燃料乙醇生产工艺的节能减排研究

第41卷第19期广州化工VoL 41 No 192013年10月Guangzhou Chemical IndustryOctober. 2013燃料乙醇生产工艺的节能减排研究林海,何泳仪2(1湛江粤海机器有限公司,广东湛江524500华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640)摘要:高能耗、高污染是制约燃料乙醇行业发展的主要因素。为实现节能减排,本公司对木薯燃料乙醇生产中的精馏过程进行模拟和优化,并研究了浓醪发酵工艺。优化后的精馏系统操作稳定性和能量利用率得以提高,酒精发酵醪浓度提升到18.21%,为乙醇工业生产降低能耗、节约工业用水和提高设备利用率提供科学依据,实现绿色化生产工艺。关键词:燃料乙醇;节能减排;精馏;发酵中图分类号:TQ23.122文獻标识码:A文章编号:1001-9677(2013)19-0132-03Research on Energy Saving and Emission Reductionin Fuel ethanol ProductionLIN Hai, HE Yong -riChemistr and( I Zhanjiang Yuehai Machinery Co., Ltd, Guangdong Zhanjiang 524500; 2. School ofChemical Engineering, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510640, China)Abstract: High energy consumption and serious pollution are major factors restricting the development of fuel ethanolindustry. Extractive distillation in cassava-based fuel ethanol production was simulated and optimized, and highconcentration of the mash fermentation was studied in order to realize energy saving and emission reduction in the fuelethanol industry It showed that the operation stability and energy efficiency of the optimized distillation system werefurther improved. What,s more, the concentration of mash in the ethanol fermentation increased to 18. 21%. The studyprovided scientific basis for reducing energy consumption, saving water and improving equipment utilization for fuelethanol industry, realizing green technologyKey words: fuel ethanol; energy saving; extractive distillation; fermentation生物质能源的发展已经被列入国家重点发展行业。但生物料乙醇的两大生产国和消费国—美国和巴西的乙醇产量约占质能的生产是一个高排放、高污染和高耗能的行业,生物质能全球总产量的95%以上。目前中国燃料乙醇的消费量已占汽产业节能减排需要新的装备技术支持。我国生物质能资源十分车燃料消费量的20%左右,且产能和应用范围都在不断扩丰富,据估算,我国生物质资源每年可转化为能源的潜力,近大3,中国已成为继美国、巴西之后的第三大生物燃料乙醇生期约为5亿t标准煤,远期可达到15亿t标准煤以上。同时,产国和消费国。生物质能源的主要原料是可再生的天然植物及加上荒山、荒坡种植的各种能源林,资源潜力在15亿t标准煤其副产物,如含淀粉类植物、糖类作物、油脂类作物等。现代以上。2006年全球生物柴油的生产能力为1270万Ua,消费生物质能的发展方向是高效清洁利用,将生物质转换为优质能量为690万t,分别比2005年增加了89%和103%。2010年全源,包括电力、燃气、液体燃料和固体成型燃料等6。生物液球生物柴油的生产能力将达到8410万Ua,产量为440万t。体燃料是重要的石油替代产品,主要包括燃料乙醇和生物柴目前全球乙醇的生产,以农副产品为原料的发酵工艺占乙醇总油。根据《生物产业发展“十一五”规划》和《可再生能源中能力的9%以上。2004年乙醇产量为3425万t,2005年达到长期发展规划》,我国重点发展生物质发电、沼气、生物质固了3600万t。根据美国和巴西等国的发展计划,预计燃料乙醇·体成型燃料和生物液体燃料。2010年,增加非粮原料燃料乙醇的产量将以每年5%-10%的速度增长。将工业酒精进一步脱年利用量200万t,生物柴油年利用量达到20万t。到2020年,水制得无水乙醇后,按照一定比例加入汽油或柴油中即成为燃生物燃料乙醇年利用量达到1000万t,生物柴油年利用量达到料乙醇。它被认为是节约汽油的最佳燃料,可以有效降低汽车200万t。尾气污染物的排放。燃料乙醇替代汽油燃烧既有利于减少对进广东省是我国的经济强省,CDP占全国的11%,但也是资口能源的依赖,保障国家能源安全,又有利于增加农民收人和源贫乏的大中国煤化工东省有着丰富的生物提供就业机会2。在全世界范围内,燃料乙醇的消耗量相当于质能源资源CNMHG面临重大产业发展机汽油的2%,预计到2030年将达到10%-20%(。目前生物燃遇。如能及时建立水新胧源科仅初平台、推进广东新能源作者简介;林海(1957-),男,工程师。第41卷第19期林海等:燃料乙醇生产工艺的节能减排研究133产业的技术进步,提升广东新能源产业的竞争力优势,则可为动态模拟计算,考察过程中扰动响应、控制状况进行分析,设社会和经济的可持续发展提供能源保障。同时,广东省地处我计出一个改进的控制结构,描述如何解决拓宽收敛区间,降低国南端,毗邻东南亚生物质资源丰富地区,在生物质资源进口控制难度的问题。和新能源技术出口方面有着天然的地理优势。近年来国际市场五塔精馏过程的循环系统中存在一个或多个变量对其他扰原油价格剧烈波动,世界各国都在加大新能源发展力度。美动变量的变化的敏感性,会导致系统中所有操作单元的产品质国、日本、欧盟、澳大利亚等发达国家纷纷制定出激励政策,量不能固定在设定值上,而且塔间的扰动会相互传播,因此在如政府补贴、减税等。在发展中国家里,巴西是起步较早的国过程设计与控制系统设计中应充分考虑相关的问题。高度集成家,无论在技术上和管理上都取得了许多成功的经验。东南亚化的五塔精馏系统,需要设计足够的控制自由度来避免开停车国家由于具有先天的资源优势,都纷纷制定了各自的生物质能和安全操作的隐惠,并且控制结构需要建立在充分分析控制自源发展路线,如泰国则由国王亲自颁发命令,大力发展醇基燃由度与被控变量的搭配程度,以此来减轻由于这种雪崩效应导料产业,得到了政府和民众的积极响应。致的扰动放大传播的情况。实际生产中使用的控制结构对于稳在燃料乙醇方面,燃料乙醇产业是一个将生物能向化学能定操作仍有较大差距,因此通过动态响应的分析,提出一个能转换的过程,转换效率的高低直接决定了其存在的意义,而所适应稳定操作要求的控制结构有其必要性产生污染物的多少,又决定了其生存空间的大小。以目前我国对于水洗塔来说,当前控制结构能提供一定的稳定操作的现状,生物质能源产业的各种技术指标并不如人意,每生产但仍能预见在实际操作中会出现的不稳定因素,比如F2的热1t燃料乙醇产品含化学能26499MJ的产品,需要消耗20749M能水进料的流量是F1粗酒精进料的流量的4倍左右,以工厂实际量,排放12-15COD为3000mg/L以上、BOD3为200应用来说用流量巨大的物流控制塔板温度具有一定的风险性,mg/L以上、干物质含量2-10%的废液。高能耗、高污染是在扰动频繁的情况下,当前使用的反馈控制具有滞后性,一旦行业发展的主要制约因素。对燃料乙醇产业来说,节能减排势F2热水进料与F粗酒精进料的比例失控,会影响水洗塔脱醛在必行。反应产物的分离设备关系到产品、能耗、排放等一系酯的效果,且涉及水洗塔的稳定性操作问题,同时进料的扰动列问题,是生物质能产业的关键设备,分离过程的运行状况,会通过雪崩效应对系统形成更大的扰动,可以预见的最差情况对整个生产工艺产生至关重要的影响。精馏操作是生物质能源是使系统的运行指向发散的结果。在不直接使用热水进料控制产业中主要的分离手段,分离精度的高低决定了原料消耗和废塔板温度的前提下,使用一个比例控制约束流量F2/F1,在模物排放量的大小。精馏是高耗能、高排放的单元操作,燃料乙拟初始化的时候,F2/F1的比例选择稳态模拟的比例,使用醇精馏工段的能耗占整个生产过程能耗的70%以上,废物排放F2/F1的比例来控制温度TB,使得两者的比例在一定的控制范占90%以上。围内,风险在生产过程中可以检测及预计。根据动态响应特性木薯是一种在我国南方广泛种植的非粮作物,具有适应性的结论,在水洗塔中使用稀酒精进料与热水进料的比例来控制强、耐旱、耐贫瘠等特点,鲜木薯中淀粉含量在32%以上,温度,可在不失去当前控制结构的控制自由度控制温度的情况是生产乙醇的理想原料。研究结果表明,在各种原料中,木薯下,使得两者的比例在一定的控制范围内而不出现失控的情的综合效益居第2位。木薯经液化、蒸煮处理,破坏细胞,况;在精馏塔中使用双温控制系统来改进全塔温度的控制效使淀粉糊化;在液化酶、糖化酶的作用下,转化为可发酵性糖果,从而提高酒精产品质量的稳定性。从改进之后的控制系统后形成均一的糖化醪,加入酒精酵母发酵,酵母将葡萄糖代谢的动态响应可知,五塔精馏系统的循环系统整体上降低了大流为乙醇;发酵成熟醪经精馏、脱水处理,得到乙醇含量为量物流的风险性,并能提供更稳定的酒精产品质量,是安全99.5%以上的燃料乙醇产品。浓醪发酵在高密度酒精发酵技的、有效的生产的控制结构效益,被誉为发酵工业技术革新的一个主要方面和简单有效的2高密度发酵研究手段。在发酵过程中,提高醪液浓度可在基本不改动现有设备高密度发酵工艺优化的基本思路是寻求培养基配方和最佳的情况下提高设备利用率,减少生成成本、人力和能耗,减少温度、pH值、溶氧等采用动力学为基础的以最佳工艺控制点工艺用水量,缩短发酵周期,减少发酵罐清洁费用。根据测为依据的发酵工艺优化,提高发酵产物浓度与生产效率。随着算,精馏时酒精浓度在7%以下时耗能最大。如果将发酵醪酒研究的深入及大量实验数据的累积,我们认为在浓醪同步糖化精浓度提高4%约可以减少30%的精馏能耗,并且可以减少废发酵过程中,菌体的优良发酵性能并未完全发挥。因此本公司水排放。因此精馏过程模拟优化和高密度发酵技术是本公司的将多种实验设计方法融入到传统的工艺条件优化系统中,创建一个研究重点。多平台立体优化结构体系,开发对乙醇发酵过程影响因子通量1乙醇精馏过程模拟与优化筛选、显著因子最优化、多目标可视化博弈优化和优化过程的多策略建模,解决了普通的工业菌株,通过将生物学、工艺设精馏过程是乙醇生产中能耗最多的工序,燃料乙醇的精馏计、数学建模等多种方法用于其乙醇浓醪同步糖化发酵过程脱水工段消耗整个燃料乙醇生产过程能耗的50%~80%。随着显著的提高乙醇的浓度,增强其发酵性能,达到推进高密度乙燃料酒精计划的实施,如何高效节能地制备燃料乙醇成为一个醇发酵工艺发展的目的。主要完成的内容有迫切需要解决的问题。为了最大限度的减少精馏过程的能量消1)采用低温-生料发酵技术与浓醪同步发酵技术相结耗,精馏过程设计了大流量物流的再循环以及精馏过程热集合,从木薯及酿酒酵母工业菌株的浓醪发酵适应性进行表征入成,工艺复杂。五塔精馏工艺在操作中面临着收敛区间窄,控手。考察试验用中国煤化工体特征、剪切稀制难度大的问题,在实际生产过程中,生产操作需要不同工人化特性、膨胀势CNMHG现淀粉醪液能在的操作以实现连续生产的要求,故此收敛区间和控制问题最终低温下进行水解。灬⊥亚野斗近们衣坐析,考察了酿酒会演化成产品质量的差异性。本公司在研究中利用 Aspen酵母的发酵特性,高糖、乙醇耐性,发现浓醪环境给菌体生长Dynamics化工过程模拟软件,可以对高纯度酒精精馏工艺和新陈代谢均带来显著压迫,未优化的情况下,发酵参数表征134广州化工2013年10月指标均低于常醪发酵。产量低,而较适宜种植木薯、膏桐等能源作物。根据广东的特(2)应用 Plackett- Burman设计( Plackett- Burman点,走自己的生物能源发展道路,以技术为依托,形成有岭南Design,PBD)对包括木薯水解、发酵环境及培养基营养物质在特色的生态能源产业链,是使广东在面临全球化竞争中立于不内的19个因素进行浓醪同步糖化发酵工艺过程建模和显著性败之地的重要保证。我国许多省区已大规模进行燃料乙醇等生因素通量筛选。通过中心因子( Central Composite Design,CCD)物质能源的推广试验,广东作为我国经济发达而能源紧缺的省响应面法( Response- Surface Methodology,RSM))对经PBD份,必须加大研发力度,依靠自身的资源优势,减少能源的对筛选出的显著因素:木薯浓度、木薯颗粒大小、初始pH、发外依存度。目前生物质能源生产技术水平不高、装备落后,导酵温度进行优化。最优化条件下,发酵末期乙醇浓度达致能源、原材料消耗大,废物排放多,生产成本高,在价格上15.03%(ω),较优化前提髙1.87倍。尚难以与石油产品竞争,也不符合国家的排放标准。本公司通(3)在生料浓醪同步糖化发酵的优化中,首先应用CCD-过对精馏过程进行模拟优化和研究高密度发酵技术,大幅度促RSM对影响淀粉生料水解的四因素:a-淀粉酶、葡萄糖淀粉进燃料乙醇生产工艺的节能减排,为燃料乙醇产业实现绿色化酶、液化温度及液化时间分别对菌体浓度、乙醇浓度和淀粉利提供了科学依据。用率三个目标建模,并对模型进行了最优化估算。发酵结束时酵母浓度最大值为4608(×103 cells/mL),乙醇浓度最大值为参考文献18.21%(ω),淀粉利用率最大值为9494%[]詹慧龙严昌字杨照中国农业生物质能产业发展研究[门]中国(4)应用线性加权法对菌体浓度、乙醇浓度和淀粉利用率农学通报,2010,26(23):397-402三个目标进行多目标优化。通过综合考察分析多目标博弈下,[2]田宣水,孙丽英赵立欣我国生物燃料乙醇产业发展条件分析考察水解因素α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、液化温度及液化时[J].中国高校科技与产业化,2008(3):72-75间之间的相互关系及对各目标优化影响。提供给决策者一个可31 WalterAmaldo, Rosillo- Calle Frank, Dolzan paule,a, erspectives视化动态博弈最优化 Pareto解集。fuel ethanol consumption and trade [J]. Biomass and Bioenergy2008,32(8):730-748(5)在木暮乙醇生料浓醪同步糖化发酵过程中,引人了双[4]王成军,黄少杰国外燃料乙醇工业的发展现状及其对我国的启示酶非同步协同水解概念建模。根据a-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶[].工业技术经济,2005,24(5):110-112在生料水解木薯浓醪的添加方案及其在实验过程中表现出的菌[5]刘军郭浪我国燃料乙醇原料非粮化探讨[J].山东食品发酵,体生长、乙醇生成和底物消耗规律,建立基于双酶非同步协同2008(3):44-48木薯乙醇浓醪发酵动力学模型。通过曲线拟合通近,实验求[6]刘庆华可再生能源资源与开发利用[].攀枝花科技与信息解; Matlab拟合计算对动力学反应过程参数进行计算。并应用2009,34(1):43-49酵母密度最优化策略、乙醇浓度最优化策略和淀粉利用率最优[7刘志远世界生物燃料产业发展新特点及面对的共同问题[门.农化策略进行建模验证。验证结果证明:在酿酒酵母木薯乙醇生业工程技术(新能源产业),2009(11):8-12.料浓醪同步糖化发酵过程中,基于双酶非同步协同水解的发酵8]张华阙久方薯干酒精废液全回用技术应用实例[J污染防治过程建模方法具有很高的预测精度、泛化能力。技术,2000,13(2):119-120通过上述研究,实现发酵醪液浓度达到303%,成熟醪液9] Du dai, Zhi yuanhu, Geng Qiangpu,tl. Energy efficiency and中酒精浓度达到18%以上(达到18.21%),发酵液酵母浓度到potentials of cassava fuel ethanol in Guangxi region of China [JIEnergy Conversion and Management, 2006, 47(13-14): 1686-1699达4.608亿。[10]黄诗铿我国燃料乙醇原料应走多元化道路[J].中国科技论坛,3结语2005(6):52-55[11]Kim S, Dale B E. Allocation procedure in ethanol production system近年来广东省的农业结构正在发生巨大的变化,从以粮为from com grain [J]. Intemational Joumal of Life Cycle Assessment纲到农林牧副渔并举,以龙头企业为代表的大型集约化大农业2002,7(4):237-243基地相继建成。广东有大量的较为贫瘠的坡地,种植粮食作物中国煤化工CNMHG