燃料乙醇生產(chǎn)中多級閃蒸液化工藝流程模擬優(yōu)化及經(jīng)濟分析

魏 妮，張淑紅，李冬敏，張宏嘉，沈乃東，李 凡1，，3*

（1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，北京 102209；2.中糧生化能源（肇東）有限公司，黑龍江肇東 151100；3.國家能源生物液體燃料研發(fā)中心，北京 102209）

在全球“碳達峰”和“碳中和”背景下，能源系統(tǒng)必將發(fā)生深刻變革。清潔能源對實現(xiàn)“雙碳”目標發(fā)揮積極作用。生物液體燃料是典型的清潔能源，生物液體原料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石化燃料有利于降低碳排放。燃料乙醇是生物液體燃料中消費量最大的產(chǎn)品，對保證糧食安全和促進“三農(nóng)”起著重要作用[1-3]。

我國燃料乙醇的發(fā)展是為了解決我國經(jīng)濟社會發(fā)展中存在的能源短缺、陳化糧和環(huán)保等問題[4-5]，起步晚，但是發(fā)展迅速，迄今為止已經(jīng)成為繼美國和巴西之后的世界第三燃料乙醇生產(chǎn)國[6]。進入新時代，燃料乙醇行業(yè)面臨原料價格、新能源汽車、非生物基乙醇和進口乙醇等多方面的沖擊，但是在原料供應(yīng)保障和科技創(chuàng)新等方面仍然有很大的發(fā)展?jié)摿7]。

燃料乙醇的生產(chǎn)通常以玉米和木薯等淀粉質(zhì)為主要原料，經(jīng)過粉碎、液化、糖化、發(fā)酵和乙醇分離等工序。液化是在淀粉酶的作用下，使淀粉內(nèi)部分子發(fā)生斷裂，分解為糊精和低聚糖分子，液化的效果對發(fā)酵有著重要影響[8]。目前燃料乙醇工廠經(jīng)常使用的液化工藝是低溫噴射液化，玉米在進入噴射液化器前調(diào)漿，然后進入噴射液化器，噴射溫度85～105 ℃，蒸汽噴射液化工藝消耗蒸汽在0.4～0.6 t/t酒[9]。隨著節(jié)能意識的增強，多級閃蒸液化工藝越來越受到關(guān)注。黃景祿[10]報道了八級“閃蒸-吸收塔”組合在10 萬噸玉米酒精生產(chǎn)線上的應(yīng)用，這種方式使冷熱醪液梯度換熱，大幅提高換熱效率，最大限度回收液糖化工段余熱，節(jié)能節(jié)水效果好；孫發(fā)喜等[11]發(fā)明了淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精的節(jié)能噴射液化系統(tǒng)，采用“閃蒸+吸收塔”組合方式，替代傳統(tǒng)間接換熱方法，有效提高了換熱效率；葛德忠[12]將液化醪閃蒸后的二次氣直接通入特殊結(jié)構(gòu)的廢熱吸收罐，用于漿料降溫，節(jié)約蒸汽約0.23 t/t酒精，節(jié)省循環(huán)水量為15.53 t/t酒精，企業(yè)每年節(jié)約1122.57萬元。

Aspen Plus模擬軟件是一款集物料物理化學性質(zhì)數(shù)據(jù)庫、工藝流程模擬、經(jīng)濟性分析于一體，包含多種工藝模型的非常實用的模擬軟件。利用Aspen Plus 進行工藝模擬，既節(jié)省了企業(yè)研發(fā)經(jīng)費，降低了投資的經(jīng)濟風險，又節(jié)約了工程化時間，加快項目實施建設(shè)[13-14]。Aspen Plus 在燃料乙醇生產(chǎn)過程中也有大量應(yīng)用。McAloon.A 等[15]利用Aspen Plus 模擬了玉米燃料乙醇和纖維素燃料乙醇工藝，并進行了經(jīng)濟性分析；R.Vance Morey 等[16]利用Aspen Plus 研究過熱蒸汽干燥技術(shù)對燃料乙醇生產(chǎn)中聯(lián)產(chǎn)物DDGS 生產(chǎn)的影響。在燃料乙醇生產(chǎn)中，多級閃蒸系統(tǒng)的實際配置與操作情況各不相同，需要有針對性地開展系統(tǒng)分析，因此可利用Aspen Plus對多級閃蒸工藝進行流程模擬優(yōu)化和經(jīng)濟性分析，為工藝選擇和工藝設(shè)計提供參考。

1 多級閃蒸原理

平衡蒸餾是最簡單的蒸餾過程之一，又稱為閃蒸，流程圖見圖1。液體于絕熱條件下，瞬間降壓，過熱液體發(fā)生自蒸發(fā)，液體部分氣化。氣、液兩相在分離器中分開，氣相為頂部產(chǎn)物，其中易揮發(fā)組分較為富集；液相為底部產(chǎn)物，其中難揮發(fā)組分獲得了增濃。體系與外界沒有熱交換，或者說來不及熱交換，所以是等焓過程。瞬間降壓通過節(jié)流閥實現(xiàn)[17]。多級閃蒸就是以此為基礎(chǔ)，使物料依次經(jīng)過若干個壓力逐漸降低的閃蒸罐，逐級蒸發(fā)降溫，使物料溫度降低到設(shè)定溫度。每級產(chǎn)生的閃蒸汽直接與低溫物料接觸，使物料溫度升高。多組分閃蒸過程中用的平衡方程主要包括如下方程[17]：

圖1 平衡蒸餾（閃蒸）

其中：F 是液體總進料的摩爾分數(shù)；V 是閃蒸汽的摩爾分數(shù)；a 為原料的氣化分數(shù)；L 是剩余液體的摩爾分數(shù)；Ki是平衡常數(shù)；zi是液體進料中i 組分的摩爾分數(shù)；yi是閃蒸汽中i 組分的摩爾分數(shù)；xi是剩余液體中i 組分的摩爾分數(shù)；HF是進料液體的焓;Q 是吸入或者放出的熱量；Hv是閃蒸汽的焓值；HL是剩余液體的焓值。

2 多級閃蒸液化工藝流程描述

粉碎后的玉米粉在混料器中與調(diào)漿水按一定比例混合，之后進入吸收塔，在吸收塔內(nèi)吸收閃蒸汽的熱量，經(jīng)過多級吸收塔后，玉米漿料升溫。漿料通過離心泵送到液化噴射器，在液化噴射器內(nèi)升溫到95 ℃，液化醪糟經(jīng)過逐級閃蒸，使溫度降至45～55 ℃，通過閃蒸、吸收回收了液化醪的熱量，最后用冷卻水使溫度降到同步糖化溫度32～36 ℃[18]。不同級數(shù)的閃蒸液化工藝流程圖見圖2—圖4[19-21]。

圖3 六級閃蒸液化工藝流程圖

圖4 九級閃蒸液化工藝流程圖

3 多級閃蒸液化模擬優(yōu)化

3.1 物性參數(shù)的選擇

Aspen Plus 軟件公司利用NREL（美國國家可再生能源實驗室）發(fā)布的玉米乙醇報告中的相關(guān)數(shù)據(jù)建立了玉米乙醇工藝流程模型。Aspen Plus物性模型用來計算化學平衡、熱力學模型和物理性質(zhì)。用于計算這些物性模型都以中心模型命名，例如Ideal，PR和NRTL等模型。物性模型在模擬中是最重要的一步，同時也是最困難的部分。物性方法的準確性影響到模擬結(jié)果的可信性和工藝設(shè)備成本等。

在模型中所有用到的組分主要有水，乙醇，淀粉（固體），C5POLY（C5聚合物固體），C6POLY（C6聚合物固體），OIL（固體）為淀粉中的脂肪，NFDS 為非發(fā)酵物質(zhì)（C6H12O6），PROTINS（固體）為非可溶蛋白質(zhì)，PROTSOL 為可溶性蛋白質(zhì)。固體組分是非傳統(tǒng)組分，用戶自己定義物性參數(shù)。對于傳統(tǒng)組分NFDS 和PROTSOL 最開始時復(fù)制葡萄糖的分子式，之后再修改其物性參數(shù)。

3.2 模型的建立

Aspen Plus 擁有多種單元操作模塊，通過模塊和模型的組合，可以模擬用戶所需要的流程。多級閃蒸液化工藝過程中涉及的主要工藝設(shè)備包括吸收塔、換熱器、閃蒸罐、噴射液化器、泵等。根據(jù)多級閃蒸不同設(shè)備的操作特點，選擇對應(yīng)的模塊進行建模并計算。圖5 為多級閃蒸液化工藝的流程模擬圖，具體的單元操作模型選擇見表1。計算器和設(shè)計說明模型是為了更好的計算出所需變量的值。計算器模型主要用于計算調(diào)漿水中水的量。設(shè)計說明主要用于自動求出蒸汽消耗和冷卻水消耗。

表1 不同操作的模塊選擇

圖5 六級閃蒸液化工藝模擬流程圖

3.3 進料組成

3.3.1 玉米原料

對于玉米原料，因年份和產(chǎn)地的不同而有很大的差異，模擬計算時可以根據(jù)不同原料調(diào)整玉米組成。本次模擬計算中乙醇產(chǎn)量按30 萬噸/年計，玉米組成見表2。當使用其他淀粉質(zhì)原料時，對組分進行簡單修改也同樣可以進行模擬計算。

表2 玉米組成

3.3.2 調(diào)漿水組成

玉米粉在液化前需要與水按一定比例混合，在燃料乙醇行業(yè)最初階段，工廠一般都使用一次水作為調(diào)漿水，導(dǎo)致燃料乙醇生產(chǎn)水耗過高，玉米乙醇一次水消耗約20 t/t 酒，木薯乙醇一次水消耗13～16 t/t酒[22]。為了降低水耗，工廠技術(shù)人員開始考慮利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工藝水和廢水。張路飛[23]的研究表明，中水代替工藝水的比例小于50%時，對發(fā)酵產(chǎn)生的影響較?。幻绱河闧24]報道了拌料水全部用中水，對比液化和發(fā)酵關(guān)鍵指標，并未發(fā)現(xiàn)有顯著變化；周勇等[25]研究了清液和二次凝液回用對發(fā)酵的影響，結(jié)果表明直接回用二次蒸汽凝液對發(fā)酵影響低于清液回用。將清液和二次凝液中抑制乙醇產(chǎn)生的抑制物除去，可以作為調(diào)漿水使用。工藝水和廢水的回用降低了水耗，減少了污水排放，同時兼顧了經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。除了將清液、二次凝液和中水回用，精餾工段的精塔釜水雜質(zhì)含量較低，全部可用于調(diào)漿。在工廠中，清液回用量通常占調(diào)漿水0～25 wt%。

在模擬計算時采用的調(diào)漿水為中糧某工廠裝置實際使用的調(diào)漿水。由精塔釜水、清液（占調(diào)漿水的25 wt%）、二次凝液和中水混合而成，水料比2.4，各種調(diào)漿水流量和水溫見表3。

表3 調(diào)漿水參數(shù)

3.4 閃蒸級數(shù)的影響

多級閃蒸的級數(shù)影響系統(tǒng)的熱力學，也對系統(tǒng)的能耗有影響。因此利用Aspen Plus 模擬軟件對四級、六級和九級閃蒸液化工藝的能耗進行了模擬預(yù)測，模擬結(jié)果見表4。計算結(jié)果表明，當最高溫度（噴射溫度）和最低溫度（最后一級的溫度）確定后，閃蒸級數(shù)越多，多級閃蒸液化系統(tǒng)消耗的蒸汽量和循環(huán)水量都降低，電耗增加。四級閃蒸液化工藝蒸汽和冷卻水消耗量最多，電耗最少，三者消耗分別為0.17 t/t 乙醇，8.93 t/t 乙醇，17.2 度/t 乙醇。九級閃蒸液化消耗的蒸汽量和循環(huán)水最少，電耗最多，三者消耗分別為0.12 t/t 乙醇，5.52 t/t 乙醇，19.2 t/t 乙醇。閃蒸級數(shù)越多，級間溫差越小，閃蒸級越少，級間溫差越大。當物料從前一級閃蒸到后一級時，級間溫差越大，離熱力學平衡越遠，熱效率低。隨著閃蒸級數(shù)的增加，電耗逐漸增加，這是因為級數(shù)越多，所需要的液化醪泵就越多，電能消耗也就越多。

表4 多級閃蒸液化工藝蒸汽和循環(huán)水消耗

在燃料乙醇生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)調(diào)漿液化工藝蒸汽消耗為0.5～0.8 t/t 乙醇。多級閃蒸液化工藝的蒸汽消耗和冷卻水消耗低于傳統(tǒng)的低溫噴射液化工藝，多級閃蒸液化工藝更加節(jié)能。傳統(tǒng)液化工藝液化醪的降溫采用循環(huán)水，多級閃蒸液化利用一次水進行降溫。當北方工廠中的一次水取自深井時，在進行利用前需要進行升溫，因此用一次水回收液化醪的熱量，降低工廠循環(huán)水消耗。

3.5 進料溫度的影響

玉米溫度受外部環(huán)境溫度的影響，在不同的季節(jié)呈現(xiàn)出不同的數(shù)值。玉米溫度的改變，必然會對多級閃蒸液化系統(tǒng)的性能造成影響。本文對玉米溫度在-20 ℃～30 ℃范圍內(nèi)進行了模擬計算，在最高溫度和最低溫度一定時，以六級閃蒸液化工藝為例，研究玉米進料溫度對能耗的影響，模擬結(jié)果見表5。

表5 玉米溫度對蒸汽和冷卻水消耗的影響

從表5 可看出，隨著進料溫度逐漸升高，調(diào)漿后的漿料溫度逐漸增高，蒸汽耗量逐漸降低，冷卻水消耗量逐漸增加。當玉米溫度為-20 ℃時，漿料溫度最低，為42.4 ℃，蒸汽消耗量最大，為0.147 t/t乙醇，冷卻水消耗量最少，為6.25 t/t 乙醇。當玉米溫度為30 ℃時，混合漿料的溫度最高，為50 ℃，蒸汽消耗量最小，為0.142 t/t 乙醇，冷卻水消耗量最大，為16.54 t/t乙醇。隨著玉米溫度的升高，玉米溫度對蒸汽消耗量的影響較小，對冷卻水消耗量影響較大。這是因為當最低溫度不變時，隨著玉米溫度的升高，產(chǎn)生的閃蒸汽量不斷增加，需要更多冷卻水用于冷卻閃蒸汽。閃蒸汽不斷增加，超過所選抽真空泵處理量的設(shè)計值時，需要提高最低溫度值，使閃蒸汽量在合理的范圍內(nèi)。由于多級閃蒸最低溫度的提高，多級閃蒸操作參數(shù)需要重新調(diào)整，以滿足系統(tǒng)的正常操作。

3.6 不同調(diào)漿水比例的影響

調(diào)漿水的溫度能夠影響閃蒸系統(tǒng)的能耗。從表3 可以看出，不同調(diào)漿水的溫度不同，清液水溫最高，中水水溫最低。因此不同調(diào)漿水比例混合之后的漿料溫度也不同。二次凝液的量根據(jù)工廠的經(jīng)驗值確定。二次蒸汽凝液的量與清液回配量成反比，清液回配量越多，進入蒸發(fā)濃縮單元的清液量越少，產(chǎn)生的清液量也越少。本文考察了玉米溫度為-20 ℃，調(diào)漿比為2.4，調(diào)漿水量為279 t/h，不同清液回配對六級閃蒸液化系統(tǒng)的能耗影響，模擬結(jié)果見表6。

表6 不同調(diào)漿水比例對多級閃蒸系統(tǒng)能耗的影響

模擬結(jié)果表明隨著清液回配量的增加，漿料溫度從37.1 ℃增加到42.7 ℃，蒸汽消耗量從0.23 t/t乙醇降到0.15 t/t 乙醇。隨著高溫清液回配量逐漸增加，混合后的漿料溫度增加，從混合后漿料溫度加熱到噴射溫度所需要的熱量減少，因此蒸汽消耗量降低。冷卻水消耗量基本沒有變化，這是因為混合后的漿料溫度低于該壓力下的泡點溫度，不會額外產(chǎn)生閃蒸汽。

3.7 經(jīng)濟性分析

利用Aspen Plus 流程模擬軟件對30 萬噸/燃料乙醇多級閃蒸液化工藝進行了物料衡算、能耗及各種工況的計算。物料衡算是研究一個體系內(nèi)進、出物料及組成的變化，是進行化工設(shè)計和經(jīng)濟性估算的基礎(chǔ)。本文同時考察了不同工況對能耗的影響，降低多級閃蒸液化工藝能耗，提高多級閃蒸液化系統(tǒng)的經(jīng)濟性。投資費用是根據(jù)模擬的物料衡算和能量衡算，讓廠家進行設(shè)備選型及報價，投資費用包括了設(shè)備費、儀表、電器及材料費、安裝費等費用。

表7 給出了不同閃蒸液化系統(tǒng)的運行費用。從表中可以看出隨著閃蒸級數(shù)的增加，能耗總價逐漸降低。四級運行成本為51.14 元/t 乙醇，九級運行成本為38.30 元/t乙醇。

表7 不同閃蒸級數(shù)運行費用

表8 為30 萬噸乙醇/年燃料乙醇多級閃蒸液化運行和投資費用。從表8 可以看出，隨著閃蒸級數(shù)的增加運行費用減少，投資增加。九級與六級相比，運行費用減少148 萬元，投資增加200 萬元，1～2 年就能收回多投資的成本。九級與四級相比，運行費用減少386 萬元，投資增加350 萬元，1 年內(nèi)就能收回多投資的成本。

表8 30萬噸/年燃料乙醇液化閃蒸系統(tǒng)運行和投資費用*

4 結(jié)論

本研究以熱力學定律為基礎(chǔ)，利用商業(yè)流程模擬軟件Aspen Plus 對30 萬噸燃料乙醇多級閃蒸液化系統(tǒng)進行了探索，得出如下結(jié)論。

（1）不同的閃蒸級數(shù)對能耗有影響，閃蒸級數(shù)越多，所需要的能耗就越少。閃蒸級數(shù)除了影響能耗，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也有影響。結(jié)合經(jīng)濟性分析結(jié)果，建議選擇六級液化閃蒸工藝。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，多級閃蒸液化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性必將提高，可以選擇經(jīng)濟性更好的九級閃蒸液化系統(tǒng)。

（2）原料的溫度也會對閃蒸系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。原料進料溫度越低，所消耗的蒸汽量越大，冷卻水消耗量卻相反。因此進行設(shè)計時，蒸汽消耗量應(yīng)該按當?shù)刈畹铜h(huán)境溫度計算，冷卻水消耗量應(yīng)該按當?shù)丨h(huán)境最高溫度計算。

（3）不同調(diào)漿水比例影響多級閃蒸系統(tǒng)的能耗。高溫清液回配量越多，所需要消耗額外蒸汽越少。在不影響發(fā)酵的情況下，優(yōu)先選擇回配高溫的調(diào)漿水。