蒸汽爆破預處理秸稈制取沼氣的技術經濟分析的實驗設計

可再生能源實驗設計論文題目蒸汽爆破預處理秸稈制取沼氣的技術經濟分析的實驗設計學院機電工程學院專業(yè)農業(yè)生物環(huán)境與能源工程學生姓名魏斌 學號13204021指導老師王毅撰寫時間：2014年09月4日摘要在化石能源日漸匱乏、能源形勢日益緊張的今天，人類對尋找替代或輔助能源并提高能源利用效率的要求顯得愈加迫切。生物質能作為可再生能源由于其安全性及穩(wěn)定性成為國家重點鼓勵發(fā)展的新能源。本文簡單分析當今能源利用形式，對于秸稈的利用狀況及預處理方法進行介紹，最后，對經蒸汽爆破處理和未經蒸汽爆破預處理的秸稈厭氧發(fā)酵工程進行了技術經濟分析，并對兩者的經濟參數進行了對比，結果表明，采用蒸汽爆破預處理技術的工程項目具有較好的經濟性。關鍵詞：能源，秸稈，蒸汽爆破預處理，技術經濟1緒論1.1研究背景長期以來，經濟的發(fā)展史以不可再生的化石能源煤、石油和天然氣為基礎。一方面：由于我國經濟一直處于較高增長水平，能源需求隨著社會的進步不斷增加，化石能源短缺問題日漸突出。加之儲量逐漸減少，能源和資源危機對全球和中國的影響都日益突出，能源是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎，也是當今國際政治、經濟、軍事、外交關注的焦點[1]。另一方面：大量化石燃料的使用帶來的環(huán)境污染日益嚴重，每年消耗化石能源產生的數億tSO2、NOx和幾十億t的CO2廢氣，導致全球氣溫變暖、酸雨頻發(fā)、臭氧層和生態(tài)圈碳平衡的破壞。由此可見，在化石能源逐漸枯竭，能源價格逐年暴漲的形勢下，尋找替代或輔助能源并提高能源利用效率顯得愈加急迫。生物質能屬于可再生能源，通常我們所指的生物質能是植物利用太陽能進行光合作用轉化并儲存于自身的能量。植物每年貯存的能量相當于世界主要燃料消耗的10倍，而作為能源來利用的部分不足其總量的1%[2]。在太陽能、核能、風能、水能、潮汐能、地熱能、生物質能等諸多新能源當中，生物質能源是最安全、最穩(wěn)定的能源,也是目前國家重點鼓勵的新能源領域。沼氣作為可再生能源，具有可再生性、成本低廉、對環(huán)境污染小、熱值高等優(yōu)點，發(fā)展秸稈沼氣是秸稈資源化利用的重要方向之一[3]。而且沼氣發(fā)酵原料來源廣泛，各種副產品都能被充分利用，因而是生物質能源中最有前景的一種，因此，對于大量生物質資源的有效利用是關系到我國能源資源環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等關鍵問題的重中之重[4]。作為沼氣生產的重要原料，我國農作物秸稈年產量達7億多t，畜禽糞便（干物質）也有1.4億t[5]，如果將其充分利用，不僅能解決當前因焚燒秸稈、濫用化肥而造成的環(huán)境污染，也能緩解能源緊張給社會帶來的壓力。1.2秸稈利用現狀1.2.1秸稈的產生和性質表1-12008年中國主要農作物秸稈產量秸稈產量（萬噸）谷草比秸稈量（萬噸）總量百分比稻谷19289.61.019189.624.4小麥11246.41.011246.414.3玉米16591.42.033182.842.2豆類2043.31.530653.9薯類2980.21.02980.23.8花生1428.62.02857.23.6油菜1210.22.02420.43.1芝麻58.62.0117.20.1棉花749.23.02247.62.9麻類62.51.062.50.1甘蔗12515.20.11241.51.6合計68175.278610.4100.0秸稈主要由木質素，纖維素，半纖維素構成。秸稈中有機質的含量平均為15%，平均含碳量44.22%，氮0.61%，磷0.25%等，還含有鉀、鎂、鈣。硫等元素。各種秸稈的成分和結構含量見表1-2。表1-2秸稈的成分組成（%，干物質含量）秸稈水分粗蛋白粗纖維無氮浸出物粗灰分鈣磷稻草16.03.80.841.88玉米38.911.30.310.10小麥35.99.8--谷草37.98.5--大麥80.02燕麥9.05.33.439.611.7--大豆70.051.2.2秸稈的利用方式目前秸稈的利用方式主要有秸稈還田利用、飼料利用、能源化利用和工業(yè)化利用等。秸稈還田是通過機械粉碎、整桿直接還田或生產有機肥等方式。是培肥地力，改良土壤、提高農作物產量的措施之一。通過牲畜消化，不僅解決飼料問題，又可以得到有機肥，取得良好的經濟效益。飼料利用是養(yǎng)殖食草畜禽，如牛，羊，雞、鴨魚等，消化大量的玉米、花生、大豆、稻草、小麥等秸稈，并轉化為可供人食用的肉蛋奶，供給人們食用。農作物秸稈的能源化利用形式多種多樣，其中主要包括直接燃燒、發(fā)酵制沼氣、進行熱解汽化、燃料發(fā)電、成產固體成型燃料、干餾和制取乙醇、生物柴油等。利用秸稈的制造工藝簡單、生產成本低、產品附加值高、使用后可自然生物降解等優(yōu)點，目前秸稈已經廣泛利用到造紙、板材、新型建筑材料等行業(yè)里。1.2.3秸稈的運輸和收集秸稈的收集我國從70年代末期開始從美國、法國和當時的西德等國引進撿拾壓捆機，采用撿拾壓捆工藝收獲牧草和秸稈，與此同時開始自行研制國產撿拾壓捆機。我國秸稈收獲機械的真正起步大約在2000年左右，從國外公司引入小方捆打捆機開始，我國陸續(xù)研發(fā)了小圓捆打捆機、正牽引小方捆打捆機、側牽引小方捆打捆機以及二次壓縮機等產品，高密度大方捆和大圓捆打捆機目前國內還是空白。由于起步較晚，加之研究經費不足、生產手段較為落后，產品性能及可靠性偏低，與之相配套的設備嚴重不足，除摟草設備國內有少量生產外，其他相關設備基本屬于空白。秸稈的運輸假設秸稈的主要運輸工具為柴油拖拉機，單位里程耗油35L/km，由于秸稈密度小，單車平均運力為0.5t。按照朱金陵等提供的方法H1計算秸稈收集半徑及秸稈運輸消耗的總能量(柴油熱量)，根據柴油生產和燃燒的排放系數計算運輸過程中的污染物排放量。秸稈到燃料廠的運輸階段，玉米秸稈加工的損耗率約16.67％，即1萬t生物質固體成型燃料需要1.2萬t秸稈。秸稈收集方式采用農民分散送廠和加工廠直接收集兩種，秸稈運輸主要用農用柴油車，柴油的能量強度為38.72MJ/L，耗油量0D56L/(t.km)。運輸距離采用收集半徑模型計算。原料的收集半徑中，資源收集量=收集面積×單位面積耕地廢棄物。1.3生物質秸稈轉化技術及轉化存在的問題（1）纖維素燃料乙醇由于玉米、小麥價格的持續(xù)上揚和糧食安全保障的問題，限制了糧食燃料乙醇的發(fā)展，生物質秸稈轉化利用的研究收到關注。纖維素原料生產乙醇關鍵問題是將秸稈中的纖維素、半纖維素與結構復雜的木質素分離的預處理技術，纖維素和半纖維素的水解糖化技術及己糖和戊糖的共發(fā)酵技術。（2）生物質秸稈沼氣二十世紀70年代，隨著世界性能源危機和環(huán)境污染問題的出現，利用厭氧消化器分解各種有機物來獲得能源的沼氣發(fā)酵技術才真正引起人們的關注[6]。1.4制約生物質秸稈轉化利用的關鍵問題生物質秸稈轉化利用長期以來并沒有大規(guī)模的進行工業(yè)化生產的原因主要有以下兩點：（1）原料季節(jié)性和分散性的難題。玉米稈、小米稈、稻草等收割、運輸、存儲都是一個大問題。原料分布分散，能量密度太低，運輸費用和儲存成本較高。這樣相應的增加了植物纖維素原料的成本，這是一個系統工程，包括收購——打捆——運輸等流程。（2）成本過高，效率偏低。生物質的主要成分是木質素、纖維素和半纖維素。它們每種都可以轉化成可利用的能源和化工原料，但是為了徹底和高效地利用它們，必須先把生物質中木質素、纖維素和半纖維素相互連接、凝聚而成的復雜的超分子結構有效地分解開來。因此，預處理技術是目前提高生物質轉化利用率需要亟待解決的問題。1.5預處理方法的研究與發(fā)展現狀預處理的目地是分離、除去生物質秸稈中的木質素和半纖維素，降低結晶度，增加生物質秸稈的孔隙率和酶對纖維素的可及性，從而提高纖維素的轉化率。在預處理中要盡量實現以下幾點：（1）提高糖的產率或酶水解糖化率；（2）避免碳水化合物的降解和對后序的水解發(fā)酵過程有抑制作用的副產品的生產；（3）生成的低成本。目前生物質秸稈的預處理方法可以大體分為物理預處理法、化學預處理法、物理化學法和生物預處理法四大類[8]。1.6蒸汽爆破預處理研究與發(fā)展現狀在諸多預處理工藝中，蒸汽爆破預處理（簡稱汽爆預處理）因其適用于大多數秸稈，且原料經處理后產氣效果明顯提高，是當前較受關注的預處理方式。陳洪章等研究發(fā)現汽爆預處理對秸稈的特殊結構具有顯著的破壞作用，認為汽爆是一種較為有效的預處理方式。王許濤等通過試驗得出蒸汽爆破預處理厭氧發(fā)酵產沼氣的最佳工藝條件為壓力2.5Mpa，保留時間90s[29-32]。1.6.1汽爆預處理國外研究與發(fā)展現狀20世紀80年代后國內對汽爆技術的研究開始起步，畢松林、胡健、李衛(wèi)等研究了對預先經化學預處理后的木材進行蒸汽爆破的制漿技術。汽爆技術最近的研究主要集中于生物質的能源化利用方面。孫智謀采用汽爆處理后的稻稈進行酒精發(fā)酵試驗，結果發(fā)現一定條件下的汽爆產物，經綠色木霉纖維素酶水解，稻稈中的多糖幾乎全部水解為單糖，最后產生的乙醇濃度是普通發(fā)酵液中的5倍。宋永民等對蒸汽爆破預處理方式以及固態(tài)發(fā)酵在玉米秸稈沼氣化中的應用進行了研究，認為高溫固態(tài)發(fā)酵不僅可以縮短發(fā)酵延遲期，提高產氣效率,而且發(fā)酵結束后不會產生大量廢液，對環(huán)境友好。羅鵬等用蒸汽爆破法預處理麥草,結果表明,隨著預處理條件的提高，汽爆原料的得率呈現下降趨勢，但纖維素和半纖維素組分的溶解程度提高，酶水解得率相應提高。陳洪章等研究表明，稻草汽爆的優(yōu)化條件是1.5MPa，持續(xù)時間4.5min。王許濤、任天寶等研究表明玉米秸稈汽爆的優(yōu)化條件是2.5MPa，持續(xù)90s。劉麗莎等對蒸汽爆破預處理技術應用于秸稈厭氧發(fā)酵進行了技術經濟分析，認為其內部收益率達17.70%，有一定的投資價值，易景瓊等研究認為，蒸汽爆裂法作為一種物理化學方法，耗能低，不用或少用化學藥品，對環(huán)境無污染，可間歇也可連續(xù)操作；但木質素分離不完全，部分木糖被破壞。由于氨的加入，氨爆破處理不但提高了纖維素的酶解率，而且提高了物料的含氮量，利于微生物發(fā)酵。液氨還可以回收，循環(huán)使用，整個過程能耗較低，是一種較有前途的預處理技術。但氨的有效回收是氨爆破處理必須妥善解決的問題[35-38]。2本課題的研究意義、研究目標及研究內容2.1研究意義雖然厭氧發(fā)酵技術已經比較成熟，并被廣泛用于實際生產，但秸稈用于厭氧發(fā)酵生產沼氣始終不能大規(guī)模推廣，因此，如何提高秸稈發(fā)酵效率是我們關注的焦點，下面，我將試著對于秸稈發(fā)酵制取沼氣的技術經濟性進行分析，判斷其是否具有較好的經濟性。2.2研究目標對汽爆處理秸稈和非汽爆處理秸稈的經濟性進行處理分析，得出結論。2.3研究內容2.3.1計算參數的確定（1）蒸汽爆破預處理秸稈蒸汽耗量經試驗得到汽爆后含水率與蒸汽耗量關系，可以看出汽爆后秸稈含水率越高則蒸汽耗量越大。從經濟的角度來看．汽爆秸稈含水率越低越好。在2.5MPa，90S條件下，汽爆秸稈厭氧發(fā)酵的效果最佳．該條件下汽爆后秸稈含水率為38.1%，本文經濟計算中的蒸汽耗量以1t秸稈消耗600kg計算。汽爆設備配置的電機功率為2.2kW。每小時處理秸稈能力為0.25t，則汽爆設備耗電量為8.8kW/t。（2）生物質秸稈價格秸稈平均價格按照統計值——含水率20％的秸稈平均價格為200元/t。（3）汽爆機處理能力每小時處理秸稈0.25t。年處理能力約為1500t/a。（4）沼氣產量按生產周期為20d計(經汽爆處理后的產氣量達到總量的80%，未經預處理的為60％)，汽爆預處理秸稈中溫發(fā)酵產氣率為0.32m3，未經汽爆處理秸稈產氣率為0.174m3/kg。所以年產沼氣為54萬m3。沼氣中甲烷和二氧化碳比率以7：3計算，年產CH4和C02分別為37.8萬m3和16.2萬m3。（5）蒸汽價格蒸汽價格按照統計130元/t。（6）CNG和CO2價格按照市場統計價格CNG為3.6元/m3，CO2為2.7元/m3，壓縮氣體成本為0.15元/m3。（7）厭氧發(fā)酵制取氣體成本每套(3只)數控消化罐配置電機功率為5kW。2.3.2經濟效益分析計算原理通過對經汽爆處理和未經汽爆處理兩種方案的凈現值、益本比、投資回收期、內部收益率等參數的計算對比。分析兩種方案的技術經濟性。凈現值NPV(NetPresentValue)NPV=-t[39]式中：i為折現率；CI為現金流入量；CO為現金流出量；為第t年的凈現金流量。(2)益本比(Benifit-CostRatio)=[39]式中：為效益限值（PresentValueofBenefit）；為成本現值（PresentValueofCost）投資回收期TT=累積凈現金流量現值開始出現正值的年份數－1+上年累計凈現值凈現金流量值的絕對值/當年凈現金流量現值。內部收益率（FinancialInternalRatioofReturen）=[39]式中：i1為試算用的略低折現率（當為接近于零的正值時的折現率）；i2為試算用的略高折現率（當為接近于零的負值時的折現率）；為折現率為i1的凈現值的絕對值；為折現率為i2的凈現值的絕對值。投入資金按年產沼氣54萬m3的規(guī)模建廠。采用蒸汽爆破預處理技術和不用預處理技術兩方案需投入的資金如表l和表2所示。表1兩種方案需固定投資項目有汽爆預處理方案投資萬元不用汽爆處理方案投資萬元基建2545數控立式連續(xù)汽爆機1臺×112=1120數控脈沖回流消化罐3只×92=2766只×92=5522.5MPa，0.5t蒸汽鍋爐1臺×10=100QG-300脫硫儲氣柜1只×8=8一只×8=8V—3/100中壓壓縮機1臺×21.8=21.81臺×21.8=21.82.8m3液化罐1只×4=41只×4=45m3低溫房1套×5=51套×5=5土地使用費（10萬元/667m3）5×10=5015×10=50SV—30天然氣壓縮機1臺×7=71臺×7=71.5m3CNG高壓氣瓶3只×6=183只×6=18CNG加氣機1臺×3=31臺×3=3合計539.8743表2兩種方案需流動資金項目有汽爆預處理方案投資/萬元不用汽爆處理方案投資/萬元生物質原料費1500t×200元/t=301500t×（0.8×0.45÷0.6÷ 0.29）×200元/t=62.07蒸汽耗費0.15t/h×20h×300d×130元/t=11.7 0全部電費0.7元/kWh×（1500t×808kW+5kW0.7元/kWh×5kW×2×24h×24h×300d）+540000m3××300d+540000m3×0.150.15元/m3=11.54元/m3=13.14直接人工費8人×300d×40元/（人.d）=9.610人×300d×40元/（人.d） =12.0管理維護費用1013產出效益年產出效益主要由銷售CNG和CO：兩部分組成。共計179.82萬元。CNG年銷售額：37.8萬m3x3.6元/m3=136.08萬元。CO2年銷售額：16.2萬m3x2.7元/m3--43.74萬元。經濟效益評價采用一臺年處理量為l500t汽爆設備預處理秸稈生產沼氣的成本和效益如表3所示(i以10%計算)。從經濟指標分析，在該項目的全部存在期內其累積凈效益現值大于零，益本比大于l，投資回收期為7.43年，內部收益率大于17.89％，因此該項目是可行的。表3蒸汽爆破預處理秸稈生產沼氣成本和效益分析年份成本/萬元效益/萬元凈效益/萬元折算因子成本現值/萬元效益現值/萬元凈效益 累計凈效益0539.800.00-539.801.00539.800.00-539.80-539.80172.84179.82106.980.9166.22163.4797.25-442.55273.32179.82106.500.8360.60148.6188.02-354.53373.82179.82106.000.7555.47135.1079.64-274.89474.35179.82105.470.6850.78122.8272.04-202.86574.91179.82104.910.6246.51111.6565.14-173.72675.49179.82104.330.5642.61101.5058.89-78.83776.10179.82103.720.5139.0592.2853.22-25.60876.75179.82103.070.4735.8083.8948.0822.48977.42179.82102.400.4232.8476.2643.4365.911078.13179.82101.690.3930.1269.3339.20105.111178.88179.82100.940.3527.6563.0335.38140.491279.66179.82100.160.3225.3857.3031.91172.411380.48179.8299.340.2923.3152.0928.78201.181481.34179.8298.480.2621.4247.3525.93227.111582.25179.8297.570.2416.6943.0523.36250.47采用汽爆預處理技術方案項目的經濟參數為：累計成本現值=539.8+577.45=1117.25萬元累計效益現值=萬元凈現值=250.7萬元益本比=1367.73/1117.25=1.22投資回收期=內部收益率=17.70%（其中，當i1=17%時，=16.68；當i2=18%時，=－7.25）對未采用汽爆預處理技術進行秸稈厭氧發(fā)酵的方案采用同樣方法計算得到，其NPV在全部存在期內為－166.76萬元。所以該項目方案經濟上不可行。2.4結果與討論以生物質秸稈為原料，采用汽爆預處理技術對秸稈進行預處理后發(fā)酵生產沼氣的技術是可行的，是一種社會效益、環(huán)境效益和經濟效益都很顯著的生產活動。有著項目投資小(539.8萬元)、投資回收期合理(7.53a)、益本比高(1.22)和較高的內部收益率(17.70%)的優(yōu)點。同時，我們也應看到，蒸汽爆破預處理應用于實際的秸稈厭氧發(fā)酵工程中時。可能會受到蒸汽源及蒸汽壓力不足、生物質原材料價格波動等不確定因素的影響和制約。不采用蒸汽爆破預處理技術的方案在全部15年存在期的NPV值為－166.76萬元，小于零，方案不可行(兩種方法均未計入其沼渣和沼液的收益)。如果考慮到其環(huán)境效益和公益性，鑒于目前未經預處理的秸稈厭氧發(fā)酵項目還有運行的情況．說明蒸汽爆破預處理技術應用于沼氣生產是具有可行性和一定商業(yè)價值的。參考文獻[1]江澤民.對中國能源問題的思考.上海交通大學學報.2008,42(3):345-359.[2]孫振鈞.中國生物質產業(yè)及發(fā)展取向.農業(yè)工程學報，2004,20（5）：1-5.[3]孫辰,劉榮厚.稻稈NaOH預處理及厭氧發(fā)酵產沼氣的試驗研究[J].農機化研究，2010(4):127－129.劉培旺，袁月祥等．秸稈的不同預處理方法對發(fā)酵產氫的影響【J]．應用環(huán)境生物學報，2009，15(1)：125-129．張強,等．玉米秸稈濕氧化預處理同步糖化發(fā)酵酒精[J].農業(yè)工程學報,2010，26(9)：292—295.[4]全國人大常委會辦公廳，中華人民共和國可再生能源法.北京：中國民主法制出版社，2005[5]楊立，等.不同秸稈厭氧發(fā)酵產沼氣效果的比較[J].可再生能源，200826(5):46-48）[6]AngelidakiL，EllegaardL，Acomprehensivemodelofbioconversionofcomplexsubstratestobiogas.BiotechnologyandBioengineering，1999，63（3）：363-372.[7]中國新能源網/html/2006-12/2006124-12622.html[8]YSun,JCheng.Hydrolysisoflignocellulosicmaterialsforethanolproduction.BioresourceTechnology，2002(83)：1-11.[9]Hahn-Hagerdal，BJppsson,HSkoog,etal.BioehemistryandPhysiologyofxylosefermentionbyyeasts.EnzymeandMicrobialTechnology,1994,（16）：933-943.[10]李穩(wěn)宏，吳大雄，高新等.麥秸纖維素酶解法產糖預處理過程工藝條件.西北大學學報（自然科學版），1997,27（3)：227-230.[11]PalmqvistE，Hahn-HagerdalB.Fermentaionoflignoeellulosiehydrolysates:Inhibitorsandmenehanismsofinhibition.BioresourceTechnology，2000,74（1）：25-33.[12]呂欣，坂志朗，董明勝等.用加壓熱水預處理山毛櫸樹粉生產燃料乙醇的初步研究.農業(yè)工程學報.2008,24（3）：219-222.[13]桂江生，應義斌.微波干燥技術及其應用研究.農機化研究.2003,（4）：153-154.[14]李靜，楊紅霞，楊勇等.微波強化酸預處理玉米秸稈的乙醇化工藝的研究.農業(yè)工程學報.2007,23（6）：199-202.[15]唐愛民，梁文芷.纖維素與處理技術的發(fā)展.林產化學與工業(yè).1999,19,（4）：81-88.[16]WrightJD.Ethnolfrombiomassbyenzymatichydrolysis.ChemEngProg，1998,84（8）：62-74[17]羅鵬，劉忠.蒸汽爆破法預處理木質纖維原料的研究.林業(yè)科技，2005,30（3）：53-56.[18]劉仲齊.生物乙醇轉化技術的研究進度.西南農業(yè)學報，1999，（12）：64-68.[19]覃國棟,等.酸預處理對水稻秸稈沼氣發(fā)酵的影響[J].上海交通大學學報(農業(yè)科學版),2011,29(1):58-61.[20]馬興元,等.酸性預處理對生物質秸稈干式厭氧發(fā)酵的影響[J].安徽農業(yè)科學,2011，39(25)：15584—15585.[21]CurreliNicoletta,AgelliMado，PisuBrunella,eta1．Completeandefficientenzymichydrolysisofpretreatedwheatstraw[J]．Processbiochemistry，2002，37(9)：937-941．[22]楊立,等.稀堿法預處理對秸稈厭氧發(fā)酵產氣的影響研究[J].安徽農業(yè)科學，2011,39(15):9165-9166.[23]康佳麗,李秀金,朱保寧,等.NaOH固態(tài)化學預處理對麥秸沼氣發(fā)酵效率的