玉米秸秆生产燃料乙醇的过程设计及技术经济评价

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1、目录`1.简介1.1背景和动机1.2过程综述1.3技术方法分析1.4关于第n个工厂的假设1.5相关技术经济研究的回顾1.6关于NRELAspen模型2.设计的基础和惯例2.1工厂规模2.2原料组成2.3设计报告惯例3.过程设计及成本估算3.1工段100：原料储存和处理3.2工段200：预处理及其条件3.3工段300：酶水解和发酵3.4工段400：纤维素酶的生产3.5工段500：产品，固体和水回收3.6工段600：废水处理（WWT）3.7工段700：产品和原料化学品的储存3.8工段800：燃烧室，锅炉和涡轮发电机3.9工

2、段900：公用设施4.过程的经济性4.1年成本指标4.2总资本投入4.3可变运营成本4.4固定运营成本4.5现金流分析和乙醇的最低售卖价格5.分析和讨论5.1碳和能量平衡5.2水平衡5.3糖消耗5.4成本敏感性分析5.5技术改进声明6.结果语6.1总结6.2与2002年设计的不同6.3展望未来1简介1.1背景及动机美国能源部(DOE)的生物质项目办公室(OBP)赞助那些目的是提高生物质转化技术的基础和应用研究的项目，大力提倡由木质纤维素原料生产乙醇及其他液体燃料。这些项目包括开发出更好的纤维素酶和发酵微生物的实验室运动

3、，潜在过程的详细工程学研究，以及中试和生产设施的构建。这项研究由国家实验室，大学以及私人的工程，建筑公司主导。作为这个项目的所包含的一部分，美国可再生能源实验室(NREL)为了开发出一种基于过程和工厂设计假设得到的完全工业级别价格的酒精，研究了纤维素酒精生产的全过程设计和经济性，这些假设是和工程学，结构及操作上最合适的实例相联系的。工业级别的价格是指酒精的最低售价或者叫MESP。MESP能被政策制定者和DOE用来评估纤维素乙醇与石油和淀粉或蔗糖来源的乙醇相比其的价格竞争力以及其市场渗入的潜力。在NREL的技术经济分析结

4、果也可以通过检查MESP处理备选方案和研究进展的敏感性来帮助指导我们的生物质转化的研究。被提议的研究和它的预期结果可以被转化为能和这个报告记录的基准案例相当的新的MESP。这些比较能帮助在NREL或其他地方的核心研究目标的经济影响，以及追踪达到满足竞争性成本目标的过程。这也允许DOE对要求减少MESP相关研究计划作出更多明智决定。这个报告建立在由NREL的工程师和Delta-T，Merrick工程，Reaction工程以及Harris集团在1999年和2002年发行的报告。对于现在这个报告，NREL再次和Harris集

5、团订立合同，由其对过程设计中设备和原材料成本的评估和审查提供工程支持。这次更新反应了NREL对生物化学乙醇过程的最新预想，包括了在转化领域（预处理，条件，酶解和发酵），产品的最大回收率以及我们对乙醇工厂后续处理（分离，废水和工具）的最新理解的近期的研究进展。NREL和Harris集团合作确定实际配置和关键设备的成本，特别是预处理反应器系统。为了使酶成本比之前的设计报告假定的固定成本更加透明，这次更新包括了现场纤维素酶的部分。在设计中使用的生物质转化效率是基于NREL和DOE决心于2012年末在一个完整的中试试验中确定的

6、研究目标。这些2012性能目标在这个报告中被详细讨论。这个概念性过程的经济状况使用了最有效的设备和原材料成本以及第n个工厂的项目成本结构和融资。在这个报告中这个计划的2012年第n个工程的MESP为每加仑2.15美元。对这里呈现的概念过程设计的改进将会在NREL的科技报告陈述中有所反应。那样就确保了过程设计和它的成本基准是来源于NREL和其他DOE资助的研究以及一直更新的设备成本的最新数据。我们强调这个设计报告可以被描述为单一的，有效的纤维素乙醇转化过程，简明的假设证明以及详细的过程设计。这个报告并不是为了提供一个工程

7、备选方案或者是成本敏感性分析的详细的调查。这些在防粘纸中将会被研究的内容扩增和参照了目前的报告。此外，因这个报告而产生的过程模型和经济学工具对于公众是可用的，NREL的生物化学平台分析任务的作者和成员将会为那些想在自己的研究中使用这些的研究人员提供支持。1.2过程概述这里所描述的过程使用平行的木质纤维素物质（玉米秸秆）稀酸前处理，之后是剩下的纤维素的酶水解（糖化），最后是生成的葡萄糖和木糖发酵产乙醇。这个过程设计也包括原料的处理和储存，产品的纯化，废水的处理，木质素的燃烧，产品的储存以及需要的设备。这个过程可以分为9个

8、工段（图-1）。l工段100：原料前处理。原料（这里是粉碎的玉米秸秆）被统一结构的原料输送系统运送到原料前处理区域。仅仅需要最小的仓库和低限度的原料处理。在这里，生物质原料被送到前处理反应器（工段200）l工段200：预处理及其条件。这在个工段，生物质原料在稀酸催化剂和高温的条件下处理较短的时间后释放半纤维糖类并破坏原料的结果，使