降低木薯酒精生產綜合能耗的技術途徑

張齊軍，韋繼高，梁智

1(廣西工業職業技術學院，廣西南寧，530001)2(廣西平果凱特生物化工有限公司，廣西平果，531400)3(廣西輕工業科學技術研究院，廣西南寧，530031)

木薯作為一種非糧經濟作物，用于酒精生產具有不與人類爭糧食、成本低廉等優勢，是國家重點支持發展的產業。隨著我國科技水平的不斷提高和經濟結構的持續優化，鮮木薯生產酒精存在的諸多問題逐漸突現，主要表現為企業規模小［1］、技術水平低、設備落后、物耗能耗偏高、環保壓力大、管理粗放。近年來，我國大力推行節能減排、關停并轉、淘汰落后產能產業政策，實現經濟可持續健康發展;與此同時，必須對舊的生產方式進行變革創新，大量應用新技術、新工藝、新設備，更新管理模式，實行精細化管理，才能真正實現資源節約、節能減排和持續發展。因此，在新的能源價格體系、新的技術水平、更高的裝備制造技術和新的競爭格局下，從精細管理水平、工藝創新優化及應用先進裝備方面，對鮮木薯制酒精的節能技術進行研究探討，想方設法降低物耗能耗水平，是非常必要和十分有意義的;對促進區域經濟發展，提高木薯酒精產業的經濟效益和社會效益具有重要作用。

1 鮮木薯制酒精工藝及特點

1.1 鮮木薯制酒精工藝流程

鮮木薯→去皮、清洗→粉碎→拌料→噴射液化→蒸煮后熟→真空冷卻→糖化→冷卻→連續發酵→差壓蒸餾→優級酒精

1.2 工藝特點

1.2.1 去皮與清洗

在鮮木薯生產酒精過程中，大多數企業采用的工藝流程沒有清洗、去皮這一工序，而是直接碎解后蒸煮，是一種較粗放的生產方式。去皮與清洗是先用滾筒脫皮機除去鮮木薯的外皮及附帶的泥沙，經螺旋洗薯機將鮮木薯洗凈再行碎解，減少外皮、泥沙等進入后續生產流程，達到除去部分氫氰酸、節約能源和減輕發酵廢液處理負荷的目的。

1.2.2 三級粉碎

本工藝采用破碎、粗碎、細碎三級粉碎流程替代原來的兩級粉碎，提高粉碎操作效率，降低電耗。

1.2.3 噴射液化

隨著耐高溫α－淀粉酶耐熱穩定性的提高，淀粉質原料生產酒精普遍應用噴射液化法液化淀粉漿。噴射液化與傳統高溫蒸煮相比，具有液化溫度較低、受熱均勻、作用迅速、液化效果好、糖分損失小等優點，能提高出酒率，降低蒸汽用量。

1.2.4 蒸煮醪冷卻

淀粉漿噴射液化、保溫后熟后，常采用真空閃蒸冷卻工藝，冷卻到糖化溫度進行糖化，此種工藝能通過閃蒸作用去除部分易揮發性有害雜質，但浪費了部分熱能，增加了電耗。從提高熱利用率考慮，先用螺旋板式換熱器使液化醪與淀粉漿進行偶聯換熱，回收大部分熱能，再經真空冷卻系統冷卻到糖化溫度，能避免蒸煮醪所含熱能的浪費;而且也能保證易揮發性雜質的排除。

1.2.5 差壓蒸餾［2－3］

在蒸餾的諸多節能技術措施中，差壓蒸餾是目前應用最普遍、最成熟、最有效的一項。差壓蒸餾是利用真空裝置控制各塔不同的壓力，實現蒸汽在各塔之間多次重復利用，提高熱效率，減少蒸汽用量，達到節能的目的。

2 鮮木薯制酒精主要耗能工序

2.1 主要耗電工序

木薯原料生產酒精的主要耗電工序包括:物料輸送、給排水、粉碎、差壓蒸餾抽真空、蒸餾回流等。其中，粉碎工段耗電量最大，若按某公司為廣西新天德能源有限公司裝備的10萬t/年木薯原料特優級食用酒精生產線設備表核算，該項占到56.12%。

2.2 主要耗汽工序

木薯原料生產酒精的主要耗汽工序包括蒸煮、蒸餾兩個工段。熱量計算顯示，蒸餾約占總蒸汽用量的60%，蒸煮則占35%，其余為熱損及少量糖化、連續發酵工段等的用汽［4］。

可見，木薯原料生產酒精主要耗能工段是粉碎、蒸煮和蒸餾，如何降低這些工段的綜合能耗，是鮮木薯生產酒精節能的核心。

3 木薯酒精生產節能技術探討

由于能源價格持續上漲和節能減排任務日趨嚴峻，發酵法酒精生產節能技術一直是業界研究的熱點，取得了不少成果，如生料發酵工藝［5］、低溫蒸煮工藝、差壓蒸餾等。這些新技術、新工藝、新設備的實施，均已取得一定的節能效果;然而，木薯酒精生產的節能降耗還有很大潛力可挖，值得進一步深入研究。

3.1 鮮木薯去皮、清洗與節能

鮮木薯清除泥沙、表皮后再進入生產流程，可明顯減少電耗和蒸汽消耗。根據目前企業生產實際情況，從種植農戶收購的鮮木薯，普遍含2.0%～3.5%泥沙、薯外皮等雜質。生產時首先去皮及洗滌處理，能避免此部分非發酵性物質進入后續生產流程。根據廣西平果凱特生物化工有限公司多年生產酒精生產的實際情況，鮮木薯的平均單耗為6.8 t/t酒精，加水碎解后得到13.0 m3淀粉漿，相當于鮮木薯帶入的泥沙、薯皮等雜質被放大了13.0/6.8，即1.91倍;據此，理論上去皮、清洗能降低電耗、汽耗為2.0%～3.5%的1.91倍，即各3.82%～6.69%。即使增加滾筒脫皮機、螺旋洗薯機，由于它們為低轉速設備，所需功率小，兩臺機增加電能只占總電耗1.04%，上述節電數據變為3.78%～6.62%;節汽仍為3.82%～6.69%。

3.2 粉碎工段的節能措施

木薯制酒精在發酵前必須經粉碎、液化、糖化處理，使淀粉水解為可發酵性糖供酵母發酵產生乙醇。對于粉碎工段，選擇何種粉碎工藝、粉碎設備、粉碎比、粉碎細度等對能耗、可發酵性糖損失、出酒率都有重要影響。

3.2.1 電、煤價格變化對酒精生產能耗的影響

目前我國能源供應以煤為主，受到資源短缺和環境污染的雙重約束;電則有煤電、水電、核電、風電等多種形式，而且水電資源十分豐富。因此，最近十多年，盡管電、煤價格均呈上漲趁勢，但煤價與電價比上升更明顯。所以在工藝流程及操作條件選擇上，應創新傳統工藝，適應這種變化，想法以電耗代替煤耗(汽耗)，提升綜合能效，降低木薯酒精生產成本，提高企業經濟效益。

3.2.2 粉碎度、蒸煮溫度與綜合能耗

原料粉碎是高耗電工段，蒸煮則是高耗汽工段;粉碎細度與蒸煮溫度、蒸煮時間及淀粉出酒率、耗汽量相互制約，如何選擇相關工藝參數對綜合能耗有很大影響。原料進行蒸煮前，預先經過粉碎，增大其表面積，以增加原料與蒸汽的接觸面，提高熱處理效率，利于淀粉酶將淀粉顆粒水解為可發酵性糖。粉碎細度選擇的關鍵是保證高出酒率的同時，降低綜合能耗，按當前煤電比價關系，粉碎粒度應盡量細些，理由是:(1)粉碎粒度細，可采用較低的蒸煮溫度即得到良好的糊化效果［6］，且不會造成不溶性淀粉的增加;(2)采用較低蒸煮溫度，能有效抑制蒸煮過程中糖的化學變化，減少黑色素、焦糖等不可發酵性糖的形成。因此，提高粉碎細度，可使用低溫蒸煮，以保持最低的可發酵物總損失，并達到節能目的。

3.2.3 粉碎工藝選擇

粉碎是酒精生產高耗能工段之一，應合理利用粉碎規則降低能耗［7］。對鮮木薯碎解，目前工藝多采用二級粉碎，分配到各級的粉碎比很大，能耗亦高;而且全部拌料用水在粗碎加入，明顯與粉碎規則不符，造成總功耗偏高。更合理、科學的工藝應是，在粗碎前增加一級破碎，使之變為破碎、粗碎、細碎三級粉碎，從而獲得最佳的粉碎比。鮮木薯條長尺寸范圍較大，一般為200～500 mm，若一次性粗碎為14～16 mm，其粉碎比是13～36，與操作效率最高的粉碎比4相差太大，效率較低。增加一級破碎，也可稱預粉碎，不帶篩網，使粗碎前原料尺寸變小為25～30 mm;再進行粗碎和細碎，其中粗碎篩網孔徑5～7 mm，細碎篩網孔徑0.8～1.0 mm，使各級粉碎比盡可能接近4。增加一級粉碎，既不會增加電耗［8］;還可降低蒸煮溫度，達到節電節汽的目的。

3.3 蒸煮工段的節能技術

蒸煮工段節能措施可從蒸煮熱量衡算式［9］分析，其計算式為:

式中，GJ─ 料漿量，kg/h;t1─ 料漿溫度，℃;CJ─ 料漿比熱，kJ/(kg·℃);t2─ 蒸煮(液化器出口)溫度，℃;I─ 蒸汽熱焓，kJ/kg;cw─水的比熱，kJ/(kg·℃)。

從計算公式不難看出，在供汽條件一定的情況下，蒸煮的蒸汽用量主要與料漿溫度、蒸煮溫度、料漿量有關，它們對能耗的影響分析如下:

3.3.1 提高料漿溫度

料漿溫度越高，蒸煮耗汽越小;但料漿溫度還受原料糊化溫度、耐高溫α－淀粉酶最適溫度等制約。木薯淀粉糊化起始、完成溫度分別為 52℃、64℃［10］，可見料漿溫度應控制在52℃左右，不能太高;否則料漿已經起糊，而耐高溫α－淀粉酶在此溫度下液化作用尚不明顯，造成料漿呈糊狀或半糊狀，給生產操作帶來困難和麻煩。因此，為減少蒸汽用量最好控制料漿溫度于52℃或略高。

3.3.2 降低蒸煮溫度

降低蒸煮溫度能減少蒸汽用量。按蒸煮前淀粉漿預熱到52℃、加熱蒸汽壓力0.3 MPa、噸酒蒸煮醪量、醪液比熱等參數設為定值的基礎數據，用公式(1)計算，得圖1。圖1非常直觀地顯示了蒸煮溫度與蒸汽耗量間的相互關系。

圖1 蒸煮溫度與蒸汽耗量的關系

同時，由于原料粉碎得更細，縮短了傳熱時間，受熱更均勻，再結合使用諾維信最新開發的利可來耐高溫α－淀粉酶(SC型)，生產試驗證明，可將原來普遍采用的較高蒸煮溫度(噴射液化溫度)降低，即由108℃降低為88～92℃，取中間值90℃，按(1)式計算，蒸煮溫度108℃時耗，汽量為1 008.63 kg蒸汽/t酒;蒸煮溫度降為90℃時耗汽684.38 kg蒸汽/t酒，理論上可節約蒸汽32.15%。按蒸煮占總耗汽35%計算，降低蒸煮溫度能減少總蒸汽用量11.25%。

3.3.3 減少料漿量

減少料漿量可從兩方面降低能耗。一方面是提高料漿濃度，處理量變小，蒸煮蒸汽用量隨之減少;另一方面，提高料漿濃度相當于濃醪發酵，能提高發酵成熟醪酒分，使蒸餾耗汽量降低。通過計算成熟醪量、成熟醪帶入熱量、塔底殘液帶走熱量等，并確定醪塔初、終溫和加熱蒸汽壓力等進行一系列復雜的物料熱量計算［9］，可得到成熟醪酒分與蒸餾耗汽量之間關系，見圖2。

圖2 成熟醪酒分與蒸汽耗量之間關系

圖2顯示，提高發酵成熟醪酒分，具有一定節能效果。如發酵成熟醪酒分為9%時，蒸餾耗汽為2 437.2 kg/t酒;發酵成熟醪酒分為10%時，蒸餾耗汽為2 342.1 kg/t酒，理論上可節約蒸汽3.90%。

3.4 蒸餾節能技術

以發酵法生產酒精，蒸餾工段耗汽約占總耗汽的60%，如何降低蒸餾系統能耗顯然是酒精生產節能重點。

3.4.1 差壓蒸餾節能作用

以木薯制優質食用酒精，采用間接式多塔精餾流程，各塔需引入蒸汽加熱。差壓蒸餾是通過真空控制各塔壓力差及沸點，實現蒸汽多次重復利用，提高熱效率，降低蒸汽耗量。對于常用的四塔間接式蒸餾流程，蒸汽潛熱得到3次重復利用，理論上可減少2/3的熱消耗，考慮到已采用熱偶重復利用熱量等，差壓蒸餾技術比常壓蒸餾實際節約蒸汽達到40%以上。

3.4.2 熱泵技術

熱泵是使熱量由低位能向高位能轉移，從而提高蒸汽潛熱的裝置。有兩條技術途徑:一是利用高壓蒸汽，通過蒸汽噴射器，將廢液、冷凝水等自蒸發產生的二次蒸汽及其他低壓蒸汽提高位能變成中壓蒸汽加以回收利用;二是通過往復壓縮機，將低壓蒸汽壓縮為中壓蒸汽加以利用，達到節能的目的。

蒸餾廢醪盡管已經過偶聯換熱回收部分余熱，但排醪溫度仍高達63℃左右，甚至更高，尚有相當數量余熱值得回收利用［11］。使用熱泵技術，通過自蒸發作用，若使廢醪溫度由63℃降至45℃，按每噸酒精得到12 t廢醪計算其放出的顯熱，結果顯示，理論上可節約壓力為0.3 MPa蒸汽408.47 kg/t酒精，為噸酒精總耗汽的10.21%～9.73%(按單耗4.0～4.2噸蒸汽/t酒計算，數據來自廣西平果凱特生物化工有限公司)。

3.5 其他節能措施

由于能源價格的增長速度遠遠超過廠房、設備及自控裝置價格的增長速度，必須重視其他節能措施的運用。如根據現時的操作費用、設備費用重新核定最適回流比，其值呈現降低趁勢，甚至可小到最小回流比的1.05倍;合理增大板間距和汽速;適當增加塔板數;加大設備保溫層厚度和采用先進自動控制裝置，都有明顯的節能效果。

4 結論

(1)電、煤價格呈逐漸上漲趁勢，而煤電比價漲勢更明顯，在節能降耗方面應科學利用這種變化趨勢，降低生產成本，提高經濟效益。

(2)鮮木薯制酒精，除泥沙、去皮并清洗后粉碎，可節電3.78%～6.62%，節汽3.82%～6.69%。

(3)增加粉碎級數，提高粉碎細度，既可節電，還可通過降低蒸煮溫度，節約蒸煮用汽32.15%。

(4)提高料漿濃度，既可減少蒸煮用汽量，又能提高成熟醪酒分，實現綜合節能目的。

(5)差壓蒸餾比常壓蒸餾節汽超過40%;采用熱泵技術可回收廢液部分余熱，節汽10.21%～9.73%。

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