玉米制备燃料乙醇的工艺设计研究

本科毕业设计说明书玉米加工燃料乙醇工艺设计Cornprocessingoffuelethanolprocessdesign学院（部）：安徽理工大专业班级：化学工艺与工程学生姓名：黄国登指导教师：邢宏龙2012年5月20日安徽理工大学毕业设计I玉米加工燃料乙醇工艺设计摘要燃料乙醇是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，是目前唯一进入市场、应用最广泛、具有较为成熟的技术、可替代石油燃料的大宗可再生生物能源。它能够立竿见影地大幅度节省石油的消耗。本文就使用玉米为原料加工燃料乙醇的工艺进行讨论。在文章里就燃料乙醇生产的必要性及发展前景进行分析，从而就玉米生产燃料乙醇的各段工艺的模式进行讨论。论文另外就当今国际形势及国家食物原料对玉米加工燃料乙醇进行分析。燃料乙醇的成功制备，为国际原油价格的持续攀升和资源的日渐趋紧给国家经济建设中遇到的能源危机带来了缓解。关键词：技术，生物能源，燃料乙醇，能源平衡安徽理工大学毕业设计i目录摘要(中文)………………………………………………………………………………Ⅰ1绪论…………………………………………………………………………………………11.1引言…………………………………………………………………………………11.2“燃料乙醇”的定义………………………………………………………………21.3燃料乙醇的制备工艺……………………………………………………………31.4废醪及废水的处理工艺………………………………………………………………31.5国内外研究应用现状与发展趋势……………………………………………………31.6本文研究的内容……………………………………………………………………42燃料乙醇总体工艺设计………………………………………………………52.1预处理的工艺设计……………………………………………………………52.2乙醇发酵及蒸馏脱水的工艺设计……………………………………………………62.3废醪及废水的处理工艺………………………………………………………………73原料加工工艺……………………………………………………………………83.1玉米的储存与净化……..…………………………………………………………83.2玉米的脱胚………………………………………………………………93.3玉米粉碎和调浆………………………………………………………………143.4液化与糖化…………………………………………………………………154酒精的提取……………………………………………………………………………174.1酒精的发酵………………………………………………………………………174.2酒精的蒸馏与脱水…………………………………………………………………195废醪及废水的处理工艺…………………………………………………………………205.1废醪的处理…………………………………………………………………………205.2废水的处理………………………………………………………………22总结…………………………………………………………………………………24参考文献…………………………………………………………………………………25致谢…………………………………………………………………………………26安徽理工大学毕业设计11绪论1.1引言现随着国际原油价格的持续攀升和资源的日渐趋紧，全球燃料乙醇需求不断扩大。今年以来，中国各地积极要求发展生物燃料乙醇产业，建设燃料乙醇项目的热情空前高涨，主要原料是玉米。在国际上，美国是世界上最大的玉米生产国，也是利用玉米酒精最广的国家，它规定用10％的玉米酒精加入到汽车燃料中。美国酒精用玉米的消费增长近几年来非常强劲，酒精生产消费的玉米量已经超过了淀粉行业，成为美国工业用玉米消费的主体。从生产酒精的类别来看，饮料酒精生产消费的玉米接近饱和，保持在330万吨的水平，比较平稳；而燃料酒精由于市场需求旺盛，符合玉米酒精加工的未来发展趋势，因此增长幅度较大，近十年来的年均增长率达到了6.6%。进入21世纪后，增长速度明显加快，2002/2003年度燃料酒精生产消费玉米2340万吨，比上年同期增加520万吨，增长幅度高达28.9%。燃料酒精将成为未来玉米酒精加工的主要方向。巴西也是个农业大国，其石油资源有限，虽然近期发现了丰富的海洋石油资源，但仍处于勘探阶段，能源一直主要靠进口。1973年的世界石油危机，对巴西的经济是一个沉重打击。从那时起，巴西政府作出了重大能源战略决策，实现能源多元化。巴西选择有充足资源的甘蔗、玉米等为原料，开发酒精燃料，并于1975年获得成功，开发了汽车用酒精燃料，分含水（6％）和不含水（0．5％）乙醇两种，前者直接使用酒精为燃料，后者以25％添加到汽油中变成混合燃料，普通汽车不用改装即可使用，酒精燃料因而在巴得到广泛使用。1979年，首辆以含水酒精为燃料的酒精汽车问世。1999年，新一代酒精汽车诞生，酒精汽车技术获重大突破，采用电子打火，增强了动力系统，酒精汽车更加经济实用。2003年，巴西福特汽车分公司推出了首辆汽油、酒精双燃料汽车，该种车在油箱内设计了“灵活燃料探测程序”，既可单独使用汽油或酒精，也可使用任意比例的汽油和酒精混合燃料。巴西用酒精燃料替代汽油，仅在1976年至2001年间就减少了大量的石油进口，共节省了价值约465亿美元的外汇。现在，巴西的能源已达到90％自给，正在朝着完全自给的目标前进。随着石油资源的紧缺，一些西方国家已经规定必须把10％的酒精加入到汽油中混合使用。由于酒精能改善汽油的辛烷值，通过各国专家的深入研究，酒精是一种理想的再生能源。而从综合效益的产业看，玉米又是提炼酒精的最佳作物。据相关资料和信息显示，国际市场近年来平均每年酒精用量增长10％以上，随安徽理工大学毕业设计2着各国对环保的重视，酒精在燃料上不断应用，今后几年内预计酒精用量将增长50％以上。国内方面，为缓解石油资源短缺的矛盾，2003年11月，吉林省在全国率先开始在全省范围内封闭运行推广车用乙醇汽油；2004年下半年，辽宁、黑龙江两省相继实现了全省车用乙醇汽油封闭销售，至此整个东北地区全部封闭推广车用乙醇汽油。此外，我国还在河南、安徽两省及湖北、山东、河北和江苏四省的部分地区开展了车用乙醇汽油试点工作，预计到今年年底，上述各省和地区范围内要基本实现车用乙醇汽油替代其他汽油，让这种可再生的新型绿色能源以尽可能少的资源消耗、尽可能小的环境代价实现最大的经济和社会效益。据初步统计，从吉林省2003年11月正式启动车用乙醇汽油销售到2005年2月末，东北三省共销售车用燃料乙醇汽油194万吨，累计节约原油70多万吨。作为我国的玉米主产区，封闭推广车用乙醇汽油再一次激活了东北地区的玉米加工市场。专家分析说，东北地区燃料乙醇需求的增加已经成为拉动玉米消费的“生力军”，此举不仅扩大了东北地区的玉米消费量，而且有利于提高玉米收购价格，调动农民种粮积极性。我国玉米种植地区主要分布在吉林、黑龙江、辽宁、内蒙古以及山东、河北、河南、云南、四川等地。其中，东北三省一区是我国玉米最主要的商品粮供应地和出口基地。按照燃料乙醇和汽油1∶9的混配比例，每使用1020万吨经过混配的车用乙醇汽油，就相当于节省了102万吨汽油，而要提炼出这些汽油至少需要300万吨原油据介绍，中国以生物燃料乙醇为代表的生物能源发展已开展5年。截止到今年一季度，黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5省及湖北、河北、山东、江苏部分地区已基本实现车用乙醇汽油替代普通无铅汽油。目前，我国已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和应用国。国家批准建设的4个生物燃料乙醇生产试点项目，已形成每年102万吨的生产能力。乙醇汽油消费量已占全国汽油消费量的20%。现阶段生产燃料乙醇主要原料是玉米，所以这里就玉米加工燃料乙醇的工艺进行一些研究和讨论。1.2“燃料乙醇”的定义燃料乙醇，一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是雅津甜高粱等加工而成的可再生能源。燃料乙醇是一种可再生能源，可在专用的乙醇发动机中使用，又可按一定的比例与汽油混合，在不对原汽油发动机做任何改动的前提下直接使用。使用含醇汽油可减少汽油消耗量，增加燃料的含氧量，使燃烧更充分，降低燃烧中的CO等污染物的排放。安徽理工大学毕业设计31.3燃料乙醇的制备工艺根据玉米物理性质，通过适当的润水，使玉米胚脱出，再通过磨粉机、挑担筛将玉米胚分离出来送到玉米油工序，玉米面调浆后经高温液糖化，然后带渣发酵，再通过蒸馏脱水制备出无水乙醇。（见下面方框图）蒸馏后的废醪处理，可使用离心机将固液分离，液体经过浓缩后浓浆与分离的废渣一起通过烘干生产出DDGS饲料。1.4废醪及废水的处理工艺酒精生产所产生得废水是有毒、有害的，必须要进一步处理后才能排放到自然界中。废醪通过固液分离，除去其中大部分纤维、蛋白等固形物，同时得到符合要求的清液，经过四效降膜蒸发，浓缩到干物含量为38—44%的浓浆，然后按一定比例与滤渣混合后进行干燥。物料中的水份被蒸发出来经过冷凝成为二次冷凝水通过利用厌氧生物细菌和好氧生物细菌的新陈代谢作用对污水进行处理，使废水最终达到排放标准。1.5国内外研究应用现状与发展趋势按照相关规划，到2020年，中国发展燃料乙醇的目标是达到1500万吨，这对原料供应提出了一个大难题。中国燃料乙醇的以前主要原料是陈化粮，现在逐渐开始采用麦秸秆、木薯等，但其成本高于陈化粮。但发展燃料乙醇绝不能走与粮食争地的路子,应结合国情选择丘陵坡地种植富含淀粉的木薯、红薯，为2020年后燃料乙醇工业的发展打好基础。玉米筒仓脱胚机磨粉机三效浓缩液糖化环保蒸馏脱水润水仓粉碎调浆离心机烘干机挑担筛乙醇储罐浸出制油安徽理工大学毕业设计41.6本文研究的内容本文通过对使用玉米加工无水乙醇的生产工艺原理和目的的分析，进一步介绍发酵前的预处理以及发酵、蒸馏脱水工艺所注意的问题，同时对现在经济发展形势下的废水废渣等处理工艺进一步的研讨，从而论证生产无水乙醇最佳的生产工艺方法的选择。安徽理工大学毕业设计52燃料乙醇总体工艺设计2.1预处理的工艺设计玉米生产酒精，首先要将玉米加工成适合发酵的糖液，这就是预处理。这个过程包括玉米的除杂、润水、脱胚、分筛、粉碎、调浆、液化以及糖化等工序。2.1.1玉米的前期处理玉米经过清理、分离除铁，然后根据玉米的水分，通过适当的润水，使玉米胚具有抗击打的韧性。灰分含微量淀粉，其中有大量沙石，对设备的磨损影响很大。铁器不但磨损设备，大一点的会直接对设备产生破坏。所以在对玉米进行加工前，去除灰分和铁器可以减少设备的损耗，还可以节约大量的能耗。玉米经过初清筛及永磁筒可以去除大部分灰分及铁性杂物。而通常玉米的水分在17%以内，经过用80℃润水后达到20%的水分，润闷约5-6小时，使玉米胚具有抗击打的韧性。2.1.2玉米的脱胚玉米胚芽含油量在35%左右，而玉米油对发酵液面的张力影响很大，严重影响着发酵的各项指标。如果将玉米油提炼出来，既能避免影响发酵指标，又多产出玉米油这个副产品，对降低生产成本有着诸多好处。玉米在脱胚机的击打下使玉米胚脱出，再通过磨粉机、挑担筛等设备将玉米胚分离出来送到玉米油加工工序，玉米面经调浆后送至粉碎，玉米糁直接送到粉碎车间进行粉碎调浆。2.1.3粉碎和调浆玉米糁通过粉碎机粉碎将玉米粉碎成细小颗粒，破坏淀粉细胞壁，释放出淀粉，增加淀粉颗粒与水的接触面积，有利于后面工序中与淀粉酶接触，有利于淀粉颗粒吸水膨胀、糊化、液化，提高热处理效率，缩短热处理时间，粉碎后的玉米与水混合也容易密封输送，减少物料的污染和流失。一般粉碎粒度≥88﹪（20目筛网检测）。高温水调玉米浆温度为63-68℃，PH值5.8-6.0，玉米浆通过拌料罐，在玉米浆输送泵作用下泵至液化工序。2.1.4液化和糖化液化选用α–淀粉酶，将糊化的淀粉水解成糊精和低聚糖，并降低液化液粘度，增强流动性，同时为糖化酶作用创造条件，将其水解成为葡萄糖。α–淀粉酶从淀粉分子内部的α-1，4葡萄糖苷键进行随机剪切，将大分子安徽理工大学毕业设计6淀粉