可知，ICM 工藝需熱單元與國內(nèi)典型工藝基本相同，其液化熱源品位要求高，需外供175 ℃蒸汽。90 ℃左右的蒸汽即可滿足精餾需求。清液蒸發(fā)也在真空下操作，熱源溫度在100～115 ℃可滿足需求，熱耦合效果更顯著。

2 不同熱耦合方式分析及存在問題

在燃料乙醇各單元生產(chǎn)中，可以通過閃蒸、熱交換及MVR 等形式充分利用工廠各品位余熱。以下主要從不同操作單元分析不同熱耦合方式及存在的問題。

2.1 調(diào)漿與液化

調(diào)漿熱源可以利用裝置中產(chǎn)生的精塔釜水、清液等，除了降低蒸汽消耗外，還降低了工廠水耗及污水處理量。調(diào)漿熱源采用液化閃蒸汽時(shí)，既可以間接供熱又可以直接供熱（直接通入物料），在很多情況下還可利用MVR 提升蒸汽品位，為精餾供熱，利用形式比較靈活。但是需要采用抽真空方式把低壓乏汽引入預(yù)熱塔，增加了設(shè)備投資和電耗。

液化醪采用熱交換與成熟醪換熱時(shí)，由于溫度降低液化醪粘度增大容易堵塞換熱器，特別是高濃發(fā)酵時(shí)，采用寬通道換熱器可以解決堵塞問題。醪醪換熱器為靜設(shè)備，不需要增加電耗。

2.2 精餾

三塔差壓工藝主要為精餾內(nèi)部熱耦合。該工藝能耗較低，充分利用了各級品位的熱能，大大降低了熱量的消耗。三塔差壓的缺點(diǎn)主要是流程長，對蒸汽品位要求高，設(shè)備投資增加[23]；塔溫較高，原料適應(yīng)性弱，更換易起泡原料（如稻谷）時(shí)會發(fā)生堵塔現(xiàn)象[24-25]，給工廠造成經(jīng)濟(jì)損失；塔釜溫度較高時(shí)，則容易造成DDGS 色澤深[26]，售價(jià)偏低；多塔差壓熱量的深度耦合使得裝置的靈活性降低。

全負(fù)壓精餾工藝的熱耦合方式采用液化、精餾和蒸發(fā)一體化設(shè)計(jì)，充分考慮了單元與單元之間整體熱耦合，流程簡單，設(shè)備投資低；塔溫低，原料適應(yīng)性強(qiáng)，塔釜溫度低，能較好的解決堵塔和DDGS色澤深的問題。

2.3 蒸發(fā)與干燥

當(dāng)干燥采用管殼式干燥機(jī)時(shí)，干燥與蒸發(fā)熱耦合。該耦合方式不足之處為二次汽中含有易揮發(fā)有機(jī)物，作為蒸發(fā)熱源換熱后生成凝液，將會增加廢水處理成本；與外供蒸汽熱源相比增大了蒸發(fā)器的換熱器面積，固定投資增加。采用外供蒸汽凝液閃蒸的閃蒸汽作為補(bǔ)充熱源，其缺點(diǎn)是需要增加鍋爐補(bǔ)水，鍋爐供水需要進(jìn)行處理，增加了成本。

當(dāng)采用直燃式旋轉(zhuǎn)鼓或者環(huán)式干燥機(jī)時(shí)，干燥尾氣中含有大量N2等不凝氣，不能被蒸發(fā)所利用，通常直接去蓄熱焚燒爐處理。該工藝中多效蒸發(fā)熱源采用過熱酒精汽和外供蒸汽，間接燃燒式旋轉(zhuǎn)鼓或者環(huán)式干燥機(jī)能夠回收余熱，因此經(jīng)濟(jì)性更好。

多效蒸發(fā)濃縮清液采用MVR 技術(shù)也存在一些實(shí)際問題。由于酒精廢醪液中組分復(fù)雜、雜質(zhì)含量高，實(shí)際消耗的能量往往高于理論值[9]。

3 展望

3.1 加強(qiáng)單元整體化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化熱耦合

熱耦合涉及多個(gè)單元的熱量交換和交叉利用。國內(nèi)燃料乙醇裝置分單元設(shè)計(jì)，各個(gè)單元大多由不同設(shè)計(jì)單位承擔(dān)，再由設(shè)備廠商承接各類設(shè)備，各單元能量利用難于全面考慮。而采用裝置整體化設(shè)計(jì)，可以比較全面系統(tǒng)的考慮熱耦合。

除了生產(chǎn)單元之間熱耦合之外，工藝設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮生產(chǎn)單元和公用工程之間的熱耦合，利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化裝置間的熱耦合[27-28]，通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型，搭建了產(chǎn)品生產(chǎn)線數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)平臺，并結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)的相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的模擬仿真與精益控制，提升產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率[29]。借助信息平臺能夠了解生產(chǎn)單元用熱情況，與夾點(diǎn)技術(shù)相結(jié)合，對工廠裝置節(jié)能起到積極的效果。

3.2 裝置節(jié)能設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的平衡

熱耦合雖然能夠降低裝置蒸汽消耗，但是有些熱耦合也增加了工藝的復(fù)雜性，增加設(shè)備投資。三塔差壓熱耦合對原料適應(yīng)性產(chǎn)生負(fù)面影響，原料變化時(shí)會導(dǎo)致堵塔，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)采用閃蒸和MVR 方式進(jìn)行熱耦合時(shí)，不僅增加了設(shè)備投資，還需增加抽真空泵和壓縮機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，增加電耗及維護(hù)成本。因此在選擇耦合方式時(shí)還需要從操作成本和固定成本的角度進(jìn)行整體經(jīng)濟(jì)性核算。

3.3 熱耦合工藝與先進(jìn)生產(chǎn)工藝的結(jié)合與挑戰(zhàn)

隨著燃料乙醇生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，不斷有新的工藝出現(xiàn)，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用。其中，生料發(fā)酵和膜分離是兩種代表性技術(shù)。生料發(fā)酵與傳統(tǒng)燃料乙醇工藝相比，粉漿低溫液化后直接進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，沒有高溫蒸煮過程，因此蒸汽能耗大幅降低[30-31]。ICM工藝采用液化閃蒸汽熱源為精餾供熱，如果采用生料發(fā)酵，精餾熱源需要重新考慮。膜分離與精餾耦合脫水技術(shù)與傳統(tǒng)精餾聯(lián)合PSA相比，蒸汽消耗低[32-33]。從工藝操作的角度看，從分子篩膜單元出來的成品酒精汽溫度受分子篩膜操作溫度的影響，而成品酒精汽在國內(nèi)工藝和ICM工藝中分別為精餾原料加熱和蒸發(fā)提供熱源，因此酒精汽溫度的改變最終影響成品乙醇蒸汽的熱耦合效果。生料發(fā)酵及分子篩膜脫水等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用對工藝間的熱耦合提出了新的要求。在新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的今天，如何通過熱耦合對燃料乙醇工廠進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的，提升企業(yè)綜合效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是燃料乙醇行業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。