CN208594294U - 生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及生物发酵技术领域，具体涉及一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统，包括发酵罐、位于发酵罐底部的蒸汽进气管路、位于发酵罐顶部的蒸汽出气管路、连接在蒸汽出气管路后端的无菌空气出气阀和蒸汽尾气出气阀，蒸汽尾气出气阀与透平压缩机通过管路连通、透平压缩机后方通过管路与换热器连通，换热器的水循环管路与锅炉去离子水管路连通，所述蒸汽尾气出气阀与透平压缩机之间设有压力控制装置，压力控制装置包括气压传感器和可编程控制器；换热器的冷凝水出水管分两路，其中一路与发酵罐上水管连通、另一路与水处理装置连通。

Description

生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统

技术领域

本实用新型涉及生物发酵技术领域，具体涉及一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统。

背景技术

生物发酵行业是我国工业结构中非常重要的组成部分，发酵产品涵盖工业用品、农业用品、农药、医药、以及军事、科研等等诸多的行业。发酵过程分有氧发酵和无氧发酵，但无论哪一种发酵过程，其第一部就是对发酵培养基进行高温灭菌。高温灭菌的目的就是通过提升发酵培养基的温度，将自然环境中存在于培养基中的各种杂菌高温杀死，以净化发酵环境。然后将特定的发酵种子接种到发酵罐中去，进行发酵，最终得到我们需要的发酵产品。工业发酵中利用的灭菌方法就是从发酵罐的底部等相关部位通入具有一定压力和温度（一般为压力3-4公斤、温度150-160℃）的饱和蒸汽或者微过热蒸汽，对发酵罐中的料液（培养基）加热，增压至121℃-125℃，1公斤/平方厘米以上。

为了说明问题，如图1所示：我们以现有技术中的行业通用发酵罐的灭菌过程为例来表述。

开始灭菌时，打开阀一a及阀二b，向发酵罐通入蒸汽,使料液培养基的温度逐步升高，当料液上面的温度达到100℃后，逐步关小阀二b 的开度，使罐内料液压力升高，同时温度随压力的升高也逐步升高，在整个升温的过程中，时刻调整阀一a和阀二b的开度，当罐内料液c处发酵液温度达到120-125℃，压力1Kg/cm²后，为了使料液彻底灭菌，必须使料液在罐中充分翻腾起来，这时就必须继续向发酵罐通入蒸汽，并且维持3-3.5小时。此时通入的蒸汽只是起到翻腾搅拌的作用，一部分直接穿过发酵液从阀门b处排入大气，一部分会变为二次蒸汽从阀二b处排入大气。通过阀二b的蒸汽压力为常压，温度100-125℃，直接排入大气中。这种排入大气中的蒸汽，其中蕴含大量的能量，造成了资源浪费，并且因为大部分蒸汽穿过了料液层，里面含有一定的气味，对环境造成污染。

下面分别从浪费的经济价值和消耗燃煤两方面计算所造成的浪费：

（1） 浪费蒸汽的经济价值：

以一个具有30台120立方发酵罐的发酵工厂为例。每天灭菌3罐，每月灭菌90罐。

每台发酵罐灭菌时，在蒸汽翻腾阶段共计3小时，蒸汽流量8吨/小时，

每年排入大气中的蒸汽量为：

24*3*360=25920吨

目前蒸汽的市场售价为160元/吨，那么每年排入大气中的蒸汽市场价值为：

25920*160=4147200元。

（2） 所排入大气中蒸汽的耗煤量计算：

目前国内发酵工厂一般都是自己建造锅炉，自己烧蒸汽用于生产，锅炉蒸发量通常在10-75吨左右，这种锅炉的效率属于中等效率，吨标煤的产生蒸汽量在6吨左右。那么，每年排入大气中的26280吨蒸汽需要消耗的燃煤量为：

25920/6=4320吨标煤

这些燃煤的燃烧将会产生相应的二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、烟尘、PM2.5、PM10等等，对环境造成相应的污染。

从上述可以知道，如果能将这些尾汽中所含的热能回收利用，将节约大量的能源，减轻环保的压力，改善环境，具有巨大的经济效益和社会效益。

国内目前的生物发酵厂家对上述蒸汽尾汽的回收尚处于空白阶段，现在我们在工厂外面看到的冒着白汽的大烟囱基本上都是蒸汽尾汽凝结成的白汽。回收这种发酵尾汽中剩余能量多家工厂已经进行过各种各样的尝试，但基本上都不能完美的解决，原因在于如下几个方面：

（1）由于发酵工艺的原因，在图1的阀a出口处的压力必须保持在0±0.005MPa。如果压力大于该范围，容易造成发酵过程染菌，染菌后发酵液将变为废料，造成浪费。如果压力小于该范围，容易把发酵罐抽瘪，造成设备损坏。这样就导致从阀a出口处出来的蒸汽压力低，不能远距离输送，只好排入大气中，蒸汽中的气味会对环境造成轻微的污染。

（2）图1的阀a出口处，在一般的工厂中都在12-20米高的位置，利用蒸汽吸收回收热量等传统的措施都很不方便。

（3）高温的蒸汽尾汽是穿过发酵罐中的物料跑出来的，里面具有一些有味道的气体，传统的方法是利用蒸汽吸收塔，用冷水吸收蒸汽使之液化，这样用冷水混合冷凝后将污染冷凝水，造成二次污染，冷凝水的热能将无法得到有效的利用。

由于上述几条原因，现在生物发酵厂的灭菌蒸汽尾汽大多是直接排入大气中，其能量得不到有效的回收利用，并且造成大气污染。我们为此开发了一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统来解决上述技术问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供了一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统，该系统能够在保证发酵罐蒸汽排放阀门出口处的蒸汽为常压状态的情况下，对生物发酵蒸汽尾气的热能进行充分利用；具有设备投资小，热能利用率高的优点。

本实用新型提供一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统，其特征在于：包括发酵罐、位于发酵罐底部的蒸汽进气管路、位于发酵罐顶部的蒸汽出气管路、连接在蒸汽出气管路后端的无菌空气出气阀和蒸汽尾气出气阀，蒸汽尾气出气阀与透平压缩机通过管路连通、透平压缩机后方通过管路与换热器连通，换热器的水循环管路与锅炉去离子水管路连通，所述蒸汽尾气出气阀与透平压缩机之间设有压力控制装置，压力控制装置包括气压传感器和可编程控制器；换热器的冷凝水出水管分两路，其中一路与发酵罐上水管连通、另一路与水处理装置连通。

作为本技术方案的进一步改进，所述蒸汽出气管路前端与发酵罐连接处设有抗生素阀门。

作为本技术方案的进一步改进，所述换热器的水循环管路与锅炉去离子管路之间设有去离子水缓冲罐，换热器的冷凝水出水管与发酵罐上水管之间设有冷凝水缓冲罐。

由于发酵工艺的要求，发酵罐蒸汽尾气出口气压必须保证在±0.005MPa的近零常压范围，如果气压大于该范围，容易造成发酵过程染菌，染菌后发酵液将变为废料，造成浪费，如果气压小于该范围，容易把发酵罐抽瘪，造成设备损坏，如果要对发酵罐蒸汽尾气进行热能回收利用，就要解决近零常压蒸汽远传问题。本实用新型利用透平压缩机压缩对近零常压蒸汽尾气进行压缩，使其温度和压力同时升高，来解决其远传问题。在远传过程中，还要保持发酵罐蒸汽尾气出口气压在±0.005MPa的近零常压范围，由于在发酵灭菌过程中，从蒸汽尾气出口排出的蒸汽流量是不断变化的，因此透平压缩机的抽气量也要不断变化才能保证气压稳定，本实用新型利用气压传感器检测蒸汽管路的气压，利用可编程控制器控制透平压缩机的转速，使蒸汽管路的气压保持在设定的范围内。本实用新型创造性的对透平压缩机进行了反向利用，不再是通过调整透平压缩机的转速来稳定透平压缩机的出口压力的常规做法，而是通过调整透平压缩机转速，来稳定透平压缩机的进口气压，解决了困扰发酵行业多年的尾汽出口不能带压回收利用的技术难题。发酵罐蒸汽尾气经过透平压缩机压缩后，由水蒸气的基本性质我们知道，会使其产生体积缩小、压力升高(约为0.05MPa)、温度升高等一系列的变化，然后利用换热器使发酵罐蒸汽尾气与进入锅炉以前的常温去离子水进行热量交换，使锅炉的进水温度升高，而其本身的温度降下来，冷凝变为冷凝水，从而达到对发酵罐蒸汽尾气中的热能进行回收利用的目的。发酵罐蒸汽尾气冷凝水中含有少量从料液蒸发出来的小分子低沸点的成分，有一定的气味，因其是由发酵液中高温蒸发出来的，硬度及泥沙含量几乎是零，适合发酵再利用，将其引入到发酵料液配制环节中去，进行二次利用，达到节约水源的目的。

本实用新型在不影响发酵参数的基础上，对生物发酵蒸汽尾气的热能进行了充分的回收利用，达到节约能源的目的；冷凝水循环利用，节约了有限的水资源。本实用新型改变了生物发酵企业蒸汽尾气随意排放的现状，减少了生物发酵蒸汽尾气对环境的污染。

附图说明

图1为现有技术中的行业通用发酵罐的结构示意图。

图2为本实用新型所述生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统的结构示意图。

图中标号为：a阀一；b阀二；c罐内料液;1发酵罐；2蒸汽进气管路；3蒸汽出气管路；4无菌空气出气阀；5蒸汽尾气出气阀；6透平压缩机；7换热器；8锅炉去离子水管路；9气压传感器；10可编程控制器；11发酵罐上水管；12水处理装置；13抗生素阀门；14去离子水缓冲罐；15冷凝水缓冲罐。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型的具体实施方式、结构、特征详细说明如后。

请参阅图2所示，本实用新型提供了一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统，包括发酵罐1、位于发酵罐底部的蒸汽进气管路2、位于发酵罐顶部的蒸汽出气管路3、连接在蒸汽出气管路后端的无菌空气出气阀4和蒸汽尾气出气阀5，蒸汽尾气出气阀与透平压缩机6通过管路连通、透平压缩机后方通过管路与换热器7连通，换热器的水循环管路与锅炉去离子水管路8连通，所述蒸汽尾气出气阀5与透平压缩机之间设有压力控制装置，压力控制装置包括气压传感器9和可编程控制器10；换热器的冷凝水出水管分两路，其中一路与发酵罐上水管11连通、另一路与水处理装置12连通。所述蒸汽出气管路前端与发酵罐连接处设有抗生素阀门13。所述换热器的水循环管路与锅炉去离子管路之间设有去离子水缓冲罐14，换热器的冷凝水出水管与发酵罐上水管之间设有冷凝水缓冲罐15。

利用上述系统的生物发酵蒸汽尾气热能回收利用方法是发酵罐内经过发酵灭菌的蒸汽尾汽自蒸汽尾气出气阀排出后，利用透平压缩机压缩对蒸汽尾气进行压缩，使蒸汽尾气升温、升压，经压缩的蒸汽尾气部分变为液体，然后将汽水混合状态的蒸汽尾气输送至换热器，利用换热器加热锅炉去离子水，汽水混合状态的蒸汽尾气经换热器换热后冷凝转化为液态作为下一批发酵投罐用水或进入污水处理池中进行处理。

在利用透平压缩机对蒸汽尾气进行压缩时，控制蒸汽尾气出气阀与透平压缩机之间的蒸汽管路的气压保持在±0.005MPa之间，控制方法是在蒸汽尾气出气阀与透平压缩机之间的蒸汽管路上安装气压传感器，利用可编程控制器控制透平压缩机转速，当气压传感器检测气压高于设定值时，发送信号给可编程控制器，可编程控制器调整透平压缩机的转速增高，从而使其抽气量提高，蒸汽管路的气压降低；反之，当气压传感器检测气压低于设定值时，发送信号给可编程控制器，可编程控制器调整透平压缩机的转速降低，从而使其抽气量减少，蒸汽管路的气压提高，使蒸汽管路的气压保持在设定的范围内。

在具体实施时，透平压缩机的部分部件改为耐高温材料，以适应对高温蒸汽的压缩需要。透平压缩机使用具有变频调速功能的驱动电机与可编程控制器配合，通过控制透平压缩机的转速，实现了稳定透平压缩机的进口气压，进而使发酵罐蒸汽尾气出口气压保持在±0.005MPa的近零常压范围。在换热过程中，换热器采用目前流行的高效缠绕换热器，可将蒸汽尾气中热能的90%以上转换到锅炉的去离子水中去，从而节约了锅炉的燃煤消耗，达到节能的目的。发酵罐蒸汽尾气冷凝水中含有少量从料液蒸发出来的小分子低沸点的成分，有一定的气味，因其是由发酵液中高温蒸发出来的，硬度及泥沙含量几乎是零，适合发酵再利用，将其引入到发酵料液配制环节中去，进行二次利用，达到节约水源的目的。特殊情况下，可将冷凝水利用水处理装置进行处理，然后再回收利用。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (3)

1.一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统，其特征在于：包括发酵罐、位于发酵罐底部的蒸汽进气管路、位于发酵罐顶部的蒸汽出气管路、连接在蒸汽出气管路后端的无菌空气出气阀和蒸汽尾气出气阀，蒸汽尾气出气阀与透平压缩机通过管路连通、透平压缩机后方通过管路与换热器连通，换热器的水循环管路与锅炉去离子水管路连通，所述蒸汽尾气出气阀与透平压缩机之间设有压力控制装置，压力控制装置包括气压传感器和可编程控制器；换热器的冷凝水出水管分两路，其中一路与发酵罐上水管连通、另一路与水处理装置连通。

2.根据权利要求1所述的一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统，其特征在于，所述蒸汽出气管路前端与发酵罐连接处设有抗生素阀门。

3.根据权利要求1所述的一种生物发酵蒸汽尾气热能回收利用系统，其特征在于，所述换热器的水循环管路与锅炉去离子管路之间设有去离子水缓冲罐，换热器的冷凝水出水管与发酵罐上水管之间设有冷凝水缓冲罐。