第41卷第19期廣州化工Vol 41 No 192013年10月uangzhou Chemical IndustryOctober 2013燃料乙醇生產(chǎn)工藝的節(jié)能減排研究林海,何泳儀2(1湛江粵海機器有限公司,廣東湛江5245002華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,廣東廣州510640)摘要:高能耗、高污染是制約燃料乙醇行業(yè)發(fā)展的主要因素。為實現(xiàn)節(jié)能減排,本公司對木薯燃料乙醇生產(chǎn)中的精餾過程進行模擬和優(yōu)化,并研究了濃醪發(fā)酵工藝。優(yōu)化后的精餾系統(tǒng)操作穩(wěn)定性和能量利用率得以提高,酒精發(fā)酵醪濃度提升到18.21%,為乙醇工業(yè)生產(chǎn)降低能耗、節(jié)約工業(yè)用水和提高設(shè)備利用率提供科學(xué)依據(jù),實現(xiàn)綠色化生產(chǎn)工藝。關(guān)鍵詞:燃料乙醇;節(jié)能減排;精餾;發(fā)酵中圖分類號:TQ23.122文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1001-9677(203)19-0132-03Research on Energy Saving and Emission Reductionin Fuel ethanol productionLIN Hai, HE Yong-yi1 Zhanjiang Yuehai Machinery Co., Ltd., Guangdong Zhanjiang 524500; 2. School ofChemistry and Chemical 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-basedethanol 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%.Theprovided scientific basis for reducing energy consumption, saving water and improving equipment utilization for產(chǎn)ethanol industry, realizing green technologyKey words: fuel ethanol; energy saving; extractive distillation; fermentation生物質(zhì)能源的發(fā)展已經(jīng)被列入國家重點發(fā)展行業(yè)。但生物料乙醇的兩大生產(chǎn)國和消費國—美國和巴西的乙醇產(chǎn)量約占質(zhì)能的生產(chǎn)是一個高排放、高污染和高耗能的行業(yè),生物質(zhì)能全球總產(chǎn)量的95%以上。目前中國燃料乙醇的消費量已占汽產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排需要新的裝備技術(shù)支持。我國生物質(zhì)能資源十分車燃料消費量的20%左右,且產(chǎn)能和應(yīng)用范圍都在不斷擴豐富,據(jù)估算,我國生物質(zhì)資源每年可轉(zhuǎn)化為能源的潛力,近大3,中國已成為繼美國、巴西之后的第三大生物燃料乙醇生期約為5億t標(biāo)準(zhǔn)煤,遠(yuǎn)期可達(dá)到15億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上。同時,產(chǎn)國和消費國。生物質(zhì)能源的主要原料是可再生的天然植物及加上荒山、荒坡種植的各種能源林,資源潛力在15億t標(biāo)準(zhǔn)煤其副產(chǎn)物,如含淀粉類植物、糖類作物、油脂類作物等?，F(xiàn)代以上。2006年全球生物柴油的生產(chǎn)能力為1270萬∪a,消費生物質(zhì)能的發(fā)展方向是高效清潔利用,將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)能量為690萬t,分別比2005年增加了89%和103%。2010年全源,包括電力、燃?xì)?、液體燃料和固體成型燃料等“。生物液球生物柴油的生產(chǎn)能力將達(dá)到8410萬va,產(chǎn)量為480萬to體燃料是重要的石油替代產(chǎn)品,主要包括燃料乙醇和生物柴目前全球乙醇的生產(chǎn),以農(nóng)副產(chǎn)品為原料的發(fā)酵工藝占乙醇總油。根據(jù)《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》和《可再生能源中能力的95%以上。2004年乙醇產(chǎn)量為3425萬t,2005年達(dá)到長期發(fā)展規(guī)劃》,我國重點發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電、沼氣、生物質(zhì)固了3600萬t。根據(jù)美國和巴西等國的發(fā)展計劃,預(yù)計燃料乙醇體成型燃料和生物液體燃料。2010年,增加非糧原料燃料乙醇的產(chǎn)量將以每年5%~10%的速度增長。將工業(yè)酒精進一步脫年利用量200萬t,生物柴油年利用量達(dá)到20萬t。到2020年,水制得無水乙醇后,按照一定比例加入汽油或柴油中即成為燃生物燃料乙醇年利用量達(dá)到1000萬t,生物柴油年利用量達(dá)到料乙醇。它被認(rèn)為是節(jié)約汽油的最佳燃料,可以有效降低汽車200萬尾氣污染物的排放。燃料乙醇替代汽油燃燒既有利于減少對進廣東省是我國的經(jīng)濟強省,GDP占全國的11%,但也是資口能源的依賴,保障國家能源安全,又有利于增加農(nóng)民收入和源貧乏的大省,能源自給率不足10%。廣東省有著豐富的生物提供就業(yè)機會2。在全世界范圍內(nèi),燃料乙醇的消耗量相當(dāng)于質(zhì)能源資源,在新型能源供給和利用方面面臨重大產(chǎn)業(yè)發(fā)展機汽油的2%,預(yù)計到2030年將達(dá)到10%-20%。目前生物燃遇。如能及時建立廣東新能源科技創(chuàng)新平臺、推進廣東新能源作者簡介:林海(1957-),男,工程師第41卷第19期林海等:燃料乙醇生產(chǎn)工藝的節(jié)能減排研究133產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步,提升廣東新能源產(chǎn)業(yè)的競爭力優(yōu)勢,則可為動態(tài)模擬計算,考察過程中擾動響應(yīng)、控制狀況進行分析,設(shè)社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供能源保障。同時,廣東省地處我計出一個改進的控制結(jié)構(gòu),描述如何解決拓寬收斂區(qū)間,降低國南端,毗鄰東南亞生物質(zhì)資源豐富地區(qū),在生物質(zhì)資源進口控制難度的問題和新能源技術(shù)出口方面有著天然的地理優(yōu)勢。近年來國際市場五塔精餾過程的循環(huán)系統(tǒng)中存在一個或多個變量對其他擾原油價格劇烈波動,世界各國都在加大新能源發(fā)展力度。美動變量的變化的敏感性,會導(dǎo)致系統(tǒng)中所有操作單元的產(chǎn)品質(zhì)國、日本、歐盟、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家紛紛制定出激勵政策,量不能固定在設(shè)定值上,而且塔間的擾動會相互傳播,因此在如政府補貼、減稅等。在發(fā)展中國家里,巴西是起步較早的國過程設(shè)計與控制系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)充分考慮相關(guān)的問題。高度集成家,無論在技術(shù)上和管理上都取得了許多成功的經(jīng)驗。東南亞化的五塔精餾系統(tǒng),需要設(shè)計足夠的控制自由度來避免開停車國家由于具有先天的資源優(yōu)勢,都紛紛制定了各自的生物質(zhì)能和安全操作的隱患,并且控制結(jié)構(gòu)需要建立在充分分析控制自源發(fā)展路線,如泰國則由國王親自頒發(fā)命令,大力發(fā)展醇基燃由度與被控變量的搭配程度,以此來減輕由于這種雪崩效應(yīng)導(dǎo)料產(chǎn)業(yè),得到了政府和民眾的積極響應(yīng)。致的擾動放大傳播的情況。實際生產(chǎn)中使用的控制結(jié)構(gòu)對于穩(wěn)在燃料乙醇方面,燃料乙醇產(chǎn)業(yè)是一個將生物能向化學(xué)能定操作仍有較大差距,因此通過動態(tài)響應(yīng)的分析,提出一個能轉(zhuǎn)換的過程,轉(zhuǎn)換效率的高低直接決定了其存在的意義,而所適應(yīng)穩(wěn)定操作要求的控制結(jié)構(gòu)有其必要性產(chǎn)生污染物的多少,又決定了其生存空間的大小。以日前我國對于水洗塔來說,當(dāng)前控制結(jié)構(gòu)能提供一定的穩(wěn)定操作的現(xiàn)狀,生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的各種技術(shù)指標(biāo)并不如人意,每生產(chǎn)但仍能預(yù)見在實際操作中會出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素,比如F2的熱1t燃料乙醇產(chǎn)品含化學(xué)能2649M的產(chǎn)品,需要消耗2049M能水進料的流量是F粗酒精進料的流量的4倍左右,以工廠實際量,排放12-15tCoD為30000mg/以上、BOD為2000應(yīng)用來說用流量巨大的物流控制塔板溫度具有一定的風(fēng)險性,mg/L以上、干物質(zhì)含量2-10%的廢液。高能耗、高污染是在擾動頻繁的情況下,當(dāng)前使用的反饋控制具有滯后性,一旦行業(yè)發(fā)展的主要制約因素。對燃料乙醇產(chǎn)業(yè)來說,節(jié)能減排勢F2熱水進料與F粗酒精進料的比例失控,會影響水洗塔脫醛在必行。反應(yīng)產(chǎn)物的分離設(shè)備關(guān)系到產(chǎn)品、能耗、排放等一系酯的效果,且涉及水洗塔的穩(wěn)定性操作問題,同時進料的擾動列問題,是生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,分離過程的運行狀況,會通過雪崩效應(yīng)對系統(tǒng)形成更大的擾動,可以預(yù)見的最差情況對整個生產(chǎn)工藝產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。精餾操作是生物質(zhì)能源是使系統(tǒng)的運行指向發(fā)散的結(jié)果。在不直接使用熱水進料控制產(chǎn)業(yè)中主要的分離手段,分離精度的高低決定了原料消耗和廢塔板溫度的前提下,使用一個比例控制約束流量F2/F1,在模物排放量的大小。精餾是高耗能、高排放的單元操作,燃料乙擬初始化的時候,F2/F1的比例選擇穩(wěn)態(tài)模擬的比例,使用醇精餾工段的能耗占整個生產(chǎn)過程能耗的7%以上,廢物排放F2/F1的比例來控制溫度Ts,使得兩者的比例在一定的控制范占90%以上。圍內(nèi),風(fēng)險在生產(chǎn)過程中可以檢測及預(yù)計。根據(jù)動態(tài)響應(yīng)特性木薯是一種在我國南方廣泛種植的非糧作物,具有適應(yīng)性的結(jié)論,在水洗塔中使用稀酒精進料與熱水進料的比例來控制強、耐旱、耐貧瘠等特點,鮮木薯中淀粉含量在32%以上9,溫度,可在不失去當(dāng)前控制結(jié)構(gòu)的控制自由度控制溫度的情況是生產(chǎn)乙醇的理想原料。研究結(jié)果表明,在各種原料中,木薯下,使得兩者的比例在一定的控制范圍內(nèi)而不出現(xiàn)失控的情的綜合效益居第2位。木薯經(jīng)液化、蒸煮處理,破壞細(xì)胞,況;在精餾塔中使用雙溫控制系統(tǒng)來改進全塔溫度的控制效使淀粉糊化;在液化酶、糖化酶的作用下,轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖果,從而提高酒精產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。從改進之后的控制系統(tǒng)后形成均一的糖化醪,加入酒精酵母發(fā)酵,酵母將葡萄糖代謝的動態(tài)響應(yīng)可知,五塔精餾系統(tǒng)的循環(huán)系統(tǒng)整體上降低了大流為乙醇;發(fā)酵成熟醪經(jīng)精餾、脫水處理,得到乙醇含量為量物流的風(fēng)險性,并能提供更穩(wěn)定的酒精產(chǎn)品質(zhì)量,是安全99.5%以上的燃料乙醇產(chǎn)品。濃醪發(fā)酵在高密度酒精發(fā)酵技的、有效的生產(chǎn)的控制結(jié)構(gòu)術(shù)的諸多技術(shù)中是一項非常有前景的技術(shù)并能提高酒精廠綜合效益,被譽為發(fā)酵工業(yè)技術(shù)革新的一個主要方面和簡單有效的2高密度發(fā)酵研究手段。在發(fā)酵過程中,提高醪液濃度可在基本不改動現(xiàn)有設(shè)備高密度發(fā)酵工藝優(yōu)化的基本思路是尋求培養(yǎng)基配方和最佳的情況下提高設(shè)備利用率,減少生成成本、人力和能耗,減少溫度、pH值、溶氧等采用動力學(xué)為基礎(chǔ)的以最佳工藝控制點工藝用水量,縮短發(fā)酵周期,減少發(fā)酵罐清潔費用。根據(jù)測為依據(jù)的發(fā)酵工藝優(yōu)化,提高發(fā)酵產(chǎn)物濃度與生產(chǎn)效率。隨著算,精餾時酒精濃度在%以下時耗能最大。如果將發(fā)酵醪酒研究的深入及大量實驗數(shù)據(jù)的累積,我們認(rèn)為在濃醪同步糖化精濃度提高4%約可以減少30%的精餾能耗,并且可以減少廢發(fā)酵過程中,菌體的優(yōu)良發(fā)酵性能并未完全發(fā)揮。因此本公司水排放。因此精餾過程模擬優(yōu)化和高密度發(fā)酵技術(shù)是本公司的將多種實驗設(shè)計方法融入到傳統(tǒng)的工藝條件優(yōu)化系統(tǒng)中,創(chuàng)建個研究重點。多平臺立體優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系,開發(fā)對乙醇發(fā)酵過程影響因子通量乙醇精餾過程模擬與優(yōu)化篩選、顯著因子最優(yōu)化、多目標(biāo)可視化博弈優(yōu)化和優(yōu)化過程的多策略建模,解決了普通的工業(yè)菌株,通過將生物學(xué)、工藝設(shè)精餾過程是乙醇生產(chǎn)中能耗最多的工序,燃料乙醇的精餾計、數(shù)學(xué)建模等多種方法用于其乙醇濃醪同步糖化發(fā)酵過程脫水工段消耗整個燃料乙醇生產(chǎn)過程能耗的50%~80%。隨著顯著的提高乙醇的濃度,增強其發(fā)酵性能,達(dá)到推進高密度乙燃料酒精計劃的實施,如何高效節(jié)能地制備燃料乙醇成為一個醇發(fā)酵工藝發(fā)展的目的。主要完成的內(nèi)容有:迫切需要解決的問題。為了最大限度的減少精餾過程的能量消(1)采用低溫-生料發(fā)酵技術(shù)與濃醪同步發(fā)酵技術(shù)相結(jié)耗,精餾過程設(shè)計了大流量物流的再循環(huán)以及精餾過程熱集合,從木薯及釀酒酵母工業(yè)菌株的濃醪發(fā)酵適應(yīng)性進行表征入成,工藝復(fù)雜。五塔精餾工藝在操作中面臨著收斂區(qū)間窄,控手?？疾煸囼炗媚臼淼幕瘜W(xué)組成,濃醪下的流體特征、剪切稀制難度大的問題,在實際生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)操作需要不同工人化特性、膨脹勢。并通過加入預(yù)糊化工藝,發(fā)現(xiàn)淀粉醪液能在的操作以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的要求,故此收斂區(qū)間和控制問題最終低溫下進行水解。對工業(yè)釀酒酵母進行表型分析,考察了釀酒會演化成產(chǎn)品質(zhì)量的差異性。本公司在研究中利用 Aspen酵母的發(fā)酵特性,高糖、乙醇耐性,發(fā)現(xiàn)濃醪環(huán)境紿菌體生長Dynamics化工過程模擬軟件,可以對高純度酒精精餾工藝進行和新陳代謝均帶來顯著壓迫,未優(yōu)化的情況下,發(fā)酵參數(shù)表征134廣州化工2013年10月指標(biāo)均低于常醪發(fā)酵。產(chǎn)量低,而較適宜種植木薯、膏桐等能源作物。根據(jù)廣東的特(2)應(yīng)用 Plackett- Burman設(shè)計( Plackett- Burman點,走自己的生物能源發(fā)展道路,以技術(shù)為依托,形成有嶺南Dsig,PBD)對包括木薯水解、發(fā)酵環(huán)境及培養(yǎng)基營養(yǎng)物質(zhì)在特色的生態(tài)能源產(chǎn)業(yè)鏈,是使廣東在面臨全球化競爭中立于不內(nèi)的19個因素進行濃醪同步糖化發(fā)酵工藝過程建模和顯著性敗之地的重要保證。我國許多省區(qū)已大規(guī)模進行燃料乙醇等生因素通量篩選。通過中心因子( Central Composite Design,CD)物質(zhì)能源的推廣試驗,廣東作為我國經(jīng)濟發(fā)達(dá)而能源緊缺的省響應(yīng)面法( Response- Surface Methodology,RsM)對經(jīng)PBD份,必須加大研發(fā)力度,依靠自身的資源優(yōu)勢,減少能源的對篩選出的顯著因素:木薯濃度、木薯顆粒大小、初始pH、發(fā)外依存度。目前生物質(zhì)能源生產(chǎn)技術(shù)水平不高、裝備落后,導(dǎo)酵溫度進行優(yōu)化。最優(yōu)化條件下,發(fā)酵末期乙醇濃度達(dá)致能源、原材料消耗大,廢物排放多,生產(chǎn)成本高,在價格上15.03%(ω),較優(yōu)化前提高1.87倍。尚難以與石油產(chǎn)品競爭,也不符合國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。本公司通(3)在生料濃醪同步糖化發(fā)酵的優(yōu)化中,首先應(yīng)用CCD-過對精餾過程進行模擬優(yōu)化和研究高密度發(fā)酵技術(shù),大幅度促RSM對影響淀粉生料水解的四因素:α-淀粉酶、葡萄糖淀粉進燃料乙醇生產(chǎn)工藝的節(jié)能減排,為燃料乙醇產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)綠色化酶、液化溫度及液化時間分別對菌體濃度、乙醇濃度和淀粉利提供了科學(xué)依據(jù)。用率三個目標(biāo)建模,并對模型進行了最優(yōu)化估算。發(fā)酵結(jié)束時酵母濃度最大值為4608(×103cel/mL),乙醇濃度最大值為參考文獻18.21%(ω),淀粉利用率最大值為9494%。[1]詹慧龍嚴(yán)昌字楊照中國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].中國(4)應(yīng)用線性加權(quán)法對菌體濃度、乙醇濃度和淀粉利用率農(nóng)學(xué)通報,2010,26(23):397-402三個目標(biāo)進行多目標(biāo)優(yōu)化。通過綜合考察分析多目標(biāo)博奔下,[2]田宣水孫麗英趙立欣我國生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件分析考察水解因素α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、液化溫度及液化時[J]中國高?？萍寂c產(chǎn)業(yè)化,2008(3):72-75間之間的相互關(guān)系及對各目標(biāo)優(yōu)化影響。提供給決策者一個可31. Walter Amal,Rail- Calle Frank, Dolzan Paul,ta, erspectives視化動態(tài)博弈最優(yōu)化 Pareto解集n fuel ethanol consumption and trade [J]. Biomass and Bioenergy2008,32(8):730-748.(5)在木薯乙醇生料濃醪同步糖化發(fā)酵過程中,引入了雙[4]王成軍黃少杰國外燃料乙醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及其對我國的啟示酶非同步協(xié)同水解概念建模。根據(jù)a-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶[].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟,2005,24(5):110-112在生料水解木薯濃醪的添加方案及其在實驗過程中表現(xiàn)出的菌[5]劉軍郭浪我國燃料乙醇原料非糧化探討[山東食品發(fā)酵體生長、乙醇生成和底物消耗規(guī)律,建立基于雙酶非同步協(xié)同2008(3):44-4木薯乙醇濃醪發(fā)酵動力學(xué)模型。通過曲線擬合通近,實驗求[6]劉慶華可再生能源資源與開發(fā)利用[.攀枝花科技與信息,解; Matlab擬合計算對動力學(xué)反應(yīng)過程參數(shù)進行計算。并應(yīng)用2000,34(1):43-49酵母密度最優(yōu)化策略、乙醇濃度最優(yōu)化策略和淀粉利用率最優(yōu)[7]劉志遠(yuǎn)世界生物燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展新特點及面對的共同問題[.農(nóng)化策略進行建模驗證。驗證結(jié)果證明:在釀酒酵母木薯乙醇生業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè)),2009(11):8料濃醪同步糖化發(fā)酵過程中,基于雙酶非同步協(xié)同水解的發(fā)酵8]張華,闡久方薯干酒精度液全回用技術(shù)應(yīng)用實例小.污染防治過程建模方法具有很高的預(yù)測精度、泛化能力。通過上述研究,實現(xiàn)發(fā)酵醪液濃度達(dá)到30.3%,成熟醪液[9] Du Dai, Zhi Yuanhu, Geng Qian中酒精濃度達(dá)到18%以上(達(dá)到18.21%),發(fā)酵液酵母濃度到potentials of cassava fuel ethanol in Guangxi region of China [J]Energy Conversion and Management, 2006, 47(13-14): 1686-1699達(dá)4.608億。[10]黃詩鏗我國燃料乙醇原料應(yīng)走多元化道路[J].中國科技論壇,3結(jié)語2005(6):52-55[11]近年來廣東省的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生巨大的變化,從以糧為[玎]綱到農(nóng)林牧副漁并舉,以龍頭企業(yè)為代表的大型集約化大農(nóng)業(yè)2002,7(4):237-243基地相繼建成。廣東有大量的較為貧瘠的坡地,種植糧食作物