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CN101724661B - 甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺及系统 - Google Patents

甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺及系统 Download PDF

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CN101724661B
CN101724661B CN2008101524653A CN200810152465A CN101724661B CN 101724661 B CN101724661 B CN 101724661B CN 2008101524653 A CN2008101524653 A CN 2008101524653A CN 200810152465 A CN200810152465 A CN 200810152465A CN 101724661 B CN101724661 B CN 101724661B
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Abstract

本发明涉及一种甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺及系统，工艺步骤包括原料粉碎预处理步骤、菌种添加步骤、固态发酵步骤及固态蒸馏步骤，其中固态发酵步骤在多层、多段式固态连续发酵装置中连续完成，固态蒸馏步骤在多层差压式固态连续蒸馏装置中连续完成，从根本上克服以往固态发酵、蒸馏工艺不能连续生产的弊端，实现连续式、大批量、自动化生产加工，大幅提高甜高梁秸秆制备燃料乙醇的生产效率，达到降低生产成本、提高产量、提高经济效益的目的，其所采用的可连续式生产的系统装置，特别适合于工业化大规模生产，从而可促进生物能源技术的推广和应用。

Description

甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺及系统
技术领域
本发明涉及甜高梁秸秆固态发酵蒸馏制备乙醇的工艺及系统，特别是一种甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺及系统。
背景技术
为加速能源结构调整步伐，实现能源、环境、经济的可持续协调发展，世界各国都致力于可再生能源的开发，以探索替代石油等能源的新途径。目前，研究发现甜高梁等绿色能源作物的秸秆中含有大量糖份等有效物质，经过发酵及蒸馏可制得燃料乙醇。甜高粱秸秆生产乙醇主要可采用固态发酵、蒸馏和液态发酵、蒸馏方式。液态发酵、蒸馏法是将秸秆压榨所得汁液进行发酵、蒸馏制备乙醇，其榨后秸秆残留有效成份较多、且汁液不易储存、乙醇产率较低、且形成大量废水而造成环境污染；固态发酵、蒸馏方式是将秸秆进行破碎后以固体形式进行发酵及蒸馏，其原料中有效成分利用率高，可大幅提高乙醇产率，较液态发酵、蒸馏法更加适合工业化生产。但是，目前的秸秆固态发酵、蒸馏法制备乙醇大多仿效传统的固态发酵和蒸馏工艺及设备，其均为间歇式生产方式，存在规模小、周期长、自动化程度低、劳动作强度大、生产成本过高等不足，很大程度上阻碍秸秆制备燃料乙醇技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺，其具有可连续操作的突出优点，且周期短，产率高，并提供一种甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，其具有处理量大、效率高、自动化程度高的优点。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺，包括原料粉碎预处理步骤、菌种添加步骤、固态发酵步骤及固态蒸馏步骤，其特征在于：
固态发酵步骤具体为：
将粉碎并添加菌种的原料采用提升输送装置提升至多层多段式固态发酵装置顶部，经该发酵装置顶部所安装的布料装置均匀将其分散于内部托料装置上方进行发酵并定时下落至下一层托料装置，经过1-10层托料装置连续翻料及发酵处理，发酵总时间40-55小时，得到发酵后物料；
固态蒸馏步骤具体为：
将发酵后物料采用提升输送装置提升并输送至多段差压式固态连续蒸馏装置内部，物料在该蒸馏装置内部所安装的上塔板、中塔板及下塔板上依次完成物料预热、强化蒸馏及残蒸三个阶段，在强化蒸馏阶段进行蒸汽排出并进入冷凝装置冷凝，制得乙醇产品。
而且，所述的固态蒸馏步骤中物料预热阶段的操作条件为：温度：80～100℃，预热时间：20～40min；物料强化蒸馏阶段的操作条件为：温度：70～90℃，蒸馏时间：30～50min；物料残蒸阶段的操作条件为：温度：90～110℃，蒸馏时间：20～40min。
而且，所述的固态蒸馏步骤中强化蒸馏阶段采用蒸汽喷射热泵将所引出的部分蒸汽回流至上塔板上方的物料预热阶段，回流比为0.05～0.33。
一种甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，包括粉碎揉搓机、混菌装置、固态发酵装置、固态蒸馏装置、蒸汽发生装置及冷凝装置，其特征在于：
固态发酵装置为多层、多段式固态连续发酵装置，在该发酵装置的箱体内水平安装有将箱体分隔为多层发酵室的多层可开关式托料装置，在每层托料装置上表面均间隔固装有将每层发酵室分隔为多段发酵室的多个竖直挡板，箱体顶部安装水平埋刮板输送机及布料装置，箱体底部安装出料装置；
固态蒸馏装置为多段差压式固态连续蒸馏装置，在该蒸馏装置的塔体内自上至下依次同轴固装有可开关式上塔板、中塔板及下塔板；上塔板及下塔板均为夹层式塔板，该夹层式塔板由上层孔板及下层隔板构成，在孔板及隔板的夹层内安装供蒸汽通入的进气管；中塔板为一单层孔板；在上塔板上方的塔体上固装有进料装置；在上塔板与中塔板之间的塔体上安装供蒸汽排出的出气管；塔体底端制有出料仓；
混菌装置与一提升输送装置连接，提升输送装置另一端与多层、多段式固态连续发酵装置的埋刮板输送机相连接；
多层、多段式固态连续发酵装置下部安装的出料装置与另一提升输送装置相连接，该提升输送装置的另一端与多段差压式固态连续蒸馏装置的进料装置相连接。
而且，所述多层、多段式固态连续发酵装置的可开关式托料装置由一固装于箱体内的制有间隔出料开孔的固定托料板及滑动安装于固定托料板下底面并制有与上述出料开孔相对应开孔的抽动式托料板构成。
而且，固定托料板为一间隔平行固装上凸的弧形条板的固定托料板，在每层发酵室内固定托料板的弧形条板凸弧下方均轴向设置有进风管，在弧形条板的表面均布制有通气孔；抽动式托料板为一间隔平行固装水平条板的抽动式托料板；在每层发酵室内固定托料板上方均安装有引风管。
而且，所述多层、多段式固态连续发酵装置的布料装置由横向滑动安装于箱体内的水平矩形车框及固装于该矩形车框下部的刮板组构成，该刮板组由多组对称固装的倾斜刮板构成，布料装置由固装于箱体一侧的油缸驱动。
而且，所述的多段差压式固态连续蒸馏装置供蒸汽排出的出气管同时与冷凝装置及一蒸汽喷射热泵的进口连通，该蒸汽喷射热泵的出口通过一蒸汽回流管连通至塔体内上塔板的上方，并在该回流管位于塔体内的一端部安装喷头。
而且，所述的可开关式上塔板下塔板的孔板及隔板上均制有相应的出料口，在隔板出料口位置的下方均同轴安装的转动式出料开关板；所述的可开关式中塔板也制有出料口，并同轴安装转动式出料开关板。
而且，在多段差压式固态连续蒸馏装置的塔体内中轴处安装有一穿装于上塔板、中塔板及下塔板轴心处的竖直搅拌轴，在上塔板、中塔板及下塔板的上方的搅拌轴上均水平固装有搅拌桨叶。
本发明的优点和积极效果是：
1.本乙醇生产系统的多层、多段式固态发酵装置内部相当于多个发酵室，通过控制可开关托料装置的自动开闭实现翻料处理，物料在多层、多段式固态发酵装置中可开关托料装置上自上至下依次下降，物料可连续在发酵装置上部输送装置及布料装置作用下分散于顶层托料装置，自上至下经过多层托料装置后完成48h的发酵处理，从而有效保证大批量物料发酵的均匀及完全。
2.本乙醇生产系统的多层差压式固态蒸馏装置通过其内部设置的多层特制的可开关式塔板，完成预热、强化蒸馏及残蒸阶段，可实现快速、高效的连续式固态蒸馏加工工艺，而且可提高乙醇收得率，从而降低成本。
3.本乙醇生产系统中的固态发酵步骤在多层、多段式固态连续发酵装置中连续完成，固态蒸馏步骤在多层差压式固态连续蒸馏装置中连续完成，从根本上克服以往固态发酵、蒸馏工艺不能连续生产的弊端，实现连续式、大批量、自动化生产加工，大幅提高甜高梁秸秆制备燃料乙醇的生产效率，降低生产成本，提高产量，提高经济效益的目的，其所采用的可连续式生产的系统装置，特别适合于工业化大规模生产，从而可促进生物能源技术的推广和应用。
附图说明
图1为本发明乙醇生产系统的组成示意图；
图2为本发明乙醇生产系统固态发酵装置立体结构示意图；
图3为本发明乙醇生产系统固态发酵装置托料装置的立体放大结构示意图；
图4为本发明乙醇生产系统固态发酵装置布料装置立体放大结构示意图；
图5为本发明乙醇生产系统固态蒸馏装置结构示意图；
图6为图5的A部放大示意图；
图7为图5的B-B向剖视图；
图8为图5的C-C向剖视图(省略进气管部件)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为更清楚的描述本发明的基于秸秆固态连续蒸馏及发酵的乙醇生产工艺，本实施例中首先结合附图对本发明的生产系统进行描述。
一种基于秸秆固态连续发酵及蒸馏的乙醇生产系统，包括粉碎揉搓机1、混菌装置2、固态发酵装置5、固态蒸馏装置8、蒸汽发生装置11及冷凝装置9。
本生产系统中的固态发酵装置为多层、多段式固态连续发酵装置，参见图2—4。在该发酵装置的矩形箱体16上部水平安装一MS型埋刮板输送机4，在该埋刮板输送机下方水平滑动安装一布料装置13。该布料装置由横向滑动安装于箱体内的水平矩形车框及固装于该矩形车框下部的刮板组构成，该刮板组由多组对称固装的倾斜刮板27构成，布料装置由固装于箱体一侧的油缸推杆28驱动。在该发酵装置的箱体内水平安装有将箱体分隔为多层发酵室的多层可开关式托料装置15。该可开关式托料装置由一固定托料板23及抽动式托料板24构成，固定托料板为一间隔平行固装上凸的弧形条板21的固定托料板，弧形条板之间形成间隔出料开孔22，在弧形条板的表面均布制有通气孔(未标号)；抽动式托料板为一间隔平行固装水平条板的抽动式托料板，各条板之间形成间隔的出料孔25，该抽动式托料板由安装于箱体侧壁上的油缸26驱动。在每层发酵室内固定托料板的弧形条板凸弧下方均轴向设置有进风管18，在每层发酵室内固定托料板上方均安装有引风管20，通过该通风系统控制箱体内发酵温度。
在每层托料装置上表面均间隔固装有将每层发酵室分隔为多段发酵室的多个竖直挡板17。箱体底部所固装的出料斗19下方安装出料装置，该出料装置可采用水平皮带式输送机12。在第一层托料装置上部的箱体内壁安装有料位高度检测器14，并在每个发酵室内均安装有温度传感器(未标号)，料位高度检测器及温度传感器均与一控制器相连接，控制器控制布料装置及托料装置的动作。
本生产系统中的固态蒸馏装置为多段差压式固态连续蒸馏装置，参见附图5—8。在该蒸馏装置的塔体34内自上至下依次同轴固装有可开关式上塔板31、中塔板35及下塔板38；上塔板及下塔板均为夹层式塔板，该夹层式塔板由上层孔板41及下层隔板42构成，在孔板及隔板的夹层内安装供蒸汽通入的进气管32，该蒸汽进气管与蒸汽发生装置相连接。可开关式上塔板、下塔板的孔板及隔板上均制有相应的对称扇形的出料口(未标号)，在隔板出料口位置的下方均同轴安装由连杆机构45驱动的转动式出料开关板43，连杆机构的主动杆44伸出塔体外部。可开关式中塔板为一单层的孔板。可开关式中塔板也制有出料口，并同轴安装相同结构转动式出料开关板。在上塔板上方的塔体上固装有进料装置，该进料装置为螺旋进料器7。在上塔板与中塔板之间的塔体上安装供蒸汽排出的出气管33。塔体底端为一锥形出料仓，出料仓与螺旋出料器10连接。多段差压式固态连续蒸馏装置供蒸汽排出的出气管同时与冷凝装置及一蒸汽喷射热泵40的进口连通，该蒸汽喷射热泵的出口通过一蒸汽回流管29连通至塔体内上塔板的上方，并在该回流管位于塔体内的一端部安装喷头30。在多段差压式固态连续蒸馏装置的塔体内中轴处安装有一穿装于上塔板、中塔板及下塔板轴心处的竖直搅拌轴37，该搅拌轴由固装于塔体底部的电机39驱动，在上塔板、中塔板及下塔板的上方的搅拌轴上均水平固装有搅拌桨叶36。并且每层塔板上所安装的搅拌桨叶均为两层，下搅拌桨叶可保证物料均匀下料，上搅拌桨叶可保证物料层厚度均匀，从而保证物料受热均匀。
混菌装置与一提升输送装置连接3，该提升装置为斗式提升机，斗式提升机上部与多层、多段式固态连续发酵装置上部所安装的MS型埋刮板输送机相连接。多层、多段式固态连续发酵装置的皮带式输送机与另一斗式提升机6底部相连接，该斗式提升机的上端与多段差压式固态连续蒸馏装置塔体上部所安装的螺旋进料器相连接。
本发明乙醇生产系统可实现连续生产，快速、高效，而且结构较为简单，生产制造成本低，能耗低，适于推广应用。
一种基于秸秆固态连续发酵及蒸馏的乙醇生产工艺，包括以下步骤：
(1).原料粉碎预处理步骤：以成熟的甜高梁秸秆作为原料，将其投入粉碎揉搓机中粉碎成为1-5cm长的丝状碎渣。
(2).菌种添加步骤：将粉碎后的原料在混菌装置中进行接种，菌种采用乙醇发酵菌，添加量为：发酵料的2-10％。
(3).固态发酵步骤：将粉碎并添加菌种的原料采用斗式提升机提升至多层、多段式固态发酵装置顶部，通过MS型埋刮板输送机输送，并经布料装置均匀将其分散于箱体内部第一层托料装置上方进行发酵，通过控制托料装置的打开定时控制原料下落至下一层托料装置，经过1-10层托料装置连续翻料及发酵处理，发酵总时间40-55小时，制得均匀充分发酵后物料。
(4).固态蒸馏步骤：将发酵后物料采用提升输送装置提升并输送至多段差压式固态连续蒸馏装置内部，物料在该蒸馏装置的塔体内部所安装的上塔板、中塔板及下塔板上依次完成物料预热、强化蒸馏及残蒸三个阶段，在强化蒸馏阶段进行蒸汽排出并进入冷凝装置冷凝，制得乙醇产品。
物料预热阶段的操作条件为：温度：90℃，预热时间：30min，预热阶段可对初始进入塔体内的物料进行加热，使物料温度由室温升高至所需温度，从而减短蒸馏操作所需时间。物料强化蒸馏阶段的操作条件为：温度：80℃，蒸馏时间：40min，物料强化蒸馏阶段利用残蒸段上升的蒸汽对物料进行集中加热，并将蒸发出的蒸汽引出至冷凝器，此阶段中塔板上部的蒸汽浓度为40％～60％。物料残蒸阶段的操作条件为：温度：100℃，蒸馏时间：30min。残蒸阶段将蒸馏段所落下的物料中残留乙醇继续蒸出，达到辅助蒸馏的作用，使物料中的乙醇含量达到最低。通过预热段、蒸馏段及残蒸段所设置不同的温度、时间等操作条件，实现蒸馏过程连续操作，因此可快速、高效地将物料中有效成份蒸发而出。
在强化蒸馏阶段采用蒸汽喷射热泵将所引出的部分蒸汽回流至上塔板上方的物料预热阶段，回流蒸汽的百分比为0.3。使第一层物料中所含有效成份的物质浓度达到最佳的浓度梯度，从而有效保证蒸馏最终产物浓度的稳定性，进而保证蒸馏的连续性。
本乙醇生产工艺从根本上克服以往固态发酵、蒸馏工艺不能连续生产的弊端，实现连续式、大批量、自动化生产加工，大幅提高甜高粱秸秆制备燃料乙醇的生产效率，降低生产成本。

Claims (10)

1.一种甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺，包括原料粉碎预处理步骤、菌种添加步骤、固态发酵步骤及固态蒸馏步骤，其特征在于：
固态发酵步骤具体为：
将粉碎并添加菌种的原料采用提升输送装置提升至多层多段式固态发酵装置顶部，经该发酵装置顶部所安装的布料装置均匀将其分散于内部托料装置上方进行发酵并定时下落至下一层托料装置，经过1-10层托料装置连续翻料及发酵处理，发酵总时间40-55小时，得到发酵后物料；
固态蒸馏步骤具体为：
将发酵后物料采用提升输送装置提升并输送至多段差压式固态连续蒸馏装置内部，物料在该蒸馏装置内部所安装的上塔板、中塔板及下塔板上依次完成物料预热、强化蒸馏及残蒸三个阶段，在强化蒸馏阶段进行蒸汽排出并进入冷凝装置冷凝，制得乙醇产品。
2.根据权利要求1所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺，其特征在于：所述的固态蒸馏步骤中物料预热阶段的操作条件为：温度：80～100℃，预热时间：20～40min；物料强化蒸馏阶段的操作条件为：温度：70～90℃，蒸馏时间：30～50min；物料残蒸阶段的操作条件为：温度：90～110℃，蒸馏时间：20～40min。
3.根据权利要求1所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺，其特征在于：所述的固态蒸馏步骤中强化蒸馏阶段采用蒸汽喷射热泵将所引出的部分蒸汽回流至上塔板上方的物料预热阶段，回流比为0.05～0.33。
4.一种甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，包括粉碎揉搓机、混菌装置、固态发酵装置、固态蒸馏装置、蒸汽发生装置及冷凝装置，其特征在于：
固态发酵装置为多层、多段式固态连续发酵装置，在该发酵装置的箱体内水平安装有将箱体分隔为多层发酵室的多层可开关式托料装置，在每层托料装置上表面均间隔固装有将每层发酵室分隔为多段发酵室的多个竖直挡板，箱体顶部安装水平埋刮板输送机及布料装置，箱体底部安装出料装置；
固态蒸馏装置为多段差压式固态连续蒸馏装置，在该蒸馏装置的塔体内自上至下依次同轴固装有可开关式上塔板、中塔板及下塔板；上塔板及下塔板均为夹层式塔板，该夹层式塔板由上层孔板及下层隔板构成，在孔板及隔板的夹层内安装供蒸汽通入的进气管；中塔板为一单层孔板；在上塔板上方的塔体上固装有进料装置；在上塔板与中塔板之间的塔体上安装供蒸汽排出的出气管；塔体底端制有出料仓；
混菌装置与一提升输送装置连接，提升输送装置另一端与多层、多段式固态连续发酵装置的埋刮板输送机相连接；
多层、多段式固态连续发酵装置下部安装的出料装置与另一提升输送装置相连接，该提升输送装置的另一端与多段差压式固态连续蒸馏装置的进料装置相连接。
5.根据权利要求4所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，其特征在于：所述多层、多段式固态连续发酵装置的可开关式托料装置由一固装于箱体内的制有间隔出料开孔的固定托料板及滑动安装于固定托料板下底面并制有与上述出料开孔相对应开孔的抽动式托料板构成。
6.根据权利要求5所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，其特征在于：固定托料板为一间隔平行固装上凸的弧形条板的固定托料板，在每层发酵室内固定托料板的弧形条板凸弧下方均轴向设置有进风管，在弧形条板的表面均布制有通气孔；抽动式托料板为一间隔平行固装水平条板的抽动式托料板；在每层发酵室内固定托料板上方均安装有引风管。
7.根据权利要求4所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，其特征在于：所述多层、多段式固态连续发酵装置的布料装置由横向滑动安装于箱体内的水平矩形车框及固装于该矩形车框下部的刮板组构成，该刮板组由多组对称固装的倾斜刮板构成，布料装置由固装于箱体一侧的油缸驱动。
8.根据权利要求4所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，其特征在于：所述的多段差压式固态连续蒸馏装置供蒸汽排出的出气管同时与冷凝装置及一蒸汽喷射热泵的进口连通，该蒸汽喷射热泵的出口通过一蒸汽回流管连通至塔体内上塔板的上方，并在该回流管位于塔体内的一端部安装喷头。
9.根据权利要求4所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，其特征在于：所述的可开关式上塔板下塔板的孔板及隔板上均制有相应的出料口，在隔板出料口位置的下方均同轴安装的转动式出料开关板；所述的可开关式中塔板也制有出料口，并同轴安装转动式出料开关板。
10.根据权利要求4所述的甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇系统，其特征在于：在多段差压式固态连续蒸馏装置的塔体内中轴处安装有一穿装于上塔板、中塔板及下塔板轴心处的竖直搅拌轴，在上塔板、中塔板及下塔板的上方的搅拌轴上均水平固装有搅拌桨叶。
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