CN102643867B - 纤维素乙醇生产装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维素乙醇生产装置及方法。包括原料酶解、发酵、精馏脱水和废醪液处理的生产单元，原料酶解单元的气爆处理采用水蒸气与CO2气体混合后共同实现对纤维素原料的气爆操作，操作压力表压为0.1～2.0MPa，操作温度为100～240℃，混合汽中CO2摩尔百分数为1％～60％。本发明由于采用工艺废水处理和回配等方法及装置，解决了纤维素乙醇生产过程工艺水消耗量大、废水处理困难等难题，实现了纤维素乙醇生产过程中好氧污泥的零排放。

Description

纤维素乙醇生产装置及方法
技术领域
本发明涉及一种纤维素乙醇生产装置及方法，可有效降低纤维素乙醇生产过程中酶解反应液中的可代谢的纤维素含量较低，且流动性较差、纤维素酶用量大，成熟醪酒度低，生产能耗物耗高，污水处理难度大等问题，提高维素乙醇作为替代液体燃料的市场竞争力。本发明技术属于生物质能源与资源技术领域。
背景技术
随着世界人口的持续增长和工业化的发展，能源需求日益增加，持续利用煤、石油和天然气等不可再生能源，不但造成能源枯竭，而且加速了生态环境的不断恶化。因此，利用可再生能源，尤其是生物质能源逐渐被人们重视起来。
我国每年可产生大量的农业废弃物、工业生产废弃物及城市垃圾等，如：玉米秸、麦秸、稻草、木薯秸秆以及棉秆等秸秆类物质；糠醛生产过程产生的糠醛渣、木薯淀粉或酒精生产过程产生的木薯渣等工业生产废弃物；以及废纸等城市垃圾。采用这些纤维素原料生产纤维素乙醇越来越受到人们的关注。
纤维素乙醇生产过程主要包括原料酶解、发酵、精馏脱水和废醪液处理等生产单元。纤维素原料中可酶解为酵母可代谢的纤维素通常含量20％～90％，纤维素不溶于水，但在水中易溶服，制备的酶解反应液中的可代谢的纤维素含量较低，且流动性较差、黏度较大，给酶解反应液的灭菌、酶解等过程造成了操作困难，纤维素酶用量大，成熟醪酒度通常小于3％，能耗物耗高，工程化难度大，污水处理难度大等问题，制约着纤维素乙醇产业的发展。因此，采用现代化工技术，改进和完善纤维素乙醇生产技术，降低纤维素乙醇生产过程的能耗和物耗，减少生产过程中排放物对环境的不利影响，是纤维素乙醇为替代能源的推广使用的技术关键。
发明内容
本发明开发的纤维素乙醇生产装置及方法，采用的纤维素原料为玉米秸、麦秸、稻草、木薯秸秆以及棉秆等农业废弃物；糠醛渣、木薯淀粉或木薯酒精产生的木薯渣等工业生产废弃物；以及废纸等含有较多纤维素的城市垃圾。
本发明涉及的一种纤维素乙醇生产方法，包括原料酶解、发酵、精馏脱水和废醪液处理的生产单元，其特征是原料酶解单元的气爆处理采用水蒸气与CO2气体混合后共同实现对纤维素原料的气爆操作，操作压力表压为0.1～2.OMPa，操作温度为100～240℃，混合汽中CO2摩尔百分数为1％～60％。
本发明的纤维素原料为玉米秸秆、麦秸、高粱秸秆、稻草、木薯秸秆及棉花秸秆的农业废弃物；包括糠醛渣、木薯淀粉或木薯酒精的木薯渣的工业生产废弃物；包括有废纸及含纤维素成分城市垃圾。
原料酶解单元包括脱杂粉碎、气爆处理、拌料罐、高温灭菌、换热器、离心浓缩、酶解罐和冷却器，拌料罐制备固含量较低的具有较好流动性的酶解反应液，进行高温灭菌及降温操作，灭菌温度为80～150℃，停留时间为5～30分钟，高温灭菌后的酶解反应液通过换热器换热冷却后降至30～55℃后，送至离心浓缩装置，获得固含量较高的酶解反应浓缩液，直接送至酶解罐，进行酶解反应，离心浓缩装置产生的清液作为拌料水预热后返回拌料罐循环使用。
发酵单元的发酵过程中排出的CO2引入CO2洗涤塔，净化后的CO2送至原料酶解单元气爆装置。
精馏脱水单元的来自于发酵单元的发酵成熟醪，依次通过原料预热器1和原料预热器2，预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、精塔釜采废醪液。
精馏脱水单元的来自于发酵单元的发酵成熟醪，依次通过原料预热器1和原料预热器2，预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、精塔釜采废醪液。
废醪液处理单元的来自纤维素乙醇生产过程中的精馏脱水单元的液固两相的废醪液，通过预处理、一级全渣厌氧、液固分离、渣泥干燥、二级厌氧、气浮、好氧曝气及深度处理等过程，一级全渣厌氧操作温度为50～65℃，废醪液经一级全渣厌氧处理后，一级厌氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分离装置，清液送至二级厌氧罐。
废醪液处理生产单元包括一级全渣厌氧、液固分离、渣泥干燥、二级厌氧、气浮、好氧曝气等过程，二级厌氧水出水送至好氧罐进行好氧曝气操作，好氧出水部分送入废水深度处理装置继续处理，部分返回原料酶解单元作为拌料水使用，好氧罐排出的好氧污泥全部返回一级厌氧罐进行厌氧改性，实现好氧污泥零排放。
本发明涉及一种纤维素乙醇生产装置，
本发明涉及一种纤维素乙醇生产装置，在原料酶解单元，拌料罐物料出口采用管线连接高温灭菌装置物料进口，高温灭菌装置加热介质入口与高温水蒸汽管线连接，高温灭菌装置热物料出口通过管线连接换热器热物料进口，换热器冷物料出口连接离心浓缩装置物料进口，离心浓缩装置清液出口通过管线连接换热器冷物料进口管线，离心浓缩装置浓缩液出口通过管线连接酶解罐物料进口，换热器热物料出口通过管线连接拌料罐拌料水进口管线，换热器采用间壁式、全逆流换热器。
纤维素乙醇生产装置及方法的生产流程图详见图1-原料酶解单元流程图；图2-发酵单元流程图；图3-精馏脱水单元流程图；图4-废醪液处理单元流程图、图5-纤维素乙醇生产装置图，纤维素乙醇生产装置及方法的具体生产过程说明如下：
1.原料酶解单元
原料酶解单元生产过程参见图1-原料酶解单元流程图及图5-纤维素乙醇生产装置图。原料酶解单元包括脱杂粉碎、气爆处理、拌料罐、高温灭菌、换热器、离心浓缩、酶解罐、冷却器等。
首先将纤维素原料进行脱杂粉碎，粉碎后的纤维素原料加水润湿后送入气爆处理装置，气爆处理装置采用水蒸气与CO2气体混合后共同实现对纤维素原料的气爆操作，操作表压压力为0.1～2.0MPa，操作温度为100～240℃，混合汽中CO2摩尔百分数为1％～60％。气爆操作过程CO2的加入有利于破坏原料中纤维素、半纤维素和木质素的空间结构，提高纤维素的可及度，降低纤维素结晶度，强化了纤维素原料中半纤维素及木质素的脱除，提高了酶解效率，提供纤维素原料酶解产糖率。环境友好。对于生物乙醇生产厂可以利用发酵单元产生的CO2，CO2来源方便，成本低。
气爆处理后的纤维素原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反应液，拌料罐排出的酶解反应液送至高温灭菌装置完成高温灭菌操作。拌料罐的拌料水包括废醪液处理单元的回用水、清液及新鲜水，回用水及清液通过换热器预热再送入拌料罐，制备具有较好流动性、黏度较低、固含量较低的酶解反应液，便于高温灭菌及换热操作，酶解反应液的固含量通常要小于15％。
高温灭菌装置采用水蒸气加热，灭菌温度为80～150℃，停留时间为5～30分钟。高温灭菌后的反应液通过换热器冷却后降至30～55℃后，送至离心浓缩装置，通过控制离心浓缩装置转速及处理量等参数得到固含量较高的酶解反应浓缩液，并送至酶解罐，为最终实现发酵成熟醪的酒精浓度的提高创造条件，酶解反应浓缩液的固含量为8％～40％，清液作为拌料水返回拌料罐循环使用。
换热器的冷却介质为离心浓缩装置排出的清液及废醪处理单元的回用水，清液及回用水通过换热器加热后作为拌料水送至拌料罐循环使用，利用高温灭菌反应液降温过程放出的热量对拌料水进行预热，换热器采用间壁式、全逆流换热器，降低酶解反应液高温灭菌操作的热量消耗。
制备低固含量的酶解液解决了纤维素乙醇酶解反应液黏度大、流动性差进行高温灭菌及换热困难等工程难题，固含量较低的酶解反应液通过分离浓缩工艺，解决了固含量较低的酶解反应液使发酵成熟醪酒精浓度低，生产成本高等难题，
酶解罐加入纤维酶、表面活性剂等，纤维素酶是将纤维素降解为酵母可以代谢的葡萄糖的一类酶的总称。它是多组分的复合酶系，主要包括3种组分：内切型葡聚糖酶、外切型葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶，纤维素水解生成葡萄糖的过程依靠这三组分的协同作用完成。酶解罐在30～55℃的温度下进行酶解反应，同时通过添加酸或碱控制PH值3～6，酶解时间为0～150小时，酶解罐排出的酶解反应液冷却后送至酒精发酵单元。
2.发酵单元
酒精发酵生产过程参见图2-发酵单元流程图。来自原料酶解单元的发酵成熟醪部分送至酒母扩配罐，剩余部分送至酒精发酵罐。酒精发酵生产单元主要由酒母扩配罐、多个发酵罐和CO2洗涤塔等组成，发酵操作方式为连续，或半连续，或间歇。
将活化后的酒母放入酒母扩培罐中，同时加入酶解反应液，向罐内连续通入适量的无菌空气，在扩培温度28-38℃的条件下进行培养，在酵母细胞数达到要求后，向发酵罐供料。
发酵罐控制温度28～38℃，成熟醪酒度达到发酵要求后，经发酵成熟醪泵向精馏脱水单元连续供应发酵成熟醪。酒精发酵过程排出的CO2引入CO2洗涤塔，洗涤水为新鲜一次水，CO2洗涤塔的含酒精的洗涤水与发酵成熟醪混合送至酒精精馏脱水单元，净化后的CO2部分或全部送至原料酶解气爆装置，剩余部分送至CO2回收装置。
在以上原料酶解及发酵单元由于采用固含量较低的流动性较好的酶解反应液完成灭菌降温操作，然后再通过离心浓缩装置得到固含量较高的酶解反应浓缩液，采用酶解反应浓缩液进行发酵操作，提高了成熟醪的酒度，解决了发酵过程异常发酵严重，纤维素利用率低，生产成本高等问题，得到的成熟醪酒度大于4％。
3.精馏脱水单元
酒精精馏脱水生产过程参见图3-精馏脱水单元流程图。来自发酵单元的成熟醪在精馏脱水单元通过精馏得到工业酒精产品，再通过分子筛变压变温吸附过程脱除共沸水，得到燃料乙醇产品。精馏脱水单元主要由粗馏塔、1精塔、2精塔及吸附塔等组成。
燃料乙醇生产流程叙述：自发酵单元的发酵成熟醪依次通过原料预热器1和原料预热器2预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、2精塔釜采废醪液，粗馏塔操作压力绝压为0.005～0.3MPa，塔顶采出的粗酒送入1精塔，粗馏塔釜采废醪液通过原料预热器1冷却后送至废醪液处理单元，部分发酵成熟醪在粗馏塔中升温后，从粗塔进料口或以下位置侧线采出，通过管线送入2精塔进料口；物料在2精塔内进行传质操作，2精塔釜采废醪液通过原料预热器2冷却后送至至废醪液处理单元，2精塔操作压力绝压为0.1～0.6MPa，塔顶汽相部分采出的高浓度酒精至分子筛吸附塔，其余部分塔顶汽相采出的高浓度酒精至粗塔再沸器，冷凝后回流；来自粗塔的粗酒在1精塔内进行传质操作，1精塔操作压力绝压为0.3～0.9MPa，塔顶高浓度酒精气相流股至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部进料口，1精塔釜采废水直接送至原料酶解生产单元作为拌料水使用；2精塔塔顶酒精蒸汽部分送至分子筛吸附塔，经分子筛等脱水剂的吸附作用除去残余水份，再通过冷凝后，最终获得燃料乙醇产品，吸附操作压力绝压为0.1～0.6MPa，吸附再生汽冷凝后送至1精塔。
工业酒精生产流程叙述：自发酵单元的发酵成熟醪依次通过原料预热器1和原料预热器2预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、2精塔釜采废醪液。粗馏塔操作压力绝为0.005～0.3MPa，塔顶采出的粗酒送入1精塔，粗馏塔釜采废醪液通过原料预热器1冷却后送至废醪液处理单元，部分发酵成熟醪在粗馏塔中升温后，从粗塔进料口或以下位置侧线采出，通过管线送入2精塔进料口；物料在2精塔内进行传质操作，2精塔釜采废醪液通过原料预热器2冷却后送至至废醪液处理单元，2精塔操作压力绝压为0.1～0.6MPa，塔顶汽相采出的高浓度酒精至粗馏塔再沸器，冷凝后回流，上部侧线采出工业酒精产品；来自粗塔的粗酒在1精塔内进行传质操作，1精塔操作压力绝压为0.3～0.9MPa，塔顶高浓度酒精气相流股送至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部进料口，1精塔釜采废水直接送至原料酶解生产单元作为拌料水使用。
粗馏塔、1精塔和2精塔内部结构可以采用板式、填料以及板式和填料的复合结构，吸附塔中的吸附剂可以是硅铝型分子筛，可选择的分子筛为A型、X型、丝光沸石型、ZSM型等。
本发明由于采用能量的多级多效的利用等方法及装置，降低了纤维素乙醇生产过程能耗物耗高，生产吨纤维素燃料乙醇产品的全流程的工艺蒸汽消耗约为3.0～3.7吨。
4.废醪液处理单元
酒精生产废醪液处理过程参见4-废醪液处理单元流程图。来自纤维素酒精精馏脱水单元的废醪液，通过预处理、一级全渣厌氧、液固分离、渣泥干燥、二级厌氧、气浮、好氧曝气及深度处理等过程，实现清洁生产。
来自精馏脱水生产单元的液固两相的废醪液，首先通过预处理器将温度控制到50～65℃，送至一级厌氧装置，一级厌氧罐为全混合式高温厌氧反应器，全渣厌氧操作温度为50～65℃，废醪液经一次厌氧处理后，一级全渣厌氧操作产生的沼气送至沼气储罐，可作为锅炉燃料，一次厌氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分离装置。
液固分离装置排出的渣泥固相含水量为60～90％，送至渣泥干燥装置干燥，烘干后的干渣泥可作为燃料使用，液固分离装置排出的清液送至二级厌氧罐进一步处理。
二级厌氧操作产生的沼气也送至沼气储罐，二级厌氧罐排放的厌氧污泥返回一级厌氧罐循环利用，二级厌氧罐出水的COD浓度为500～3000mg/L，二级厌氧出水经气浮处理后，送至好氧罐进行好氧曝气处理。
二级厌氧水通过在好氧罐中的好氧曝气操作，好氧装置出水的COD浓度达到100～800mg/L，好氧出水部分送入废水深度处理装置继续处理，部分或全部返回原料酶解单元作为拌料水使用，好氧出水回用率为30％～80％，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一级厌氧罐进行厌氧改性，实现好氧污泥零排放。
好氧罐出水送至废水深度处理装置，通过投加臭氧及膜处理等方法对好氧水进行进一步深度处理，深度处理后的污水COD浓度小于100mg/L，实现污水达标排放。
本发明由于采用工艺废水处理和回配等方法及装置，解决了纤维素乙醇生产过程工艺水消耗量大、废水处理困难等难题，实现了纤维素乙醇生产过程中好氧污泥的零排放。
附图说明
图1：原料酶解单元流程图；
图2：发酵单元流程图；
图3：精馏脱水单元流程图；
图4：废醪液处理单元流程图；
图5：纤维素乙醇生产装置图。
具体实施方式
实施例1：
以玉米秸秆为原料采用图1、图2、图3、图4和图5所示的纤维素乙醇生产装置及方法进行燃料乙醇的生产。
首先将玉米秸秆原料进行脱杂粉碎，玉米秸秆中纤维素的干基含量为31％，粉碎后的玉米秸秆加水润湿后送入气爆处理装置，气爆处理装置采用水蒸气与CO2气体混合后共同实现对纤维素原料的气爆操作，混合汽中CO2摩尔百分数为60％。操作压力表压为2.0MPa，操作温度为240℃。
气爆处理后的玉米秸秆原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反应液，酶解反应液的总固为15％，拌料罐排出的酶解反应液送至高温灭菌装置完成高温灭菌操作。拌料罐的拌料水包括废醪液处理单元的回用水、清液及新鲜水，回用水及清液通过换热器预热再送入拌料罐。
高温灭菌装置采用水蒸气加热，灭菌温度为150℃，停留时间为20分钟。高温灭菌后的反应液通过换热器冷却后降至55℃后，送至离心浓缩装置，得到固含量为35％的酶解反应浓缩液，并送至酶解罐，换热器的冷却介质为离心浓缩装置排出的清液及废醪处理单元的回用水，清液及废醪处理的回用水通过换热器加热后作为拌料水送至拌料罐循环使用，利用高温反应液降温过程放出的热量对拌料水进行预热，换热器采用间壁式、全逆流螺旋板式换热器。
酶解罐加入纤维酶、表面活性剂等助剂，在53℃的温度下进行酶解反应，同时通过添加95％硫酸，控制酶解反应液PH值约5，酶解时间为150小时，酶解罐排出的酶解反应液冷却至28℃送至酒精发酵单元。
2.发酵单元
酒精发酵生产过程参见图2-发酵单元流程图。来自原料酶解单元的20％发酵成熟醪送至酒母扩配罐，剩余部分送至酒精发酵罐。发酵操作方式为连续操作方式。将活化后的酒母放入酒母扩培罐中，同时加入酶解反应液，向罐内连续通入适量的无菌空气，在扩培温度28℃的条件下进行培养，在酵母细胞数达到要求后，向发酵罐供料。
发酵罐控制温度28℃，成熟醪酒度达到5.4％左右，经发酵成熟醪泵向精馏脱水单元连续供应发酵成熟醪。酒精发酵过程排出的CO2引入CO2洗涤塔，洗涤水为新鲜一次水，CO2洗涤塔的含酒精的洗涤水与发酵成熟醪混合送至酒精精馏脱水单元，净化后的CO2部分送至原料酶解气爆装置，剩余部分送至CO2回收装置。
3.精馏脱水单元
自发酵单元的发酵成熟醪依次通过原料预热器1和原料预热器2预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、2精塔釜采废醪液。粗馏塔操作压力绝压为0.005MPa，塔顶采出的粗酒送入1精塔，粗馏塔釜采废醪液通过原料预热器1冷却后送至废醪液处理单元，部分发酵成熟醪在粗馏塔中升温后，从粗塔进料口或以下位置侧线采出，通过管线送入2精塔进料口；物料在2精塔内进行传质操作，2精塔釜采废醪液通过原料预热器2冷却后送至至废醪液处理单元，2精塔操作压力绝压为0.1MPa，塔顶汽相部分采出的高浓度酒精至分子筛吸附塔，其余部分塔顶汽相采出的高浓度酒精至粗塔再沸器，冷凝后回流；来自粗塔的粗酒在1精塔内进行传质操作，1精塔操作压力绝压为0.3MPa，塔顶高浓度酒精气相流股至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部进料口，1精塔釜采废水直接送至原料酶解生产单元作为拌料水使用；2精塔塔顶酒精蒸汽送至分子筛吸附塔，经分子筛等脱水剂的吸附作用除去残余水份，再通过冷凝后，最终获得燃料乙醇产品，吸附操作压力绝压为0.1MPa，吸附再生汽冷凝后送至1精塔。
粗馏塔、1精塔和2精塔采用板式、或板式和填料的复合结构，吸附塔中的吸附剂是分子筛。
本实施例生产吨纤维素燃料乙醇产品的全流程的工艺蒸汽消耗约为3.7吨。
4.废醪液处理单元
来自精馏脱水生产单元的液固两相的废醪液，首先通过预处理器将温度控制到65℃，送至一级全渣厌氧装置，一级厌氧罐为全混合式高温厌氧反应器，全渣厌氧操作温度为65℃，废醪液经一次厌氧处理后，一级厌氧操作产生的沼气送至沼气储罐，可作为锅炉燃料，一次厌氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分离装置。
液固分离装置排出的渣泥固相含水量为60％，送至渣泥干燥装置干燥，烘干后的干渣泥可作为燃料使用，液固分离装置排出的清液送至二级厌氧罐进一步处理。
二级厌氧操作产生的沼气也送至沼气储罐，二级厌氧罐排放的厌氧污泥返回一级厌氧罐循环利用，二级厌氧罐出水的COD浓度为500mg/L，二级厌氧出水经气浮处理后，送至好氧罐进行好氧曝气处理。
二级厌氧水通过在好氧罐中的好氧曝气操作，好氧装置出水的COD浓度达到150mg/L，好氧出水部分送入废水深度处理装置继续处理，好氧出水全部返回原料酶解单元作为拌料水使用，好氧出水回用率为35％，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一级厌氧罐进行厌氧改性，实现好氧污泥零排放。
好氧罐出水送至废水深度处理装置，通过投加臭氧等方法对好氧水进行进一步深度处理，深度处理后的污水COD浓度小于50mg/L，实现污水达标排放。
实施例2：
以城市垃圾中的废纸等为原料采用图1、图2、图3、图4和图5所示的纤维素乙醇生产装置及方法进行工业酒精的生产。
废纸原料中纤维素的含量干基为72％，脱杂粉碎并加水润湿后送入气爆处理装置，气爆处理装置采用水蒸气与CO2气体混合后共同实现对纤维素原料的气爆操作，混合汽中CO2摩尔百分数为1％。操作压力表压为0.1MPa，操作温度为100℃。
气爆处理后的废纸原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反应液，酶解反应液的总固为5％，拌料罐排出的酶解反应液送至高温灭菌装置完成高温灭菌操作。拌料罐的拌料水包括废醪液处理单元的回用水、清液及新鲜水，回用水及清液通过换热器预热再送入拌料罐。
高温灭菌装置采用水蒸气加热，灭菌温度为120℃，停留时间为5分钟。高温灭菌后的酶解反应液通过换热器冷却后降至30℃后，送至离心浓缩装置，得到固含量为20％的酶解反应浓缩液，并送至酶解罐，换热器的冷却介质为离心浓缩装置排出的清液及废醪处理单元的回用水，清液及废醪处理的回用水通过换热器加热后作为拌料水送至拌料罐循环使用，利用高温反应液降温过程放出的热量对拌料水进行预热，换热器采用全逆流板式换热器。
酶解罐加入纤维酶、表面活性剂等助剂，在30℃的温度下进行酶解反应，同时通过添加95％硫酸，控制酶解反应液PH值4.6，酶解时间为90小时，酶解罐排出的酶解反应液冷却至38℃送至酒精发酵单元。
2.发酵单元
酒精发酵生产过程参见图2-发酵单元流程图。来自原料酶解单元的10％发酵成熟醪送至酒母扩配罐，剩余部分送至酒精发酵罐。发酵操作方式为连续操作方式。将活化后的酒母放入酒母扩培罐中，同时加入酶解反应液，向罐内连续通入适量的无菌空气，在扩培温度38℃的条件下进行培养，在酵母细胞数达到要求后，向发酵罐供料。
发酵罐控制温度38℃，成熟醪酒度达到8.1％左右，经发酵成熟醪泵向精馏脱水单元连续供应发酵成熟醪。酒精发酵过程排出的CO2引入CO2洗涤塔，洗涤水为新鲜一次水，CO2洗涤塔的含酒精的洗涤水与发酵成熟醪混合送至酒精精馏脱水单元，净化后的CO2部分送至原料酶解气爆装置，剩余部分送至CO2回收装置。
3.精馏脱水单元
工业酒精生产流程叙述：自发酵单元的发酵成熟醪依次通过原料预热器1和原料预热器2预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、2精塔釜采废醪液。粗馏塔操作压力绝压为0.3MPa，塔顶采出的粗酒送入1精塔，粗馏塔釜采废醪液通过原料预热器1冷却后送至废醪液处理单元，部分发酵成熟醪在粗馏塔中升温后，从粗塔进料口或以下位置侧线采出，通过管线送入2精塔进料口；物料在2精塔内进行传质操作，2精塔釜采废醪液通过原料预热器2冷却后送至至废醪液处理单元，2精塔操作压力绝压为0.6MPa，塔顶汽相采出的高浓度酒精至粗馏塔再沸器，冷凝后回流，上部侧线采出工业酒精产品；来自粗塔的粗酒在1精塔内进行传质操作，1精塔操作压力绝压为0.9MPa，塔顶高浓度酒精气相流股送至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部进料口，1精塔釜采废水直接送至原料酶解生产单元作为拌料水使用。
粗馏塔、1精塔和2精塔内部结构采用板式、以及板式和填料的复合结构，吸附塔中的吸附剂是3A型分子筛。
本实施例生产吨纤维素工业酒精产品的全流程的工艺蒸汽消耗约为3.0吨。
4.废醪液处理单元
来自精馏脱水生产单元的液固两相的废醪液，首先通过预处理器将温度控制到50℃，送至一级全渣厌氧装置，一级厌氧罐为全混合式高温厌氧反应器，全渣厌氧操作温度为50℃，废醪液经一次厌氧处理后，一级全渣厌氧操作产生的沼气送至沼气储罐，可作为锅炉燃料，一次厌氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分离装置。
液固分离装置排出的渣泥固相含水量为70％，送至渣泥干燥装置干燥，烘干后的干渣泥可作为燃料使用，液固分离装置排出的清液送至二级厌氧罐进一步处理。
二级厌氧操作产生的沼气也送至沼气储罐，二级厌氧罐排放的厌氧污泥返回一级厌氧罐循环利用，二级厌氧罐出水的COD浓度为800mg/L，二级厌氧出水经气浮处理后，送至好氧罐进行好氧曝气处理。
二级厌氧水通过在好氧罐中的好氧曝气操作，好氧装置出水的COD浓度达到400mg/L，好氧出水部分送入废水深度处理装置继续处理，好氧出水50％返回原料酶解单元作为拌料水使用，好氧出水回用率为80％，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一级厌氧罐进行厌氧改性，实现好氧污泥零排放。
好氧罐出水送至废水深度处理装置，通过膜处理等方法对好氧水进行进一步深度处理，深度处理后的污水COD浓度小于100mg/L，实现污水达标排放。
实施例3：
以木薯淀粉生产产生的木薯渣为原料，采用图1、图2、图3、图4和图5所示的纤维素乙醇生产装置及方法进行燃料乙醇的生产。
木薯淀粉生产产生的木薯渣的干基含量为35％，首先将木薯渣送入气爆处理装置，气爆处理装置采用水蒸气与CO2气体混合后共同实现对纤维素原料的气爆操作，混合汽中CO2摩尔百分数为10％。操作压力表压为1.2MPa，操作温度为200℃。
气爆处理后的玉米秸秆原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反应液，酶解反应液的总固为12％，拌料罐排出的酶解反应液送至高温灭菌装置完成高温灭菌操作。拌料罐的拌料水包括废醪液处理单元的回用水、清液及新鲜水，回用水及清液通过换热器预热再送入拌料罐。
高温灭菌装置采用水蒸气加热，灭菌温度为80℃，停留时间为30分钟。高温灭菌后的反应液通过换热器冷却后降至50℃后，送至离心浓缩装置，得到固含量为31％的酶解反应浓缩液，并送至酶解罐，换热器的冷却介质为离心浓缩装置排出的清液及废醪处理单元的回用水，清液及废醪处理的回用水通过换热器加热后作为拌料水送至拌料罐循环使用，利用高温反应液降温过程放出的热量对拌料水进行预热，换热器采用间壁式、全逆流管式换热器。
酶解罐加入纤维酶、表面活性剂等助剂，同时通过添加95％硫酸，控制酶解反应液PH值约4.7，酶解时间为0小时，酶解罐排出的酶解反应液冷却至30℃送至酒精发酵单元。
2.发酵单元
酒精发酵生产过程参见图2-发酵单元流程图。来自原料酶解单元的30％发酵成熟醪送至酒母扩配罐，剩余部分送至酒精发酵罐。发酵操作方式为连续操作方式。将活化后的酒母放入酒母扩培罐中，同时加入酶解反应液，向罐内连续通入适量的无菌空气，在扩培温度30℃的条件下进行培养，在酵母细胞数达到要求后，向发酵罐供料。
发酵罐控制温度30℃，成熟醪酒度达到5.2％左右，经发酵成熟醪泵向精馏脱水单元连续供应发酵成熟醪。酒精发酵过程排出的CO2引入CO2洗涤塔，洗涤水为新鲜一次水，CO2洗涤塔的含酒精的洗涤水与发酵成熟醪混合送至酒精精馏脱水单元，净化后的CO2部分送至原料酶解气爆装置，剩余部分送至CO2回收装置。
3.精馏脱水单元
自发酵单元的发酵成熟醪依次通过原料预热器1和原料预热器2预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、2精塔釜采废醪液。粗馏塔操作压力绝压为0.01MPa，塔顶采出的粗酒送入1精塔，粗馏塔釜采废醪液通过原料预热器1冷却后送至废醪液处理单元，部分发酵成熟醪在粗馏塔中升温后，从粗塔进料口或以下位置侧线采出，通过管线送入2精塔进料口；物料在2精塔内进行传质操作，2精塔釜采废醪液通过原料预热器2冷却后送至至废醪液处理单元，2精塔操作压力绝压为0.3MPa，塔顶汽相部分采出的高浓度酒精至分子筛吸附塔，其余部分塔顶汽相采出的高浓度酒精至粗塔再沸器，冷凝后回流；来自粗塔的粗酒在1精塔内进行传质操作，1精塔操作压力绝压为0.7MPa，塔顶高浓度酒精气相流股至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部进料口，1精塔釜采废水直接送至原料酶解生产单元作为拌料水使用；2精塔塔顶酒精蒸汽送至分子筛吸附塔，经分子筛等脱水剂的吸附作用除去残余水份，再通过冷凝后，最终获得燃料乙醇产品，吸附操作压力绝压为0.6MPa，吸附再生汽冷凝后送至1精塔。
粗馏塔、1精塔和2精塔采用板式、或板式和填料的复合结构，吸附塔中的吸附剂是分子筛。
本实施例生产吨纤维素燃料乙醇产品的全流程的工艺蒸汽消耗约为3.6吨。
4.废醪液处理单元
来自精馏脱水生产单元的液固两相的废醪液，首先通过预处理器将温度控制到55℃，送至一级全渣厌氧装置，一级厌氧罐为全混合式高温厌氧反应器，全渣厌氧操作温度为55℃，废醪液经一次厌氧处理后，一级厌氧操作产生的沼气送至沼气储罐，可作为锅炉燃料，一次厌氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分离装置。
液固分离装置排出的渣泥固相含水量为60％，送至渣泥干燥装置干燥，烘干后的干渣泥可作为燃料使用，液固分离装置排出的清液送至二级厌氧罐进一步处理。
二级厌氧操作产生的沼气也送至沼气储罐，二级厌氧罐排放的厌氧污泥返回一级厌氧罐循环利用，二级厌氧罐出水的COD浓度为500mg/L，二级厌氧出水经气浮处理后，送至好氧罐进行好氧曝气处理。
二级厌氧水通过在好氧罐中的好氧曝气操作，好氧装置出水的COD浓度达到150mg/L，好氧出水部分送入废水深度处理装置继续处理，好氧出水全部返回原料酶解单元作为拌料水使用，好氧出水回用率为80％，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一级厌氧罐进行厌氧改性，实现好氧污泥零排放。
好氧罐出水送至废水深度处理装置，通过投加臭氧等方法对好氧水进行进一步深度处理，深度处理后的污水COD浓度小于65mg/L，实现污水达标排放。

Claims (5)

1.一种纤维素乙醇生产方法，包括原料酶解、发酵、精馏脱水和废醪液处理的生产单元，其特征是原料酶解单元的气爆处理采用水蒸气与CO2气体混合后共同实现对纤维素原料的气爆操作，操作压力表压为0.1～2.0MPa，操作温度为100～240℃，混合汽中CO2摩尔百分数为1％～60％；发酵单元的发酵过程中排出的CO2引入CO2洗涤塔，净化后的CO2送至原料酶解单元气爆装置；所述原料酶解单元包括脱杂粉碎、气爆处理、拌料、高温灭菌、换热、离心浓缩、酶解和冷却，拌料罐制备的酶解反应液，在温度为80～150℃灭菌，停留时间为5～30分钟，高温灭菌后的酶解反应液通过换热器换热冷却后降至30～55℃后，送至离心浓缩装置，然后送至酶解罐，进行酶解反应，离心浓缩装置产生的清液作为拌料水预热后返回拌料罐循环使用。 
2.如权利要求1所述的纤维素乙醇生产方法，其特征是纤维素原料为农业废弃物、工业生产废弃物、以及含有较多纤维素的城市垃圾，所述农业废弃物为玉米秸、麦秸、稻草、木薯秸秆以及棉秆；所述工业生产废弃物为糠醛渣、木薯淀粉或木薯酒精产生的木薯渣；所述含有较多纤维素的城市垃圾为废纸。 
3.如权利要求1的纤维素乙醇生产方法，其特征是所述的精馏脱水单元的来自于发酵单元的发酵成熟醪，依次通过原料预热器1和原料预热器2；预热后进入粗馏塔，预热器1、预热器2的加热介质分别为粗馏塔釜采废醪液、精塔釜采废醪液。 
4.如权利要求1的纤维素乙醇生产方法，其特征是所述的废醪液处理单元的来自纤维素乙醇生产过程中的精馏脱水单元的液固两相的废醪液，通过预处理、一级全渣厌氧、液固分离、渣泥干燥、二级厌氧、气浮、好氧曝气及深度处理过程，一级全渣厌氧操作温度为50～65℃，废醪液经一级全渣厌氧处理后，一级厌氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分离装置，清液送至二级厌氧罐。 
5.如权利要求1的纤维素乙醇生产方法，其特征是所述的废醪液处理生产单元包括一级全渣厌氧、液固分离、渣泥干燥、二级厌氧、气浮、好氧曝气过程，二级厌氧出水送至好氧罐进行好氧曝气操作，好氧出水部分送入废水深度处理装置继续处理，部分返回原料酶解单元作为拌料水使用，好氧罐排出的好氧污泥全部返回一级厌氧罐进行厌氧改性，实现好氧污泥零排放。 
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