多級(jí)閃蒸技術(shù)在淀粉質(zhì)原料酒精生產(chǎn)液糖化工藝中的應(yīng)用

黃景祿，畢春普，谷玉鳳，張翠英，肖冬光

(1.承德避暑山莊企業(yè)集團(tuán)，河北承德 067500；2.天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457)

酒精生產(chǎn)液糖化工藝，加熱和冷卻都是必不可少的環(huán)節(jié)，也是酒精生產(chǎn)過(guò)程中蒸汽消耗的主要工段之一。一般情況下，經(jīng)粉碎的淀粉質(zhì)原料用酒精蒸餾過(guò)程的冷卻水等拌料，粉漿溫度為30～40 ℃，加入液化酶，經(jīng)蒸汽加熱到88～90 ℃進(jìn)行液化，再進(jìn)入蒸汽噴射器提溫到100 ℃左右或更高進(jìn)行保溫蒸煮熟化；熟化后的液化醪經(jīng)過(guò)冷卻換熱降溫到60 ℃，加入糖化酶進(jìn)行糖化，轉(zhuǎn)化為糖化醪，60 ℃糖化醪再降溫到30 ℃加入酒母進(jìn)行發(fā)酵。在此過(guò)程中，粉漿自30～40 ℃升溫到100 ℃左右需要輸入大量的熱能（蒸汽），液化醪由100 ℃左右降溫至60 ℃糖化，糖化醪再降溫到30 ℃去發(fā)酵，需要冷卻輸出大量熱量。如何實(shí)現(xiàn)同一淀粉質(zhì)原料兩種不同狀態(tài)物料之間熱量的高效互換，利用液化醪的余熱對(duì)淀粉質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)煮,從而實(shí)現(xiàn)液化醪的余熱回收再利用，一直是酒精行業(yè)研究的課題[1]。各生產(chǎn)廠家采取的方法不同，傳統(tǒng)的換熱方式是利用間接換熱方式將液化醪與粉漿換熱，盡可能回收液化醪的部分熱量，減少加熱蒸汽用量。然而，間接換熱受換熱效率低的制約，仍有大部分的熱量沒(méi)有利用，導(dǎo)致冷介質(zhì)需求量高于熱介質(zhì)的量，形成過(guò)多的低溫?zé)崃繐p失，增加蒸汽消耗量。

傳統(tǒng)換熱方式中的間接換熱，無(wú)論是板式換熱器、列管換熱器還是螺旋板換熱器，都是物料將熱量傳導(dǎo)到換熱面，通過(guò)換熱面實(shí)現(xiàn)高低溫度介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)，都受到換熱器的導(dǎo)熱系數(shù)和流速、溫差等因素影響，換熱效率低，往往需要較大換熱設(shè)備或過(guò)量的冷介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫介質(zhì)的降溫。這是造成傳到冷介質(zhì)的熱能低而影響熱能再利用的主要原因。

葛德忠[2]報(bào)道了在酒精生產(chǎn)液化系統(tǒng)中采用真空閃蒸技術(shù)，將二次蒸汽返回用于加熱液化前部分的混合料，從而達(dá)到降低能源消耗的目的。陳俊英等[3]發(fā)明了一種淀粉質(zhì)原料液化糖化余熱回收工藝，在淀粉質(zhì)原料液化糖化過(guò)程中增加了閃蒸過(guò)程，閃蒸產(chǎn)生的二次蒸汽作為預(yù)液化步驟中第二級(jí)換熱的換熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，冷卻的冷凝水作為配料水添加，提高了節(jié)能節(jié)水效果。由于二次蒸汽與冷介質(zhì)的換熱是間接換熱，換熱效率的提高仍然有限。孫發(fā)喜等[4]發(fā)明了淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精的節(jié)能噴射液化系統(tǒng)，采用“閃蒸+吸收塔”組合方式，替代傳統(tǒng)間接換熱方法，有效提高了換熱效率?！伴W蒸-吸收塔”組合換熱的原理是將一定溫度的原料引入閃蒸室，由于閃蒸室中的壓力低于原料在該溫度下所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，故原料進(jìn)入閃蒸室后成為過(guò)熱溶液而急速部分氣化，原料自身的溫度降低，所產(chǎn)生的蒸汽與吸收塔冷介質(zhì)直接接觸，熱量通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)移到冷介質(zhì)中與冷介質(zhì)混合，隨著設(shè)備技術(shù)的不斷提高，吸收塔內(nèi)部構(gòu)件的改進(jìn)，增加熱蒸汽與冷液體介質(zhì)的接觸面，使得設(shè)備換熱效率幾近100%，遠(yuǎn)大于間接換熱器的換熱效率，是相同介質(zhì)間換熱的最佳選擇。根據(jù)物料沸點(diǎn)和壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)控制閃蒸罐的負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)物料溫度控制，閃蒸出的高溫蒸汽與吸收塔內(nèi)的冷介質(zhì)直接接觸，加熱冷介質(zhì)，此方法適合于同一物料的高低溫物料間的熱能交換，用于淀粉質(zhì)原料液糖化工序的高低溫物料熱量轉(zhuǎn)換可有效提高熱能利用的效率。然而，在此物料換熱過(guò)程中，冷熱介質(zhì)量是固定的，冷熱介質(zhì)溫差達(dá)40～60 ℃，對(duì)于同一物料，一次降溫溫差過(guò)大，即采取一級(jí)“閃蒸-吸收塔”的換熱方式，不能達(dá)到所需換熱量，會(huì)出現(xiàn)因所需冷量過(guò)多，造成能源再利用受到制約。只有采用多級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合，實(shí)現(xiàn)梯度換熱，才能解決此問(wèn)題，從而大大提升熱量回收率。

1 八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工藝流程

1.1 八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工段工藝流程

承德避暑山莊企業(yè)集團(tuán)年產(chǎn)10 萬(wàn)噸玉米酒精生產(chǎn)線，其液糖化工序的主要溫度節(jié)點(diǎn)為：玉米粉漿溫度為39～40 ℃，蒸汽加熱到88～90 ℃進(jìn)行液化，隨后進(jìn)入噴射器再提溫到97～98 ℃后熟，熟化后的液化醪換熱降溫到60 ℃加糖化酶進(jìn)行糖化，糖化醪再換熱降溫到30 ℃加入酒母進(jìn)行發(fā)酵。為最大限度節(jié)約液糖化工段熱能，不僅對(duì)高溫液化醪熱量回收，也對(duì)糖化醪余熱部分回收，一并采用“閃蒸-吸收塔”組合換熱方式實(shí)現(xiàn)冷熱介質(zhì)熱量互換。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)算，對(duì)液化醪采取六級(jí)“閃蒸-吸收塔”由98 ℃降溫至60 ℃，對(duì)糖化醪采取二級(jí)“閃蒸-吸收塔”換熱，由60 ℃降溫至47.4 ℃，合計(jì)采用八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合梯度換熱，基本能實(shí)現(xiàn)液糖化熱量的全部回收利用。

八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工段工藝流程見(jiàn)圖1。玉米原料粉碎后，用酒糟離心清液、精塔冷卻水、鍋爐濃水等混合拌料，拌料后粉漿溫度為39～40 ℃，進(jìn)入八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序液化糖化。具體工藝流程如圖1 所示，粉漿經(jīng)離心泵送至一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)組合吸收塔的頂部，吸收60 ℃的糖化液經(jīng)兩級(jí)閃蒸逐級(jí)降溫至53.5 ℃、47.5 ℃產(chǎn)生的二次蒸汽的熱能及液化液六級(jí)閃蒸降溫至60 ℃產(chǎn)生的二次蒸汽的熱能，粉漿溫度逐級(jí)升溫至45.4 ℃、51.7 ℃、58 ℃；粉漿從一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)組合吸收塔的底部經(jīng)泵送至四級(jí)、五級(jí)組合吸收塔的頂部，吸收79 ℃液化成熟醪經(jīng)過(guò)四級(jí)、五級(jí)閃蒸罐逐級(jí)閃蒸降溫至72.7 ℃、66.3 ℃產(chǎn)生的二次蒸汽，粉漿溫度逐級(jí)升至64.3 ℃、70.6 ℃；粉漿從四級(jí)、五級(jí)組合吸收塔底部排至料封罐，溢流至第一級(jí)預(yù)液化液罐，后經(jīng)泵送至六級(jí)、七級(jí)、八級(jí)組合吸收塔的頂部，吸收98 ℃液化成熟醪經(jīng)過(guò)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)閃蒸罐逐級(jí)閃蒸降溫至91.7 ℃、85.4 ℃、79 ℃產(chǎn)生的二次蒸汽，溫度逐級(jí)升溫至77 ℃、83.4 ℃、89.7 ℃；粉漿從六級(jí)、七級(jí)、八級(jí)組合吸收塔的底部排至料封罐，溢流至第二級(jí)預(yù)液化液罐液化，經(jīng)離心泵送至噴射液化器，升溫至98 ℃，進(jìn)入液化柱液化；液化成熟醪經(jīng)泵送至液化液一級(jí)閃蒸罐，溫度從98 ℃降至91.7 ℃，經(jīng)過(guò)液封逐級(jí)進(jìn)入液化液二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)閃蒸罐，溫度逐級(jí)降至85.4 ℃、79 ℃、72.7 ℃、66.3 ℃、60 ℃；降溫至60 ℃的液化液進(jìn)入糖化罐糖化，糖化好的糖化液經(jīng)泵送至糖化液一級(jí)閃蒸罐，降溫至53.7 ℃，經(jīng)液封進(jìn)入糖化液二級(jí)閃蒸罐，溫度降至47.5 ℃；降溫至47.5 ℃的糖化成熟醪經(jīng)板式換熱器與25 ℃的循環(huán)水進(jìn)行換熱，降溫至30 ℃后經(jīng)泵送至發(fā)酵工段。

圖1 年產(chǎn)10萬(wàn)噸玉米酒精生產(chǎn)線8級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序

1.2 八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序主要工藝參數(shù)

年產(chǎn)10 萬(wàn)噸玉米酒精生產(chǎn)線八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序主要工藝參數(shù)如下：

（1）液化粉漿流量：124.7 t/h；冷卻水按25 ℃設(shè)計(jì)計(jì)算,玉米溫度按20 ℃設(shè)計(jì)計(jì)算。

（2）液化最高溫度98 ℃。

（3）生蒸汽用量：最大粉漿流量124.7 t/h，酒精度按14.5%vol，酒精產(chǎn)量14.3 t/h，噸酒精粉漿流量為8.7 t，從89.7 ℃升至98 ℃，理論計(jì)算（不考慮散熱損失）蒸汽消耗量為每噸酒精約0.107 t，考慮熱損失，冬季（-16 ℃）實(shí)際運(yùn)行蒸汽消耗量為每噸酒精約0.15 t。

（4）液化醪從98 ℃降至60 ℃，糖化液從60 ℃降至47.5 ℃，全部通過(guò)醪-醪換熱實(shí)現(xiàn)，不需要消耗冷卻水（除冷凝不凝氣及真空泵工作密封水外）。

2 八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序運(yùn)行情況

2.1 節(jié)能降耗情況

2020 年11 月14—18 日，8 級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

（1）改造前液化工段噸酒精蒸汽消耗為0.53 t。

（2）改造后噸酒精蒸汽消耗為0.16 t（表1），液化工段噸酒精節(jié)省蒸汽0.37 t，增加電耗折算每噸酒精為8度。

表1 2020年11月14日至18日液糖化工序運(yùn)行情況

（3）液化工段每小時(shí)節(jié)省25 ℃循環(huán)冷卻水112 t，折算每噸酒精節(jié)約7.8 t。

（4）糖化工段每小時(shí)節(jié)省循環(huán)冷卻水103 t，循環(huán)水進(jìn)口溫度25 ℃，出口溫度40 ℃，折算每噸酒精節(jié)約7.2 t。

（5）減少去污水處理廠冷卻水63.3 t/h，折算每噸酒精節(jié)約用水4.4 t。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

八級(jí)“閃蒸-吸收塔”組合液糖化工序噸酒精經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算見(jiàn)表2，從結(jié)果看，噸酒精節(jié)省蒸汽消耗0.37 t，節(jié)省循環(huán)用水15 t，減少污水處理量4.4 t，噸酒精綜合節(jié)省費(fèi)用為60.2 元。承德避暑山莊企業(yè)集團(tuán)年產(chǎn)玉米酒精10 萬(wàn)噸，液糖化工段年節(jié)省蒸汽3.7 萬(wàn)噸，節(jié)省循環(huán)用水150 萬(wàn)噸，減少污水處理量44萬(wàn)噸，綜合經(jīng)濟(jì)效益為602萬(wàn)元。

表2 液糖化工序噸酒精經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

3 小結(jié)

由于各生產(chǎn)廠家原料和工藝的差異，粉漿溫度及液化溫度控制不一定相同，我們需要根據(jù)其冷物料與高溫物料溫度的差值來(lái)確定“閃蒸-吸收塔”的級(jí)數(shù)。粉漿初始溫度與預(yù)液化醪溫度（進(jìn)入噴射器前），決定了最大回收熱量，而選擇的閃蒸級(jí)數(shù)決定了能回收熱量的多少。原理上閃蒸級(jí)數(shù)越多，回收熱量越多，但因受到粉漿初始溫度和液化醪溫度限制，閃蒸級(jí)數(shù)越多，各級(jí)閃蒸溫差越小，熱量回收增加不明顯。另一方面，閃蒸級(jí)數(shù)越多，需要配套更多的閃蒸罐和吸收塔，在設(shè)備投資及安裝占地上費(fèi)用增加，相反閃蒸級(jí)數(shù)越少，各級(jí)溫差越大，則負(fù)壓差也相應(yīng)增大，需要的冷量越多。