燃料乙醇生產工藝中熱耦合技術應用及研究進展

武國慶，魏 妮，李冬敏，沈乃東，張宏嘉

(1.中糧營養健康研究院，北京 102209；2.國家能源生物液體燃料研發中心，北京 102209)

節能降耗是企業降本增效、提升經濟效益的重要手段，也是建設生態型社會，實現可持續發展的重要途徑。我國“十四五”時期經濟社會發展規劃把發展綠色生態，實現生態文明建設新進步作為社會發展的主要目標之一，明確提出到2025 年“單位GDP能源消耗”要降低13.5%[1]，并將其列為約束性指標，這為生產企業開發節能技術，提高經濟效益和社會效益提出了更高的要求。

燃料乙醇是清潔高效的可再生能源之一，為降低石油等化石能源消耗，減輕環境污染，促進生態社會建設發揮了重要作用。燃料乙醇生產過程需要消耗大量能量，節能降耗已成為該行業實現可持續發展的重要措施和必然途徑。其生產工藝主要包括原料液糖化及發酵等生化反應、乙醇分離（精餾聯合分子篩脫水）和聯產品DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles)生產3 個部分，其中涉及精餾、蒸發、干燥等諸多化工單元操作，需要消耗大量蒸汽。根據國內現有的玉米乙醇生產工藝核算，蒸汽消耗約占總能量消耗的90 %。其中，精餾、DDGS 生產和液化過程分別消耗蒸汽1.8 t/t 乙醇、1.56 t/t 乙醇和0.4 t/t 乙醇，占總蒸汽消耗的50 %、40%和10%[2]。因此，通過生產過程熱耦合實現能源梯級利用，降低精餾和DDGS 生產的蒸汽消耗，提高經濟效益，是燃料乙醇行業的重要發展方向之一。

“熱耦合”主要指工廠利用低品位余熱作為熱源，通過直接或者間接方式供熱，是一種簡單易行的有效節能手段。在燃料乙醇生產過程中，余熱回收與利用主要通過閃蒸[3-5]、熱交換[6-8]、機械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression，MVR）[9-10]等方式實現。在工藝設計中，如何通過系統設計和計算，將熱能在不同生產單元之間梯級利用，是實現熱耦合的關鍵。

國內較早的燃料乙醇生產裝置多延續食用酒精設計經驗，其設計大多追求口味，對能耗問題重視不足，缺乏對整體生產工藝的熱耦合設計與核算，導致單位生產能耗偏高[11]。近幾年新建的燃料乙醇裝置高度注重節能降耗，在重點關注生產單元之間的熱耦合的同時，也兼顧了配套能源站與生產單元的耦合[12-13]，通過系統設計最終達到節能降耗，提高企業綜合效益的目的。近些年，隨著原料變化及工藝改進，現有的能量耦合方式出現了一些新問題。本文針對現有典型燃料乙醇生產工藝中的能量耦合方式的特點，深入分析各操作單元的熱能利用方式及存在問題，為工廠節能降耗提出改進建議，供業界參考。

1 燃料乙醇生產典型工藝熱耦合

燃料乙醇生產中各個單元可能采用不同的工藝，導致熱量耦合方式也不同。本文針對國內典型燃料乙醇生產工藝和美國應用最廣泛的ICM工藝，分別對其熱耦合進行分析，探討其優勢和不足。這兩種工藝的區別主要在于精餾、DDGS 干燥工藝以及干燥能源供給方式不同。國內燃料乙醇生產通常采用三塔差壓精餾，DDGS 干燥采用管殼式干燥機，干燥熱源為燃煤鍋爐間接生產的蒸汽。而ICM采用全負壓精餾，DDGS 干燥采用旋轉鼓式或者環式干燥機，干燥熱源為天然氣燃燒產生的煙氣，因此熱耦合形式不同。

1.1 國內典型燃料乙醇生產工藝中熱耦合應用現狀

在國內燃料乙醇生產中，普遍采用噴射液化、同步糖化發酵、三塔差壓精餾聯合分子篩脫水和蒸發濃縮相結合的干燥工藝。工藝流程如圖1所示。

1.1.1 調漿液化過程中熱耦合的應用

由圖1 可見，首先玉米等粉料與熱水按一定比例混合進行調漿，調漿溫度通常控制在60 ℃左右，調漿水利用精餾塔釜水、清液等高溫熱源水，工廠還會根據實際情況利用其他單元產生的廢水或新鮮工藝水補充調漿水，并利用精餾余熱加熱。

噴射液化溫度通常在90～105 ℃，液化醪溫度控制在80～90 ℃，而后續同步糖化發酵溫度在30 ℃左右，采用液化醪與成熟醪換熱的方式回收液化醪熱量。

液化醪余熱回收也可采用閃蒸方式。液化醪閃蒸降溫，液化閃蒸汽為調漿提供熱源。河南天冠公司在調漿和液化過程中為進一步優化能量利用，將液化后二級閃蒸蒸煮工藝改造為三級閃蒸蒸煮工藝，節省約0.5 t 蒸汽/噸酒精[14]。葛德忠[15]采用四級閃蒸對液化系統進行節能改造，利用產生的多級閃蒸汽給不同級液化罐供熱，實現了能量梯級利用，與改造前相比節省蒸汽0.231 t/t乙醇。

近些年隨著高效液化酶的出現，部分裝置采用了DELTA-T 低溫液化工藝，85 ℃調漿后液化，無蒸汽噴射過程，充分體現出節能的優勢[16]。此工藝調漿水需要加熱至約99 ℃，除了利用高溫塔釜水、清液外，再利用多效蒸發高溫凝液、DDGS 干燥外供蒸汽凝液加熱，最后再用外供蒸汽加熱，充分利用工廠余熱，降低蒸汽耗量。

1.1.2 乙醇精餾過程中熱耦合的應用

如圖1乙醇分離部分所示，精餾采用粗塔、組合塔和精塔三塔差壓工藝。三塔分別在負壓、常壓和加壓下操作。精塔塔釜外供蒸汽（約175 ℃），精塔頂酒精蒸汽送至組合塔塔釜再沸器（約120 ℃），組合塔塔頂蒸汽送至粗塔塔釜再沸器，實現了熱量的梯級利用。三塔差壓精餾蒸汽消耗為2.6～2.9 MJ/L乙醇，而酒精的總熱量為23.5 MJ/L，精餾能耗占產品總能量的11 %～12 %。如果不采用熱耦合技術，采用常壓精餾法進行分離乙醇，則能耗為7～14 MJ/L，占產品總能量的30%～60%[17]。相比之下，三塔差壓精餾節能效果顯著。

提高進料溫度也是蒸餾系統節能的措施之一。利用熱交換技術使塔底高溫物流與進塔物流換熱，提高進料溫度至接近其泡點溫度，從而降低再沸器熱負荷，實現熱量綜合利用[18]。

1.1.3 DDGS生產過程中熱耦合的應用

如圖1 中DDGS 部分所示，干燥尾氣給蒸發濃縮供熱。由于干燥尾氣不能滿足蒸發熱量需求，需要將外供蒸汽凝液閃蒸后的閃蒸汽作為蒸發濃縮的補充熱源。該工藝中干燥與蒸發熱耦合使蒸發濃縮單元不需要外供蒸汽，節省了蒸汽消耗。

圖1 國內典型生產工藝流程圖

有些裝置濕糟可以直接銷售不需要干燥。當沒有干燥尾氣利用時，清液濃縮時可以采用MVR技術達到節能的目的。在多效蒸發系統中，末效二次蒸汽溫度40～50 ℃，可以采用MVR 技術提高二次蒸汽的溫度和熱值，再作為蒸發熱源。MVR 啟動后不需要輸入外供蒸汽，如果工廠還有多余低品位閃蒸汽，可以與MVR 聯合使用，降低蒸發能耗，低品位蒸汽與MVR 聯合使用蒸發1 t 水的電耗僅為18～20 kW/h[19]。

表1 總結了國內典型工藝和ICM 工藝需熱單元與供熱方式，由表1 可知，該工藝在各需熱單元中液化、精餾和干燥對熱源品位要求高，需要外供蒸汽。而蒸發可以利用較低品位的蒸汽作為熱源。調漿需要熱源品位最低，可以回收精餾中高溫物流的顯熱和潛熱熱量來滿足調漿對熱量的需求。

表1 國內典型工藝和ICM工藝需熱單元與供熱方式

1.2 ICM生產工藝

ICM 公司是美國知名的工程設計公司，其開發的燃料乙醇生產工藝在北美市場占有率超過60 %，有120 多家燃料乙醇工廠使用[20]。下面以ICM 公司代表性的專利技術為例介紹熱耦合技術在燃料乙醇生產工藝中的應用[21]，工藝流程圖見圖2。與國內典型燃料乙醇工藝類似，ICM 工藝同樣在液化、精餾及蒸發三個單元的供熱設計中采用了熱耦合技術，但在具體實施過程中有其獨特之處。

1.2.1 調漿、液化熱耦合

ICM 工藝的調漿、液化單元與國內典型工藝基本相同，只是工藝參數略有不同，其采用85 ℃調漿，105 ℃噴射液化[16]。精餾采用了全負壓操作，塔溫低，因此液化閃蒸汽能夠作為汽提塔熱源，精餾與液化耦合。

1.2.2 乙醇精餾熱耦合

與國內燃料乙醇工藝不同，ICM 工藝中采用了粗塔、精塔和汽提塔三塔全負壓的精餾方式，熱源溫度不超過90 ℃，因此，可以利用工藝過程中的低品位蒸汽進行供熱。如圖2 所示，粉漿噴射液化后產生的閃蒸汽和清液蒸發濃縮產生的二次汽分別為汽提塔和粗塔提供熱源，汽提塔塔頂汽送至精塔繼續提純和供熱，汽提塔釜液為調漿水提供熱源。PSA（Pressure Swing Adsorption）產生的過熱酒精汽作為清液蒸發熱源。由于充分利用了余熱，整個精餾過程無需輸入外供蒸汽。

圖2 ICM生產工藝流程圖

1.2.3 DDGS熱耦合

從圖2 可以看出，清液蒸發熱源為過熱酒精蒸汽與外供低壓蒸汽混合熱源，而多效蒸發產生的二次汽與精餾耦合，作為粗塔熱源。濕糟與濃漿干燥采用直燃旋轉鼓式干燥機或環式干燥機，熱源為天然氣直接燃燒產生的煙氣，煙氣與濕糟直接接觸，干燥尾氣直接焚燒處理。若采用間接燃燒旋轉鼓或者環式干燥機更加節能，通常用天然氣直接燃燒產生的煙氣經過煙氣換熱器間接加熱濕糟中干燥出的水蒸汽（干燥尾氣），干燥尾氣部分循環回干燥機，剩余干燥尾氣進行余熱回收，一般多用于生產低壓蒸汽，供其他用熱單元使用[22]。

從表1 可知，ICM 工藝需熱單元與國內典型工藝基本相同，其液化熱源品位要求高，需外供175 ℃蒸汽。90 ℃左右的蒸汽即可滿足精餾需求。清液蒸發也在真空下操作，熱源溫度在100～115 ℃可滿足需求，熱耦合效果更顯著。

2 不同熱耦合方式分析及存在問題

在燃料乙醇各單元生產中，可以通過閃蒸、熱交換及MVR 等形式充分利用工廠各品位余熱。以下主要從不同操作單元分析不同熱耦合方式及存在的問題。

2.1 調漿與液化

調漿熱源可以利用裝置中產生的精塔釜水、清液等，除了降低蒸汽消耗外，還降低了工廠水耗及污水處理量。調漿熱源采用液化閃蒸汽時，既可以間接供熱又可以直接供熱（直接通入物料），在很多情況下還可利用MVR 提升蒸汽品位，為精餾供熱，利用形式比較靈活。但是需要采用抽真空方式把低壓乏汽引入預熱塔，增加了設備投資和電耗。

液化醪采用熱交換與成熟醪換熱時，由于溫度降低液化醪粘度增大容易堵塞換熱器，特別是高濃發酵時，采用寬通道換熱器可以解決堵塞問題。醪醪換熱器為靜設備，不需要增加電耗。

2.2 精餾

三塔差壓工藝主要為精餾內部熱耦合。該工藝能耗較低，充分利用了各級品位的熱能，大大降低了熱量的消耗。三塔差壓的缺點主要是流程長，對蒸汽品位要求高，設備投資增加[23]；塔溫較高，原料適應性弱，更換易起泡原料（如稻谷）時會發生堵塔現象[24-25]，給工廠造成經濟損失；塔釜溫度較高時，則容易造成DDGS 色澤深[26]，售價偏低；多塔差壓熱量的深度耦合使得裝置的靈活性降低。

全負壓精餾工藝的熱耦合方式采用液化、精餾和蒸發一體化設計，充分考慮了單元與單元之間整體熱耦合，流程簡單，設備投資低；塔溫低，原料適應性強，塔釜溫度低，能較好的解決堵塔和DDGS色澤深的問題。

2.3 蒸發與干燥

當干燥采用管殼式干燥機時，干燥與蒸發熱耦合。該耦合方式不足之處為二次汽中含有易揮發有機物，作為蒸發熱源換熱后生成凝液，將會增加廢水處理成本；與外供蒸汽熱源相比增大了蒸發器的換熱器面積，固定投資增加。采用外供蒸汽凝液閃蒸的閃蒸汽作為補充熱源，其缺點是需要增加鍋爐補水，鍋爐供水需要進行處理，增加了成本。

當采用直燃式旋轉鼓或者環式干燥機時，干燥尾氣中含有大量N2等不凝氣，不能被蒸發所利用，通常直接去蓄熱焚燒爐處理。該工藝中多效蒸發熱源采用過熱酒精汽和外供蒸汽，間接燃燒式旋轉鼓或者環式干燥機能夠回收余熱，因此經濟性更好。

多效蒸發濃縮清液采用MVR 技術也存在一些實際問題。由于酒精廢醪液中組分復雜、雜質含量高，實際消耗的能量往往高于理論值[9]。

3 展望

3.1 加強單元整體化設計，進一步優化熱耦合

熱耦合涉及多個單元的熱量交換和交叉利用。國內燃料乙醇裝置分單元設計，各個單元大多由不同設計單位承擔，再由設備廠商承接各類設備，各單元能量利用難于全面考慮。而采用裝置整體化設計，可以比較全面系統的考慮熱耦合。

除了生產單元之間熱耦合之外，工藝設計時還應考慮生產單元和公用工程之間的熱耦合，利用夾點技術進行換熱網絡設計能夠優化裝置間的熱耦合[27-28]，通過構建數字孿生模型，搭建了產品生產線數據信息網絡平臺，并結合大數據技術的相關算法實現了生產的模擬仿真與精益控制，提升產業生產效率[29]。借助信息平臺能夠了解生產單元用熱情況，與夾點技術相結合，對工廠裝置節能起到積極的效果。

3.2 裝置節能設計與經濟性的平衡

熱耦合雖然能夠降低裝置蒸汽消耗，但是有些熱耦合也增加了工藝的復雜性，增加設備投資。三塔差壓熱耦合對原料適應性產生負面影響，原料變化時會導致堵塔，造成嚴重的經濟損失。當采用閃蒸和MVR 方式進行熱耦合時，不僅增加了設備投資，還需增加抽真空泵和壓縮機等動力設備，增加電耗及維護成本。因此在選擇耦合方式時還需要從操作成本和固定成本的角度進行整體經濟性核算。

3.3 熱耦合工藝與先進生產工藝的結合與挑戰

隨著燃料乙醇生產工藝的進步，不斷有新的工藝出現，并在實踐中得到應用。其中，生料發酵和膜分離是兩種代表性技術。生料發酵與傳統燃料乙醇工藝相比，粉漿低溫液化后直接進行同步糖化發酵，沒有高溫蒸煮過程，因此蒸汽能耗大幅降低[30-31]。ICM工藝采用液化閃蒸汽熱源為精餾供熱，如果采用生料發酵，精餾熱源需要重新考慮。膜分離與精餾耦合脫水技術與傳統精餾聯合PSA相比，蒸汽消耗低[32-33]。從工藝操作的角度看，從分子篩膜單元出來的成品酒精汽溫度受分子篩膜操作溫度的影響，而成品酒精汽在國內工藝和ICM工藝中分別為精餾原料加熱和蒸發提供熱源，因此酒精汽溫度的改變最終影響成品乙醇蒸汽的熱耦合效果。生料發酵及分子篩膜脫水等先進技術的應用對工藝間的熱耦合提出了新的要求。在新技術不斷涌現的今天，如何通過熱耦合對燃料乙醇工廠進行整體設計，同時兼顧經濟性，從而達到節能降耗的目的，提升企業綜合效益，實現可持續發展，是燃料乙醇行業需要重點關注的問題之一。