燃料乙醇生产中多级闪蒸液化工艺流程模拟优化及经济分析

2023-11-25张淑红李冬敏张宏嘉沈乃东凡1

酿酒科技 2023年9期

魏妮，张淑红，李冬敏，张宏嘉，沈乃东，李凡1，，3*

（1.中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209；2.中粮生化能源（肇东）有限公司，黑龙江肇东 151100；3.国家能源生物液体燃料研发中心，北京 102209）

在全球“碳达峰”和“碳中和”背景下，能源系统必将发生深刻变革。清洁能源对实现“双碳”目标发挥积极作用。生物液体燃料是典型的清洁能源，生物液体原料代替传统的石化燃料有利于降低碳排放。燃料乙醇是生物液体燃料中消费量最大的产品，对保证粮食安全和促进“三农”起着重要作用[1-3]。

我国燃料乙醇的发展是为了解决我国经济社会发展中存在的能源短缺、陈化粮和环保等问题[4-5]，起步晚，但是发展迅速，迄今为止已经成为继美国和巴西之后的世界第三燃料乙醇生产国[6]。进入新时代，燃料乙醇行业面临原料价格、新能源汽车、非生物基乙醇和进口乙醇等多方面的冲击，但是在原料供应保障和科技创新等方面仍然有很大的发展潜力[7]。

燃料乙醇的生产通常以玉米和木薯等淀粉质为主要原料，经过粉碎、液化、糖化、发酵和乙醇分离等工序。液化是在淀粉酶的作用下，使淀粉内部分子发生断裂，分解为糊精和低聚糖分子，液化的效果对发酵有着重要影响[8]。目前燃料乙醇工厂经常使用的液化工艺是低温喷射液化，玉米在进入喷射液化器前调浆，然后进入喷射液化器，喷射温度85～105 ℃，蒸汽喷射液化工艺消耗蒸汽在0.4～0.6 t/t酒[9]。随着节能意识的增强，多级闪蒸液化工艺越来越受到关注。黄景禄[10]报道了八级“闪蒸-吸收塔”组合在10 万吨玉米酒精生产线上的应用，这种方式使冷热醪液梯度换热，大幅提高换热效率，最大限度回收液糖化工段余热，节能节水效果好；孙发喜等[11]发明了淀粉质原料生产酒精的节能喷射液化系统，采用“闪蒸+吸收塔”组合方式，替代传统间接换热方法，有效提高了换热效率；葛德忠[12]将液化醪闪蒸后的二次气直接通入特殊结构的废热吸收罐，用于浆料降温，节约蒸汽约0.23 t/t酒精，节省循环水量为15.53 t/t酒精，企业每年节约1122.57万元。

Aspen Plus模拟软件是一款集物料物理化学性质数据库、工艺流程模拟、经济性分析于一体，包含多种工艺模型的非常实用的模拟软件。利用Aspen Plus 进行工艺模拟，既节省了企业研发经费，降低了投资的经济风险，又节约了工程化时间，加快项目实施建设[13-14]。Aspen Plus 在燃料乙醇生产过程中也有大量应用。McAloon.A 等[15]利用Aspen Plus 模拟了玉米燃料乙醇和纤维素燃料乙醇工艺，并进行了经济性分析；R.Vance Morey 等[16]利用Aspen Plus 研究过热蒸汽干燥技术对燃料乙醇生产中联产物DDGS 生产的影响。在燃料乙醇生产中，多级闪蒸系统的实际配置与操作情况各不相同，需要有针对性地开展系统分析，因此可利用Aspen Plus对多级闪蒸工艺进行流程模拟优化和经济性分析，为工艺选择和工艺设计提供参考。

1 多级闪蒸原理

平衡蒸馏是最简单的蒸馏过程之一，又称为闪蒸，流程图见图1。液体于绝热条件下，瞬间降压，过热液体发生自蒸发，液体部分气化。气、液两相在分离器中分开，气相为顶部产物，其中易挥发组分较为富集；液相为底部产物，其中难挥发组分获得了增浓。体系与外界没有热交换，或者说来不及热交换，所以是等焓过程。瞬间降压通过节流阀实现[17]。多级闪蒸就是以此为基础，使物料依次经过若干个压力逐渐降低的闪蒸罐，逐级蒸发降温，使物料温度降低到设定温度。每级产生的闪蒸汽直接与低温物料接触，使物料温度升高。多组分闪蒸过程中用的平衡方程主要包括如下方程[17]：

图1 平衡蒸馏（闪蒸）

其中：F 是液体总进料的摩尔分数；V 是闪蒸汽的摩尔分数；a 为原料的气化分数；L 是剩余液体的摩尔分数；Ki是平衡常数；zi是液体进料中i 组分的摩尔分数；yi是闪蒸汽中i 组分的摩尔分数；xi是剩余液体中i 组分的摩尔分数；HF是进料液体的焓;Q 是吸入或者放出的热量；Hv是闪蒸汽的焓值；HL是剩余液体的焓值。

2 多级闪蒸液化工艺流程描述

粉碎后的玉米粉在混料器中与调浆水按一定比例混合，之后进入吸收塔，在吸收塔内吸收闪蒸汽的热量，经过多级吸收塔后，玉米浆料升温。浆料通过离心泵送到液化喷射器，在液化喷射器内升温到95 ℃，液化醪糟经过逐级闪蒸，使温度降至45～55 ℃，通过闪蒸、吸收回收了液化醪的热量，最后用冷却水使温度降到同步糖化温度32～36 ℃[18]。不同级数的闪蒸液化工艺流程图见图2—图4[19-21]。

图3 六级闪蒸液化工艺流程图

图4 九级闪蒸液化工艺流程图

3 多级闪蒸液化模拟优化

3.1 物性参数的选择

Aspen Plus 软件公司利用NREL（美国国家可再生能源实验室）发布的玉米乙醇报告中的相关数据建立了玉米乙醇工艺流程模型。Aspen Plus物性模型用来计算化学平衡、热力学模型和物理性质。用于计算这些物性模型都以中心模型命名，例如Ideal，PR和NRTL等模型。物性模型在模拟中是最重要的一步，同时也是最困难的部分。物性方法的准确性影响到模拟结果的可信性和工艺设备成本等。

在模型中所有用到的组分主要有水，乙醇，淀粉（固体），C5POLY（C5聚合物固体），C6POLY（C6聚合物固体），OIL（固体）为淀粉中的脂肪，NFDS 为非发酵物质（C6H12O6），PROTINS（固体）为非可溶蛋白质，PROTSOL 为可溶性蛋白质。固体组分是非传统组分，用户自己定义物性参数。对于传统组分NFDS 和PROTSOL 最开始时复制葡萄糖的分子式，之后再修改其物性参数。

3.2 模型的建立

Aspen Plus 拥有多种单元操作模块，通过模块和模型的组合，可以模拟用户所需要的流程。多级闪蒸液化工艺过程中涉及的主要工艺设备包括吸收塔、换热器、闪蒸罐、喷射液化器、泵等。根据多级闪蒸不同设备的操作特点，选择对应的模块进行建模并计算。图5 为多级闪蒸液化工艺的流程模拟图，具体的单元操作模型选择见表1。计算器和设计说明模型是为了更好的计算出所需变量的值。计算器模型主要用于计算调浆水中水的量。设计说明主要用于自动求出蒸汽消耗和冷却水消耗。

表1 不同操作的模块选择

图5 六级闪蒸液化工艺模拟流程图

3.3 进料组成

3.3.1 玉米原料

对于玉米原料，因年份和产地的不同而有很大的差异，模拟计算时可以根据不同原料调整玉米组成。本次模拟计算中乙醇产量按30 万吨/年计，玉米组成见表2。当使用其他淀粉质原料时，对组分进行简单修改也同样可以进行模拟计算。

表2 玉米组成

3.3.2 调浆水组成

玉米粉在液化前需要与水按一定比例混合，在燃料乙醇行业最初阶段，工厂一般都使用一次水作为调浆水，导致燃料乙醇生产水耗过高，玉米乙醇一次水消耗约20 t/t 酒，木薯乙醇一次水消耗13～16 t/t酒[22]。为了降低水耗，工厂技术人员开始考虑利用生产过程中产生的工艺水和废水。张路飞[23]的研究表明，中水代替工艺水的比例小于50%时，对发酵产生的影响较小；苗春雨[24]报道了拌料水全部用中水，对比液化和发酵关键指标，并未发现有显著变化；周勇等[25]研究了清液和二次凝液回用对发酵的影响，结果表明直接回用二次蒸汽凝液对发酵影响低于清液回用。将清液和二次凝液中抑制乙醇产生的抑制物除去，可以作为调浆水使用。工艺水和废水的回用降低了水耗，减少了污水排放，同时兼顾了经济效益和环境效益。除了将清液、二次凝液和中水回用，精馏工段的精塔釜水杂质含量较低，全部可用于调浆。在工厂中，清液回用量通常占调浆水0～25 wt%。

在模拟计算时采用的调浆水为中粮某工厂装置实际使用的调浆水。由精塔釜水、清液（占调浆水的25 wt%）、二次凝液和中水混合而成，水料比2.4，各种调浆水流量和水温见表3。

表3 调浆水参数

3.4 闪蒸级数的影响

多级闪蒸的级数影响系统的热力学，也对系统的能耗有影响。因此利用Aspen Plus 模拟软件对四级、六级和九级闪蒸液化工艺的能耗进行了模拟预测，模拟结果见表4。计算结果表明，当最高温度（喷射温度）和最低温度（最后一级的温度）确定后，闪蒸级数越多，多级闪蒸液化系统消耗的蒸汽量和循环水量都降低，电耗增加。四级闪蒸液化工艺蒸汽和冷却水消耗量最多，电耗最少，三者消耗分别为0.17 t/t 乙醇，8.93 t/t 乙醇，17.2 度/t 乙醇。九级闪蒸液化消耗的蒸汽量和循环水最少，电耗最多，三者消耗分别为0.12 t/t 乙醇，5.52 t/t 乙醇，19.2 t/t 乙醇。闪蒸级数越多，级间温差越小，闪蒸级越少，级间温差越大。当物料从前一级闪蒸到后一级时，级间温差越大，离热力学平衡越远，热效率低。随着闪蒸级数的增加，电耗逐渐增加，这是因为级数越多，所需要的液化醪泵就越多，电能消耗也就越多。

表4 多级闪蒸液化工艺蒸汽和循环水消耗

在燃料乙醇生产过程中，传统调浆液化工艺蒸汽消耗为0.5～0.8 t/t 乙醇。多级闪蒸液化工艺的蒸汽消耗和冷却水消耗低于传统的低温喷射液化工艺，多级闪蒸液化工艺更加节能。传统液化工艺液化醪的降温采用循环水，多级闪蒸液化利用一次水进行降温。当北方工厂中的一次水取自深井时，在进行利用前需要进行升温，因此用一次水回收液化醪的热量，降低工厂循环水消耗。

3.5 进料温度的影响

玉米温度受外部环境温度的影响，在不同的季节呈现出不同的数值。玉米温度的改变，必然会对多级闪蒸液化系统的性能造成影响。本文对玉米温度在-20 ℃～30 ℃范围内进行了模拟计算，在最高温度和最低温度一定时，以六级闪蒸液化工艺为例，研究玉米进料温度对能耗的影响，模拟结果见表5。

表5 玉米温度对蒸汽和冷却水消耗的影响

从表5 可看出，随着进料温度逐渐升高，调浆后的浆料温度逐渐增高，蒸汽耗量逐渐降低，冷却水消耗量逐渐增加。当玉米温度为-20 ℃时，浆料温度最低，为42.4 ℃，蒸汽消耗量最大，为0.147 t/t乙醇，冷却水消耗量最少，为6.25 t/t 乙醇。当玉米温度为30 ℃时，混合浆料的温度最高，为50 ℃，蒸汽消耗量最小，为0.142 t/t 乙醇，冷却水消耗量最大，为16.54 t/t乙醇。随着玉米温度的升高，玉米温度对蒸汽消耗量的影响较小，对冷却水消耗量影响较大。这是因为当最低温度不变时，随着玉米温度的升高，产生的闪蒸汽量不断增加，需要更多冷却水用于冷却闪蒸汽。闪蒸汽不断增加，超过所选抽真空泵处理量的设计值时，需要提高最低温度值，使闪蒸汽量在合理的范围内。由于多级闪蒸最低温度的提高，多级闪蒸操作参数需要重新调整，以满足系统的正常操作。

3.6 不同调浆水比例的影响

调浆水的温度能够影响闪蒸系统的能耗。从表3 可以看出，不同调浆水的温度不同，清液水温最高，中水水温最低。因此不同调浆水比例混合之后的浆料温度也不同。二次凝液的量根据工厂的经验值确定。二次蒸汽凝液的量与清液回配量成反比，清液回配量越多，进入蒸发浓缩单元的清液量越少，产生的清液量也越少。本文考察了玉米温度为-20 ℃，调浆比为2.4，调浆水量为279 t/h，不同清液回配对六级闪蒸液化系统的能耗影响，模拟结果见表6。

表6 不同调浆水比例对多级闪蒸系统能耗的影响

模拟结果表明随着清液回配量的增加，浆料温度从37.1 ℃增加到42.7 ℃，蒸汽消耗量从0.23 t/t乙醇降到0.15 t/t 乙醇。随着高温清液回配量逐渐增加，混合后的浆料温度增加，从混合后浆料温度加热到喷射温度所需要的热量减少，因此蒸汽消耗量降低。冷却水消耗量基本没有变化，这是因为混合后的浆料温度低于该压力下的泡点温度，不会额外产生闪蒸汽。

3.7 经济性分析

利用Aspen Plus 流程模拟软件对30 万吨/燃料乙醇多级闪蒸液化工艺进行了物料衡算、能耗及各种工况的计算。物料衡算是研究一个体系内进、出物料及组成的变化，是进行化工设计和经济性估算的基础。本文同时考察了不同工况对能耗的影响，降低多级闪蒸液化工艺能耗，提高多级闪蒸液化系统的经济性。投资费用是根据模拟的物料衡算和能量衡算，让厂家进行设备选型及报价，投资费用包括了设备费、仪表、电器及材料费、安装费等费用。

表7 给出了不同闪蒸液化系统的运行费用。从表中可以看出随着闪蒸级数的增加，能耗总价逐渐降低。四级运行成本为51.14 元/t 乙醇，九级运行成本为38.30 元/t乙醇。

表7 不同闪蒸级数运行费用

表8 为30 万吨乙醇/年燃料乙醇多级闪蒸液化运行和投资费用。从表8 可以看出，随着闪蒸级数的增加运行费用减少，投资增加。九级与六级相比，运行费用减少148 万元，投资增加200 万元，1～2 年就能收回多投资的成本。九级与四级相比，运行费用减少386 万元，投资增加350 万元，1 年内就能收回多投资的成本。