ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Комплекс по производству этанола, где полностью используется сырье (например, пшеничные зерна (рис. 4)), может дать положительный энер­гетический эффект. Такой комплекс включает установку для пронзвод- Ства этанола и промышленного типа хозяйство для откормки рогатого скота. В энергетическом балансе учитывается энергия, расходуемая на выращивание пшеницы, и энергия для производства пара.

Кислород

Микроорганизмы, ответственные за производство этанола фермента­цией, являются факультативными, так как они могут развиваться как при наличии кислорода, так и без него. В присутствии кислорода из на­чального субстрата образуется больше клеточной массы (в 5-10 раз больше, чем в анаэробных условиях), и скорость роста ее увеличивается. Другими словами, аэрацией можно увеличить выход клеточной массы и интенсивность процесса.

Тепловой и энергетический к. п. д

Для составления энергетического баланса необходимо точно опреде­лить границы рассматриваемой системы. Энергетический к. п.д. может быть использован для оценки к. п.д. различных систем по переработке биомассы. Однако в тех случаях, когда процесс переработки биомассы включает стадии производства энергии (например, водяного пара или электроэнергии), более полезным будет сравнение термодинамических к. п. д., поскольку последний дает возможность установить, какая из си­стем для производства работы (энергии) лучше по сравнению с идеаль­ной.

Расходы на предварительную подготовку

Эксплуатационные расходы зависят от технологии переработки сырья, что в свою очередь влияет на количество оборудования и расход энер­гии и ферментов. Кроме того, эти эксплуатационные расходы зависят от глубины, с которой могут ферментироваться твердые вещества сырья.

Доходы от регулируемой части производства

Методы анализа хозяйственной деятельности предприятий, исполь­зуемые фирмами США, до некоторой степени устанавливаются регули­рующим органом. Так, согласно методу, предложенному федеральной энергетической комиссией США [3], административные расходы, из­держки, связанные с пуском предприятия, ссудный процент в ходе строительства и лицензионные платежи следует рассматривать как часть амортизационного капитала. При этом основной капитал равно­мерно списывается для каждого года работы установки.

Технические аспекты переработки биомассы в топливо

Производство этанола анаэробной ферментацией биомассы эффективно и экономически оправданно только при наличии благоприятных усло­вий: доступности сырья, возможности создания объединенных устано­вок, возможности сбыта на близлежащем рынке.

Этанол

Концентрация этанола в ферментационной жидкой среде может непос­редственно влиять на скорость роста культуры и ее способность превра­щать сахар в этанол [22, 31]. Ингибирующее и токсичное действие эта­нола на различные культуры неодинаково. В случаях использования некоторых дрожжевых культур при концентрации 4-6% этанола ингиби - рование их роста достигает 50%. Другие культуры отличаются большей стойкостью к этанолу.

Экономические аспекты производства топлива из биомассы

Ф. Скули1] Анализ экономичности производства топлива из биомассы может быть про­веден различными методами. Точность такого анализа зависит от назначения конечного продукта, состояния технологии переработки биомассы, наличия фон­дов для проведения соответствующих работ. При этом для обоснования соору­жения установки по переработке биомассы требуется более высокая степень точ­ности, чем при сравнении различных способов переработки сырья. В первом случае необходимо знать количество (расход) и стоимость сырья, а во втором вполне достаточно располагать общими показателями, например денежной стоимостью, приходящейся на 1 м3 или на 1 м2. При сравнении различных способов переработки биомассы в топливо тре­буются схемы и описания технологического процесса, а также составление мате­риального и энергетического баланса.

Стоимость сырья

Важное значение имеет стоимость сырья, подаваемого на переработку. Согласно современным оценкам, на сырье этанольной ферментации приходится 2/3 производственных расходов. К сожалению, многие из легко ферментирующихся субстратов являются источником других не менее ценных продуктов, что естественно сказывается на их стоимости.

Производство древесной клетчатки

Производство древесной клетчатки на основе лесных твердопородных Плантаций с коротким периодом оборота в крупных масштабах являет­ Ч Ч О о Х a 11 Основа энтальпии пока еще не определена. Энтальпия компонент представлена в табл. 3, причем А',- характери­зует методы, выбранные для получения уравнения (6). Приведенные зна­чения энтальпии соответствуют модифицированным исходным данным при температуре 25°С и идеальному газу.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Обобщенное уравнение материального баланса имеет вид Накопление мае - Масса, поступаю - Масса, выходящая сы в пределах = щая в систему — за пределы систе - + системы мы Масса, образую - Расходы массы + щаяся в пределах — в пределах (1) Системы системы Процесс превращения биомассы в топливо часто происходит в ста­ционарном режиме, и в этом случае левая часть равенства (1) равна ну­лю. Если переработка биомассы не сопровождается химическими реак­циями (например, сушка и перемешивание), то третий и четвертый члены в правой части уравнения (1) также равны нулю.

Сахар

Количество производимого спирта пропорционально количеству добав­ленного сахара. Следовательно, желательна высокая концентрация саха­ра [36]. Однако при очень высоких концентрациях сахара происходит игибирование процесса вследствие повышенного осмотического давле­ния. Вместе с тем очень низкое содержание сахара, как это может иметь место при непрерывной ферментации, ведет к снижению интенсивности производства этанола.

ОБЩИЕ ПРАВИЛА

Для получения надежных конечных результатов при анализе экономич­ности любого производства следует руководствоваться общими прави­лами. К числу таких правил относятся: - выбор единообразного экономического показателя, что позволяет сравнивать различные способы производства и стоимость получаемых продуктов; - ис

Компенсация расходов за счет реализации побочных продуктов

Для повышения экономичности ферментации важное значение имеет возможность реализации побочных продуктов. Так, например, хлебные злаки, особенно кукуруза, являются очень привлекательным сырьем благодаря ценности неферментирующихся компонентов. Компенсация расходов на процесс ферментации за счет остатков, образ

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКТОВ ПИРОЛИЗА ЗЛ. Жидкие продукты

Пиротопливо, получаемое в процессе пиролиза со ступенчатым испаре­нием, предназначается для электростанций в качестве заменителя оста­точного котельного топлива № 6 (бункерное топливо С). В табл. 7 при­водятся некоторые свойства пиротоплива и котельного топлива № 6. Из приведенных данных следует, что, во-первых, в пиротопливе значитель­но ниже содержание серы, а во-вторых, теплота сгорания пиротоплива ниже и составляет примерно 77% теплоты сгорания типичного котель­ного топлива № 6 (по объему). Наконец, пиротопливо отличается боль­шей вязкостью, чем остаточное котельное топливо.

Границы системы и состав системы

Рассматриваемая система должна охватывать все стадии переработки биомассы-от доставленного к воротам завода сырья до подготовки по- 11 John М. Radovich, School of Chemical Engineering and Materials Science, University of Oklahoma, Norman. Лученного продукта для транспортирования потребителю. В связи с этим важно точно определить пределы этих границ. Материальный баланс определенных систем может быть записан следующим образом: 1. Общий материальный баланс (по всем компонентам) всей си­стемы.

Питательные вещества и витамины

Для роста микробов, образующих этанол, важное значение имеют соли. Для обеспечения роста микроорганизмам требуются макропитательные вещества, такие, как азот, фосфор, калий, натрий и сера, а также микро­питательные вещества, такие, как цинк, медь, железо, магний и марга­нец [37]. Макропитательные вещества нужны в первую очередь для син­теза клеточного материала, в то время как микропитательные вещества выполняют функции коэнзимов и кофакторов.

Единообразие анализа

При анализе экономичности различных систем по переработке био­массы в топливо важное значение имеет использование одних и тех же методов и допущений. Так, например, стоимость конечного продукта " Fred A. Schooley, California Institute of Technology. Существенно зависит от допущений относительно скидки с налога на ка­питаловложения. Обычно возможные скидки с налога на капиталовло­жения не принимаются во внимание и учитывается влияние только среднего налога, взимаемого властями штатов.

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

Детальный проект системы ферментации может быть разработан после того, как будет выбрано сырье. В зависимости от этого используется различное оборудование. Некоторые схемы технологического процесса представлены на рис. 1, 2 и 3 и в табл. 1. Измельчение. Перед переработкой большая часть твердых материалов измельчается. Для измельчения зернового сырья обычно используют дисковые мельницы, вращающиеся плоские плиты с выступающими зубьями для разрыва зерен.

Переработка промышленных отходов

Фирма Occidental представила Управлению по охране окружающей среды США отчет о результатах оценки лабораторных и полузаводских продуктов и технологии пиролитической переработки коры лжетсуги тиссолистной, рисовой шелухи, соломы, травы и отходов скотооткор­мочного хозяйства промышленного типа для производства синтетиче­ского котельного топлива и углистых веществ [3]. Синтетические топ­лива были получены из всех видов сырья, за исключением отходов животноводства, при переработке которых образовывалось топливо с высоким содержанием азота, а углистое вещество, которое являлось побочным продуктом, отличалось высокой концентрацией натриевых и калиевых солей.

Химические реакции и выходы

Если реакции происходят в пределах системы, то химические уравнения пишутся для каждой реакции. С помощью такого уравнения, характери­зующего равновесное состояние, можно получить необходимую инфор­мацию о количестве требующихся для расчета массы реагирующих ве­ществ, определить отношение молей элементов и молекул, которые при составлении материального баланса должны быть выражены в едини­цах массы. При анализе промышленных процессов редко используются стехио - метрические соотношения, так как реакция может протекать не до кон­ца или могут иметь место побочные реакции.

Система периодичной ферментации

При периодичной ферментации субстрат загружают в реактор и доба­вляют посевную культуру. Процесс продолжается 4-10 сут. Содержимое ферментера перемешивают механически или естественно за счет выделяющегося диоксида углерода. Сахар или ферментирую­щийся источник углерода добавляют к выращиваемой культуре перио­дически, уменьшая интервалы подачи или непрерывно увеличивая ин­тенсивность, по мере роста микробной культуры.

Оценка жизненного цикла

До недавнего времени основное внимание, как правило, уделялось толь­ко проектированию системы. Такой метод расчета был типичен для фирм, поставлявших, как правило, оборудование для потребителей, ко­торых в основном интересовали технические характеристики установки. Тщательный экономический анализ предусматривает учет как капитало­вложений, так и эксплуатационных расходов. Другими словами, необхо - . дима оценка всего жизненного цикла установки. Для этого составляется стандартная карта расходов, с помощью которой оцениваются расходы в течение всего срока службы установки (табл.

Этанольная ферментация1′

Периодическая ферментация. Некоторые виды сырья могут подвергаться только такой ферментации. При ферментации сырья из хлебных злаков неферментирующуюся часть обычно также приходится пропускать че­рез ферментер. Извлечение дрожжевых клеток из твердых веществ, со­держащихся в ферментационной жидкой фазе, при непрерывной рецир­куляции неэффективно и неэкономично. Суспендированные субстраты чувствительны к загрязнению, которое легче предотвратить при перио­дической ферментации.

ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА (РИС. 1)

После опробования полупромышленной установки была создана опыт­ная установка производительностью 50 т/сут. Такая установка была со­оружена на лесном складе в Корделе (шт. Джорджия) и действовала в течение нескольких месяцев, перерабатывая отходы лесопильного за­вода (из них пять месяцев установка действовала пять раз в неделю по 24 ч в сутки). Образующееся углистое вещество оказалось' вполне приемлемым сырьем для производства топливных брикетов; получае­мая топливная жидкость нашла применение для различных коммерче­ских целей; отходы древесины представляли собой хорошее сырье для процесса пиролиза.

Система единиц

Для составления массового баланса может быть использована любая система единиц. Рекомендуется производить расчеты в международной системе единиц (СИ). Однако расчеты или по крайней мере его резуль­таты должны быть представлены в единицах, которые обычно исполь­зуются промышленностью (табл. 1 и 2). Технические и экономические аспекты 341 Таблица 1. Основные и производные единицы системы СИ [4] Величина Единица СИ Другие Единицы Наименование Наименование усл.

Система непрерывной ферментации

Для непрерывной ферментации может быть использован бродильный аппарат того же типа, что и для периодического процесса, но несколько модифицированный [36, 38, 39]. В этом случае сахар и питательная сре­да непрерывно добавляются в реактор при выходящих продуктах, со­держащих этанол и клеточный материал, который непрерывно обра­батывается для отделения клеток и извлечения основного продукта.

Стоимость с учетом будущих доходов

Правильное соотношение между капиталовложениями и эксплуата­ционными расходами можно определить, исследуя финансирование бу­дущего потока во времени. Для этого существуют различные методы, Таблица 1. Стандартная карта расходов Капиталовложения Доллары Заводские сооружения Оборудование Земельный участок Организационные и пусковые расходы Потребности в оборотных средствах Катализаторы и химические реагенты, применяемые в на­чальной стадии Ссудный процент в ходе сооружения Итого Годовые эксплуатационные расходы Биомасса Прочее сырье Материалы для технического обслуживания Вода Катализаторы и химические реагенты Оплата труда Эксплуатационнико в Арендатора Работников технического обслуживания Управленческих работников и работников материально - Доллары технического снабжения Закупаемая электроэнергия Общие управленческие расходы Поимущественный налог и страхование Итого Примечание.

Получение этанола

Обычно этанол получают отгонкой, и, по всей вероятности, этот способ будет применяться и в ближайшем будущем. Отгонка производится в колоннах путем последовательного отделения этанола от других ком­понентов жидкой фазы. Отделение барды. В первой колонне отделяются продукты ферментации (главным образом этанол) и некоторое количество воды от неферменти - рующихся твердых веществ в жидкой фазе (барде). Эта колонна обычно называется «пивным перегонным кубом». Желательно, чтобы на этом этапе из жидкой среды был отогнан весь этанол.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БИОМАССЫ

Лесоводческие энергетические хозяйства требуют интенсивного ведения производства биомассы и должны проектироваться с учетом высокой степени механизации. Для реализации как первого, так и второго тре­буется значительное количество энергии. Поэтому для оценки количе­ства энергии, производимой лесоводческим энергетическим хозяйством, необходимо знать, какое количество энергии содержится в биомассе и какое количество энергии потребляется при эксплуатации хозяйства.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

При рассмотрении массового баланса мы исходили из закона сохране­ния массы, в данном же случае мы должны исходить из закона сохране­ния энергии.

Клетки, лишенные подвижности

Поскольку производство этанола не зависит от роста клеток, последние могут быть лишены подвижности, если их заключить в гели и поме­стить в реактор непрерывного действия [43, 44]. Поддерживая условия, при которых не происходит роста клеток, можно превратить в этанол свыше 95% глюкозы [44]. Кроме того, в этом случае достигается боль­шая плотность клеток, чем при их рециркуляции, не говоря уже о том, что отпадает необходимость в системах для отделения клеток центри­фугированием и для их рециркуляции.

КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЯ

Типичные заводские капиталовложения включают общую стоимость за­вода, готового к пуску, в том числе технологического оборудования, коммунальных сооружений, производственных помещений и коммуни­каций, а также все прямые и косвенные издержки. К производственным помещениям и коммуникациям относятся зда­ние управления завода, исследовательская лаборатория, система сигна­лизации, ремонтные мастерские, снабженческие склады, контрольная ла­боратория, кафетерий, поликлиника и отдел кадров, заводские дороги, стоянки для автомобилей, пешеходные дорожки, стоки для ливневых вод, система заводской коммуникации, ограждение завода, помещение для охраны и осветительная система, противопожарное оборудование.

Получение побочных продуктов

При наличии рынков сбыта реализация побочных продуктов может принести значительные доходы. При этом не исключено, что для удо­влетворения требованиям, которые предъявляет потребитель к по­бочным продуктам, возникает необходимость в расширении этанольно - го завода и объединении его с цехами для производства побочных продуктов. В процессе ферментации может быть получен диоксид углерода вы­сокой чистоты. Для сбыта этого газа его необходимо очистить и ком - примировать в баллоны.

ГАЗИФИКАЦИЯ БИОМАССЫ

В зависимости от характера контакта частиц биомассы с газовой фазой методы газификации могут быть классифицированы на систему с непо- '' Для справки укажем, что теплота парообразования многих нефтяных фракций лежит в пределах 460-700 кДж/кг. 10-89 11 Ping Wu Chang, Occidental Research Corporation. [11] George T. Preston, Electric Power Research Institute.