燃料乙醇生產中多級閃蒸液化工藝流程模擬優化及經濟分析

魏 妮，張淑紅，李冬敏，張宏嘉，沈乃東，李 凡1，，3*

（1.中糧營養健康研究院有限公司，北京 102209；2.中糧生化能源（肇東）有限公司，黑龍江肇東 151100；3.國家能源生物液體燃料研發中心，北京 102209）

在全球“碳達峰”和“碳中和”背景下，能源系統必將發生深刻變革。清潔能源對實現“雙碳”目標發揮積極作用。生物液體燃料是典型的清潔能源，生物液體原料代替傳統的石化燃料有利于降低碳排放。燃料乙醇是生物液體燃料中消費量最大的產品，對保證糧食安全和促進“三農”起著重要作用[1-3]。

我國燃料乙醇的發展是為了解決我國經濟社會發展中存在的能源短缺、陳化糧和環保等問題[4-5]，起步晚，但是發展迅速，迄今為止已經成為繼美國和巴西之后的世界第三燃料乙醇生產國[6]。進入新時代，燃料乙醇行業面臨原料價格、新能源汽車、非生物基乙醇和進口乙醇等多方面的沖擊，但是在原料供應保障和科技創新等方面仍然有很大的發展潛力[7]。

燃料乙醇的生產通常以玉米和木薯等淀粉質為主要原料，經過粉碎、液化、糖化、發酵和乙醇分離等工序。液化是在淀粉酶的作用下，使淀粉內部分子發生斷裂，分解為糊精和低聚糖分子，液化的效果對發酵有著重要影響[8]。目前燃料乙醇工廠經常使用的液化工藝是低溫噴射液化，玉米在進入噴射液化器前調漿，然后進入噴射液化器，噴射溫度85～105 ℃，蒸汽噴射液化工藝消耗蒸汽在0.4～0.6 t/t酒[9]。隨著節能意識的增強，多級閃蒸液化工藝越來越受到關注。黃景祿[10]報道了八級“閃蒸-吸收塔”組合在10 萬噸玉米酒精生產線上的應用，這種方式使冷熱醪液梯度換熱，大幅提高換熱效率，最大限度回收液糖化工段余熱，節能節水效果好；孫發喜等[11]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；葛德忠[12]將液化醪閃蒸后的二次氣直接通入特殊結構的廢熱吸收罐，用于漿料降溫，節約蒸汽約0.23 t/t酒精，節省循環水量為15.53 t/t酒精，企業每年節約1122.57萬元。

Aspen Plus模擬軟件是一款集物料物理化學性質數據庫、工藝流程模擬、經濟性分析于一體，包含多種工藝模型的非常實用的模擬軟件。利用Aspen Plus 進行工藝模擬，既節省了企業研發經費，降低了投資的經濟風險，又節約了工程化時間，加快項目實施建設[13-14]。Aspen Plus 在燃料乙醇生產過程中也有大量應用。McAloon.A 等[15]利用Aspen Plus 模擬了玉米燃料乙醇和纖維素燃料乙醇工藝，并進行了經濟性分析；R.Vance Morey 等[16]利用Aspen Plus 研究過熱蒸汽干燥技術對燃料乙醇生產中聯產物DDGS 生產的影響。在燃料乙醇生產中，多級閃蒸系統的實際配置與操作情況各不相同，需要有針對性地開展系統分析，因此可利用Aspen Plus對多級閃蒸工藝進行流程模擬優化和經濟性分析，為工藝選擇和工藝設計提供參考。

1 多級閃蒸原理

平衡蒸餾是最簡單的蒸餾過程之一，又稱為閃蒸，流程圖見圖1。液體于絕熱條件下，瞬間降壓，過熱液體發生自蒸發，液體部分氣化。氣、液兩相在分離器中分開，氣相為頂部產物，其中易揮發組分較為富集；液相為底部產物，其中難揮發組分獲得了增濃。體系與外界沒有熱交換，或者說來不及熱交換，所以是等焓過程。瞬間降壓通過節流閥實現[17]。多級閃蒸就是以此為基礎，使物料依次經過若干個壓力逐漸降低的閃蒸罐，逐級蒸發降溫，使物料溫度降低到設定溫度。每級產生的閃蒸汽直接與低溫物料接觸，使物料溫度升高。多組分閃蒸過程中用的平衡方程主要包括如下方程[17]：

圖1 平衡蒸餾（閃蒸）

其中：F 是液體總進料的摩爾分數；V 是閃蒸汽的摩爾分數；a 為原料的氣化分數；L 是剩余液體的摩爾分數；Ki是平衡常數；zi是液體進料中i 組分的摩爾分數；yi是閃蒸汽中i 組分的摩爾分數；xi是剩余液體中i 組分的摩爾分數；HF是進料液體的焓;Q 是吸入或者放出的熱量；Hv是閃蒸汽的焓值；HL是剩余液體的焓值。

2 多級閃蒸液化工藝流程描述

粉碎后的玉米粉在混料器中與調漿水按一定比例混合，之后進入吸收塔，在吸收塔內吸收閃蒸汽的熱量，經過多級吸收塔后，玉米漿料升溫。漿料通過離心泵送到液化噴射器，在液化噴射器內升溫到95 ℃，液化醪糟經過逐級閃蒸，使溫度降至45～55 ℃，通過閃蒸、吸收回收了液化醪的熱量，最后用冷卻水使溫度降到同步糖化溫度32～36 ℃[18]。不同級數的閃蒸液化工藝流程圖見圖2—圖4[19-21]。

圖3 六級閃蒸液化工藝流程圖

圖4 九級閃蒸液化工藝流程圖

3 多級閃蒸液化模擬優化

3.1 物性參數的選擇

Aspen Plus 軟件公司利用NREL（美國國家可再生能源實驗室）發布的玉米乙醇報告中的相關數據建立了玉米乙醇工藝流程模型。Aspen Plus物性模型用來計算化學平衡、熱力學模型和物理性質。用于計算這些物性模型都以中心模型命名，例如Ideal，PR和NRTL等模型。物性模型在模擬中是最重要的一步，同時也是最困難的部分。物性方法的準確性影響到模擬結果的可信性和工藝設備成本等。

在模型中所有用到的組分主要有水，乙醇，淀粉（固體），C5POLY（C5聚合物固體），C6POLY（C6聚合物固體），OIL（固體）為淀粉中的脂肪，NFDS 為非發酵物質（C6H12O6），PROTINS（固體）為非可溶蛋白質，PROTSOL 為可溶性蛋白質。固體組分是非傳統組分，用戶自己定義物性參數。對于傳統組分NFDS 和PROTSOL 最開始時復制葡萄糖的分子式，之后再修改其物性參數。

3.2 模型的建立

Aspen Plus 擁有多種單元操作模塊，通過模塊和模型的組合，可以模擬用戶所需要的流程。多級閃蒸液化工藝過程中涉及的主要工藝設備包括吸收塔、換熱器、閃蒸罐、噴射液化器、泵等。根據多級閃蒸不同設備的操作特點，選擇對應的模塊進行建模并計算。圖5 為多級閃蒸液化工藝的流程模擬圖，具體的單元操作模型選擇見表1。計算器和設計說明模型是為了更好的計算出所需變量的值。計算器模型主要用于計算調漿水中水的量。設計說明主要用于自動求出蒸汽消耗和冷卻水消耗。

表1 不同操作的模塊選擇

圖5 六級閃蒸液化工藝模擬流程圖

3.3 進料組成

3.3.1 玉米原料

對于玉米原料，因年份和產地的不同而有很大的差異，模擬計算時可以根據不同原料調整玉米組成。本次模擬計算中乙醇產量按30 萬噸/年計，玉米組成見表2。當使用其他淀粉質原料時，對組分進行簡單修改也同樣可以進行模擬計算。

表2 玉米組成

3.3.2 調漿水組成

玉米粉在液化前需要與水按一定比例混合，在燃料乙醇行業最初階段，工廠一般都使用一次水作為調漿水，導致燃料乙醇生產水耗過高，玉米乙醇一次水消耗約20 t/t 酒，木薯乙醇一次水消耗13～16 t/t酒[22]。為了降低水耗，工廠技術人員開始考慮利用生產過程中產生的工藝水和廢水。張路飛[23]的研究表明，中水代替工藝水的比例小于50%時，對發酵產生的影響較??；苗春雨[24]報道了拌料水全部用中水，對比液化和發酵關鍵指標，并未發現有顯著變化；周勇等[25]研究了清液和二次凝液回用對發酵的影響，結果表明直接回用二次蒸汽凝液對發酵影響低于清液回用。將清液和二次凝液中抑制乙醇產生的抑制物除去，可以作為調漿水使用。工藝水和廢水的回用降低了水耗，減少了污水排放，同時兼顧了經濟效益和環境效益。除了將清液、二次凝液和中水回用，精餾工段的精塔釜水雜質含量較低，全部可用于調漿。在工廠中，清液回用量通常占調漿水0～25 wt%。

在模擬計算時采用的調漿水為中糧某工廠裝置實際使用的調漿水。由精塔釜水、清液（占調漿水的25 wt%）、二次凝液和中水混合而成，水料比2.4，各種調漿水流量和水溫見表3。

表3 調漿水參數

3.4 閃蒸級數的影響

多級閃蒸的級數影響系統的熱力學，也對系統的能耗有影響。因此利用Aspen Plus 模擬軟件對四級、六級和九級閃蒸液化工藝的能耗進行了模擬預測，模擬結果見表4。計算結果表明，當最高溫度（噴射溫度）和最低溫度（最后一級的溫度）確定后，閃蒸級數越多，多級閃蒸液化系統消耗的蒸汽量和循環水量都降低，電耗增加。四級閃蒸液化工藝蒸汽和冷卻水消耗量最多，電耗最少，三者消耗分別為0.17 t/t 乙醇，8.93 t/t 乙醇，17.2 度/t 乙醇。九級閃蒸液化消耗的蒸汽量和循環水最少，電耗最多，三者消耗分別為0.12 t/t 乙醇，5.52 t/t 乙醇，19.2 t/t 乙醇。閃蒸級數越多，級間溫差越小，閃蒸級越少，級間溫差越大。當物料從前一級閃蒸到后一級時，級間溫差越大，離熱力學平衡越遠，熱效率低。隨著閃蒸級數的增加，電耗逐漸增加，這是因為級數越多，所需要的液化醪泵就越多，電能消耗也就越多。

表4 多級閃蒸液化工藝蒸汽和循環水消耗

在燃料乙醇生產過程中，傳統調漿液化工藝蒸汽消耗為0.5～0.8 t/t 乙醇。多級閃蒸液化工藝的蒸汽消耗和冷卻水消耗低于傳統的低溫噴射液化工藝，多級閃蒸液化工藝更加節能。傳統液化工藝液化醪的降溫采用循環水，多級閃蒸液化利用一次水進行降溫。當北方工廠中的一次水取自深井時，在進行利用前需要進行升溫，因此用一次水回收液化醪的熱量，降低工廠循環水消耗。

3.5 進料溫度的影響

玉米溫度受外部環境溫度的影響，在不同的季節呈現出不同的數值。玉米溫度的改變，必然會對多級閃蒸液化系統的性能造成影響。本文對玉米溫度在-20 ℃～30 ℃范圍內進行了模擬計算，在最高溫度和最低溫度一定時，以六級閃蒸液化工藝為例，研究玉米進料溫度對能耗的影響，模擬結果見表5。

表5 玉米溫度對蒸汽和冷卻水消耗的影響

從表5 可看出，隨著進料溫度逐漸升高，調漿后的漿料溫度逐漸增高，蒸汽耗量逐漸降低，冷卻水消耗量逐漸增加。當玉米溫度為-20 ℃時，漿料溫度最低，為42.4 ℃，蒸汽消耗量最大，為0.147 t/t乙醇，冷卻水消耗量最少，為6.25 t/t 乙醇。當玉米溫度為30 ℃時，混合漿料的溫度最高，為50 ℃，蒸汽消耗量最小，為0.142 t/t 乙醇，冷卻水消耗量最大，為16.54 t/t乙醇。隨著玉米溫度的升高，玉米溫度對蒸汽消耗量的影響較小，對冷卻水消耗量影響較大。這是因為當最低溫度不變時，隨著玉米溫度的升高，產生的閃蒸汽量不斷增加，需要更多冷卻水用于冷卻閃蒸汽。閃蒸汽不斷增加，超過所選抽真空泵處理量的設計值時，需要提高最低溫度值，使閃蒸汽量在合理的范圍內。由于多級閃蒸最低溫度的提高，多級閃蒸操作參數需要重新調整，以滿足系統的正常操作。

3.6 不同調漿水比例的影響

調漿水的溫度能夠影響閃蒸系統的能耗。從表3 可以看出，不同調漿水的溫度不同，清液水溫最高，中水水溫最低。因此不同調漿水比例混合之后的漿料溫度也不同。二次凝液的量根據工廠的經驗值確定。二次蒸汽凝液的量與清液回配量成反比，清液回配量越多，進入蒸發濃縮單元的清液量越少，產生的清液量也越少。本文考察了玉米溫度為-20 ℃，調漿比為2.4，調漿水量為279 t/h，不同清液回配對六級閃蒸液化系統的能耗影響，模擬結果見表6。

表6 不同調漿水比例對多級閃蒸系統能耗的影響

模擬結果表明隨著清液回配量的增加，漿料溫度從37.1 ℃增加到42.7 ℃，蒸汽消耗量從0.23 t/t乙醇降到0.15 t/t 乙醇。隨著高溫清液回配量逐漸增加，混合后的漿料溫度增加，從混合后漿料溫度加熱到噴射溫度所需要的熱量減少，因此蒸汽消耗量降低。冷卻水消耗量基本沒有變化，這是因為混合后的漿料溫度低于該壓力下的泡點溫度，不會額外產生閃蒸汽。

3.7 經濟性分析

利用Aspen Plus 流程模擬軟件對30 萬噸/燃料乙醇多級閃蒸液化工藝進行了物料衡算、能耗及各種工況的計算。物料衡算是研究一個體系內進、出物料及組成的變化，是進行化工設計和經濟性估算的基礎。本文同時考察了不同工況對能耗的影響，降低多級閃蒸液化工藝能耗，提高多級閃蒸液化系統的經濟性。投資費用是根據模擬的物料衡算和能量衡算，讓廠家進行設備選型及報價，投資費用包括了設備費、儀表、電器及材料費、安裝費等費用。

表7 給出了不同閃蒸液化系統的運行費用。從表中可以看出隨著閃蒸級數的增加，能耗總價逐漸降低。四級運行成本為51.14 元/t 乙醇，九級運行成本為38.30 元/t乙醇。

表7 不同閃蒸級數運行費用

表8 為30 萬噸乙醇/年燃料乙醇多級閃蒸液化運行和投資費用。從表8 可以看出，隨著閃蒸級數的增加運行費用減少，投資增加。九級與六級相比，運行費用減少148 萬元，投資增加200 萬元，1～2 年就能收回多投資的成本。九級與四級相比，運行費用減少386 萬元，投資增加350 萬元，1 年內就能收回多投資的成本。

表8 30萬噸/年燃料乙醇液化閃蒸系統運行和投資費用*

4 結論

本研究以熱力學定律為基礎，利用商業流程模擬軟件Aspen Plus 對30 萬噸燃料乙醇多級閃蒸液化系統進行了探索，得出如下結論。

（1）不同的閃蒸級數對能耗有影響，閃蒸級數越多，所需要的能耗就越少。閃蒸級數除了影響能耗，對系統的穩定性和安全性也有影響。結合經濟性分析結果，建議選擇六級液化閃蒸工藝。隨著技術的不斷發展，多級閃蒸液化系統的穩定性和安全性必將提高，可以選擇經濟性更好的九級閃蒸液化系統。

（2）原料的溫度也會對閃蒸系統的性能產生影響。原料進料溫度越低，所消耗的蒸汽量越大，冷卻水消耗量卻相反。因此進行設計時，蒸汽消耗量應該按當地最低環境溫度計算，冷卻水消耗量應該按當地環境最高溫度計算。

（3）不同調漿水比例影響多級閃蒸系統的能耗。高溫清液回配量越多，所需要消耗額外蒸汽越少。在不影響發酵的情況下，優先選擇回配高溫的調漿水。