蒸汽爆破预处理秸秆制取沼气的技术经济分析的实验设计

1可再生能源实验设计论文题目蒸汽爆破预处理秸秆制取沼气的技术经济分析的实验设计学院机电工程学院专业农业生物环境与能源工程学生姓名魏斌学号13204021指导老师王毅撰写时间：2014年09月4日2摘要在化石能源日渐匮乏、能源形势日益紧张的今天，人类对寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率的要求显得愈加迫切。生物质能作为可再生能源由于其安全性及稳定性成为国家重点鼓励发展的新能源。本文简单分析当今能源利用形式，对于秸秆的利用状况及预处理方法进行介绍，最后，对经蒸汽爆破处理和未经蒸汽爆破预处理的秸秆厌氧发酵工程进行了技术经济分析，并对两者的经济参数进行了对比，结果表明，采用蒸汽爆破预处理技术的工程项目具有较好的经济性。关键词：能源，秸秆，蒸汽爆破预处理，技术经济1绪论1.1研究背景长期以来，经济的发展史以不可再生的化石能源煤、石油和天然气为基础。一方面：由于我国经济一直处于较高增长水平，能源需求随着社会的进步不断增加，化石能源短缺问题日渐突出。加之储量逐渐减少，能源和资源危机对全球和中国的影响都日益突出，能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点[1]。另一方面：大量化石燃料的使用带来的环境污染日益严重，每年消耗化石能源产生的数亿tSO2、NOx和几十亿t的CO2废气，导致全球气温变暖、酸雨频发、臭氧层和生态圈碳平衡的破坏。由此可见，在化石能源逐渐枯竭，能源价格逐年暴涨的形势下，寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率显得愈加急迫。生物质能属于可再生能源，通常我们所指的生物质能是植物利用太阳能进行光合作用转化并储存于自身的能量。植物每年贮存的能量相当于世界主要燃料消耗的10倍，而作为能源来利用的部分不足其总量的1%[2]。在太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能等诸多新能源当中，生物质能源是最安全、最稳定的能源,也是目前国家重点鼓励的新能源领域。沼气作为可再生能源，具有可再生性、成本低廉、对环境污染小、热值高等优点，发展秸秆沼气是秸秆资源化利用的重要方向之一[3]。而且沼气发酵原料来源广泛，各种副产品都能被充分利3用，因而是生物质能源中最有前景的一种，因此，对于大量生物质资源的有效利用是关系到我国能源资源环境和可持续发展等关键问题的重中之重[4]。作为沼气生产的重要原料，我国农作物秸秆年产量达7亿多t，畜禽粪便（干物质）也有1.4亿t[5]，如果将其充分利用，不仅能解决当前因焚烧秸秆、滥用化肥而造成的环境污染，也能缓解能源紧张给社会带来的压力。1.2秸秆利用现状1.2.1秸秆的产生和性质表1-12008年中国主要农作物秸秆产量秸秆产量（万吨）谷草比秸秆量（万吨）总量百分比稻谷19289.61.019189.624.4小麦11246.41.011246.414.3玉米16591.42.033182.842.2豆类2043.31.530653.9薯类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麻类62.51.062.50.1甘蔗12515.20.11241.51.6合计68175.278610.4100.0秸秆主要由木质素，纤维素，半纤维素构成。秸秆中有机质的含量平均为15%，平均含碳量44.22%，氮0.61%，磷0.25%等，还含有钾、镁、钙。硫等元素。各种秸秆的成分和结构含量见表1-2。表1-2秸秆的成分组成（%，干物质含量）秸秆水分粗蛋白粗纤维无氮浸出粗灰分钙磷4物稻草16.03.80.841.814.70.150.18玉米12.23.51.838.911.30.310.10小麦13.52.71.135.99.8--谷草13.53.11.437.98.5--大麦12.96.41.637.87.90.180.02燕麦9.05.33.439.611.7--大豆6.88.91.634.78.20.870.051.2.2秸秆的利用方式目前秸秆的利用方式主要有秸秆还田利用、饲料利用、能源化利用和工业化利用等。秸秆还田是通过机械粉碎、整杆直接还田或生产有机肥等方式。是培肥地力，改良土壤、提高农作物产量的措施之一。通过牲畜消化，不仅解决饲料问题，又可以得到有机肥，取得良好的经济效益。饲料利用是养殖食草畜禽，如牛，羊，鸡、鸭鱼等，消化大量的玉米、花生、大豆、稻草、小麦等秸秆，并转化为可供人食用的肉蛋奶，供给人们食用。农作物秸秆的能源化利用形式多种多样，其中主要包括直接燃烧、发酵制沼气、进行热解汽化、燃料发电、成产固体成型燃料、干馏和制取乙醇、生物柴油等。利用秸秆的制造工艺简单、生产成本低、产品附加值高、使用后可自然生物降解等优点，目前秸秆已经广泛利用到造纸、板材、新型建筑材料等行业里。1.2.3秸秆的运输和收集1.2.3.1秸秆的收集我国从70年代末期开始从美国、法国和当时的西德等国引进捡拾压捆机，采用捡拾压捆工艺收获牧草和秸秆，与此同时开始自行研制国产捡拾压捆机。我国秸秆收获机械的真正起步大约在2000年左右，从国外公司引入小方捆打捆机开始，我国陆续研发了小圆捆打捆机、正牵引小方捆打捆机、侧牵引小方捆打捆机以及二次压缩机等产品，高密度大方捆和大圆捆打捆机目前国内还是空白。由于起步较晚，加之研究经费不足、生产手段较为落后，产品性能及可靠性偏低，与之相5配套的设备严重不足，除搂草设备国内有少量生产外，其他相关设备基本属于空白。1.2.3.2秸秆的运输假设秸秆的主要运输工具为柴油拖拉机，单位里程耗油35L/km，由于秸秆密度小，单车平均运力为0.5t。按照朱金陵等提供的方法H1计算秸秆收集半径及秸秆运输消耗的总能量(柴油热量)，根据柴油生产和燃烧的排放系数计算运输过程中的污染物排放量。秸秆到燃料厂的运输阶段，玉米秸秆加工的损耗率约16.67％，即1万t生物质固体成型燃料需要1.2万t秸秆。秸秆收集方式采用农民分散送厂和加工厂直接收集两种，秸秆运输主要用农用柴油车，柴油的能量强度为38.72MJ/L，耗油量0D56L/(t.km)。运输距离采用收集半径模型计算。原料的收集半径中，资源收集量=收集面积×单位面积耕地废弃物。1.3生物质秸秆转化技术及转化存在的问题（1）纤维素燃料乙醇由于玉米、小麦价格的持续上扬和粮食安全保障的问题，限制了粮食燃料乙醇的发展，生物质秸秆转化利用的研究收到关注。纤维素原料生产乙醇关键问题是将秸秆中的纤维素、半纤维素与结构复杂的木质素分离的预处理技术，纤维素和半纤维素的水解糖化技术及己糖和戊糖的共发酵技术。（2）生物质秸秆沼气二十世纪70年代，随着世界性能源危机和环境污染问题的出现，利用厌氧消化器分解各种有机物来获得能源的沼气发酵技术才真正引起人们的关注[6]。1.4制约生物质秸秆转化利用的关键问题生物质秸秆转化利用长期以来并没有大规模的进行工业化生产的原因主要有以下两点：（1）原料季节性和分散性的难题。玉米秆、小米秆、稻草等收割、运输、存储都是一个大问题。原料分布分散，能量密度太低，运输费用和储存成本较高。这样相应的增加了植物纤维素原料的成本，这是一个系统工程，包括收购——打6捆——运输等流程。（2）成本过高，效率偏低。生物质的主要成分是木质素、纤维素和半纤维素。它们每种都可以转化成可利用的能源和化工原料，但是为了彻底和高效地利用它们，必须先把生物质中木质素、纤维素和半纤维素相互连接、凝聚而成的复杂的超分子结构有效地分解开来。因此，预处理技术是目前提高生物质转化利用率需要亟待解决的问题。1.5预处理方法的研究与发展现状预处理的目地是分离、除去生物质秸秆中的木质素和半纤维素，降低结晶度，增加生物质秸秆的孔隙率和酶对纤维素的可及性，从而提高纤维素的转化率。在预处理中要尽量实现以下几点：（1）提高糖的产率或酶水解糖化率；（2）避免碳水化合物的降解和对后序的水解发酵过程有抑制作用的副产品的生产；（3）生成的低成本。目前生物质秸秆的预处理方法可以大体分为物理预处理法、化学预处理法、物理化学法和生物预处理法四大类[8]。1.6蒸汽爆破预处理研究与发展现状在诸多预处理工艺中，蒸汽爆破预处理（简称汽爆预处理）因其适用于大多数秸秆，且原料经处理后产气效果明显提高，是当前较受关注的预处理方式。陈洪章等研究发现汽爆预处理对秸秆的特殊结构具有显著的破坏作用，认为汽爆是一种较为有效的预处理方式。王许涛等通过试验得出蒸汽爆破预处理厌氧发酵产沼气的最佳工艺条件为压力2.5Mpa，保留时间90s[29-32]。1.6.1汽爆预处理国外研究与发展现状20世纪80年代后国内对汽爆技术的研究开始起步，毕松林、胡健、李卫等研究了对预先经化学预处理后的木材进行蒸汽爆破的制浆技术。汽爆技术最近的研究主要集中于生物质的能源化利用方面。孙智谋采用汽爆处理后的稻秆进行酒精发酵试验，结果发现一定条件下的汽爆产物，经绿色木霉纤维素酶水解，稻秆中的多糖几乎全部水解为单糖，最后产生的乙醇浓度是普通发酵液中的5倍。宋永民等对蒸汽爆破预处理方式以及固态发酵在玉米秸秆沼气化中的应用进行了研7究，认为高温固态发酵不仅可以缩短发酵延迟期，提高产气效率,而且发酵结束后不会产生大量废液，对环境友好。罗鹏等用蒸汽爆破法预处理麦草,结果表明,随着预处理条件的提高，汽爆原料的得率呈现下降趋势，但纤维素和半纤维素组分的溶解程度提高，酶水解得率相应提高。陈洪章等研究表明，稻草汽爆的优化条件是1.5MPa，持续时间4.5min。王许涛、任天宝等研究表明玉米秸秆汽爆的优化条件是2.5MPa，持续90s。刘丽莎等对蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵进行了技术经济分析，认为其内部收益率达17.70%，有一定的投资价值，易景琼等研究认为，蒸汽爆裂法作为一种物理化学方法，耗能低，不用或少用化学药品，对环境无污染，可间歇也可连续操作；但木质素分离不完全，部分木糖被破坏。由于氨的加入，氨爆破处理不但提高了纤维素的酶解率，而且提高了物料的含氮量，利于微生物发酵。液氨还可以回收，循环使用，整个过程能耗较低，是一种较有前途的预处理技术。但氨的有效回收是氨爆破处理必须妥善解决的问题[35-38]。2本课题的研究意义、研究目标及研究内容2.1研究意义虽然厌氧发酵技术已经比较成熟，并被广泛用于实际生产，但秸秆用于厌氧发酵生产沼气始终不能大规模推广，因此，如何提高秸秆发酵效率是我们关注的焦点，下面，我将试着对于秸秆发酵制取沼气的技术经济性进行分析，判断其是否具有较好的经济性。2.2研究目标对汽爆处理秸秆和非汽爆处理秸秆的经济性进行处理分析，得出结论。2.3研究内容2.3.1计算参数的确定（1）蒸汽爆破预处理秸秆蒸汽耗量经试验得到汽爆后含水率与蒸汽耗量关系，可以看出汽爆后秸秆含水率越高8则蒸汽耗量越大。从经济的角度来看．汽爆秸秆含水率越低越好。在2.5MPa，90S条件下，汽爆秸秆厌氧发酵的效果最佳．该条件下汽爆后秸秆含水率为38.1%，本文经济计算中的蒸汽耗量以1t秸秆消耗600kg计算。汽爆设备配置的电机功率为2.2kW。每小时处理秸秆能力为0.25t，则汽爆设备耗电量为8.8kW/t。（2）生物质秸秆价格秸秆平均价格按照统计值——含水率20％的秸秆平均价格为200元/t。（3）汽爆机处理能力每小时处理秸秆0.25t。年处理能力约为1500t/a。（4）沼气产量按生产周期为20d计(经汽爆处理后的产气量达到总量的80%，未经预处理的为60％)，汽爆预处理秸秆中温发酵产气率为0.32m3，未经汽爆处理秸秆产气率为0.174m3/kg。所以年产沼气为54万m3。沼气中甲烷和二氧化碳比率以7：3计算，年产CH4和C02分别为37.8万m3和16.2万m3。（5）蒸汽价格蒸汽价格按照统计130元/t。（6）CNG和CO2价格按照市场统计价格CNG为3.6元/m3，CO2为2.7元/m3，压缩气体成本为0.15元/m3。（7）厌氧发酵制取气体成本每套(3只)数控消化罐配置电机功率为5kW。2.3.2经济效益分析2.3.2.1计算原理通过对