一种基于甜高粱秆固态发酵料分离乙醇的方法及系统

摘要

本发明涉及一种基于甜高粱秆固态发酵料分离乙醇的方法及系统，属于固态发酵生产乙醇技术领域。所述方法含有：粉碎后的高粱茎秆经固态发酵后形成发酵料，通过密闭隧道皮带输送到蒸馏系统；发酵料连续进入环形旋转圆盘并与自下而上，来自高效气体分布器的蒸汽错流接触而使乙醇由固相转入汽相，糟渣连续移出；蒸－精馏耦合工艺分离乙醇，直接获得95.5％(w/w)的工业乙醇。本发明利用蒸－精馏耦合连续分离技术，可充分提取甜高粱秆发酵料中乙醇，提高乙醇实际收率；采用密闭隧道皮带输送，显著降低了发酵料输送过程中乙醇挥发；采用环形旋转圆盘进行固态蒸馏，发酵料呈水平环状移动，蒸汽自下而上错流穿透料层，改善传质和实现连续生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种从固态发酵料分离乙醇的蒸馏-精馏耦合方法及系统，特别是涉及一种基于甜高粱秆发酵料固态蒸馏-精馏耦合分离乙醇的技术与装备，属于固态发酵生产乙醇技术领域。

背景技术

步入21世纪，为实现能源、环境和经济可持续协调发展，包括中国在内的世界各国都致力于可再生能源开发，以加速能源结构调整步伐。因此，开发可再生的生物质能源具有重要战略意义。燃料乙醇是世界上规模最大的生物燃料，我国生产燃料乙醇的资源十分丰富，是发展生物质能源的首选产品。为落实“不争粮、不争地”的产业发展原则，我国积极开发非粮原料生产燃料乙醇技术。国际研发机构也在探索替代石油能源的途径，瞄准了借助光合作用有效利用太阳能的绿色能源作物——甜高粱。甜高粱是极具潜力的生产燃料乙醇原料，具有不争粮、不争地等优点。虽然甜高粱可以大面积种植，但是将甜高粱转化为乙醇的技术一直没有实现商业化生产。目前甜高粱茎秆生产乙醇主要采用固态和液态两种发酵方式。

液态发酵一般是将鲜甜高粱茎秆进行榨汁，汁液进行液态发酵，而压榨后的固体物未加以作发酵用，其中还残留有许多糖分；同时，高粱汁需要浓缩后储存，需要消耗大量能量；浓缩的糖汁需要加水稀释才能完成乙醇发酵过程，产率相对较低。使得榨汁法工业化发酵生产较为困难。

固态法是将甜高粱杆粉碎后直接发酵，固态发酵生产燃料乙醇具有独特的优势，能够从根本上克服液态发酵工艺路线的先天性不足，降低对原料预处理强度的要求，显著提高产乙醇产率。但是，目前由于传统固态发酵法采用的白酒酿造工艺，发酵周期延长；同时，由于发酵产物为固态料，采用传统甑桶蒸馏和过汽冷凝技术只能是间歇操作，劳动强度大，得到68％(v/v)以下不同酒度的粗醇溶液，需要大量的加热蒸汽和冷却用水，使其生产成本居高不下，且无法实现商业化大规模运作。传统的固态蒸馏工艺在理论与技术方面都没有深入的研究。

因此，在前一发明《一种基于甜高粱茎秆固体发酵制备乙醇的方法及系统》(申请号：200710080388.0)的基础上，开发基于固态发酵料连续分离乙醇的新型蒸馏装置以大幅降低生产成本和节约能耗是当务之急。

本发明公开的新型固态蒸馏-精馏耦合技术及其配套的关键设备，能够将甜高粱秆固态发酵料中乙醇高效快速提取，提高实际乙醇收率，实现大规模连续操作，显著节约能耗和降低成本，将对生物质资源化和能源化利用提供切实保障。

发明内容

本发明的目的在于针对甜高粱乙醇生产中液态发酵路线存在原料预处理成本高、发酵周期长，同时传统固态发酵路线采用酿酒工艺效率低下等缺陷，以发明人提出的蒸-精馏耦合技术为基础，配合密闭环状多孔旋转圆盘固态蒸馏和精馏集成工艺，从固态发酵料中连续分离乙醇，提高乙醇实际收率，降低能源消耗，进而与分子筛脱水等后处理单元匹配，实现甜高粱茎杆固态发酵生产燃料乙醇新工艺的商业化运行。

本发明提出一种基于甜高粱秆固态发酵料蒸-精馏耦合分离乙醇的方法，其特征在于：所述方法含有以下工艺步骤：

(1)发酵料的密闭输送：发酵料通过密闭隧道皮带输送以防乙醇挥发造成损失；

(2)连续进出料与固态蒸馏：发酵料经料斗和布料器连续移入多孔旋转圆盘，形成5～100cm的均匀料层，物料在水平圆周运动过程中与自下而上的蒸汽错流接触，发酵料中乙醇转入汽相，糟渣经真空抽提区回收乙醇蒸气后连续移出；

(3)蒸-精馏耦合工艺分离乙醇：在自主研发的固态蒸馏设备上分离乙醇，经收集管获得30～40％(w/w)的乙醇蒸气，直接作为原料入精馏塔，获取95.5％的乙醇；

(4)节能降耗和余热利用：固态蒸馏汽相产物经收集后作为原料直接入精馏塔增浓，有效避免固态蒸馏工序汽相冷凝和精馏工序原料预热所需能耗。在上述的方法中，所述步骤1的原料粉碎是将成熟后的甜高粱秸秆粉碎到直径1～2mm，长度小于30mm后通过输送机送入固态发酵罐的进料仓。

在上述的方法中，所述步骤1的密闭输送是为有效防止乙醇挥发造成的损失，采用密闭隧道皮带输送发酵料。

在上述方法中，所述步骤2的连续进出料与固态蒸馏是通过密闭多孔旋转圆盘固态蒸馏系统对固态发酵料实行高效分离乙醇和固态物料连续移入移出设备，在一定停留时间和料层厚度下，最大限度提高实际乙醇收率，为下一步甜高粱乙醇大规模商业化生产提供技术保障。

在上述的方法中，所述步骤3的蒸-精馏耦合工艺分离乙醇是针对甜高粱秆固态发酵料，采用密闭环槽环形多孔旋转圆盘连续固态蒸馏，产生的30～40％(w/w)乙醇蒸气直接作为精馏原料入塔，由精馏塔顶馏出乙醇蒸气经冷凝冷却器后汇集于乙醇收集罐中，得到95.5％(w/w)的乙醇；糟渣连续移出入饲料加工车间。蒸汽锅炉产生的高压蒸汽分别经环形均匀布孔的蒸汽分布器进入固态蒸馏设备和精馏塔底部提供热源。

在上述方法中，所述步骤4的节能降耗和余热利用是通过将新型固态蒸馏系统和精馏塔集成，有效避免了固态蒸馏过程乙醇蒸气冷凝和精馏过程原料预热所需的能耗，实现余热利用。

本发明提出一种基于甜高粱茎杆固态发酵料分离乙醇的蒸馏-精馏耦合系统，其特征在于：

所述的用于运输发酵料去蒸馏系统的输送皮带(6)置于密闭隧道(5)中，一端与转鼓式固态发酵罐系统(4)相连，另一端与进料仓(7)相连；布料器(8)一端与进料仓(7)下部相连，另一端与密闭环槽(9)相连；

所述环形多孔旋转圆盘(10)和环形蒸汽分布器(11)置于密闭环槽(9)中，环槽下部为环形蒸汽分布器(11)，中上部为环形多孔旋转圆盘(10)，环槽上部与锥形乙醇蒸气收集装置(12)相连；控制元件(17)监控减速电机(16)调整环形多孔旋转圆盘(10)的转数；

所述环形蒸汽分布器(11)均匀布置了排汽孔，使蒸汽均匀进入密闭环槽(9)；

所述出料口(14)位于密闭环槽(9)末端，紧邻进料仓(7)，出料口(14)与乙醇蒸气回收区(15)相连，真空抽吸系统(13)一端与乙醇蒸气回收区(15)上部相连，另一端与锥形乙醇蒸气收集装置(12)相连；

所述蒸汽锅炉(19)为固态蒸馏系统(由部件7-17组成)和精馏塔系统(18)提供高压蒸汽；精馏塔系统(18)塔顶乙醇蒸气经冷凝冷却器(20)冷却，被乙醇接收罐(21)收集。

本发明具有以下优点：

(1)通过密闭隧道皮带输送富含乙醇的发酵料，防止挥发造成的乙醇损失；

(2)通过采用新型环状密闭旋转圆盘进行固态蒸馏，实现对固态发酵料连续分离乙醇；通过固态蒸馏体系与精馏系统集成，直接生产95.5％的乙醇；

(3)采用密封旋转圆盘固态蒸馏装置可以充分提取发酵料中乙醇并实现连续生产，实现甜高粱为原料商业化生产乙醇；

(4)通过固体蒸馏和精馏集成，显著降低乙醇分离过程能耗，可实现余热有效利用。

附图说明

图1为本发明优选的甜高粱乙醇生产工艺流程示意图。

图2为本发明优选的固态蒸-精馏集成工艺示意图。

图3为本发明固态蒸馏环形多孔旋转圆盘。

图4为本发明蒸汽分布器结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

本发明采用的技术方案是：固态发酵料连续分离乙醇的技术和装备包括以下工序和配套装备：

(1)发酵料的密封输送：固态发酵系统对成熟的甜高粱茎秆粉碎料直接进行固态发酵；发酵料通过密闭隧道皮带输送防止乙醇挥发；

(2)连续进出料与固态蒸馏：通过采用密封环形多孔旋转圆盘固态蒸馏体系，使发酵料连续移入和糟渣连续移出，并实现乙醇与糟渣的高效分离；

(3)蒸-精馏耦合工艺分离乙醇：通过将固态蒸馏和精馏集成，实现对发酵料连续处理，直接生产95.5％的乙醇；

(4)节能降耗和余热利用：通过将固态蒸馏和精馏耦合，实现节能降耗和余热利用。

所述的发酵料密闭输送是为有效防止乙醇挥发，采用密闭隧道皮带输送发酵料。

所述连续进出料与固态蒸馏是通过密闭多孔旋转圆盘固态蒸馏系统对固态发酵料实行高效分离乙醇和固态物料连续移入移出设备，在一定停留时间和料层厚度下，最大限度提高实际乙醇收率，为下一步甜高粱乙醇大规模商业化生产提供技术保障。

所述蒸-精馏耦合工艺分离乙醇是针对甜高粱秆固态发酵料，采用密闭环槽环形多孔旋转圆盘连续固态蒸馏所产生的乙醇蒸气直接作为精馏原料入塔，由精馏塔顶馏出乙醇蒸气经冷凝冷却器后汇集于乙醇收集罐中，得到95.5％的乙醇；糟渣连续移出入饲料加工车间。蒸汽锅炉产生的高压蒸汽分别经环形均匀布孔的蒸汽分布器进入固态蒸馏设备和精馏塔底部提供热源。

所述节能降耗和余热利用是通过将固态蒸馏系统和精馏塔集成，有效避免了固态蒸馏过程乙醇蒸气冷凝和精馏过程原料预热所需的能耗，实现余热利用。

参阅图1～3

图1甜高粱秆乙醇生产工艺流程，其中：1-粉碎机，2-粉碎料，3-输送皮带，4-进料仓，5-推料绞轮，6-接种口，7-种子罐，8-斜面转鼓式固态发酵罐，9-排气口，10-拖轮，11-控制元件，12-减速电机，13-输送皮带，14-密封隧道，15-进料斗，16-真空泵，17-布料器，18-环形多孔旋转圆盘，19-乙醇蒸气收集装置，20-精馏进料管，21-糟渣出料装置，22-控制元件，23-变频电机，24-蒸汽分布器，25-精馏塔，26-残液排口，27-冷凝器，28-乙醇接收罐

在附图的实施中，成熟的甜高粱茎杆粉碎料经低于48小时的发酵后，发酵料经出料口通过密封隧道14由输送皮带13送往固态蒸-精馏集成系统进料斗15，在布料器17的作用下，使发酵料均匀洒落在环形多孔旋转圆盘18上，形成10～30mm厚度的均匀料层，借助环形旋转圆盘18的转动做水平圆周运动，来自蒸汽锅炉的高压蒸汽经蒸汽分布器24自下而上穿越料层，使发酵料中乙醇进入汽相而形成乙醇蒸气，通过锥形乙醇蒸气收集装置19和精馏塔25的进料管20入塔，实现进一步提浓，并经塔顶冷凝器27冷凝后汇集于乙醇收集罐28。糟渣经真空收集区进一步收集乙醇蒸气后由糟渣出料装置21和皮带输送到饲料加工车间。同时高压蒸汽从精馏塔25底部气体分布器入塔。

图2固态蒸-精馏集成工艺流程，其中：1-密封隧道，2-输送皮带，3-进料斗，4-乙醇蒸气收集装置，5-布料器，6环形多孔旋转圆盘，7-控制元件，8-变频电机，9-糟渣出料装置，10-真空泵，11-密闭环槽，12乙醇蒸气进料管，13-蒸汽分布器，14-精馏塔，15-冷凝器，16-馏处管，17-乙醇收集罐，18-残液口，19-蒸汽管

图3固态蒸馏环形多孔旋转圆盘，图4蒸汽分布器结构图，其中：1-密封隧道，2-输送皮带，3-进料斗，4-乙醇蒸气收集装置，5-布料器，6环形多孔旋转圆盘，7-控制元件，8-变频电机，9-糟渣出料装置，10-真空泵，11-密闭环槽，12乙醇蒸气进料管，13-蒸汽分布器