文摘
商业模拟器白杨+被用来模拟生物炼油厂生产乙醇使用甘蔗渣从甘蔗汁和第二代乙醇生产薄壁组织细胞组成的细分数(P-fraction)。液体热水和蒸汽爆破预处理技术进行了评估。过程是水和热集成,而生物炼油厂生产乙醇的汁和甘蔗蔗渣。结果表明,水和热集成后,能源需求的评估过程是自给自足的,能够多余的电卖给电网,并提出内部进水圣保罗州的环境限制,巴西。过程评估的使用甘蔗渣细分数提出更高的经济效益而整个甘蔗渣的使用。即便如此,由于酶成本高,回报计算生物炼制高于8年的所有情况下,被认为是第二代乙醇和投资的净现值为负的。减少酶负载,在某种程度上,转化率可以维持,限制因素使第二代乙醇与最直接的竞争利用蔗渣:燃料的热电联产系统剩余电力生产。
1。介绍
甘蔗蔗渣由甘蔗产业是一项重要的副产品。它可以用作原料在不同生产流程;然而其主要用途是作为甘蔗机燃料热电联产系统[1]。它已经被广泛的研究为第二代乙醇生产过程为原料。在巴西,大量的科技创新在这个扩展生成增加研究动机由政府资助机构、研究机构和私人公司(2- - - - - -6]。
利用蔗渣第二代流程在巴西场景进一步整合传统乙醇生产纤维素乙醇生产,消除运输成本的纤维素材料和允许同时使用设备。集成过程的不同选择使用甘蔗蔗渣与传统乙醇生产糖厂已经研究了使用仿真工具(7- - - - - -10]。这些研究大多数都使用过程模拟白杨+软件完成。商业过程模拟器中,阿斯彭加突出其友好的用户界面,数据库的设备,和热力学模型。
一般来说,1 t的甘蔗产生280公斤的甘蔗渣水分为50% (11]。汁提取后,蔗渣形成宽粒径分散。典型的化学成分,在干燥的基础上,为38 43%的纤维素,半纤维素的25 - 32%,17 - 24%的木质素,1.6 - 7.5%的火山灰(12]。这些值有偏差范围取决于许多因素,如各种各样的甘蔗,植物生长阶段,天气条件之前和之后的收获,和收集系统。除了灰烬,有机抽提和矿物质也发现少量的如油脂、牙龈、淀粉、生物碱、树脂和精油。蔗渣物理成分大约50%的水分,纤维结构的45%,和5%的采掘和无机成分。纤维纤维分数由55至60%,30 - 35%髓粒子(13]。纤维主要对应茎fibro-vascular细胞;他们有很高的长宽比(长度到几厘米)。髓颗粒细,酉长宽比附近,起源于茎薄壁组织。
最近的研究(14- - - - - -16]表示更好的结果为纤维素糖化只使用甘蔗渣的髓分数相比,整个甘蔗渣的使用。这些细胞较低木质素含量与蔗渣纤维相比,这促进了纤维素酶的攻击。另一个优势是,这些粒子有小粒度分布,便于运输和处理的生物量,而不需要事先磨。
这个新场景需要评估和结果应该已经评估的替代方案相比,甘蔗的甘蔗渣使用部门直到现在。在这种背景下,本研究的目的是评估使用蔗渣髓第二代乙醇生产使用工艺软件(阿斯彭加)。纤维素乙醇的新提案相比,使用甘蔗渣作为燃料的热电联产系统或使用第二代髓分数的乙醇生产无分离。此外,水平衡在整个生产过程,包括第二代核电站进行了分析,因为它是一个重要的环境限制的安装新在巴西甘蔗工厂。为了执行一个经济分析比较案例研究。敏感性分析进行评估的影响,原材料价格和投资经济可行性的过程。
2。材料和方法
2.1。流程建模策略
本研究第二代乙醇生产的蔗渣髓分数(P-fraction)为原料使用没有预处理,蒸汽爆破预处理,或LHW预处理进行了分析。第二代乙醇生产是第一代集成。整个过程如图1。乙醇产量从P-fraction相比,乙醇生产使用甘蔗蔗渣和使用整个蔗渣电力生产。在这个程度上,5个不同的案例进行了分析。表1显示技术被认为是在每种情况下的研究。
每个流程的详细描述如下。(我)例1:使用P-fraction第二代乙醇生产集成自主酒厂,考虑任何预处理和酶水解,sugarcane-trash作为额外的燃料的使用与冷凝式汽轮机热电联产系统和冷却塔增加电力热集成自治酒厂。(2)案例2:使用P-fraction第二代乙醇生产集成自主酒厂,考虑蒸汽爆破预处理和酶水解,并使用sugarcane-trash额外的燃料与冷凝式汽轮机热电联产系统和冷却塔增加电力热集成自治酒厂。(3)案例3:使用P-fraction第二代乙醇生产集成自主酒厂,考虑液体热水(LHW)预处理和酶水解,并使用sugarcane-trash额外的燃料与冷凝式汽轮机热电联产系统和冷却塔增加电力热集成自治酒厂。(iv)案例4:第二代乙醇生产从甘蔗蔗渣集成到自治酒厂,考虑LHW预处理和酶水解,利用盈余蔗渣可用热集成的流程后,和使用sugarcane-trash额外燃料的热电联产系统。(v)案例5:使用sugarcane-trash连同所有可用的甘蔗渣作为燃料的热电联产系统与冷凝式汽轮机和冷却塔增加电力热集成自治酒厂。
2.2。过程模拟
2.2.1。仿真参数的定义
商业模拟器白杨+ (17)是用于过程建模包括每一块设备的质量和能量平衡的第一和第二代乙醇工厂。热力学性质的方法用于表示流程流UNIQUAC、Starzak提出的修改二进制参数和Mathlouthi [18)充分代表的沸腾温度的海拔sucrose-water混合物,除了纯水流模型STEAMNBS使用方法。组件纤维素,半纤维素,木质素和酶添加模拟器数据库使用数据从伍力Putsche [19]。甘蔗的平均成分到达过程提出了表2。
所有的还原糖葡萄糖,杂质盐、钾矿物K2O和SiO2acronitic酸、有机化合物和无机材料随着甘蔗的字段作为SiO拖2被认为是。
2.2.2。分析过程的描述
评估流程和数据用于仿真详细描述以下。
自治酒厂被认为是在所有情况下研究了第一代乙醇的生产。自主酒厂的处理能力每小时500吨甘蔗被认为是它代表了处理能力的一个标准机在圣保罗州6,8]。酒厂是致力于生产无水乙醇与99.3% (w / w)的纯洁,这是规范与汽车汽油混合。对于第一代乙醇生产过程干洗的甘蔗糖提取机串联被认为是。物理和化学汁治疗是通过筛选,加热,李明,倾析,泥过滤。治疗后澄清汁集中到20°白利5效蒸发器。然后在高温短时间内消毒(HTST)的过程。Melle-Boinot发酵过程(细胞再循环批发酵)被认为是。生产的蒸馏步骤考虑5蒸馏塔含水乙醇wt.乙醇(93.7%)。生产无水乙醇的wt.乙醇(99.4%),萃取蒸馏的过程与梅格(乙二醇)模拟。更详细的描述考虑过程可以发现在[9,10,20.]。所需数据模拟得到了这些步骤在文献[21,22]。第一代乙醇生产主要工艺参数被认为是显示在表中3。
综合第一和第二代从蔗渣P-Fraction乙醇生产。根据研究[14,15]35 - 40%的蔗渣由髓粒子质量。这些粒子的平均成分是显示在表2。作为第一步来访问这些粒子为第二代过程,分离的蔗渣髓纤维被认为是。有一个有效的分离,第一甘蔗渣干以降低其含水量从最初的50%焊接连接的阀盖。,after sugar extraction to 8% w.b. (equilibrium moisture of bagasse at temperatures around 298 K and atmospheric pressure 1 atm). Dry bagasse was then considered introduced to a horizontal circular motion sieve to perform P-fraction separation. Horizontal circular motion sieves has proven to be more efficient than regular vibrating sieves to perform this separation experimentally [14]。还气动分离甘蔗渣有不错的效果在分离富含髓的蔗渣细分数粒子(15]。即使如此,在目前的仿真研究中,水平圆周运动筛实验被认为是可以促进分离P-fraction迄今为止最好的结果(14]。
分离后,P-fraction被送到第二代乙醇生产过程和蔗渣纤维被送到热电联产系统。在第二代过程,P-fraction认为一个预处理过程没有任何前清洗或治疗。在案例1中没有考虑预处理单元,分析了这种可能性为实验工作15,16)表明,合理良好的收益率可以通过使用甘蔗渣细分数,富含髓粒子,无需预处理。第二种情况考虑蒸汽爆破预处理和案例3考虑液体热水(LHW)预处理。使用质量的情况下获得的2和3是洗把木糖在预处理期间形成的。酶法水解的过程后,纤维素P-fraction经过糖化过程中形成可发酵糖。承认了酶法水解温度下进行50°C的停留时间24小时使用纤维素酶浓度15 FPU生物量/ g(酶活性65 FPU / g)β葡糖苷酶的浓度0.9 IU / g的生物量(17 IU的酶活性/ g) (23]。承认基于数据预处理和水解转换参数可以在文献中对甘蔗渣(24和初步的实验测试14- - - - - -16]。假设收益率高于文献中发现的甘蔗蔗渣可以实现P-fraction自评估的过程仍在初期,可能,通过进一步的实验分析,更好的收益将通过工艺参数的优化。
液流产生水解集中在四步蒸发器直到20°白利糖度和糖丰富的解决方案被送到第一代发酵过程是混合浓缩果汁的地方。水解过程的固体废物含有木质素,但也丰富的灰烬,这种材料可能是有害的对于热电联产系统,因此它被认为是使用,滤饼,作为肥料的甘蔗种植园。每一步的过程中采用的参数如表所示4。
转换参数的灵敏度分析案例分析了3和这个新的被称为案件3 l。在这个分析中,较低的参数评估考虑一个场景:到目前为止获得的实验结果使用P-fraction不能优化和转换参数在每一步只是略高于甘蔗渣的使用。
蔗渣纤维送到sugarcane-trash热电联产是复杂的;这一过程将更好的描述“热电联产系统”项。两生物量中被用作燃料的热电联产系统5%保存系统启动或甘蔗压榨关闭。蒸汽底驱循环操作与流通蒸汽在753 K和6.5 MPa的温度和压力被认为是,分别采用背压式汽轮机发电的热电联产系统。因为燃料的数量发送到热电联产是超过必要的供应热量需求的集成过程中,安装在热电联产系统被认为是冷凝式汽轮机,使用剩余蒸汽生成增加电力生产。采用热电联产过程的参数如表所示5。
从甘蔗渣综合第一和第二代乙醇生产。乙醇产量从甘蔗蔗渣模拟作为对比案例使用P-fraction已经基本学习实验和仿真工具的使用。这个替代了以防4,甘蔗渣汁萃取分离后形成两个流,一个发送到第二代过程,另到热电联产系统。量发送到每个函数集热集成后的第一和第二代流程集成。
使用甘蔗渣乙醇生产之前被认为是一个干燥的步骤,直到水分含量8%。b(平衡水分的蔗渣在25°C的温度和大气压力)和铣削为了标准化,便于运输,提高预处理的有效性。清洁预处理之前,被认为是一次这一步很重要,去除杂质的生物量,从而增加预处理效率(26]。研究了第二代乙醇生产在3和4。LHW预处理的模拟生物质通过酶法水解糖化。相同的酶浓度、温度和停留时间预览P-fraction过程被描述。后水解反应器进行了集中生产的酒multieffect蒸发器。由此产生的蔗糖溶液被送到第一代发酵过程是混合浓缩果汁的地方。固体废物的水解富含木质素,因此热电联产燃料被认为是。每一步的过程中采用的参数如表所示4。
蔗渣sugarcane-trash设置为热电联产系统是复杂的;这一过程将进一步描述“热电联产系统”项。也从水解lignin-rich流渣是甘蔗渣和垃圾燃料混合。混合物被用作燃料的热电联产系统5%保存系统启动或甘蔗压榨关闭。热电联产系统承认是一个蒸汽底驱的周期中,生物质锅炉产生蒸汽在65酒吧和480°C,和电力生产与排汽背压汽轮机使用的过程。模拟的参数假设热电联产过程如表所示5。
第一代乙醇生产用盈余蔗渣提高电力生产。案例5评估自治酒厂的热集成和使用盈余蔗渣与甘蔗垃圾燃料的热电联产系统,加强电力生产。像它看起来最发达的蔗渣使用的机会,已经在巴西钢厂在某种程度上,它被选为一个比较使用P-fraction乙醇生产。
在这种情况下,所有的蔗渣提取后用作燃料的热电联产系统。使用95%的可用的甘蔗渣和储蓄中剩下的5%用于热电联产系统启动或甘蔗压榨关闭被认为是(27]。Sugarcane-trash被认为是在一个流动的41.25 t / h。这个流计算是基于假设的50% sugarcane-trash可用的收获是恢复和用于热电联产系统。虽然高的甘蔗垃圾可以分析,被假定为50%的价值,根据一些专家,另外一半的垃圾应该呆在收获保护土壤为下一个甘蔗种植园(28]。采用构成sugarcane-trash提出了表2。清洁的第一步是,使用振动屏幕,其次是减少颗粒大小的稻草直升机叶片和蔗渣的混合物。
热电联产系统。热电联产系统操作与流通蒸汽在蒸汽底驱循环480°C和65块被认为是温度和压力,分别使用汽轮机发电,提供蒸汽作为加热源的过程,和一个冷凝汽轮机致力于从盈余电力生产蒸汽。采用热电联产过程的参数如表所示5。
2.3。流程集成和评价指标
2.3.1。热集成
所有的流程设计案例研究都热集成使用缩放方法(23),旨在减少过程蒸汽需求,允许使用蔗渣为原料来提高电力生产或第二代乙醇的过程。在这个分析中,流不到1000千瓦的热负荷作为独立过程需求但不考虑热集成由于其较低的热集成的潜力。
2.3.2。水的消耗
水平衡研究的情况下完成,最后水需求识别结束后计算周期和水再利用的可能性。用水量的汁提取自吸过程,化学处理,发酵,第二代乙醇生产工艺的质量和能量平衡计算模型。用水量的特定的设备,如锅炉废气洗涤塔的用水量,地板,和设备清洁,得到从否决权29日]。实现整个水平衡和查看水重用的可能性和/或恢复,污水流进行了估计和分析的封闭系统。浓度的酒糟multieffect蒸发器多达30%的固体和重用的水预处理化学治疗后清洗进行了这项研究。
2.3.3。经济分析
经济研究是进行考虑固定资本成本、生产成本和收入。最初,投资成本为第一代过程,使用的数据来自每个部分迪亚斯等人发布的工业厂房进行了分析(8]。第二代设备,sugarcane-trash处理和修改的热电联产系统,计算使用阿斯彭经济分析软件(17在文献[]和数据27,33- - - - - -35]。设备成本已更新到2013年使用化工过程成本指数(36)和减少特定成本考虑大小缩放系数为0.6。表6和7显示经济分析中使用的主要参数。
3所示。结果与讨论
图2显示了乙醇生产和电力可供销售在每个案例评估。
分析案例3中的乙醇生产,考虑使用P-fraction LHW预处理,表现出最好的结果。评估的其他进程使用P-fraction第二代过程,例1和2,提出了乙醇产量高于4,甘蔗渣是所有用于第二代过程。虽然小数量的蔗渣P-fraction发送到第二代的情况下(例1、2和3)比使用整个甘蔗渣(例4),乙醇生产完成主要是由于高水解收益率考虑P-fraction技术。更高的收益率假设在水解P-fraction比较甘蔗渣是基于初步实验工作(14- - - - - -16]。
考虑到低P-fraction可以分开蔗渣由于分离技术未来可能的限制,并不是那么乐观的收益率能够达到水解步骤,案例3 l,整个乙醇产量将低于3% 4。
例4乙醇生产是高度可靠的能源消耗的过程。作为第二代的蔗渣发送过程是由热电联产所需的燃料,乙醇产量可能会进一步增加了减少更多的热量需求的过程。因为这里已经热集成,进一步降低热耗的一个选择是使用技术较低的蒸汽消耗的替换分子筛的脱水过程和其他的可能性。如果没有完成从酒糟废水利用案例4,因此将降低能源消耗和乙醇产量将增加5.6%,达到97.1 L / t甘蔗的生产。因此,没有酒糟浓度,情况4将是更高的乙醇生产情况进行了分析。
分析了电力生产、案例4给出最低的所有评估情况的结果。例4是唯一的情况下,使用的冷凝式汽轮机不像没有合适的盈余生成蒸汽用于涡轮。蔗渣在其他配置,超过必要的被作为燃料的热电联产;因此更多的蒸汽生产和多余的,而不是用来供应过程的热需求,是凝聚在冷凝式汽轮机发电。案例3 l提出了电力生产的第二代最高的情况下,由于高热电联产的蔗渣发送数量比其他情况下,评估P-fraction(例1、2和3)。在案例3 l,只有20%的蔗渣P-fraction分离,因此,剩下80%的蔗渣富含纤维被送到热电联产,中1、2和3,只有75%的蔗渣富含纤维被送到热电联产。提出更高的乙醇生产,3,少产生34%的电力比5,所有蔗渣致力于电力生产。4,45%的电力是小于5。
水平衡是实现减少每种情况下考虑水的实践已经表现在大多数工厂,也从酒糟水回收利用multieffect蒸发器和85%恢复水的预处理(表8)。所有情况下提出水摄入量低于1米3/ t的甘蔗,甘蔗行业最大允许新工厂的圣保罗州[37]。平均水重用已经很高了考虑到常见的做法已经在甘蔗工厂进行,这种全景的贡献额外的措施,使安装的过程。
投资成本的情况下研究的结果提出了表9。第二代的投资计算情况下使用P-fraction非常相似。案例1提出的第二代最高成本P-fraction评估情况。如案例1 P-fraction不经过预处理过程预计第二代投资成本低,但是没有预处理生物质送到水解的体积更大,作为固体浓度水解步骤是非常低的,它有一个大影响水解反应器的大小。事实上,水解设备占大约88%的第二代计算投资的所有研究情况。案例4提出了第二代成本高出74%的平均成本P-fraction案例研究。高成本是男子气概的由于更高的蔗渣发送到第二代和低固体含量在反应堆中考虑导致更大的水解反应器。第二代的减少投资成本减少的数量和体积严格相关反应堆在水解程度,措施能够增加反应堆固体负荷和减少反应时间将是实现这一目标所必需的。
分析第二代流程假设纤维素酶的酶浓度15 FPU / g的生物量和β葡糖苷酶0.9 IU / g的生物量,但第二代过程研究在经济上有吸引力的回报太高(高于10年)和净现值为负,表明项目的现金流也负假定利率。例5没有第二代过程被认为是已经显示出良好的经济效益,以合理的NPV和最低的回报时间的研究情况。
酶浓度在本研究实验工作的基础上卡拉斯科et al。24]。通常高纤维素酶载荷通常用于实现经济上可行的糖产量从生物质预处理。根据Humbird et al。38酶加载的下限并不清楚,但是通过使用先进的酶载荷低至0.02 g / g纤维素酶有可能获得同样的收益。浓度评价Humbird et al。38)将代表浓度约15倍低于第一个承认在目前的研究中。因此,数据3和4也显示回报时间和NPV第二代考虑降低酶负载。P-fraction二代病例开始出现回报时间在可以接受的范围内,当浓度降至5 FPU / g生物量。2和5 FPU的浓度/ g生物量中,P-fraction的NPV计算情况下高。情况3甚至提出了NPV高于5例5浓度FPU / g生物量、代表,可以实现更好的盈利能力的投资在长期情况下3相比,例5。例4是经济选择的过程评估浓度。它只提供了一个积极的NPV浓度2 FPU / g生物量和远低于其他情况下。案例3似乎所有二代病例的投资的最佳选择。考虑这种情况下转换和低分离参数,情况3 l,并不代表经济的结果。即使考虑到酶浓度最低,NPV为例3 l是低于5,但情况3 l仍然是一个更好的选择比使用整个甘蔗渣(纤维和髓一起)第二代过程评估,以防4。
水解步骤被证明是最昂贵的第二步生成过程研究,要么由于高投资成本与低固体浓度和反应时间长这一步骤或由于酶成本和浓度的过程。然而,酶成本递减最初承认在这项研究不是一个选择,这是可能的,酶成本将远远高于一个假设。价值首先假定酶成本=目前最便宜的蛋白质之一的成本在世界市场上,大豆蛋白。酶的成本分析,计算了一些作者,4.24美元/公斤的酶(38)和10.14美元/公斤酶(31日),评估案例是威慑作为回报不复存在,被这个项目所获得的收入低于运营成本,为酶浓度首先采用。因此,计算每个案例研究和评估酶的最大成本可能集中在评估成本值(值见表7)所以回报将低于10年。这个分析的结果如表所示10。
10 FPU / g生物量浓度的情况下3和3 l可行的低成本酶进行了研究。成本上升会导致回报大大高于10年或不存在的。在低浓度更高的值可能会承认酶成本,但只有例3和3 l可以承认酶成本提出的附近Klein-Marcuschamer et al。31日酶),10美元/公斤。如果可以降低酶浓度的浓度纤维素1 FPU / g和β0.05 -glicosidase UI / g,所有研究病例将酶成本的回报低于10年10美元/公斤酶。考虑这些浓度和酶成本、案例4将十年的回报而案例3将6年。因此,降低酶的浓度代表了一种经济必要的行动,使第二代过程。使用浓度低至一个提到的Humbird et al。38),将使用P-fraction第二代过程,例3,竞争非常激烈的,只有修改热电联产系统,例5,即使有很高的成本提出的酶作为Klein-Marcuschamer et al。31日]。
为了使用sugarcane-trash作为燃料的热电联产系统,适应当前的燃烧器用于甘蔗工厂需要。甘蔗的草本性质垃圾,没有预处理,可导致高水平的沾污结渣在传统生物质锅炉、大大减少锅炉寿命(38]。热电联产系统的投资承认目前蔗渣燃烧器的技术。足够的考虑燃料的燃烧器的使用可能会导致更高的投资。因此增加的敏感性分析考虑投资进行了热电联产在还债的时候了(图分析的影响5),考虑到酶的浓度10 FPU / g。
回报时间计算例5中,60%的投资的增加,额外两年回报。的情况下评估第二代乙醇生产,增加60%的投资,回报从2.2增加到4.1年。因此,热电联产的增加投资是一个点,需要进一步验证在更详细的经济分析可以显著增加的回报时间情况下的研究。
4所示。结论
水和热集成后的评估过程是自给自足的能源需求,能够多余的电卖给电网,并提出内部进水圣保罗州的环境限制,巴西。是果断的把水从酒糟恢复使用multieffect蒸发器系统减少评价过程的最终水吸收一个公认水平对当地的环境法律。使用乙醇生产P-fraction显示高于甘蔗蔗渣在第二代的使用过程。由于酶成本高,对所有病例被认为是第二代乙醇,计算回报高于8年,净现值为负。最好的配置研究P-fraction水热预处理LHW。甚至通过考虑转换水平低技术(例3 l),它提出了更好的经济效益比使用整个甘蔗渣的乙醇生产。减少酶负载,在某种程度上,转化率可以维持,限制因素使第二代乙醇竞争最直接的使用甘蔗渣:燃料的热电联产系统剩余电力生产。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
作者承认金融支持的协议Unicamp-Brazil壳牌石油有限公司