魏 妮,李冬敏,沈乃東,張宏嘉,周宏才,姜新春,張德國,佟 毅,李 凡
(1.中糧營養(yǎng)健康研究院,北京 102209;2.廣東中科天元新能源科技有限公司,廣東廣州 510640;3.中糧生物科技股份有限公司,安徽蚌埠 233010;4.營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗實,北京 102209;5.北京市畜產(chǎn)品質(zhì)量安全源頭控制工程技術(shù)研究中心,北京 102209)
酒精工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,主要用于代替部分汽油作為燃料,調(diào)制酒精飲料以及化工、醫(yī)藥行業(yè),鋰電池電解液溶劑等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步,酒精生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,新建單套裝置產(chǎn)能可達(dá)30萬噸/年[1-2],酒精產(chǎn)能迅猛發(fā)展,2021年我國食用酒精和工業(yè)酒精產(chǎn)能約1600萬噸[3]。
酒精生產(chǎn)主要指以玉米和木薯等淀粉質(zhì)為原料,經(jīng)過粉碎、液化、糖化、發(fā)酵和酒精分離等工藝制成酒精產(chǎn)品。目前精餾是企業(yè)實現(xiàn)酒精分離采用的最普遍的方法,精餾后乙醇濃度很高,同時酒精損失極少[4]。但是精餾工藝能耗高,占酒精生產(chǎn)過程的50%~80%[5]。
“熱耦合”主要指利用低品位余熱作為熱源,將其直接或者升級后通過直接或者間接方式供熱,是一種簡單易行的節(jié)能手段。在酒精生產(chǎn)中,精餾系統(tǒng)中的熱耦合主要通過閃蒸或差壓熱交換方式來實現(xiàn)[6]。在精餾工藝設(shè)計中,如何通過精餾設(shè)計和計算,實現(xiàn)能量梯級利用,是實現(xiàn)熱耦合的關(guān)鍵。通過熱耦合能夠降低精餾能耗,提高精餾工藝先進(jìn)性。
近年來,受玉米、木薯價格等因素影響,酒精生產(chǎn)原料逐漸多樣化,除了玉米和木薯外,陳化小麥及水稻也成為酒精生產(chǎn)的重要原料[7-8]。國內(nèi)酒精生產(chǎn)多采用帶渣發(fā)酵,蛋白質(zhì)等固體物質(zhì)也進(jìn)入到精餾系統(tǒng)。多塔差壓設(shè)計中精餾塔溫高,稻谷和小麥中的蛋白質(zhì)在高溫下容易聚集,谷蛋白易發(fā)泡的特點使精餾塔更容易霧沫夾帶,攜帶聚集的變質(zhì)蛋白質(zhì)到塔板上,造成精餾堵塔,給工廠造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
下面主要介紹國內(nèi)酒精生產(chǎn)過程的精餾工藝和熱耦合情況,通過分析它們的工藝特點,提出適合多原料的酒精生產(chǎn)精餾工藝,同時利用熱耦合降低裝置的能耗,為酒精生產(chǎn)企業(yè)提供參考。
隨著社會進(jìn)步和技術(shù)水平不斷提高,人們對酒精質(zhì)量的要求也越來越高。酒精質(zhì)量越高,酒精中雜質(zhì)分離得越徹底,需要的精餾塔數(shù)量和蒸汽消耗都越多。多塔精餾是提高酒精質(zhì)量的必要措施,不同時期對酒精質(zhì)量要求不同。早期的多塔蒸餾大多采用多塔常壓精餾,各塔都采用新鮮蒸汽,使得精餾能耗過高[9]。最近一、二十年來多塔精餾基本都采用三塔到七塔差壓蒸餾[10-11],提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時,節(jié)省了更多的能量。在多塔差壓精餾設(shè)計中,各塔均在不同能級下操作,高能級驅(qū)動低能級塔運行,能量得到合理利用。
國內(nèi)燃料乙醇的生產(chǎn)普遍采用三塔差壓精餾。燃料乙醇對酒精中的雜質(zhì)要求不高,對水含量要求特別低。由于乙醇和水體系會產(chǎn)生最低共沸物,在常壓下水和乙醇的沸點分別為100 ℃和78.4 ℃,最低共沸物(乙醇含量95 wt%)的溫度為78.2 ℃[12]。普通的精餾只能將乙醇濃縮到95 wt%,需經(jīng)其他脫水工藝進(jìn)一步生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)的燃料乙醇產(chǎn)品。
三塔差壓工藝由粗塔,組合塔和精塔組成。組合塔下部起到粗塔功能,上部起到精塔的作用。三塔分別在負(fù)壓、常壓和加壓下操作。
該工藝特點為精塔一塔供熱,精塔給組合塔供熱,組合塔給粗塔供熱。回收了精塔高溫塔釜水和蒸汽凝液的熱量,通過間接熱交換形式提高進(jìn)料溫度,降低再沸器負(fù)荷。同時粗塔塔頂?shù)臒崃客ㄟ^熱交換加熱低溫工藝水,回收塔頂蒸汽的潛熱,不僅節(jié)省了冷卻水用量,還節(jié)省了能耗。該工藝蒸汽消耗能夠達(dá)到1.1~1.3噸/噸酒。
該工藝最大的問題是對多原料的適應(yīng)性差,當(dāng)采用稻谷和小麥為原料時,組合塔下部造成堵塔,每隔15 d 左右精餾系統(tǒng)需要停產(chǎn),消耗2 d 左右的時間進(jìn)行塔垢清洗,給工廠造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
精餾塔塔板設(shè)計時,組合塔下部精餾塔塔板采用開孔斜板塔,抗堵性能較好。但是當(dāng)使用小麥和水稻為原料時,塔溫較高的組合塔下部仍出現(xiàn)堵塔,塔溫較低的粗塔(采用浮閥塔板)堵塔情況不明顯。
五塔差壓精餾能夠生產(chǎn)優(yōu)級食用酒精,典型工藝見圖2。該精餾系統(tǒng)由粗塔、水洗塔、精餾塔、甲醇塔和回收塔五塔組成。粗塔和甲醇塔負(fù)壓操作,水洗塔微負(fù)壓操作,回收塔常壓操作,精塔加壓操作。

圖2 生產(chǎn)優(yōu)級食用酒精的五塔差壓精餾工藝
該工藝供熱特點是精塔和回收塔分別為蒸汽供熱。采用兩級三效熱耦合,一級三效熱耦合是精餾塔給水洗塔供熱,水洗塔給粗塔供熱;另一級三效熱耦合是精塔給甲醇塔供熱,甲醇塔給粗塔供熱。粗塔設(shè)置兩個再沸器,分別回收水洗塔和甲醇塔的熱量。同時對精塔塔釜高溫?zé)崴臒崃窟M(jìn)行回收,高溫塔釜水通過熱交換的方式傳遞給進(jìn)料,提高進(jìn)料溫度,降低再沸器能耗。該精餾工藝蒸汽消耗為2.15 噸/噸酒,五塔二級差壓工藝比傳統(tǒng)的五塔差壓工藝節(jié)能10%左右[13]。
該工藝粗塔在負(fù)壓操作,當(dāng)采用小麥和稻谷為原料時,堵塔現(xiàn)象不明顯,原料適應(yīng)性較強(qiáng)。該工藝只有回收塔產(chǎn)出雜醇油,排雜點單一,只能生產(chǎn)優(yōu)級食用酒精。同時沒有回收蒸汽凝液的熱量,粗塔塔頂器的熱量沒有回收利用,而是用冷卻水冷卻,該工藝能耗還能進(jìn)一步降低。

圖1 生產(chǎn)燃料乙醇的三塔差壓精餾工藝
該工藝為引進(jìn)的美國德爾塔-T 工藝,由粗塔A、粗塔B、凈化塔、汽提塔、1#精塔、甲醇塔和2#精塔七個精餾塔組成。粗塔A 和甲醇塔負(fù)壓操作,粗塔B 和汽提塔在常壓下操作,水洗塔在微正壓下操作,精餾加壓操作。
該工藝采用多點排雜,汽提塔和2#精塔采出雜醇油,提高產(chǎn)品質(zhì)量,能夠生產(chǎn)特級產(chǎn)品。根據(jù)市場需求,調(diào)整精餾塔操作參數(shù)能夠生產(chǎn)優(yōu)級食用酒精,使裝置具有一定的靈活性。

圖3 生產(chǎn)特級酒精七塔差壓精餾工藝
此工藝供熱特點是精塔一種供熱,采用三級多效熱耦合。一級為四效熱耦合,精塔給凈化塔供熱,凈化塔給汽提塔供熱,汽提塔給甲醇塔供熱;二級為三效熱耦合,精塔給粗塔B 供熱,粗塔B 給粗塔A 供熱;三級為兩效熱耦合,1#精塔給2#精塔供熱。該工藝?yán)谜羝麌娚錈岜贸槌鼍s塔和凈化塔釜廢水產(chǎn)生的二次閃蒸汽為凈化塔補(bǔ)充熱源,合理利用了高溫水的熱能,降低精餾系統(tǒng)對蒸汽的需求。
該工藝的不足之處是粗塔B 在高溫下操作,塔板采用抗堵性能好的V-GRID 固定閥塔板,但是當(dāng)使用水稻和小麥為原料時也會發(fā)生堵塔。與五塔工藝一樣,高溫的蒸汽凝液和粗塔塔頂汽的余熱沒有回收利用。
精餾是常用的化工操作單元,能量消耗較大。表1 給出3 種不同差壓精餾工藝的熱量消耗,七塔差壓精餾>五塔差壓精餾>三塔差壓精餾。隨著產(chǎn)品中乙醇含量的增加,分離乙醇所需要的塔數(shù)和能耗都明顯增加。

表1 多塔差壓工藝能耗級熱耦合形式
差壓精餾中,精餾節(jié)能效果與精餾效數(shù)有關(guān)。理論上,與單塔相比,雙塔組成的雙效差壓精餾的節(jié)能效果為50 %,三效差壓精餾的節(jié)能效果為67%,四效差壓精餾節(jié)能效果為75%[14]。從兩效增加到三效,節(jié)能效果增加17%,從三效增加到四效果,節(jié)能效果增加8 %。可以看出效數(shù)越多,節(jié)能效果的增加越不顯著,一般精餾效數(shù)不超過三效。
三塔差壓精餾工藝熱耦合采用單級三效,五塔差壓精餾工藝采用了二級三效熱耦合方式,粗塔再沸器設(shè)計為兩個,使每級熱耦合都為三效。七塔差壓工藝熱耦合分別采用一級四效,一級三效和一級二效的方式。精餾系統(tǒng)中精餾塔數(shù)越多,壓差精餾熱耦合設(shè)計越復(fù)雜。七塔差壓工藝中,一級四效和一級兩效的熱耦合設(shè)計方式還可以進(jìn)一步優(yōu)化。
在酒精精餾工藝中,熱耦合大部分是對低溫?zé)嵩粗苯永茫瑢Φ推肺粺嵩瓷壚幂^少。精餾系統(tǒng)能耗高,同時需要大量循環(huán)水和冷凍水用于工藝物流的冷卻。酒精生產(chǎn)過程中低品位熱源升級主要是指利用MVR、熱泵、低溫余熱制冷等技術(shù)手段回收余熱,從而降低精餾系統(tǒng)能耗。本文主要介紹這3 種技術(shù)的特點和應(yīng)用,結(jié)合酒精生產(chǎn)工藝,使酒精生產(chǎn)工藝更加節(jié)能。
MVR 將低品位的蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)的機(jī)械做功提升為高品位的蒸汽,消耗一部分電能。MVR 與多效蒸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)合使用時,能夠使裝置更加節(jié)能。史航等[17]的研究報道MVR 與多效蒸發(fā)聯(lián)用的有效能分析,結(jié)果表明多效蒸發(fā)效數(shù)越多,有效能越高,節(jié)能效果越明顯;李志新等[18]研究報道MVR 與三效蒸發(fā)聯(lián)合應(yīng)用,將末效的二次氣經(jīng)過MVR 后,作為首效熱源,設(shè)備啟動后理論上無需新鮮蒸汽的加入。MVR 三效蒸發(fā)聯(lián)合使用比傳統(tǒng)的三效蒸發(fā)節(jié)省了63.6%標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。
實際上,中國現(xiàn)當(dāng)代文學(xué)一直是中文學(xué)科的熱門,研究者日眾,成果規(guī)模龐大。十多年前,學(xué)界就有一種說法,形容研究出新之難:現(xiàn)代文學(xué)這座山上的每一片葉子,都已經(jīng)被摸遍了。這確實令人沮喪,但不一定是全部事實。對很多作品的評價也許已經(jīng)蓋棺定論,但是這其間,作品的誕生、人與人之間的命運際會卻總能打破我們的刻板印象。
MVR 系統(tǒng)中,蒸汽壓縮機(jī)根據(jù)蒸發(fā)量的大小,最常用的是離心式壓縮機(jī)和羅茨式壓縮機(jī)[19],離心式壓縮機(jī)適用于大流量,單機(jī)能力通常為2.5~250 t/h,有效溫差通常為16~22 ℃;羅茨壓縮機(jī)適用的流量范圍相對較小,通常處理量為0.15~10 t/h,有效溫差超過20 ℃[20]。因此,在利用二次閃蒸氣時,需要考慮有效溫差、供給溫度和需求溫度之間的區(qū)配和均衡關(guān)系。
酒精生產(chǎn)工藝中,液化、蒸發(fā)濃縮及蒸汽凝液閃蒸都會產(chǎn)生二次氣。把二次蒸汽再壓縮,提高其溫度、壓力,增加焓值加以利用,既回收了二次蒸汽的熱能,也節(jié)省了冷卻水。
2.2.1 熱泵精餾
熱泵精餾是通過外動力的作用把精餾塔塔頂?shù)蜏靥幍臒崃總鬟f給塔底高溫處,作為塔底再沸器熱源的精餾過程。熱泵精餾主要應(yīng)用在塔頂和塔釜溫差相差不大的場合,塔頂和塔底溫差最好不超過10 ℃,才能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。若塔頂和塔底溫差相差較大,壓縮機(jī)能耗會增加,無法實現(xiàn)節(jié)能[21]。
在酒精和水的分離過程中,由于兩者沸點在常壓下相差22 ℃,溫差較大,如果采用直接或者間接蒸汽式熱泵技術(shù),壓縮機(jī)需要多級壓縮,節(jié)能效果不明顯。為了將熱泵精餾技術(shù)應(yīng)用到更寬沸點組分的精餾中,研究者采用了分割式熱泵精餾技術(shù),分割式熱泵技術(shù)能夠節(jié)省70 %壓縮功,具有良好的節(jié)能效益,分割式熱泵可以應(yīng)用沸點更寬的場合[22]。劉軍等[23]研究提出了超重力熱泵精餾技術(shù),該技術(shù)能更好的應(yīng)用于中小型企業(yè)的乙醇-水的分離,在蒸汽價格高、電價低的情況下節(jié)能效果更加明顯。
2.2.2 蒸汽噴射熱泵
蒸汽噴射熱泵以高壓蒸汽減壓后的動能差為動力,高壓蒸汽通過噴嘴產(chǎn)生高速氣流,在噴嘴處產(chǎn)生低壓區(qū),在此區(qū)域?qū)⒌蛪赫羝槌觯ㄟ^混合室良好混合后,產(chǎn)生符合要求的蒸汽。蒸汽噴射泵主要應(yīng)用在減溫減壓器、蒸汽調(diào)配器、蒸汽凝水余熱回收等方面。在酒精精餾過程中,主要利用蒸汽噴射熱泵回收精塔塔釜水或者一次蒸汽凝液的熱量,節(jié)約精餾系統(tǒng)能耗[25-26]。
酒精生產(chǎn)過程中需要大量的冷凍水,傳統(tǒng)采用電驅(qū)或者蒸汽驅(qū)動的壓縮式制冷機(jī)組提供冷凍水,需要消耗能量。吸收式或吸附式制冷系統(tǒng)可利用廉價能源和低品位熱能降低能量消耗。以溴化鋰水溶液為工質(zhì)的吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛,一般可利用80~250 ℃范圍的低溫?zé)嵩矗捎谟盟鲋评鋭荒苤迫? ℃以上的冷媒溫度,0 ℃以上的冷凍水可以滿足酒精生產(chǎn)中冷卻水溫度的需求。此類機(jī)組COP 遠(yuǎn)低于壓縮式制冷機(jī)組,但是可以利用低品位余熱,不消耗高品位能源,在工業(yè)余熱利用方面有一定優(yōu)勢[25]。顧兆林等[26]報道利用80 ℃左右的二次蒸汽為熱源,驅(qū)動低溫蒸汽型單效溴化鋰機(jī)組,制取17 ℃冷卻水,實現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)水和環(huán)保的綜合效益;陶磊[27]的研究報道利用90 ℃的熱水為熱源,驅(qū)動熱水型溴化制冷機(jī)組,制取12 ℃冷卻水,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。
表2為4種原料中蛋白質(zhì)含量,稻谷在9.0 wt%~10.0 wt%,小麥蛋白13.9 wt%,玉米蛋白含量最低達(dá)到7.9 wt%。小麥蛋白>稻谷蛋白>玉米蛋白。表3 為不同原料中不同蛋白組成,可以發(fā)現(xiàn)稻谷谷蛋白>小麥谷蛋白>玉米中谷蛋白。玉米谷蛋白的絕對量明顯低于小麥和水稻,所以在使用玉米原料時,精餾運行穩(wěn)定,在使用小麥和稻谷為原料時,精餾發(fā)生堵塔。

表2 不同原料中蛋白質(zhì)含量[11]

表3 不同原料中的蛋白質(zhì)百分組成[11] (%)
三塔壓差精餾工藝中組合塔下部起粗塔作用的部分溫度操作在110~125 ℃,進(jìn)入組合塔中的成熟醪含有大量水分。在高溫水和作用下,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變化,聚集成大顆粒,堵在塔盤上。
3.2.1 內(nèi)部熱耦合不充分
國內(nèi)較早的酒精生產(chǎn)工藝都用于生產(chǎn)食用酒精,設(shè)計大多追求口味,對能耗問題重視不足。燃料乙醇是最近二十年才發(fā)展起來的,隨著行業(yè)對節(jié)能降耗的重視,新建的燃料乙醇精餾系統(tǒng)更加注重節(jié)能。三塔差壓精餾中充分挖掘工廠余熱,利用蒸汽凝水和粗塔塔頂氣的熱量,進(jìn)一步降低精餾的能耗。五塔和七塔食用酒精生產(chǎn)中并沒有對這部分熱量進(jìn)行回收。同時,在五塔差壓精餾工藝中,采用兩塔供熱,回收塔也用新鮮蒸汽加熱。回收塔常壓操作,塔釜溫度在102~115 ℃之間,回收塔的熱源可以考慮余熱利用,例如將蒸汽凝液閃蒸后為回收塔提供熱源,可以進(jìn)一步降低裝置的能耗。
3.2.2 無外部熱耦合
國內(nèi)酒精生產(chǎn)裝置分單元設(shè)計,各個單元大多由不同設(shè)計單位承擔(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。ICM[30]精餾工藝中熱耦合充分利用酒精生產(chǎn)中液化系統(tǒng)和蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的余熱,使精餾工藝不消耗新鮮蒸汽。因此精餾單元需要與其他用熱單元進(jìn)行整體化設(shè)計,全面系統(tǒng)的考慮熱耦合。
3.2.3 對低品位熱源升級利用不充分
表1 中列出了多塔差壓精餾的熱耦合方式,大都通過間接換熱和閃蒸直接換熱的形式。提高低品熱源的MVR、熱泵節(jié)能設(shè)備和余熱制冷設(shè)備沒有使用。可以考慮低品位熱源升級利用,降低精餾裝置能耗。
對于新建裝置,如果使用小麥和稻谷為原料生產(chǎn)酒精,采用預(yù)先提取原料中的蛋白、選擇清液發(fā)酵、全負(fù)壓精餾工藝等方法能夠解決堵塔問題。已建成的裝置,提高粗塔處理量是比較可行的解決方案之一,這種改造方式對生產(chǎn)影響較小。可以通過額外增加粗塔數(shù)量和粗塔增高的方式增加粗塔處理量。提高粗塔負(fù)荷勢必會造成精餾系統(tǒng)能耗增加,為了解決堵塔又不增加精餾能耗,要深度挖掘精餾單元或者酒精生產(chǎn)中其他單元的余熱利用。
4.2.1 精餾系統(tǒng)內(nèi)部熱耦合
酒精差壓精餾工藝內(nèi)部熱耦合設(shè)計中,充分利用余熱和優(yōu)化效數(shù)設(shè)計。隨著熱泵精餾技術(shù)的不斷發(fā)展,分割式熱泵精餾和超重力精餾不斷成熟,酒精精餾工段能耗將不斷降低。
4.2.2 跨單元外部熱耦合
(1)蒸發(fā)與精餾耦合。酒精生產(chǎn)中蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的低品位二次蒸汽,需冷凝后排到無水工序處理,增加無水工序處理成本。MVR 技術(shù)能夠?qū)⒌推肺徽羝D(zhuǎn)換為高品位蒸汽。可以利用蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的低品位二次氣,經(jīng)過MVR 提高二次氣品位,作為粗塔熱源,降低精餾能耗。
(2)蒸餾與液化耦合。酒精生產(chǎn)中的液化工藝可以采用多級閃蒸液化工藝,將精餾蒸汽凝液閃蒸,作為液化閃蒸氣熱源,降低液化工段蒸汽消耗。利用蒸汽凝水閃蒸時,要系統(tǒng)考慮經(jīng)濟(jì)性。酒精生產(chǎn)工藝在設(shè)計時考慮將精餾和干燥單元一次蒸汽凝水閃蒸后的熱進(jìn)行回收利用,以減少蒸汽消耗。由于蒸汽凝水可以直接作為鍋爐給水,部分凝液閃蒸后,導(dǎo)致返回電廠的蒸汽凝液量減少,需要額外補(bǔ)充新鮮水,新鮮水溫度較低,并且要經(jīng)過處理才能進(jìn)入鍋爐,需要額外增加成本,因此在進(jìn)行凝液閃蒸時,要進(jìn)行成本核算。
(3)精餾與公用工程耦合。精餾過程產(chǎn)生許多余熱,利用精餾的余熱進(jìn)行制冷也是降低能耗的一種方法。酒精生產(chǎn)過程需要較多冷卻過程,公用工程配有電驅(qū)或蒸汽驅(qū)動的冷凍水用于冷卻。精餾產(chǎn)生的高溫酒精氣需要降溫,通過熱交換將酒精氣冷凝的熱利用,將68 ℃熱水加熱到90 ℃中溫?zé)崴糜隍?qū)動余熱水型制冷機(jī),生產(chǎn)12 ℃冷凍水,可以減少公用工程制冷機(jī)組的頻繁啟機(jī),降低裝置蒸汽或電耗。
精餾是酒精生產(chǎn)過程中不可缺少的化工單元。原料的多樣化帶來的堵塔等問題,必將推動酒精工藝流程的優(yōu)化與升級。優(yōu)化的熱耦合設(shè)計對裝置節(jié)能起到積極作用。隨著新技術(shù)不斷出現(xiàn),及時升級酒精生產(chǎn)工藝,使酒精生產(chǎn)更加節(jié)能、環(huán)保,能夠增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力,促進(jìn)酒精產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。