降低木薯酒精生产综合能耗的技术途径

2012-11-21张齐军韦继高梁智

食品与发酵工业 2012年9期

张齐军，韦继高，梁智

1(广西工业职业技术学院，广西南宁，530001)2(广西平果凯特生物化工有限公司，广西平果，531400)3(广西轻工业科学技术研究院，广西南宁，530031)

木薯作为一种非粮经济作物，用于酒精生产具有不与人类争粮食、成本低廉等优势，是国家重点支持发展的产业。随着我国科技水平的不断提高和经济结构的持续优化，鲜木薯生产酒精存在的诸多问题逐渐突现，主要表现为企业规模小［1］、技术水平低、设备落后、物耗能耗偏高、环保压力大、管理粗放。近年来，我国大力推行节能减排、关停并转、淘汰落后产能产业政策，实现经济可持续健康发展;与此同时，必须对旧的生产方式进行变革创新，大量应用新技术、新工艺、新设备，更新管理模式，实行精细化管理，才能真正实现资源节约、节能减排和持续发展。因此，在新的能源价格体系、新的技术水平、更高的装备制造技术和新的竞争格局下，从精细管理水平、工艺创新优化及应用先进装备方面，对鲜木薯制酒精的节能技术进行研究探讨，想方设法降低物耗能耗水平，是非常必要和十分有意义的;对促进区域经济发展，提高木薯酒精产业的经济效益和社会效益具有重要作用。

1 鲜木薯制酒精工艺及特点

1.1 鲜木薯制酒精工艺流程

鲜木薯→去皮、清洗→粉碎→拌料→喷射液化→蒸煮后熟→真空冷却→糖化→冷却→连续发酵→差压蒸馏→优级酒精

1.2 工艺特点

1.2.1 去皮与清洗

在鲜木薯生产酒精过程中，大多数企业采用的工艺流程没有清洗、去皮这一工序，而是直接碎解后蒸煮，是一种较粗放的生产方式。去皮与清洗是先用滚筒脱皮机除去鲜木薯的外皮及附带的泥沙，经螺旋洗薯机将鲜木薯洗净再行碎解，减少外皮、泥沙等进入后续生产流程，达到除去部分氢氰酸、节约能源和减轻发酵废液处理负荷的目的。

1.2.2 三级粉碎

本工艺采用破碎、粗碎、细碎三级粉碎流程替代原来的两级粉碎，提高粉碎操作效率，降低电耗。

1.2.3 喷射液化

随着耐高温α－淀粉酶耐热稳定性的提高，淀粉质原料生产酒精普遍应用喷射液化法液化淀粉浆。喷射液化与传统高温蒸煮相比，具有液化温度较低、受热均匀、作用迅速、液化效果好、糖分损失小等优点，能提高出酒率，降低蒸汽用量。

1.2.4 蒸煮醪冷却

淀粉浆喷射液化、保温后熟后，常采用真空闪蒸冷却工艺，冷却到糖化温度进行糖化，此种工艺能通过闪蒸作用去除部分易挥发性有害杂质，但浪费了部分热能，增加了电耗。从提高热利用率考虑，先用螺旋板式换热器使液化醪与淀粉浆进行偶联换热，回收大部分热能，再经真空冷却系统冷却到糖化温度，能避免蒸煮醪所含热能的浪费;而且也能保证易挥发性杂质的排除。

1.2.5 差压蒸馏［2－3］

在蒸馏的诸多节能技术措施中，差压蒸馏是目前应用最普遍、最成熟、最有效的一项。差压蒸馏是利用真空装置控制各塔不同的压力，实现蒸汽在各塔之间多次重复利用，提高热效率，减少蒸汽用量，达到节能的目的。

2 鲜木薯制酒精主要耗能工序

2.1 主要耗电工序

木薯原料生产酒精的主要耗电工序包括:物料输送、给排水、粉碎、差压蒸馏抽真空、蒸馏回流等。其中，粉碎工段耗电量最大，若按某公司为广西新天德能源有限公司装备的10万t/年木薯原料特优级食用酒精生产线设备表核算，该项占到56.12%。

2.2 主要耗汽工序

木薯原料生产酒精的主要耗汽工序包括蒸煮、蒸馏两个工段。热量计算显示，蒸馏约占总蒸汽用量的60%，蒸煮则占35%，其余为热损及少量糖化、连续发酵工段等的用汽［4］。

可见，木薯原料生产酒精主要耗能工段是粉碎、蒸煮和蒸馏，如何降低这些工段的综合能耗，是鲜木薯生产酒精节能的核心。

3 木薯酒精生产节能技术探讨

由于能源价格持续上涨和节能减排任务日趋严峻，发酵法酒精生产节能技术一直是业界研究的热点，取得了不少成果，如生料发酵工艺［5］、低温蒸煮工艺、差压蒸馏等。这些新技术、新工艺、新设备的实施，均已取得一定的节能效果;然而，木薯酒精生产的节能降耗还有很大潜力可挖，值得进一步深入研究。

3.1 鲜木薯去皮、清洗与节能

鲜木薯清除泥沙、表皮后再进入生产流程，可明显减少电耗和蒸汽消耗。根据目前企业生产实际情况，从种植农户收购的鲜木薯，普遍含2.0%～3.5%泥沙、薯外皮等杂质。生产时首先去皮及洗涤处理，能避免此部分非发酵性物质进入后续生产流程。根据广西平果凯特生物化工有限公司多年生产酒精生产的实际情况，鲜木薯的平均单耗为6.8 t/t酒精，加水碎解后得到13.0 m3淀粉浆，相当于鲜木薯带入的泥沙、薯皮等杂质被放大了13.0/6.8，即1.91倍;据此，理论上去皮、清洗能降低电耗、汽耗为2.0%～3.5%的1.91倍，即各3.82%～6.69%。即使增加滚筒脱皮机、螺旋洗薯机，由于它们为低转速设备，所需功率小，两台机增加电能只占总电耗1.04%，上述节电数据变为3.78%～6.62%;节汽仍为3.82%～6.69%。

3.2 粉碎工段的节能措施

木薯制酒精在发酵前必须经粉碎、液化、糖化处理，使淀粉水解为可发酵性糖供酵母发酵产生乙醇。对于粉碎工段，选择何种粉碎工艺、粉碎设备、粉碎比、粉碎细度等对能耗、可发酵性糖损失、出酒率都有重要影响。

3.2.1 电、煤价格变化对酒精生产能耗的影响

目前我国能源供应以煤为主，受到资源短缺和环境污染的双重约束;电则有煤电、水电、核电、风电等多种形式，而且水电资源十分丰富。因此，最近十多年，尽管电、煤价格均呈上涨趁势，但煤价与电价比上升更明显。所以在工艺流程及操作条件选择上，应创新传统工艺，适应这种变化，想法以电耗代替煤耗(汽耗)，提升综合能效，降低木薯酒精生产成本，提高企业经济效益。

3.2.2 粉碎度、蒸煮温度与综合能耗

原料粉碎是高耗电工段，蒸煮则是高耗汽工段;粉碎细度与蒸煮温度、蒸煮时间及淀粉出酒率、耗汽量相互制约，如何选择相关工艺参数对综合能耗有很大影响。原料进行蒸煮前，预先经过粉碎，增大其表面积，以增加原料与蒸汽的接触面，提高热处理效率，利于淀粉酶将淀粉颗粒水解为可发酵性糖。粉碎细度选择的关键是保证高出酒率的同时，降低综合能耗，按当前煤电比价关系，粉碎粒度应尽量细些，理由是:(1)粉碎粒度细，可采用较低的蒸煮温度即得到良好的糊化效果［6］，且不会造成不溶性淀粉的增加;(2)采用较低蒸煮温度，能有效抑制蒸煮过程中糖的化学变化，减少黑色素、焦糖等不可发酵性糖的形成。因此，提高粉碎细度，可使用低温蒸煮，以保持最低的可发酵物总损失，并达到节能目的。

3.2.3 粉碎工艺选择

粉碎是酒精生产高耗能工段之一，应合理利用粉碎规则降低能耗［7］。对鲜木薯碎解，目前工艺多采用二级粉碎，分配到各级的粉碎比很大，能耗亦高;而且全部拌料用水在粗碎加入，明显与粉碎规则不符，造成总功耗偏高。更合理、科学的工艺应是，在粗碎前增加一级破碎，使之变为破碎、粗碎、细碎三级粉碎，从而获得最佳的粉碎比。鲜木薯条长尺寸范围较大，一般为200～500 mm，若一次性粗碎为14～16 mm，其粉碎比是13～36，与操作效率最高的粉碎比4相差太大，效率较低。增加一级破碎，也可称预粉碎，不带筛网，使粗碎前原料尺寸变小为25～30 mm;再进行粗碎和细碎，其中粗碎筛网孔径5～7 mm，细碎筛网孔径0.8～1.0 mm，使各级粉碎比尽可能接近4。增加一级粉碎，既不会增加电耗［8］;还可降低蒸煮温度，达到节电节汽的目的。

3.3 蒸煮工段的节能技术

蒸煮工段节能措施可从蒸煮热量衡算式［9］分析，其计算式为:

式中，GJ─ 料浆量，kg/h;t1─ 料浆温度，℃;CJ─ 料浆比热，kJ/(kg·℃);t2─ 蒸煮(液化器出口)温度，℃;I─ 蒸汽热焓，kJ/kg;cw─水的比热，kJ/(kg·℃)。

从计算公式不难看出，在供汽条件一定的情况下，蒸煮的蒸汽用量主要与料浆温度、蒸煮温度、料浆量有关，它们对能耗的影响分析如下:

3.3.1 提高料浆温度

料浆温度越高，蒸煮耗汽越小;但料浆温度还受原料糊化温度、耐高温α－淀粉酶最适温度等制约。木薯淀粉糊化起始、完成温度分别为 52℃、64℃［10］，可见料浆温度应控制在52℃左右，不能太高;否则料浆已经起糊，而耐高温α－淀粉酶在此温度下液化作用尚不明显，造成料浆呈糊状或半糊状，给生产操作带来困难和麻烦。因此，为减少蒸汽用量最好控制料浆温度于52℃或略高。

3.3.2 降低蒸煮温度

降低蒸煮温度能减少蒸汽用量。按蒸煮前淀粉浆预热到52℃、加热蒸汽压力0.3 MPa、吨酒蒸煮醪量、醪液比热等参数设为定值的基础数据，用公式(1)计算，得图1。图1非常直观地显示了蒸煮温度与蒸汽耗量间的相互关系。

图1 蒸煮温度与蒸汽耗量的关系

同时，由于原料粉碎得更细，缩短了传热时间，受热更均匀，再结合使用诺维信最新开发的利可来耐高温α－淀粉酶(SC型)，生产试验证明，可将原来普遍采用的较高蒸煮温度(喷射液化温度)降低，即由108℃降低为88～92℃，取中间值90℃，按(1)式计算，蒸煮温度108℃时耗，汽量为1 008.63 kg蒸汽/t酒;蒸煮温度降为90℃时耗汽684.38 kg蒸汽/t酒，理论上可节约蒸汽32.15%。按蒸煮占总耗汽35%计算，降低蒸煮温度能减少总蒸汽用量11.25%。

3.3.3 减少料浆量

减少料浆量可从两方面降低能耗。一方面是提高料浆浓度，处理量变小，蒸煮蒸汽用量随之减少;另一方面，提高料浆浓度相当于浓醪发酵，能提高发酵成熟醪酒分，使蒸馏耗汽量降低。通过计算成熟醪量、成熟醪带入热量、塔底残液带走热量等，并确定醪塔初、终温和加热蒸汽压力等进行一系列复杂的物料热量计算［9］，可得到成熟醪酒分与蒸馏耗汽量之间关系，见图2。

图2 成熟醪酒分与蒸汽耗量之间关系

图2显示，提高发酵成熟醪酒分，具有一定节能效果。如发酵成熟醪酒分为9%时，蒸馏耗汽为2 437.2 kg/t酒;发酵成熟醪酒分为10%时，蒸馏耗汽为2 342.1 kg/t酒，理论上可节约蒸汽3.90%。

3.4 蒸馏节能技术

以发酵法生产酒精，蒸馏工段耗汽约占总耗汽的60%，如何降低蒸馏系统能耗显然是酒精生产节能重点。

3.4.1 差压蒸馏节能作用

以木薯制优质食用酒精，采用间接式多塔精馏流程，各塔需引入蒸汽加热。差压蒸馏是通过真空控制各塔压力差及沸点，实现蒸汽多次重复利用，提高热效率，降低蒸汽耗量。对于常用的四塔间接式蒸馏流程，蒸汽潜热得到3次重复利用，理论上可减少2/3的热消耗，考虑到已采用热偶重复利用热量等，差压蒸馏技术比常压蒸馏实际节约蒸汽达到40%以上。

3.4.2 热泵技术

热泵是使热量由低位能向高位能转移，从而提高蒸汽潜热的装置。有两条技术途径:一是利用高压蒸汽，通过蒸汽喷射器，将废液、冷凝水等自蒸发产生的二次蒸汽及其他低压蒸汽提高位能变成中压蒸汽加以回收利用;二是通过往复压缩机，将低压蒸汽压缩为中压蒸汽加以利用，达到节能的目的。

蒸馏废醪尽管已经过偶联换热回收部分余热，但排醪温度仍高达63℃左右，甚至更高，尚有相当数量余热值得回收利用［11］。使用热泵技术，通过自蒸发作用，若使废醪温度由63℃降至45℃，按每吨酒精得到12 t废醪计算其放出的显热，结果显示，理论上可节约压力为0.3 MPa蒸汽408.47 kg/t酒精，为吨酒精总耗汽的10.21%～9.73%(按单耗4.0～4.2吨蒸汽/t酒计算，数据来自广西平果凯特生物化工有限公司)。