一种连续固态发酵及固态蒸馏制取燃料乙醇的系统的制作方法

本实用新型涉及连续固态发酵及连续固态蒸馏生产燃料乙醇的技术领域；具体涉及一种甜高粱秸秆生产燃料乙醇的连续固态发酵及连续固态蒸馏系统。

背景技术：

目前，以非粮作物生产燃料乙醇已成为发展趋势，甜高粱以其抗旱、耐盐碱、适应力强、生物质产量高、茎秆含糖量高等特性，成为广泛种植的能源作物。

如，利用甜高粱秸秆生产乙醇，主要有液态和固态发酵两种方式：

液态发酵是将新鲜甜高粱秸秆压榨取汁，并对汁液进行浓缩储存，储存汁液要加入防腐剂等化学品，不利于酵母的发酵。而压榨后的物料中有残留糖分，降低了糖分的利用率。榨取、浓缩蒸发、储存、废水处理等需增加固定资产投入和运行费用，导致投资和成本大幅上升。

固态发酵是将甜高粱秸秆粉碎后直接进行发酵，直接将糖分转化为乙醇。流程简单、固定资产投资少、运行费用低、糖分利用率高、无化学品添加、产生废水少，具有较大的成本优势。

现有技术中也公布了相关的技术，如：中国专利CN 102115713 B公布了回转式全密封乙醇连续发酵反应罐；中国专利CN 102071222 B公布了一种制取燃料乙醇的连续固态发酵装置；中国专利CN 103509712 B公布了一种具备自控系统的连续固态发酵制取乙醇。

以上专利的主体结构，均借用的造纸行业用于处理废纸的设备转鼓式碎浆机，可以实现连续进料、连续出料、物料连续强力翻转混合。

但是，这种装置的设计初衷，是为了对通过筒体内的物料施加强力的机械作用实现搅拌，能耗较高。固态发酵物料混合均匀后，发酵全过程一直连续强力混合，额外增加无效的能耗。由于筒体内物料不停翻转，物料堆积密度约 60-75kg/m3(绝干)，翻转需要空间，筒体内物料充满系数约55-65％。螺旋进料密度不会高于75kg/m3(绝干)，大量空气随物料连续进入筒体内，连续翻转的物料始终与空气充分混合，会影响厌氧发酵效果。

固态发酵物料的混合，是少量酵母与大量成固态状秸秆料片的混合，只是相对均匀，并不是每一个单独的料片都均等的与酵母混合，在发酵过程中，物料需要紧密接触，不断地进行酵母、糖等物质的传导交换，才能最终实现均匀良好发酵的效果。而连续强力的混合形式，会使固态物料始终处于松散翻转状态，每一个料片之间不能有效接触，每个料片形成一个孤岛，只能与初期混合的酵母发生作用，无法有效进行糖与酵母的交换传导。而随着发酵过程的进展，酵母与糖的分布将更加不均匀，严重影响了物料发酵过程的传质作用，最终会严重影响发酵效果。现有传统固态酿酒方法是将蒸煮后糖化的粮食加入到老窖池内，靠老窖池内的老窖泥所含微生物发酵产生酒精，池内物料是需要压实的，就是为了发酵过程的物质传导和减少空气的影响，如果将物料松散装入老窖池是不行的，这是酿酒领域基本的常识。

该种强力搅拌装置其直径越大，转动提升的物料高度越高，翻转作用也越强，转化成势能的动力消耗就越大。而转速越慢，装置托板缓慢托举物料至高点转化成提升势能时间越持久，动力消耗也越大。其转速仅0.03--0.4rpm，不能使离心力有效转化为势能，转变为提升物料高度的力。筒体直径越大，传导至动力装置的反作用力扭矩越大，转速越慢，物料作用于筒壁的反作用力大且持久，动力消耗大幅增加，就像单手握住一个长柄的锤子，伸直手臂甩动起来，可以很轻松的连续甩成圈，用力很小，但是伸直手臂单手握长柄锤子缓慢举起转圈，力气再大也很难实现。实际使用中，这种装置启动和未达到额定转速之前，动力消耗非常大。

而密封进料缓冲仓的底部收口，会使极易搭桥的秸秆物料在收窄的进料口处形成搭桥堵塞，无法正常运行。出料口设在大直径筒体尾端的中心，出料口直径远小于筒体直径，形成筒体尾端一周圈的90°死角，此处必然存料产生杂菌，影响发酵效果。

中国专利CN 101724661 B公布了甜高梁秸秆固态连续发酵及蒸馏生产乙醇工艺及系统，其固态发酵是在多层、多段式固态连续发酵装置中连续完成。其固态连续发酵装置，是在矩形箱体内安装埋刮板输送机、多组对称的布料倾斜刮板、将箱体分隔为多层发酵室的多层可开关式托料装置、每层发酵室内固定托料板等组成。秸秆物料有极易缠绕聚团的趋势：一是极易在刮板、斜刮板、托料板之间堵塞物料；二是过于复杂的结构必然夹料、挂料、存料，导致大量死角处产生杂菌，影响发酵效果；三是底部收窄的接料口会造成秸秆物料的搭桥堵塞；四是出料使用的水平带式输送机会使大量乙醇挥发损失。

上述的固态蒸馏是在多层差压式固态连续蒸馏装置中连续完成，其连续蒸馏装置：一是在塔体内同轴固装有可开关式上、中、下塔板，上、下塔板的孔板及隔板上均有对称的扇形出料口，通过连杆机构开关出料口。以秸秆物料易缠绕挂料搭桥的特性，此处必堵无疑；二是塔体底端锥形出料仓与螺旋出料器连接处，也必然会造成秸秆物料搭桥堵塞；三是在上、中、下塔板上方的搅拌轴固装有搅拌桨叶，且每层塔板上桨叶均有两层。这种多层搅拌桨叶，在充满秸秆物料的塔体内，很难转动搅拌，如要实现转动搅拌，传动机构及搅拌桨叶的机械强度要求、动力消耗都将高到无法接受。此种结构的连续蒸馏装置只能应用于粮食类颗粒物料，在甜高粱秸秆类物料的蒸馏中，是无法使用的，就像把手臂伸进粮食堆里可以搅动，伸手进入压实的湿碎草垛里无法搅动是一个原理。

粉碎后的秸秆类物料，具有相互缠绕、易搭桥、没有流动性、与菌种混合不均匀等特点，目前还没有可行的大型工业化装置运行。因此，开发新型装备装置，提高秸秆糖分利用率，降低成本，实现甜高粱秸秆固态发酵和蒸馏的连续化生产，是发展生物质燃料乙醇产业的当务之急。

技术实现要素：

本实用新型的目的便是提供一种连续固态发酵及固态蒸馏制取燃料乙醇的系统，具有产量大、效率高、能耗低、故障率低，运行费用低、运行稳定无堵塞、连续性强、系统无死角不染杂菌、可实现自动化的优点。

为实现上述目的，本实用新型的一种连续固态发酵及固态蒸馏制取燃料乙醇的系统，其技术方案如下：

该系统依次包括相互配合联接的第一皮带输送机(1)、物料缓冲计量仓(2)、第二皮带输送机(3)、螺旋加热输送机(4)、连续混合输送机(5)、发酵装置混合布料螺旋机系统(6)、连续固态发酵装置(7)、第一多点进料螺旋收集输送机(8)、第一螺旋输送机(9)、螺旋预热输送机(10)、蒸馏装置混合布料螺旋机系统(11)、连续固态蒸馏装置(12)、第二多点进料螺旋收集输送机(13)、第二螺旋输送机(14)。

所述物料缓冲计量仓(2)的上端与第一皮带输送机(1)联接、下端与第二皮带输送机(3)配合联接。

所述螺旋加热输送机(4)的下端通过连续混合输送机(5)与发酵装置混合布料螺旋机系统(6)密封联接、上端与第二皮带输送机(3)配合联接，连续固态发酵装置(7)的上端与发酵装置混合布料螺旋机系统(6)密封联接、下端通过第一多点进料螺旋收集输送机(8)与第一螺旋输送机(9)密封联接。

所述连续固态蒸馏装置(12)的上端通过蒸馏装置混合布料螺旋机系统(11) 与螺旋预热输送机(10)密封联接、下端通过第二多点进料螺旋收集输送机(13) 与第二螺旋输送机(14)连接，该螺旋预热输送机(10)与第一螺旋输送机(9) 的右端密封联接。即螺旋加热输送机(4)后面的各个设备之间均为密封连接，可采用法兰密封连接的方式，或其他连接方式均可。以此实现了取代现有的强力整体搅拌的方式，改变了现有的通过中间集中排空管的排料方式，也提高了设备整体的密封效果。

作为优选的技术方案，所述物料缓冲计量仓(2)的仓体(201)下部为锥台型，仓体(201)的内部下端布满多个平行的变径变螺距的组合计量螺旋机 (202)，组合计量螺旋机(202)出料口(203)的下侧与所述第二皮带输送机 (3)配合联接，仓体(201)的顶部为敞开的进料口(204)，仓体(201)的外壁设有加强筋板(205)。

其中，锥台体锥角2-5°，截面积上部小、下部大，而且锥角的大小可根据实际的需要任意的设置，锥台体结构物料下降顺畅，不会造成搭桥堵塞；组合螺旋机个数可大于4条，轴向各点输出物料量一致，多条平行排列，实现仓体内物料全部平面均匀出料，实现各处、各叶片间物料输送量一致，总出料量稳定可控，实现对物料的计量控制。

作为优选的技术方案，所述螺旋加热输送机(4)和螺旋预热输送机(10) 的壳体(401，1001)一端上部设有进料口(402，1002)、另一端下部设有出料口(403，1003)，进料口(402，1002)侧壁和壳体(401，1001)的中部分别设有温度计接口(404，1004)，壳体(401，1001)的侧壁设有多个均匀分布的蒸汽入口(405，1005)。

作为优选的技术方案，所述连续混合输送机(5)壳体(501)一端的上部设有进料口(502)、另一端下部设有出料口(503)，进料口(502)侧壁设有多个发酵菌种加入口(504)，进料口(502)下部和出料口(503)上部分别设有温度计接口(505)，出料口(503)侧壁设有取样口(506)，所述壳体(501) 内部的驱动轴(507)侧壁通过连接板(508)固定连接有螺旋叶片(509)和均匀分布的搅拌铲(510)。

作为优选的技术方案，所述发酵装置混合布料螺旋机系统(6)和蒸馏装置混合布料螺旋机系统(11)均包括多级双向布料螺旋机，每级双向布料螺旋机包括至少一个均匀分布的双向布料螺旋机，每个双向布料螺旋机的壳体(601， 1101)上部的中间设有进料口(602，1102)、下部的两端设有对称的出料口(603， 1103)，壳体(601，1101)内部的螺旋叶片(604，1104)相对进料口(602，1102) 对称布置。该种由多支多级双向布料螺旋机组成的系统，每只螺旋机的螺旋叶片，从中间进口处向两侧反向旋转，将物料分向两侧，经过多级分配，形成多点均匀布料，防止物料形成堆积。

作为优选的技术方案，所述连续固态发酵装置(7)的仓体(701)为锥台型，仓体(701)的内部下端布满多个平行的变径变螺距的组合计量螺旋机(702)，组合计量螺旋机(702)出料口(703)的下侧与所述第一多点进料螺旋收集输送机(8)密封联接，仓体(701)的顶部和外壁设有多个气体收集口(704)，仓体(701)的顶部设有多个均匀分布的与发酵装置混合布料螺旋机系统(6) 密封联接的进料口(705)，仓体(701)的外壁设有加强筋板(706)。

其中，锥台体锥角可优选为0-3°，也可根据需要任意设置；组合螺旋机个数可大于4条，轴向各点输出物料量一致，多条平行排列，实现物料全部平面均匀出料，实现各处、各叶片间物料输送量一致，总出料量稳定可控，实现对物料的计量控制。

作为优选的技术方案，所述第一多点进料螺旋收集输送机(8)和第二多点进料螺旋收集输送机(13)的壳体(801，1301)上端设有进料口(802，1302)、下端设有出料口(803，1303)、内部设有螺旋输送轴(804，1304)。

进一步的优选，所述螺旋输送轴(804，1304)为变径、变螺距的输送轴。

作为优选的技术方案，所述连续固态蒸馏装置(12)的仓体(1201)为锥台型，仓体(1201)的内部下端布满多个平行的变径变螺距的组合计量螺旋机 (1202)，组合计量螺旋机(1202)出料口(1203)的下侧与所述第二多点进料螺旋收集输送机(13)密封联接，仓体(1201)的外壁设有多个气体收集口(1204)，仓体(1201)的顶部多个均匀分布的与蒸馏装置混合布料螺旋机系统(11)密封联接的进料口(1205)，仓体(1201)的外壁设有加强筋板(1206)。

所述组合计量螺旋机(1202)的螺旋轴(1202-1)的端部设有旋转进汽头 (1202-2)，该螺旋轴(1202-1)上设有均匀布置的与旋转进汽头1202-2连通的蒸汽出口(1202-3)。

其中，锥台体锥角可优选为0-5°，也可根据需要任意设置；组合螺旋机个数可大于4条，轴向各点输出物料量一致，多条平行排列，实现物料全部平面均匀出料，实现各处、各叶片间物料输送量一致，总出料量稳定可控，实现对物料的计量控制。

进一步的优选，所述仓体(1201)的底部设有蒸汽进口(1201-1)和蒸汽出口(1201-2)。进一步的提高了蒸馏的效率。

上述的各个螺旋机均可采用U型结构或O型结构形式，或其他形状的结构均可。

由于采用上述技术方案，本实用新型的有益效果为：该系统主要从三个方面的考虑进行的构思实用新型，该种系统实现了物料储藏、运输、固态发酵和固态蒸馏的连续进行；其中物料的分级布料过程中即可实现物料的混合，取代了现有的集中布料的方式和整体强力搅拌的方式；物料的排出采用多排螺旋机，实现了物料无死角均匀的排送；具有产量大、效率高、能耗低、故障率低，运行费用低、运行稳定无堵塞、连续性强、系统无死角不染杂菌等优点。

附图说明

现结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1为本实用新型的整体连接的主视图。

图2，图3，图4分别为物料缓冲计量仓(2)的主视图、侧视图和俯视图。

图5为螺旋加热输送机(4)或螺旋预热输送机(10)的正视图。

图6为连续混合输送机(5)的正视图。

图7，图8，图9分别为发酵装置混合布料螺旋机系统(6)或蒸馏装置混合布料螺旋机系统(11)的主视图、侧视图和俯视图。

图10，图11，图12分别为连续固态发酵装置(7)的主视图、侧视图和俯视图。

图13为螺旋加热输送机(4)、连续混合输送机(5)、发酵装置混合布料螺旋机系统(6)和连续固态发酵装置(7)的连接结构示意图。

图14为第一多点进料螺旋收集输送机(8)或第二多点进料螺旋收集输送机(13)的结构示意图。

图15，图16，图17分别为连续固态蒸馏装置(12)的主视图、侧视图和俯视图。

图18为螺旋加热输送机(10)、蒸馏装置混合布料螺旋机系统(11)和连续固态发酵装置(12)的连接结构示意图。

图19为组合计量螺旋机(202)或组合计量螺旋机(702)组合旋转轴的俯视示意图。

图20，图21为组合计量螺旋机(1202)的俯视结构示意图、侧视图。

图中：1、第一皮带输送机，2、物料缓冲计量仓，3、第二皮带输送机，4、螺旋加热输送机，5、连续混合输送机，6、发酵装置混合布料螺旋机系统，7、连续固态发酵装置，8、第一多点进料螺旋收集输送机，9、第一螺旋输送机， 10、螺旋预热输送机，11、蒸馏装置混合布料螺旋机系统，12、连续固态蒸馏装置，13、第二多点进料螺旋收集输送机，14、第二螺旋输送机。

具体实施方式

下面结合附图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7，图8，图9，图10，图11，图12，图13，图14，图15，图16，图17，图18，图19，图20，图21 与实施例对本实用新型做进一步描述：

如图1所示，该系统依次包括相互配合联接的皮带输送机1、物料缓冲计量仓2、皮带输送机3、螺旋加热输送机4、连续混合输送机5、发酵装置混合布料螺旋机系统6、连续固态发酵装置7、多点进料螺旋收集输送机8、螺旋输送机9、螺旋预热输送机10、蒸馏装置混合布料螺旋机系统11、连续固态蒸馏装置12、多点进料螺旋收集输送机13、螺旋输送机14。

其中物料缓冲计量仓2的上端与皮带输送机1联接、下端与皮带输送机3 配合联接。螺旋加热输送机4的下端通过连续混合输送机5与发酵装置混合布料螺旋机系统6密封联接、上端与皮带输送机3配合联接，连续固态发酵装置7 的上端与发酵装置混合布料螺旋机系统6密封联接、下端通过多点进料螺旋收集输送机8与螺旋输送机9密封联接。连续固态蒸馏装置12的上端通过蒸馏装置混合布料螺旋机系统11与螺旋预热输送机10密封联接、下端通过多点进料螺旋收集输送机13与螺旋输送机14连接，该螺旋预热输送机10与螺旋输送机 9的右端密封联接。即螺旋加热输送机4后面的各个设备之间均为密封连接，可采用法兰密封连接的方式，或其他连接方式均可。

经过粉碎的甜高粱秸秆等物料通过皮带输送机1输送到物料缓冲计量仓2 中，如图2，图3和图4所示，该物料缓冲计量仓2的仓体201下部为截面积上部小、下部大锥台型，锥台体锥角2-5°。仓体201的内部下端布满个数可大于4条平行的变径变螺距的组合计量螺旋机202，组合计量螺旋机202出料口203的下侧与所述皮带输送机3配合联接，仓体201的顶部为敞开的进料口 204，仓体201的外壁设有加强筋板205。

物料在该物料缓冲计量仓2下降顺畅，不会造成搭桥堵塞，组合螺旋机，轴向各点输出物料量一致，实现仓体内物料全部平面均匀出料，实现计量控制的物料在皮带输送机3的作用下输送到螺旋加热输送机4中进行加热温度较低时。

经过加热后的物料进入连续混合输送机5，如图4所示该连续混合输送机5 的壳体501一端的上部设有进料口502、另一端下部设有出料口503，进料口502 侧壁设有多个发酵菌种加入口504，进料口502下部和出料口503上部分别设有温度计接口505，出料口503侧壁设有取样口506，所述壳体501内部的驱动轴 507侧壁通过连接板508固定连接有螺旋叶片509和均匀分布的搅拌铲510。实现菌种与物料的初步混合搅拌和输送。

经过初步混合的物料进入发酵装置混合布料螺旋机系统6，然后进入连续固态发酵装置7，如图10，图11，图12所示，连续固态发酵装置7仓体701为锥台型，锥角可为0-3°，仓体701的内部下端布满个数可大于4条的平行的变径变螺距的组合计量螺旋机702，组合计量螺旋机702出料口703的下侧与所述多点进料螺旋收集输送机8密封联接，仓体701的顶部和外壁设有多个气体收集口704，仓体701的顶部设有多个均匀分布的与发酵装置混合布料螺旋机系统6 密封联接的进料口705，仓体701的外壁设有加强筋板706。

经过计量控制的物料进入多点进料螺旋收集输送机8，然后经过多级螺旋输送机9输送到螺旋预热输送机10，再经过蒸馏装置混合布料螺旋机系统11进入连续固态蒸馏装置12。

如图15，图16，图17所示，连续固态蒸馏装置12的仓体1201为锥台型，锥角为0-5°，仓体1201的内部下端布满个数可大于4条的平行的变径变螺距的组合计量螺旋机1202，组合计量螺旋机1202出料口1203的下侧与所述多点进料螺旋收集输送机13密封联接，仓体1201的外壁设有多个气体收集口1204，仓体1201的顶部多个均匀分布的与蒸馏装置混合布料螺旋机系统11密封联接的进料口1205，仓体1201的外壁设有加强筋板1206。组合计量螺旋机1202的螺旋轴1202-1的端部设有旋转进汽头1202-2，如图20，图21所示，该螺旋轴 1202-1上设有均匀布置的与旋转进汽头1202-2连通的蒸汽出口1202-3。

仓体1201是底部设有蒸汽进口1201-1和蒸汽出口1201-2，进一步的提高了蒸馏的效率。

最终，物料经过多点进料螺旋收集输送机13和螺旋输送机14，完成固态发酵和固态蒸馏过程。

其中，螺旋加热输送机4和螺旋预热输送机10(如图5所示)的壳体(401， 1001)一端上部设有进料口(402，1002)、另一端下部设有出料口(403，1003)，进料口(402，1002)侧壁和壳体(401，1001)的中部分别设有温度计接口(404， 1004)，壳体(401，1001)的侧壁设有多个均匀分布的蒸汽入口(405，1005)。

如图7，图8，图9所示，发酵装置混合布料螺旋机系统6和蒸馏装置混合布料螺旋机系统11均包括多级双向布料螺旋机，每级双向布料螺旋机包括至少一个均匀分布的双向布料螺旋机，每个双向布料螺旋机的壳体(601，1101)上部的中间设有进料口(602，1102)、下部的两端设有对称的出料口(603，1103)，壳体(601，1101)内部的螺旋叶片(604，1104)相对进料口(602，1102)对称布置。

如图14所示，多点进料螺旋收集输送机8和多点进料螺旋收集输送机13 的壳体(801，1301)上端设有进料口(802，1302)、下端设有出料口(803， 1303)、内部设有变径变螺距的螺旋输送轴(804，1304)(也可参照多组螺旋输送机轴的结构)。

图19，图20，图21所示，变径变螺距组合计量螺旋机202、变径变螺距的组合计量螺旋机702和变径变螺距的组合计量螺旋机1202中，其螺旋叶片空隙V的轴向单位长度内平均的出料体积＝螺旋叶片空隙(V)的体积－螺旋叶片空隙(V －1)的体积。

如：螺旋叶片空隙(08)的轴向单位长度内平均的出料体积＝螺旋叶片空隙(08)的体积－螺旋叶片空隙(07)的体积。

螺旋叶片空隙(07)的轴向单位长度内平均的出料体积＝螺旋叶片空隙(07) 的体积－螺旋叶片空隙(06)的体积。

即，每个螺旋叶片空隙轴向单位长度内平均的出料体积为：(V)≈(V－1) ≈……≈(08)≈(07)≈(06)≈(05)≈(04)≈(03)≈(02)≈(01)。

本实用新型提供的一种甜高粱秸秆连续固态发酵及固态蒸馏制取燃料乙醇的系统，物料发酵环境密封，从上到下物料密度逐渐压实，排出空气，使发酵物质传导顺畅、发酵充分；进入仓体的物料，无论落点在何处，最终在仓体内的存留时间一致，保证了发酵和蒸馏的均一性；物料在仓内整体均匀下降、仓体内物料无死角、不挂料、不搭桥堵塞，杜绝了杂菌的滋生。

该系统固定资产投资少、流程简单、运行费用低、糖分利用率高、无化学品添加、产生废水少，具有较大的成本优势；且产量大、故障率低，运行稳定、连续性强、可实现全系统自动化，特别适合于工业化大规模生产应用。

尽管上文对本实用新型作了详细说明，但本实用新型不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本实用新型的原理进行修改，因此，凡按照本实用新型的原理进行的各种修改都应当理解为落入本实用新型的保护范围。