CN112813109B - 利用淀粉质原料产乙醇的方法和系统及其应用 - Google Patents

利用淀粉质原料产乙醇的方法和系统及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及乙醇生产领域，公开了一种利用淀粉质原料产乙醇的方法和系统及其应用。在本发明中，将废醪清液、废气凝液和蒸发凝液中的至少一种作为至少部分调浆用水，还将废气用于给蒸发步骤提供热源，大大减少了乙醇生产的水耗和能耗，提高了水和热量的利用率。在本发明中，通过多个工艺的组合基本实现了污水零排放。

Description

利用淀粉质原料产乙醇的方法和系统及其应用
技术领域
本发明涉及乙醇生产领域，具体地涉及一种利用淀粉质原料产乙醇的方法和系统及其应用。
背景技术
燃料乙醇是基于石油危机和控制大气污染所产生的新兴绿色产业，主要是以粮食(玉米、小麦等)、薯类(甘薯、木薯和马铃薯等)、糖类(废糖蜜)或纤维素(农作物秸秆、废木材和废纸浆等)为原料，经发酵、蒸馏制得95％(v/v)的乙醇，脱水得到燃料乙醇，再加入变性剂得到变性燃料乙醇。
随着燃料乙醇行业的发展及生产工艺的提升，零污染零排放是我国燃料乙醇技术发展的一个重要方向，也是燃料乙醇产业顺利发展必须建立的技术平台。从环保的角度上讲，目前所有工业企业的废水必须实现达标排放，甚至“零”排放，因此如何降低污水排放甚至实现零污水排放值得重点关注。
发明内容
本发明的目的是为了减少燃料乙醇生产过程中污水排放量甚至实现零污水排放，提供一种利用淀粉质原料产乙醇的方法和系统，通过该方法和系统能够显著减少污水排放甚至实现零污水排放。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种利用淀粉质原料产乙醇的方法，该方法包括：
(1)将淀粉质原料依次进行粉碎、调浆、液化和发酵，得到发酵醪液，并将所述发酵醪液进行蒸馏，得到乙醇和废醪液；
(2)将所述废醪液进行固液分离，得到废醪清液和废醪湿饼；
(3)将至少部分所述废醪清液进行蒸发，得到废醪浓缩液和蒸发凝液，将所述废醪湿饼和所述废醪浓缩液混合，并对得到的混合物进行干燥，得到DDGS和废气；
(4)将所述废气循环至步骤(3)中的蒸发步骤，作为所述蒸发步骤的至少部分热源，以在所述蒸发步骤中进行换热，得到废气凝液；
其中，步骤(1)调浆步骤中的调浆用水至少部分来自所述废醪清液、所述废气凝液和所述蒸发凝液中的至少一种。
本发明第二方面提供一种利用淀粉质原料产乙醇的系统，该系统包括：
粉碎单元，用于对所述淀粉质原料进行粉碎，得到淀粉质原料粉碎产物；
调浆单元，用于将所述淀粉质原料粉碎产物进行调浆，得到淀粉浆液；
液化单元，用于将所述浆液酶解为液化液；
发酵单元，用于将所述液化液进行发酵得到发酵醪液；
蒸馏单元，用于将所述发酵醪液进行蒸馏分离，得到乙醇和废醪液；
分离单元，用于将所述废醪液进行分离，得到废醪清液和废醪湿饼；
蒸发单元，用于将至少部分所述废醪清液进行蒸发，得到废醪浓缩液和蒸发凝液；
干燥单元，用于将所述废醪湿饼和所述废醪浓缩液混合，并对得到的混合物进行干燥，得到DDGS和废气；
其中，所述干燥单元与所述蒸发单元通过管路连接，以使所述废气循环至蒸发单元，提供蒸发单元的至少部分热源，并得到废气凝液；
其中，所述分离单元和所述调浆单元以及所述蒸发单元和所述调浆单元分别通过管路连接，以分别将至少部分所述废醪清液、至少部分所述废气凝液和至少部分所述蒸发凝液中的至少一种输送至调浆单元，作为调浆单元的至少部分调浆用水。
本发明第三方面提供如上所述系统在利用淀粉质原料产乙醇中的应用。
本发明通过将调浆步骤的至少部分调浆用水设置为来自废醪清液、废气凝液和蒸发凝液中的至少一种，在优选的情况下来自废醪清液、蒸发凝液、上层液相、外排水和废气凝液，实现了新鲜工艺水补水消耗量小于1t/t乙醇，还大大减少了污水排放量，基本实现工艺污水零排放。
本发明将废气用于给蒸发步骤提供热源，充分利用热量，减少了能耗，在优选的情况下，先将废气循环至调浆单元，再循环至蒸发单元大大提高了热量的利用率。
采用本发明所述的技术方案，在减少了污水排放量和能耗的情况下，燃料乙醇的产量未出现明显减少。
在本发明的优选的实施方式中，通过生物厌氧反应器处理蒸发凝液、蓄热式热力焚化炉(RTO)处理废气和废水罐处理清洗废水的方式，不但能够基本实现污水零排放，还替代了常规用于处理污水的污水处理单元，减少了运行污水处理单元的成本。此外，在生物厌氧反应器中处理蒸发凝液，还能够产生沼气，其可进一步燃烧提供热能，产生的颗粒污泥可直接售卖，进一步提高了经济价值。
附图说明
图1是本发明所述的利用淀粉质原料产乙醇的一个优选的实施方案的流程图。
图2是本发明所述的废水罐的示意图。
附图标记说明
T1 粉碎单元 T2 调浆单元 T3 液化单元
T4 发酵单元 T5 蒸馏单元 T6 扩培单元
C1 分离单元 C2 蒸发单元 C3 干燥单元
C4 废气处理单元 C5 厌氧发酵单元 C6 清洗单元
C41 蓄热式热力焚化炉 C51 生物厌氧反应器 C61 废水罐
1 锥底罐 2 分离器 3 旋转阀
4 泵 2-1 除杂螺旋
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明中，如图1中所示的，术语“新鲜工艺水”是指新鲜补充的调浆用水，非来自利用淀粉质原料产乙醇过程中产生的工艺水。
本发明一方面提供一种利用淀粉质原料产乙醇的方法，该方法包括：
(1)将淀粉质原料依次进行粉碎、调浆、液化和发酵，得到发酵醪液，并将所述发酵醪液进行蒸馏，得到乙醇和废醪液；
(2)将所述废醪液进行固液分离，得到废醪清液和废醪湿饼；
(3)将至少部分所述废醪清液进行蒸发，得到废醪浓缩液和蒸发凝液，将所述废醪湿饼和所述废醪浓缩液混合，并对得到的混合物进行干燥，得到DDGS和废气；
(4)将所述废气循环至步骤(3)中的蒸发步骤，作为所述蒸发步骤的至少部分热源，以在所述蒸发步骤中进行换热，得到废气凝液；
其中，步骤(1)调浆步骤中的调浆用水至少部分来自所述废醪清液、所述废气凝液和所述蒸发凝液中的至少一种。
在本发明中，淀粉质原料的种类没有特别的限制，可以是本领域常规使用的淀粉质原料，比如可以为玉米、小麦、甘薯、木薯、马铃薯和废糖蜜等，优选为玉米。
在本发明中，所述粉碎的方法可以是本领域常规使用的手段，比如，可以使用粉碎机将淀粉质原料进行粉碎，然后经过筛处理得到粉碎后的淀粉质原料颗粒。其中，所述粉碎后的淀粉质原料的粒径可以为20-40目。
在本发明中，虽然一般的调浆条件即可实现最终得到淀粉浆液的结果，但是，所述调浆的过程优选包括：向所述粉碎后的淀粉质原料颗粒中添加调浆用水并拌浆，得到淀粉浆液；其中，所述淀粉浆液中固形物的含量可以为30-40重量％，优选为32-38重量％；所述调浆温度可以为35-80℃，优选为40-75℃。其中，调浆过程中还可包括调节pH的步骤，调节后的pH为3-8，优选为4-7。在所述优选的条件下，能够提高乙醇的产率。
其中，所述调浆用水优选包括新鲜工艺水、废醪清液、废气凝液和蒸发凝液中的至少一种。
在本发明中，所述液化的目的是将所述淀粉浆液转化为可发酵性糖。因此，本领域常规使用的能够实现淀粉质原料液化处理目的方法均适用于本发明。具体地，所述液化的过程可以包括：向所述淀粉浆液中添加淀粉酶进行液化，得到液化液，淀粉酶的添加量为10-80U/g干基淀粉质原料，优选为15-60U/g干基淀粉质原料；液化温度为55-120℃，优选为70-105℃；液化pH为3-8，优选为4-7；液化时间为0.2-10h，优选为0.5-5h。在所述优选的条件下，能够提高乙醇的产率。
在本发明中，所述发酵的目的是将所述液化液经过发酵生产含乙醇的发酵醪液。因此，本领域常规使用的能够实现发酵目的的方法均适用于本发明。具体地，所述发酵的过程可以包括：将菌种接种到所述液化液中进行发酵；所述发酵的pH值为2-7，优选为3-6；温度为25-40℃，优选为30-35℃；时间为2-5天。在所述优选的条件下，能够提高乙醇的产率。
在本发明中，所述菌种可以是本领域常规使用的用于发酵产乙醇的菌种，比如可以为湖北安琪酵母股份公司生产的安琪超级酿酒高活性干酵母。
在本发明中，所述菌种在接种前可以先进行活化，所述活化的方法可以是本领域常规使用的手段，比如可以将菌种接入活化罐，与水混合活化，得到种子液。也可以根据需要向活化罐中添加碳源，比如液化液，对菌种进行活化。其中，活化的pH值可以为2-7，优选为3-6；活化温度可以为25-40℃，优选为30-35℃；时间可以为6-16h。在所述优选的条件下，能够提高乙醇的产率。
在本发明中，所述菌种在接种前还可以先进行至少一级扩培，所述扩培可以在摇瓶和/或扩培罐中进行。比如，可以在摇瓶中进行一级扩培，在扩培罐中进行二级扩培，得到种子液。其中，每级扩培过程中的pH值分别可以为2-7，优选为3-6；每级扩培温度分别可以为25-40℃，优选为30-35℃；每级扩培的时间分别可以为6-16h。在所述优选的条件下，能够提高乙醇的产率。
在本发明中，所述菌种接种量可以在较宽的范围内进行选择，比如相对于1克所述液化液，所述菌种的接种量可以为1×104-1×107cfu。
在本发明中，可以对所述扩培和发酵过程中菌种生理活动所产生的CO2进行洗涤，将得到的CO2洗涤水可以用作至少部分调浆用水。
在本发明中，所述蒸馏的目的是从发酵醪液中提取乙醇，比如，所述蒸馏的步骤可以包括：先将所述发酵醪液进行粗馏，再进行精馏，进一步通过脱水得到乙醇。
其中，所述粗馏的方法可以是本领域常规使用的方法，优选地将所述发酵醪液在粗镏塔中于70-90℃下进行粗馏，得到废醪液和粗馏馏分。
其中，所述精馏的方法可以是本领域常规使用的方法，优选地将所述粗馏馏分在第一精馏塔中100-140℃下进行第一精馏，所得第一精馏馏分再在第二精馏塔中于140-160℃下进行第二精馏，得到第二精馏馏分。其中，经过所述第一精馏过程，除了获得的第一精馏馏分，还能够得到杂醇油。
其中，在所述蒸馏的过程中产生的塔釜液可以用作至少部分调浆用水。在本发明中，包括所述塔釜液是指第一精馏塔塔釜液(无固含物及酒精)。
其中，所述脱水的方法可以是本领域常规使用的方法，比如可以使用分子筛、膜分离脱水可得乙醇。
在本发明中，所述废醪液包括所述粗馏得到的粗馏废醪液和/或蒸馏过程中得到的蒸馏废醪液。当所述废醪液为粗馏得到的粗馏废醪液或为蒸馏过程中得到的蒸馏废醪液时，可以直接将相应的组分进行固液分离，得到废醪清液和废醪湿饼；当所述废醪液包括所述粗馏得到的粗馏废醪液和蒸馏过程中得到的蒸馏废醪液时，可以先将二者混合，然后再进行固液分离，得到废醪清液和废醪湿饼。
在本发明中，所述固液分离的方法可以使用本领域常规的技术手段，比如通过离心或过滤的方法进行固液分离。
在本发明中的一个优选的实施方式中，所述调浆步骤的调浆用水至少部分来自于所述废醪清液，具体的，将部分所述废醪清液进行蒸发，得到废醪浓缩液和蒸发凝液，余下部分所述废醪清液循环至调浆步骤与所述淀粉质原料的粉碎产物混合，以对其进行调浆。进一步优选地，进入蒸发步骤中的废醪清液的体积占总废醪清液的60-80％。
在本发明中，所述蒸发的方法可以是本领域常规使用的技术手段。通常典型30万吨/年燃料乙醇生产装置对于清液多采用四效蒸发。本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的蒸发方法。
在本发明中，对所述废醪浓缩液和所述废醪湿饼的混合物进行干燥的方法可以是本领域常规使用的技术手段，比如可以由干燥机进行干燥，得到DDGS和废气。其中，所述DDGS是指酒糟蛋白，可用于生产饲料产品。
所述干燥步骤产生的废气中含有大量蒸汽和少量的有机物，呈酸性，如果直接排入大气，会产生酸性白雾，所述废气冷却后会产生大量酸性废水。目前，通常对所述废气的处理方法为：将所述废气冷却后得到酸性污水，然后将所述酸性污水与蒸发凝液和其他废水输送至污水处理单元进行处理。但该操作增加了工厂废水处理量，提高了成本和能耗。
本发明的发明人为了实现减少污水排放、降低能耗以及去除污水处理单元以减少生产成本的目的，提出了新的方法，分别对所述废气、蒸发凝液以及其他废水进行了针对性处理。
在本发明中，为了处理所述废气，将所述废气循环至步骤(3)中的蒸发步骤，作为所述蒸发步骤的至少部分热源，以在所述蒸发步骤中进行换热，得到废气凝液。
在本发明的一个优选的实施方式中，在将步骤(3)中的所述废气循环至所述蒸发步骤前，该方法还包括：对所述废气进行焚烧，得到焚烧后的废气；然后对所述焚烧后的废气进行润湿处理，得到蒸汽，并将所述蒸汽循环至所述蒸发步骤作为至少部分热源。比如可以是如图1所示的流程图所呈现的方法。
其中，所述焚烧可以在蓄热式热力焚化炉(Regenerative Thermal Oxidizer，)中进行。优选地，所述的工作参数为：工作温度≥760℃。所述蓄热式热力焚烧炉的通气流量和数量可以根据实际需要进行选择，比如在燃料乙醇规模为30万吨/年时，配套的的通气流量可以为60000Nm3/h，数量可以为2个。
在本发明的一个更优选的实施方式中，在将所述蒸汽循环至所述蒸发步骤前，该方法进一步包括：将所述蒸汽循环至步骤(1)中的调浆步骤进行第一换热，作为所述调浆步骤的至少部分热源，再将第一换热后的蒸汽循环至所述蒸发步骤进行第二换热。
其中，在如上优选实施方式下，能够更加充分的利用蒸汽中的热量。其中，所述蒸汽的温度可以为130-170℃；所述第一换热后的蒸汽的温度可以为105-120℃。
在本发明的一个优选的实施方式中，在将步骤(3)中的所述蒸发凝液作为所述调浆步骤中的至少部分用水前，该方法还包括：对所述蒸发凝液进行厌氧发酵处理，得到处理后的蒸发凝液。
在本发明中，进行厌氧发酵处理的蒸发凝液可以是全部的蒸发凝液，也可以是部分蒸发凝液。当进行厌氧发酵处理的蒸发凝液是部分蒸发凝液，剩余部分蒸发凝液直接进入调浆单元作为调浆水使用时，优选地，进行厌氧发酵处理的蒸发凝液是所有的蒸发凝液的至少70体积％。在优选的情况下，能够避免因剩余部分蒸发凝液作为调浆水而造成的乙醇产量降低的情况。当然，剩余部分蒸发凝液也可以直接输送至污水处理单元，在这种情况下，污水处理量会明显增加。
其中，所述厌氧发酵处理可以在生物厌氧反应器，例如甲烷发生器中进行。通过所述生物厌氧反应器处理蒸发凝液可以生产沼气和颗粒污泥，所述沼气可以通过燃烧为乙醇的生产提供热能，所述颗粒污泥可以直接售卖。
其中，该方法还可以包括向所述生物厌氧反应器中加入营养盐。所述营养盐可以为本领域常规使用的无机盐，比如可以为尿素、氯化钙、硫酸镁和氯化钾中的至少一种，本领域技术人员可以根据需要选择合适的添加量。
在所述厌氧过程中，具体的操作条件可以根据实际情况进行选择，比如可以根据厌氧菌种的生长繁殖需要确定操作条件，优选地，控制厌氧发酵的温度为25-35℃，pH为6.5-7.5。所述生物厌氧反应器可以连续工作，也可以间歇工作，优选为连续工作。
其中，优选的情况下，处理后的蒸发凝液的COD值在100-500mg/L的范围内，然后作为调浆步骤中的至少部分调浆用水。
在本发明中，该方法还可以包括对调浆、液化、发酵和蒸馏步骤中使用的设备进行清洗，得到清洗废水。所述清洗系统可以是本领域常规的选择，比如可以是定位清洗系统(CIP清洗系统)。
一般情况下，会将经所述清洗系统清洗设备和管道得到的清洗废水排放至污水处理单元，本发明的发明人通过在所述清洗系统中新增废水罐用于处理所述清洗废水，实现了清洗废水的再利用。
在本发明中，该方法还可以包括将所述清洗废水在废水罐中进行处理。如图2所示，所述废水罐可以包括：锥底罐1，用于将所述清洗废水进行第一固液分离，得到上层液相和下层固相；和分离器2，用于将所述固相进行第二固液分离，得到固体废渣和外排水。优选地，所述分离器2为设置有除杂螺旋2-1的砂水分离器。
其中，所述锥底罐的容积可以根据实际的生产规模来进行确定，比如，30万吨/年燃料乙醇的工厂可以采用150-300m3的容积。
其中，所述分离器的功率也可以根据实际的生产规模来进行确定，比如，30万吨/年燃料乙醇的工厂可以采用1.5-3kw功率的分离器，间歇使用。
在本发明的一个优选的实施方式中，该方法还包括：将至少部分所述上层液相和/或至少部分所述外排水循环至所述调浆步骤中作为至少部分调浆用水。
如图1所示，本发明第二方面提供一种利用淀粉质原料产乙醇的系统，该系统包括：
粉碎单元T1，用于对所述淀粉质原料进行粉碎，得到淀粉质原料粉碎产物；
调浆单元T2，用于将所述淀粉质原料粉碎产物进行调浆，得到淀粉浆液；
液化单元T3，用于将所述浆液酶解为液化液；
发酵单元T4，用于将所述液化液进行发酵得到发酵醪液；
蒸馏单元T5，用于将所述发酵醪液进行蒸馏分离，得到乙醇和废醪液；
分离单元C1，用于将所述废醪液进行分离，得到废醪清液和废醪湿饼；
蒸发单元C2，用于将至少部分所述废醪清液进行蒸发，得到废醪浓缩液和蒸发凝液；
干燥单元C3，用于将所述废醪湿饼和所述废醪浓缩液混合，并对得到的混合物进行干燥，得到DDGS和废气；
其中，所述干燥单元C3与所述蒸发单元C2通过管路连接，以使所述废气循环至蒸发单元C2，提供蒸发单元C2的至少部分热源，并得到废气凝液；
其中，所述分离单元C1和所述调浆单元T2以及所述蒸发单元C2和所述调浆单元T2分别通过管路连接，以分别将至少部分所述废醪清液、至少部分所述废气凝液和至少部分所述蒸发凝液中的至少一种输送至调浆单元T2，作为调浆单元T2的至少部分调浆用水。
在本发明中，所述系统还优选包括扩培单元T6，用于为所述发酵单元T4提供发酵所述液化液的种子液。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述系统还包括废气处理单元C4，用于对来自干燥单元C3的废气进行焚烧，并将焚烧后的废气进行润湿，得到蒸汽。并且其中，所述废气处理单元C4与所述蒸发单元C2通过管路连接，以使所述蒸汽循环至所述蒸发单元C2并作为所述蒸发单元C2的至少部分热源，得到所述废气凝液。进一步优选地，所述废气处理单元C4包括蓄热式热力焚化炉C41。
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述废气处理单元C4、所述调浆单元T2和所述蒸发单元C2通过管路依次连接，以使所述蒸汽先循环至所述调浆单元T2并作为所述调浆单元T2的至少部分热源，与所述调浆单元T2进行第一换热，然后使第一换热后的蒸汽循环至所述蒸发单元C2并作为所述蒸发单元C2的至少部分热源，与所述蒸发单元C2进行第二换热。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述系统还包括厌氧发酵单元C5，用于将来自所述蒸发单元C2的所述蒸发凝液进行厌氧发酵，得到厌氧处理后的蒸发凝液。并且其中，所述厌氧发酵单元C5与所述调浆单元T2通过管路连接，以将至少部分所述蒸发凝液输送至调浆单元T2，作为调浆单元T2的至少部分调浆用水；
其中，优选的情况下，所述厌氧发酵单元C5包括生物厌氧反应器C51，例如，可以为甲烷发生器。所述厌氧发酵单元C5还可以包括蒸发凝液回收罐和处理后的蒸发凝液回收罐。
在本发明中，所述系统还可以包括清洗单元C6，用于清洗所述调浆单元T2、所述液化单元T3、所述发酵单元T4和所述蒸馏单元T5，得到清洗废水。所述清洗单元C6可以通过管路分别与所述调浆单元T2、所述液化单元T3、所述发酵单元T4和所述蒸馏单元T5连接，将清洗水输送至所述单元的设备或装置中进行清洗，然后清洗后将回水通过管路输送回所述清洗单元C6。在本发明中，来自不同单元的回水统称为清洗废水。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述清洗单元C6还包括废水罐C61，用于处理所述清洗废水，所述废水罐C61包括：锥底罐1，用于将所述清洗废水进行第一固液分离，得到上层液相和下层固相；和分离器2，用于将所述固相进行第二固液分离，得到固体废渣和外排水。
在本发明中，所述分离器2可以是本领域常规使用的分离器，优选地，所述分离器2为砂水分离器，更优选为设置有除杂螺旋2-1的砂水分离器。
在本发明的一个优选的实施方式中，在所述锥底罐1的锥底部分引出管路与分离器2相连，在锥底罐1和分离器2的连通管路上设置有旋转阀3；在所述分离器2的除杂螺旋2-1底部引出管路，使用并在所述管路上设置开关，以控制所述分离器2分离出的外排水的排放；锥底罐1的侧壁引出管路与泵4相连，用于将锥底罐C611中上层液相泵出锥底罐1。
进一步优选地，如图2所示，在所述锥底罐1和旋转阀3中间设置有2个开关阀，在2个开关阀中间的管路上设有一个入水口，用于清洗管路。在除杂螺旋2-1的上部也设有一个入水口，用以清洗分离器2。其中，固体废渣从砂水分离器的顶端排出。
在本发明中，所述水的种类不受特别的限制，只要能够用于清洗管路和设备即可，比如可以为自来水。
在本发明的一个更优选的实施方式中，所述废水罐C61与所述调浆单元T2通过管路连接，以将至少部分所述上层液相和/或至少部分所述外排水输送至调浆单元T2，作为调浆单元T2的至少部分调浆用水。
在本发明中，本发明提供的系统包括的进一步特征以及在本发明的系统中进行发酵制乙醇的方法在如上第一方面已经进行了充分的阐述，为了避免不必要的重复，在此不再一一赘述。
本发明第三方面提供如上所述系统在利用淀粉质原料产乙醇中的应用。
采用本发明所述的方法和系统，能够将乙醇生产过程中产生的各种废水(比如废醪清液、废气凝液、蒸发凝液和清洗废水等)作为调浆步骤/单元中使用的调浆用水，实现接近零新鲜工艺水补充，以及生产过程中工艺污水的零排放。
优选情况下，本发明通过生物厌氧反应器C51、蓄热式热力焚化炉C41和废水罐C61等装置代替废水处理单元处理废水，减少了污水排放量，降低了运营成本，更佳节能减排增效。
优选情况下，采用本发明所述的方法和系统还能够生产出诸多副产物，比如DDGS、沼气、颗粒污泥等，提高了资源的利用率。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例和对比例中，除非特别说明，用到的试剂均为市售品。
酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母)购自湖北安琪酵母股份公司。
α-淀粉酶购自杰能科公司。
糖化酶购自诺维信的苏宏474。
耗水量以每生产1t乙醇所消耗的新鲜工艺水的重量计。
耗蒸汽量分别以每生产1t乙醇所消耗的蒸汽重量计。
在以下实施例中，按照乙醇生产规模为30万吨/年燃料乙醇开展。
实施例1
本实施例用于说明本发明所述的方法中所述乙醇的制备方法
按照图1所示的流程进行乙醇的制备
(1)粉碎和调浆
在粉碎单元T1中，将玉米粉碎后得到玉米粉，所述玉米粉的平均粒径为20目。在调浆单元T2中，将过筛后的玉米粉送至调浆罐中与调浆用水混合进行调浆，得到淀粉浆液，调浆温度为80℃，调浆用水的用量使得得到的玉米浆液中固形物的含量为30重量％。
(2)液化
在液化单元T3中，将步骤(1)中所得的玉米浆液与α-淀粉酶(耐高温α-淀粉酶，购自杰能科公司)混合均匀后进行液化，得到液化液；其中，相对于1克玉米粉，所述α-淀粉酶的用量为20U/g干基淀粉质原料，液化的条件为：液化的温度为90℃，液化的时间为90分钟，液化的pH值为5.6。
(3)发酵和蒸馏
取酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)加入扩培单元T6，与水混合活化10h，pH为4.2，活化温度为32℃。
将液化液和活化后的酿酒酵母输送至发酵单元T4，进行发酵，其中，相对于1克上述液化液，所述酒精酵母的接种量为105cfu，并进行搅拌培养，发酵的条件为：发酵的温度为32℃，pH至为4.2，发酵的时间为65h，得到发酵醪液。将活化和发酵过程中产生的CO2洗涤水输送至调浆单元T2，用作调浆水。
在蒸馏单元T5中，将所述发酵醪液在82℃进行粗馏，得到废醪液和粗馏馏分，所得粗馏馏分在120℃下第一精馏，所得二次精馏馏分再在157℃下第二精馏，再利用分子筛脱水可得燃料乙醇。
将蒸馏单元T5中得到的塔釜液输送至调浆单元T2，用作下一批次的至少部分调浆用水。
实施例2
本实施例用于说明本发明所述利用淀粉质原料产乙醇的方法中废液处理方法
按照图1所示的流程进行废醪液的处理
(1)废醪液的处理：按照实施例1所述的方法进行乙醇的生产，并得到废醪液，在分离单元C1将废醪液使用板框过滤机进行固液分离得到废醪清液和废醪湿饼。
(2)废醪清液的处理：将10体积％的废醪清液输送至调浆单元T2用作下一批次的至少部分调浆用水，余下的部分输送至蒸发单元C2。在蒸发单元C2中，对所述废醪清液进行四效蒸发，得到蒸发凝液和废醪浓缩液。所述废醪浓缩液与所述废醪湿饼在干燥单元C3中经干燥机干燥处理后，得到DDGS和废气。
(3)蒸发凝液的处理：将步骤(2)获得的所述蒸发凝液输送至厌氧发酵单元C5中的生物厌氧反应器C51中，进行厌氧处理。所述厌氧处理的温度为30℃，pH为7，所述厌氧处理连续进行，经过处理平均每天能够得到200m3/h的沼气。将所述处理后的蒸发凝液输送至调浆单元T2，用作下一批次的至少部分调浆用水。
(4)废气的处理：将步骤(2)获得的所述废气输送至废气处理单元C4在中进行焚烧处理，得到焚烧后的废气。其中，所用的能源来自厌氧发酵单元C5的沼气以及乙醇生产过程中的副产物杂醇油。焚烧后的废气用少量水喷淋润湿后，得到蒸汽(温度为145℃左右)，将蒸汽输送至蒸发单元C2中进行换热，得到废气凝液，将所述废气凝液输送至调浆单元T2用作下一批次的至少部分调浆用水。
(5)清洗废水的处理：使用清洗单元C6的CIP清洗系统清洗调浆、液化、发酵和蒸馏步骤中的设备和管道，得到清洗废水。将清洗废水输送至如图2所示的废水罐C61的锥底罐1中进行沉降，得到上层液相和下层固相。其中，下层固相使用设置有除杂螺旋2-1的砂水分离器2进行固液分离，得到固体废渣和外排水。将上层液相和外排水输送至调浆单元T2用作下一批次的至少部分调浆用水。
按照实施例1所述的方法，利用废醪清液、废气凝液、处理后的蒸发凝液、上层液相和外排水作为调浆用水进行发酵产乙醇，并根据需要添加新鲜工艺水，见表1。
其中，整个体系的乙醇产量、污水处理量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
实施例3
本实施例用于说明本发明所述利用淀粉质原料产乙醇的方法中废液处理方法
按照实施例2所述的方法处理废液，不同的是，焚烧后的废气用少量水喷淋润湿后，得到蒸汽(温度为145℃左右)，将蒸汽循环至调浆单元T2进行第一换热，得到第一换热后的蒸汽(温度为110℃左右)，将第一换热后的蒸汽输送至蒸发一效蒸发器中进行第二换热，得到废气凝液，将所述废气凝液输送至调浆单元T2用作下一批次的至少部分调浆用水。
其中，整个体系的乙醇产量、污水处理量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
实施例4
本实施例用于说明本发明所述利用淀粉质原料产乙醇的方法中废液处理方法
按照实施例2所述的方法处理废液，不同的是，步骤(4)中所述废气不进行焚烧，而是直接输送至蒸发单元C2进行换热处理，换热后的废气凝液输送至污水处理单元进行处理。
其中，整个体系的乙醇产量、污水处理量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
对比例1
本对比例用于说明参比的利用淀粉质原料产乙醇的方法中废液处理方法
(1)废醪液的处理：按照实施例1所述的方法进行乙醇的生产，并得到废醪液，在分离单元C1将废醪液使用板框过滤机进行固液分离得到废醪清液和废醪湿饼。
(2)废醪清液的处理：将10体积％的废醪清液输送至调浆单元T2用作下一批次的至少部分调浆用水，余下的部分输送至蒸发单元C2。在蒸发单元C2中，对所述废醪清液进行四效蒸发，得到蒸发凝液和废醪浓缩液。所述废醪浓缩液与所述废醪湿饼在干燥单元C3中经干燥机干燥处理后，得到DDGS和废气。
(3)蒸发凝液的处理：将步骤(2)获得的所述蒸发凝液输送至污水处理单元进行处理。
(4)废气的处理：将步骤(2)获得的所述废气经冷却后得到废气凝液，输送至污水处理单元进行处理。
(5)清洗废水的处理：使用清洗单元C6的CIP清洗系统清洗调浆、液化、发酵和蒸馏步骤中的设备和管道，得到清洗废水。将所述清洗废水输送至污水处理单元进行处理。
其中，所述污水处理单元的工作参数为COD为3000mg/L的污水进水，经处理后得到COD值小于300mg/L的处理后污水。
按照实施例1所述的方法，根据需要添加新鲜工艺水，计算乙醇产量，结果见表1。
其中，整个体系的乙醇产量、污水处理量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
表1
Figure BDA0002276968940000181
注：耗水量不包含开工时注入的新鲜工艺水。
从表1可以看出，采用本发明所述的技术方案，在基本保证乙醇产量的同时，大大减少了乙醇生产过程中的水耗和蒸汽消耗量，提高了水分和热量的利用率，大大降低了污水处理量。
采用本发明的技术方案，还能够得到DDGS、沼气和颗粒污泥等副产物，提高了物料的利用率。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种利用淀粉质原料产乙醇的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)将淀粉质原料依次进行粉碎、调浆、液化和发酵，得到发酵醪液，并将所述发酵醪液进行蒸馏，得到乙醇和废醪液；
(2)将所述废醪液进行固液分离，得到废醪清液和废醪湿饼；
(3)将至少部分所述废醪清液进行蒸发，得到废醪浓缩液和蒸发凝液，将所述废醪湿饼和所述废醪浓缩液混合，并对得到的混合物进行干燥，得到DDGS和废气；
(4)将所述废气循环至步骤(3)中的蒸发步骤，作为所述蒸发步骤的至少部分热源，以在所述蒸发中进行换热，得到废气凝液；
其中，步骤(1)调浆步骤中的调浆用水至少部分来自所述废醪清液、所述废气凝液和所述蒸发凝液；
其中，在将步骤(3)中的所述废气循环至所述蒸发步骤前，该方法还包括：对所述废气进行焚烧，得到焚烧后的废气；然后对所述焚烧后的废气进行润湿处理，得到蒸汽，并将所述蒸汽循环至所述蒸发步骤；
其中，在将步骤(3)中的所述蒸发凝液作为所述调浆步骤中的至少部分用水前，该方法还包括：对所述蒸发凝液进行厌氧发酵处理，得到处理后的蒸发凝液；
该方法还包括对调浆、液化、发酵和蒸馏步骤中使用的设备进行清洗，得到清洗废水；将所述清洗废水在废水罐中进行处理，所述废水罐包括：
锥底罐(1)，用于将所述清洗废水进行第一固液分离，得到上层液相和下层固相；和
分离器(2)，用于将所述固相进行第二固液分离，得到固体废渣和外排水；
该方法还包括：将至少部分所述上层液相和至少部分所述外排水循环至所述调浆步骤中作为至少部分调浆用水。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述蒸汽循环至所述蒸发步骤前，该方法进一步包括：将所述蒸汽循环至步骤(1)中的调浆步骤进行第一换热，作为所述调浆步骤的至少部分热源，再将第一换热后的蒸汽循环至所述蒸发步骤进行第二换热。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述焚烧在蓄热式热力焚化炉中进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述蓄热式热力焚化炉的工作参数为：工作温度≥760℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述厌氧发酵处理在生物厌氧反应器中进行。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，该方法还包括向所述生物厌氧反应器中加入营养盐。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，所述分离器(2)为设置有除杂螺旋(2-1)的砂水分离器。
8.一种利用淀粉质原料产乙醇的系统，其特征在于，该系统包括：
粉碎单元，用于对所述淀粉质原料进行粉碎，得到淀粉质原料粉碎产物；
调浆单元，用于将所述淀粉质原料粉碎产物进行调浆，得到淀粉浆液；
液化单元，用于将所述淀粉浆液酶解为液化液；
发酵单元，用于将所述液化液进行发酵得到发酵醪液；
蒸馏单元，用于将所述发酵醪液进行蒸馏分离，得到乙醇和废醪液；
分离单元，用于将所述废醪液进行分离，得到废醪清液和废醪湿饼；
蒸发单元，用于将至少部分所述废醪清液进行蒸发，得到废醪浓缩液和蒸发凝液；
干燥单元，用于将所述废醪湿饼和所述废醪浓缩液混合，并对得到的混合物进行干燥，得到DDGS和废气；
其中，所述干燥单元与所述蒸发单元通过管路连接，以使所述废气循环至蒸发单元，提供蒸发单元的至少部分热源，并得到废气凝液；
其中，所述分离单元和所述调浆单元以及所述蒸发单元和所述调浆单元分别通过管路连接，以分别将至少部分所述废醪清液、至少部分所述废气凝液和至少部分所述蒸发凝液中的至少一种输送至调浆单元，作为调浆单元的至少部分调浆用水；
其中，所述系统还包括废气处理单元，用于对来自干燥单元的废气进行焚烧，并将焚烧后的废气进行润湿，得到蒸汽；
其中，所述废气处理单元与所述蒸发单元通过管路连接，以使所述蒸汽循环至所述蒸发单元并作为所述蒸发单元的至少部分热源，得到所述废气凝液；
其中，所述系统还包括厌氧发酵单元，用于将来自所述蒸发单元的所述蒸发凝液进行厌氧发酵，得到厌氧处理后的蒸发凝液，
并且其中，所述厌氧发酵单元与所述调浆单元通过管路连接，以将至少部分所述厌氧处理后的蒸发凝液输送至调浆单元，作为调浆单元的至少部分调浆用水；
其中，所述系统还包括清洗单元，用于清洗所述调浆单元、所述液化单元、所述发酵单元和所述蒸馏单元，得到清洗废水；
其中，所述清洗单元还包括废水罐，用于处理所述清洗废水，所述废水罐单元包括：锥底罐(1)，用于将所述清洗废水进行第一固液分离，得到上层液相和下层固相；和
分离器(2)，用于将所述固相进行第二固液分离，得到固体废渣和外排水；
所述废水罐与所述调浆单元通过管路连接，以将至少部分所述上层液相和/或至少部分所述外排水输送至调浆单元，作为调浆单元的至少部分调浆用水。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述废气处理单元包括蓄热式热力焚化炉。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述废气处理单元、所述调浆单元和所述蒸发单元通过管路依次连接，以使所述蒸汽先循环至所述调浆单元并作为所述调浆单元的至少部分热源，与所述调浆单元进行第一换热，然后使第一换热后的蒸汽循环至所述蒸发单元并作为所述蒸发单元的至少部分热源，与所述蒸发单元进行第二换热。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述厌氧发酵单元包括生物厌氧反应器。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述分离器(2)为设置有除杂螺旋(2-1)的砂水分离器。
13.权利要求8-12中任意一项所述系统在利用淀粉质原料产乙醇中的应用。
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