一种利用木糖渣生产纤维素乙醇的装置
技术领域
本实用新型属于生物质能源化工设备领域，具体涉及一种利用木糖渣生产纤维素乙醇的装置。
背景技术
木糖是很多种工业制品的重要原材料之一。经常被用来生产各种甜味的食品或饮料。由于木糖无热量但又有甜味的特性，糖尿病人也可以食用。经由加氢工艺制造的木糖醇经常被用来作为食品添加剂。虽然现在木糖生产技术已经比较成熟，生产木糖的流程也比较固定，但是在生产过程中仍然不可避免地会产生一些废渣。假如直接将这些废渣不经处理就排放到自然环境中去，必然会造成环境污染和破坏，企业不仅可能会因此面临环境保护部门的处罚，提高企业面临的环境风险，更是直接增加了企业的生产成本。因此，将木糖生产过程中产生的废渣直接丢弃的做法是不可取的，需要想办法变废为宝，将木糖生产过程中产生的废渣变成可供直接使用或间接生产其他产品使用的原料是一条比较好的可行的思路。
国内许多研究单位为木糖渣利用开展了大量有益的工作，大部分工作主要以木糖渣直接利用为主，如：CN107746303A公开了一种以木糖渣为原料的腐熟基质及其制备方法和应用；CN107602970A公开了木糖渣在制备木塑材料中的应用；CN105272564B公开了一种利用木糖渣栽培秀珍菇的培养料及其夏季栽培方法；CN106978448A公开了一种木糖渣高效厌氧制沼气的方法及系统；CN106313258A公开了木糖渣制备板材的工艺方法；CN104292470A公开了一种利用木糖渣制备纯碱木质素的方法；CN104528719A公开了以碱木糖渣为原料制备活性炭的方法；CN102995477A公开了一种以木糖渣为原料制备微晶纤维素的方法；少部分工作以木糖渣为原料，酶解法制糖，如CN101619333公开了一种将木糖渣或糠醛渣高效糖化的方法；CN1327068公开了一种利用木糖渣生产酒精的方法，先酶解制糖，再发酵制备乙醇。
但是，酶解成本高。经过预处理后纤维素原料先需要被纤维素酶水解成可发酵糖，再通过酵母等发酵微生物代谢生产乙醇，纤维素酶解纤维素生产乙醇行业成本最高的单元操作。首先，木质纤维素固体基质物性引起的组分基质效应、纤维素酶吸附效应、水束缚效应、抑制物效应等，造成体系传质、传热和反应特性改变，能耗增加、反应效率降低，使得纤维素乙醇酶解和发酵过程的控制和放大存在很大难度。其次，纤维素酶的成本居高不下，水解过程需要使用大量昂贵的专用酶制剂，由生产实践数据可知，酶制剂是整个生产成本的重中之重，占比高达30％～50％，远高于粮食乙醇5％～10％的水平。因此酶制剂成本己成为纤维素乙醇技术突破的关键，掌握了酶核心生产技术，就等于控制了未来产业链的上游高端。因此世界各国都在积极研究降低纤维素酶的生产成本，但仍没有办法将酶制剂成本降到可接受范围内。
木糖渣含纤维素45.34％，含木质素40.09％，半纤维素4.23％，灰分8.67％，到目前为止，还没有很好的综合利用的办法。
因此，如何解决纤维素水解转化为糖的效率，如何实现木糖渣的综合利用，已经成为木糖渣应用产业发展的障碍，因此现有技术中需要一种新的技术方案解决这些问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出了一种利用木糖渣生产纤维素乙醇的装置，使用该装置，可以实现浓酸水解、糖酸分离、纤维素乙醇生产，从而实现了木糖渣综合利用。
本实用新型为实现上述目的采用的技术方案是：一种利用木糖渣生产纤维素乙醇的装置，其特征在于，包括：第一硫酸加料罐、第二硫酸加料罐、乙醇加料罐、木糖渣加料器、螺旋反应器、浓酸水解釜、减压蒸馏塔、乙醇储罐、硫酸储罐、防腐离心机、稀酸水解釜、中和反应釜、发酵罐、乙醇蒸馏塔、空气换热器、空气压缩机、压缩空气储罐及精馏塔，第一硫酸加料罐位于螺旋反应器上方，第一硫酸加料罐与螺旋反应器密封连接，第一硫酸加料罐用于将浓度为72％～80％的硫酸加入到螺旋反应器中；木糖渣加料器通过螺旋进料器与螺旋反应器连接，螺旋进料器与螺旋反应器同轴并同步转动；螺旋反应器内部设置有螺旋推进器；浓酸水解釜与螺旋反应器通过管道密封连接，并在浓酸水解釜与螺旋反应器之间的管道上设置有第一阀门；第二硫酸加料罐位于浓酸水解釜上方，第二硫酸加料罐与浓酸水解釜密封连接，并在第二硫酸加料罐和浓酸水解釜之间设置有第二阀门，第二硫酸加料罐用于将浓度为98％的硫酸加入到浓酸水解釜中；乙醇加料罐位于浓酸水解釜上方，乙醇加料罐与浓酸水解釜密封连接，并在乙醇加料罐与浓酸水解釜之间设置有第三阀门；浓酸水解釜的外部设置有水套夹层，浓酸水解釜下部设置有过滤网，浓酸水解釜底部安装有第四阀门；减压蒸馏塔与浓酸水解釜底部连接；乙醇储罐和硫酸储罐均与减压蒸馏塔密封连接；防腐离心机通过耐酸泵与浓酸水解釜密封连接；防腐离心机的出口与稀酸水解釜的入口密封连接；中和反应釜与稀酸水解釜密封连接，并在中和反应釜和稀酸水解釜之间设置有加压泵；发酵罐和中和反应釜密封连接，并在发酵罐和中和反应釜之间设置有加压泵；乙醇蒸馏塔的一端与发酵罐密封连接，乙醇蒸馏塔的另一端与精馏塔密封连接；精馏塔的乙醇出口与空气换热器的乙醇入口密封连接，空气换热器的空气出口通过空气压缩机与压缩空气储罐密封连接，空气换热器的乙醇出口与乙醇储罐连接；压缩空气储罐通过管道与浓酸水解釜密封连接，并在管道设置有压力调节阀。
进一步，所述乙醇加料罐为带有防爆乙醇定量加料装置、防爆流量计和防爆电阀门的防爆定量加料装置。
进一步，所述防爆电阀门为防爆电磁阀、防爆电动阀或防爆气动阀。
进一步，所述防腐离心机的出口高于稀酸水解釜的入口。
通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：
1、采用螺旋反应器，充分利用螺旋的挤压揉搓推进作用，使硫酸与木糖渣充分混合、渗透，加速水解反应。
2、螺旋反应器直接与浓酸水解釜连接，螺旋反应器初步水解后降低了硫酸在体系中的比例，向浓酸水解釜加入浓硫酸进一步水解，确保水解充分。
3、利用螺旋反应器和浓酸水解釜二步水解法，可以避免浓硫酸炭化木糖粉，提高纤维素转化为葡萄糖的转化率。
4、水解完成后，直接向浓酸水解釜加入溶剂无水乙醇，解决了因浓糖粘度大、浓酸腐蚀性强造成转移分散困难的难题。
5、采用稀酸水解半纤维素制备木糖，清除木糖渣中的所有有机和无机的杂质，净化了木糖渣，利用其中的纤维素制备乙醇。
6、浓酸水解纤维素，并分离提取木质素，反应均在低温常压下进行，与酶解法相比，工艺简单，时间短，成本低，没有废水、废气、废渣产生。
7、本实用新型使用的主要试剂是乙醇，为本实用新型主产品，循环利用，将大幅度降低生产成本，具有重要的产业化前景。
8、乙醇蒸馏塔的上层乙醇出口与空气换热器连接，降温乙醇，加热空气，热空气经空气压缩机压缩至压缩空气储罐，利用热风给浓酸水解釜中的反应体系加热加压，保证体系迅速加热到反应温度，以适应反应温度低、反应时间短的工况需求；适当加压有利于硫酸向纤维素内部渗透，加速水解反应。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：
图1为本实用新型所述一种利用木糖渣生产纤维素乙醇的装置的结构框图。
图中各标记如下：1-第一硫酸加料罐，2-第二硫酸加料罐，3-乙醇加料罐，4-木糖渣加料器，5-螺旋反应器，6-浓酸水解釜，7-减压蒸馏塔，8-乙醇储罐，9-硫酸储罐，10-防腐离心机，11-稀酸水解釜，12-中和反应釜，13-发酵罐，14-乙醇蒸馏塔，15-空气换热器，16-空气压缩机，17-压缩空气储罐，18-精馏塔。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”及“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”及“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图1所示，一种利用木糖渣生产纤维素乙醇的装置，包括第一硫酸加料罐1、第二硫酸加料罐2、乙醇加料罐3、木糖渣加料器4、螺旋反应器5、浓酸水解釜6、减压蒸馏塔7、乙醇储罐8、硫酸储罐9、防腐离心机10、稀酸水解釜11、中和反应釜12、发酵罐13、乙醇蒸馏塔14、空气换热器15、空气压缩机16、压缩空气储罐17及精馏塔18，第一硫酸加料罐1位于螺旋反应器5上方，第一硫酸加料罐1与螺旋反应器5密封连接，第一硫酸加料罐1用于将浓度为72％～80％的硫酸加入到螺旋反应器5中；木糖渣加料器4通过螺旋进料器与螺旋反应器5连接，螺旋进料器与螺旋反应器同轴并同步转动；螺旋反应器5内部设置有螺旋推进器；浓酸水解釜6与螺旋反应器5通过管道密封连接，并在浓酸水解釜6与螺旋反应器5之间的管道上设置有第一阀门；第二硫酸加料罐2位于浓酸水解釜6上方，第二硫酸加料罐2与浓酸水解釜6密封连接，并在第二硫酸加料罐2和浓酸水解釜6之间设置有第二阀门，第二硫酸加料罐2用于将浓度为98％的硫酸加入到浓酸水解釜6中；乙醇加料罐3为带有防爆乙醇定量加料装置、防爆流量计及防爆阀门的防爆定量加料装置，所述防爆电阀门为防爆电磁阀、防爆电动阀或防爆气动阀；乙醇加料罐3用于将无水乙醇加入到浓酸水解釜6内，乙醇加料罐3位于浓酸水解釜6上方，乙醇加料罐3与浓酸水解釜6密封连接，并在乙醇加料罐3与浓酸水解釜6之间设置有第三阀门；浓酸水解釜6的外部设置有水套夹层，水套夹层内填充有循环热水用于控制浓酸水解釜6内部温度，浓酸水解釜6下部设置有过滤网，浓酸水解釜6底部安装有第四阀门；减压蒸馏塔7与浓酸水解釜6底部连接；乙醇储罐8和硫酸储罐9均与减压蒸馏塔7密封连接；防腐离心机10通过耐酸泵与浓酸水解釜6密封连接，防腐离心机10的出口与稀酸水解釜11的入口密封连接，且防腐离心机10的出口高于稀酸水解釜11的入口；中和反应釜12与稀酸水解釜11密封连接，并在中和反应釜12和稀酸水解釜11之间设置有加压泵；发酵罐13和中和反应釜12密封连接，并在发酵罐13和中和反应釜12之间设置有加压泵；乙醇蒸馏塔14的一端与发酵罐13密封连接，乙醇蒸馏塔14的另一端与精馏塔18密封连接；精馏塔18的乙醇出口与空气换热器15的乙醇入口密封连接，空气换热器15的空气出口通过空气压缩机16与压缩空气储罐17密封连接，空气换热器15的乙醇出口与乙醇储罐连接；压缩空气储罐17通过管道与浓酸水解釜6密封连接，并在管道设置有压力调节阀。
将浓度为72％～80％的硫酸投入到螺旋反应器5内，木糖渣在螺旋进料器推动下，进入螺旋反应器5，与浓度为72％～80％的硫酸混合，在螺旋推进器的挤压揉搓推进下水解反应，得到反应物；打开第一阀门，反应物在螺旋反应器5中螺旋推进器的推动下进入浓酸水解釜6，反应物达到浓酸水解釜6体积的50％～60％，关闭第一阀门密封；打开第二阀门，将定量的浓度为98％硫酸加入浓酸水解釜6内，关闭第二阀门，密封水解；水解反应完成后，打开浓酸水解釜6上方与乙醇加料罐3连接的第三阀门，带压加入定量的无水乙醇，密封溶解硫酸；无水乙醇溶解硫酸后，得到醇酸溶液，打开第四阀门，带压将醇酸溶液喷入减压蒸馏塔7；醇酸溶液通过减压蒸馏塔7减压蒸馏，回收酸和乙醇，分别储存在乙醇储罐8和硫酸储罐9，循环利用；同时带压将醇酸溶液喷入减压蒸馏塔7后，关闭浓酸水解釜6底部第四阀门，向浓酸水解釜6中加入去离子水溶解过滤网上的结晶糖，形成木质素悬浮的糖溶液，用耐酸泵打入防腐离心机10分离固相木质素和糖溶液；防腐离心机10与稀酸水解釜11连接，靠位差将糖溶液直接流入稀酸水解釜11，加热水解制备单糖溶液；单糖溶液泵入中和反应釜12，中和过滤后，泵入发酵罐13，加入酵母菌发酵制备乙醇溶液，乙醇溶液经乙醇蒸馏塔14制备浓度为30％～40％的乙醇溶液，再经精馏塔18制备浓度为95wt％乙醇，精馏塔18的乙醇出口与空气换热器15的乙醇入口密封连接，空气换热器15的空气出口通过空气压缩机16与压缩空气储罐17密封连接，降温乙醇，加热空气，热空气经空气压缩机16压缩至压缩空气储罐17，调整压缩空气储罐17中的空气温度为45℃～55℃，压力为0.3MPa～0.6MPa，导入到浓酸水解釜6中，利用热风给浓酸水解釜6中的反应体系加热加压，保证体系迅速加热到反应温度，以适应反应温度低、反应时间短的工况需求；适当加压有利于硫酸向纤维素内部渗透，加速水解反应，换热后的乙醇进入乙醇储罐；
具体生产乙醇的方法如下：
①按照质量比1：1，将气爆木糖渣经木糖渣加料器4送入螺旋反应器5，先与浓度为72wt％～80wt％的硫酸混合，在螺旋推进器的挤压揉搓推进下水解反应5min，落入浓酸水解釜6，按照木糖渣和硫酸的质量比为1：(0.5～1)经第二硫酸加料罐2补加浓度为98wt％硫酸，搅拌均匀，密封，用温度为45℃～55℃热风加热体系，并加压到0.3MPa～0.6MPa，恒温加压反应10min,制备浓酸水解液；
②按照体积比为(2～5)：1，用乙醇加料罐3将无水乙醇加入到步骤①中制备的浓酸水解液中，用温度为45℃～55℃热风加热体系，并加压到0.3MPa～0.6MPa，搅拌20min～30min，溶解硫酸析出糖和木质素，打开位于浓酸水解釜6底部的第四阀门，带压过滤，得到醇酸溶液，醇酸溶液直接喷入减压蒸馏塔7；关闭第四阀门，固相糖和木质素用等体积的无水乙醇浸渍、抽滤1～3次，提取残存的酸，净化固相糖和木质素；
其中第一次浸渍液直接喷入减压蒸馏塔7，其余含少量酸的乙醇浸渍液用于溶解浓酸；所述的木质素送活性炭生产车间；
③将步骤②中醇酸溶液经减压蒸馏塔7分离酸和醇，存入乙醇储罐8和硫酸储罐9，分别返回①和②中循环利用；
④按照固液比1：(3～5)，将去离子水加入到浓酸水解釜6中的净化固相糖和木质素中，调节体系硫酸浓度为0.5wt％～1.5wt％，升高温度为100℃，水解60min～120min，降温，得到悬浮液，用耐酸泵将悬浮液打入防腐离心机10过滤，分离出木质素和混合单糖溶液；木质素相用等重量的去离子水浸渍、抽滤2次，回收残存的糖，与混合单糖溶液合并；
⑤发酵制乙醇：
将步骤④中合并后的混合单糖溶液转移到中和反应釜12，用浓度为10wt％Ca(OH)2溶液中和至pH值为7，加入活性炭，搅拌20min，过滤，排出CaSO4沉淀、活性炭和少量微细木质素，制备出净化混合单糖溶液；
⑥按照葡萄糖和酵母的质量比为10：1，将步骤⑤中净化后的混合单糖溶液转移到发酵罐13，加入酵母菌，在温度为30℃～40℃的条件下发酵2160min～3600min，过滤分离酵母菌，溶液经乙醇蒸馏塔14蒸馏出浓度为30wt％～40wt％的乙醇溶液；
⑦乙醇溶液经精馏塔18精馏制备浓度为95wt％的乙醇；
⑧浓度为95wt％的乙醇经分子筛吸附塔吸附剩余的水，制备出无水乙醇；
所述气爆木糖渣的制备方法如下：
将玉米芯粉碎至20mm，过筛分离粉尘杂质；按固液比1：8将玉米芯和浓度为5wt％硫酸加入到水解釜中，通入直接蒸汽升温至120℃，恒温预处理60min，釜底过滤排水，排出水解液，排出的水解液送木糖车间；将保留在水解釜中的木糖渣用锅炉蒸汽快速加压到0.4MPa～1.0MPa，气爆排出，干燥，制备含水5wt％～15wt％的气爆木糖渣。
除玉米芯外还可以采用玉米秸秆、稻草、麦草、糠醛渣及林业加工废弃物作为气爆木糖渣的原料。
