纤维素乙醇的工艺流程模拟及技术经济分析

发布时间：2020-05-15 16:47

【摘要】：随着全球化能源需求量的日益增加,能源紧缺已经成为世界各国面临的普遍难题。燃料乙醇作为一种绿色、可再生能源,对环境污染小,有利于改善大气环境。而纤维素生物质因其来源广、价格低廉是化石燃料最理想的替代品。但用木质纤维生物质生产燃料乙醇存在很多不足之处,如工艺复杂、工艺不成熟、能耗和水耗大、成本高等,使得纤维素乙醇产业并未大规模产业化。本课题根据吉林农作物种植情况,选择玉米秸秆为生物质,重点进行了纤维素乙醇生产工艺流程构建、工艺热集成和技术经济分析,为工艺选择和评价提供有效、可量化的基础设计数据,为产业化纤维素乙醇生产技术的过程设计、操作优化及技术经济评价提供参考。具体包括如下几方面研究： (1)建立以玉米秸秆为原料的纤维素乙醇生产工艺并进行了流程模拟：本文首先对适用于玉米秸秆的几种典型的预处理方法进行工艺设计和对比,最终选择处理效果较好的酸预处理法,脱毒部分采用氨水替代Ca(OH)2,并简化了工艺流程。然后采用化工流程模拟软件Aspen Plus的物性估算功能对缺少物性参数的生物质组分进行物性估算；之后在Aspen Plus平台上建立年产3万吨纤维素乙醇的生产工艺模型,并进行严格的物料衡算、水耗分析。结果表明年产3万吨纤维素乙醇生产过程年消耗玉米秸秆14.4万吨,每吨乙醇消耗水量和废水排量分别为5.5吨和7.7吨。 (2)为了降低整个工艺的能耗,应用能量分析软件Aspen Energy Analyzer对整个工艺进行热集成,提出热集成方案,并进行工况分析。热集成结果表明,集成后系统能耗由77887.2kW降为52510kW,节能潜力为32.6%。纤维素乙醇生产工艺的工况分析考察了预处理过程总固形物含量(质量分数10%-34%)对整个工艺水耗和能耗的影响,结果表明,随总固形物含量从10%升高到34%,水耗降低了56%。能耗先降低后升高。 (3)对上述建立的纤维素乙醇生产工艺流程进行经济性分析,首先进行了项目总投资估算、总生产成本估算,然后通过静态分析、动态分析和盈亏平衡分析对整个工艺进行财务评价,并对影响纤维素乙醇生产工艺收益的关键因素进行了灵敏度分析。结果表明,项目的总投资费用为47551万元,每吨纤维素乙醇的总生产成本为6987.4元；财务分析可知本文设计的稀酸预处理纤维素乙醇生产工艺经济性可行,灵敏度分析可知,当玉米秸秆价格超过651.6元／吨时,纤维素乙醇生产的净利润为零。燃料乙醇售价低于4.34元／升时,净利润为零。
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同时保证较好的经济性[6，18]。图1.1为木质纤维生物质的结构示意图，，表1.2为目前国内外研究较多的木质纤维素生物质的主要组成成分。其中硬木的纤维素含量较高，软木的木质素含量较多，农业废弃物普遍含半纤维素较多。\ T 卞Z ：7| Hemlcellulosekx^ CelluloseI I '^ 图1.1纤维素生物质的结构_Fig. 1.1 Schematic structure of lignocellulosic materials-5 -

图1.2 SHF和SSF发酵方式对纤维素乙醇生产的总成本的影响Fig. 1.2 The impact of different fermentation methods on total c..J 20 \ S JQ I . —ftl ' ‘0 -} 1 ——1 {till?012 3 45678Ethanol feed concentration (% [w/w])图1.3乙醇蒸馆过程的能耗(乙醇浓度蒸a髦

本文编号：2665340