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基于生物质的乙酰丙酸-电力联产系统性能分析

范军毅 ,  陈衡 ,  刘战 ,  高悦 ,  潘佩媛 ,  徐刚 ,  张国强

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S1) : 360 -365.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S1) : 360-365. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S1.065
工业技术

基于生物质的乙酰丙酸-电力联产系统性能分析

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Analysis on performance of biomass-based levulinic acid-electricity cogeneration system

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摘要

为实现农业固体废弃物的资源化利用、减少碳排放,利用小麦秸秆制取重要平台化合物乙酰丙酸,并提出了利用反应后的木质素等生物质固体残渣以及有机废水厌氧发酵后产生的沼气作为燃料与生物质电厂耦合的系统方案。尽可能减少工艺流程中废物的生成,降低处理成本并发电,从而促进生物质的资源化利用以及农业的可持续发展。利用Aspen Plus软件对麦秆制备乙酰丙酸的工艺流程进行设计并模拟,得到质量分数为99.2%的产品LA。计算和分析结果表明,每年生产的乙酰丙酸量为11 864.2 t,生物质电厂的发电功率为10.3 MW,净发电效率为34.3%。在运行周期内,新系统的净现值可达到3 7961万元,动态回收周期为3.57 a。由此可知,新系统是高效且经济可行的。

Abstract

In order to realize the utilization of agricultural solid wastes as resource and reduce carbon dioxide emission,a systematic scheme is proposed that wheat straw is utilized to produce levulinic acid,an important platform compound.Biomass solid residues after the reaction,such as lignin,as well as biogas generated from anaerobic fermentation of organic wastewater from the reaction are used as fuel to couple with a biomass power plant.This process minimizes the generation of wastes,reduces treatment cost and generates electricity,thus promoting the utilization of biomass as well as the sustainable development of the agriculture.This process flow for the production of levulinic acid from wheat straw is designed and simulated by means of Aspen Plus software to obtain levulinic acid product with a mass fraction of 99.2%.Calculation and simulation show that 11 864.2 tons of levulinic acid can be produced annually,and the biomass power plant generates 10.3 MW of electricity,presenting a net power generation efficiency of 34.3%.During the operation cycle,the NPV of the new system can reach RMB 379.61 million,and the dynamic payback cycle is 3.57 years.It is indicated that the new system is efficient and economically viable.

Graphical abstract

关键词

固体废弃物 / 资源化利用 / 流程模拟 / 乙酰丙酸 / 小麦秸秆

Key words

solid wastes / utilizing waste as a resource / process simulation / levulinic acid / wheat straw

Author summay

范军毅(2000-),男,硕士生,研究方向为固废资源化利用。

引用本文

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范军毅,陈衡,刘战,高悦,潘佩媛,徐刚,张国强. 基于生物质的乙酰丙酸-电力联产系统性能分析[J]. 现代化工, 2025, 45(S1): 360-365 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S1.065

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联合国经济和社会事务部预测,到2050年,世界人口将达到97亿[1]。随着人口体量与经济规模的不断扩大,能源需求与日俱增。石油、煤炭等化石能源的无节制开采加速了资源枯竭;大气污染物和温室气体的大量排放对生态环境造成了严重破坏[2]。为积极应对环境变化问题,我国提出了到2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的双碳目标。这一目标的提出促进了可再生能源的发展[3]。木质纤维生物质是一种可再生的碳源,包含各种木林竹材及其加工剩余物,以及农作物采收剩余物(如麦秸、甘蔗渣、稻壳、玉米芯),具有储量丰富、分布广泛、廉价易得等优点,可以用来生产液体燃料和化学品。其作为原料既可降低生产成本,又可减少二氧化碳排放,已引起广泛关注[4]。
在以纤维素为底物制备的各种产物中,乙酰丙酸(LA)是一种重要的化学品,是美国能源部确定的12种最有价值的平台化合物之一[5]。乙酰丙酸具有反应性双官能团的性质,是一种含有羰基和羧基的短链脂肪酸,以其为原料生产的化学品具有广泛的市场应用,如生产增塑剂、石油添加剂、芳香剂等。此外,乙酰丙酸是制药、食品香精、聚合物塑料、树脂、纺织、农药化学品、燃料、溶剂和有机合成等行业的重要合成前体[6]。
Kapanji等[7]在传统南非制糖厂的基础上,以甘蔗渣为原料制备乙酰丙酸并进行热电联产,提高了制糖厂的经济效益;Wan等[8]研究了马来西亚背景下利用棕榈类生物质精炼制备乙酰丙酸的可行性,并进行了技术经济分析,发现劳动力成本和预处理过程对该系统具有显著影响;常春[9]考查了温度、酸浓度、液固比、原料粒度和反应时间对乙酰丙酸产率的影响,并研发了以离子交换树脂法和真空精馏结合分离提纯乙酰丙酸的新工艺,最终得到纯度为98%的乙酰丙酸;苏家磊[10]以牛粪为底物制备乙酰丙酸,利用碱处理法对牛粪进行预处理,经预处理后的乙酰丙酸产率明显提高,达到293.8 g/kg,并以KOH为活化剂制备了碳基固体酸催化剂,提出农业废弃物牛粪资源化的新途径。
基于以上研究,本文提出一种利用农业固体废弃物小麦秸秆制取乙酰丙酸,并利用反应后的木质素等生物质固体残渣以及有机废水厌氧发酵后产生的沼气等副产物作为燃料,与生物质电厂进行耦合的方案,并对新系统的能量和经济性关键参数进行分析,其基本组成如图1所示。该系统旨在尽可能减少工艺流程中废物的生成,降低处理成本并发电,从而促进生物质的资源化利用以及农业的可持续发展。

1 系统介绍

基于生物质的乙酰丙酸-电力联产系统流程如图2所示。选用Aspen Plus软件进行流程模拟和计算。非随机双液(NRTL)性质方法用于过程模拟,其既适用于混合物,包括极性液体,如甲酸和水,也适用于形成三元汽液平衡的混合物[1]。

1.1 麦秆制备乙酰丙酸

麦秆制备乙酰丙酸的流程可划分为原料预处理工段、稀酸水解工段、副产品分离工段、乙酰丙酸分离与纯化工段以及酸和萃取剂回收工段。其中原料预处理工段是将原料进行破碎和研磨,只发生了物理变化,且没有压力的变化。因此本文并未对该工段进行模拟,但经济性分析部分考虑了预处理过程中原料破碎及厂区内传送的费用。其处理过程是将小麦秸秆进行研磨,使原料的尺寸降低到5~10 mm,并去除其中含有的金属、灰尘等杂质,然后由传送带送入反应器中[11]。
本文构建了年处理8.9万t小麦秸秆生产乙酰丙酸的工艺流程。所选取的麦秆的工业分析和元素分析如表1所示,其成分分析如表2所示[12]。
利用Aspen Plus对乙酰丙酸制备系统的工艺流程进行建模,其流程图如图3所示。经研磨粉碎后的麦秸在流程图中为流股FEED,另一进料为稀硫酸(流股H2SO4),其质量分数为2%。调整硫酸流股的用量以获得固体物含量为10%的反应器进料。两流股混合后经换热器(模块H1)预热进入产率反应器(模块RYIELD),并在反应器中进行水解,其产率参考Hayes[13]的研究。反应后的产物进入闪蒸罐(模块FLASH)进行闪蒸,其中副产物糠醛、甲酸和水等组分被闪蒸为气相,经GAS物流线流出,其余组分进入换热器H4进行冷却,接着在固液分离器(模块FILTER)进行固液分离,其中未反应的木质素与纤维素、半纤维素等生物质炭经SOLID物流线流出,可作为生物质燃料进行燃烧。液相组分经LIQUID物流线进入萃取柱(模块EXTRACT)。由于甲基异丁基酮(MIBK)、二氯甲烷(DCM)和仲丁醇等有机溶剂已被证明是有效的萃取溶剂[14],因此本研究选用MIBK作为萃取剂,经SOLVENT物流线流入萃取塔对乙酰丙酸进行萃取。在萃取塔中产生的酸性流经流股S19流入蒸馏塔D2,最后含有硫酸的溶液经流股ACIDRECY流出。萃取液经流股S18进入粗馏塔D1(模块DISTL),实现乙酰丙酸的粗分离。绝大部分产品乙酰丙酸和萃取剂MIBK从塔顶流出,经流股S20进入精馏塔D1。其中萃取剂从塔顶经流股S22进入混合器M3与流股S25混合,最后经流股SOLVRECY流出以回收萃取剂。由于挥发性较低,乙酰丙酸从精馏塔D1的塔底排出进入分离器(模块SEP),分离其中的有机副产物如甲酸等以确保其纯度,这些有机副产物是厌氧消化的合适原料[15]。有机残余流流经流股S2,与流股S11混合后经流股TO-AD流出。纯化后的乙酰丙酸经换热器H5冷却至室温,最终得到质量分数为99.2%的产品乙酰丙酸。

1.2 副产物燃烧发电

在制备乙酰丙酸的工艺流程中,未反应的木质素等固体残渣可作为生物质燃料输送至生物质电厂进行燃烧发电。其工艺配置由生物质锅炉、凝汽器、汽轮机以及发电机组成[16]。燃料的来源除了未反应的木质素、纤维素和半纤维素等生物质燃料外,还包括有机废水厌氧消化产生的沼气。生物质锅炉的热效率为85%[17]。一部分蒸汽用于供应工艺流程的热量需求,剩余蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功发电,在满足系统需求后,多余的电力可以进行售卖。

2 模拟结果

对上述设计的麦秆制取乙酰丙酸的工艺流程模型进行严格的物料衡算,并对生产工艺中主要单元的操作参数进行说明。

2.1 物料衡算

物料衡算是基于质量守恒定律,对工艺流程的进、出物料进行质量分析,是进行化工设计、过程经济评价的基础。本研究为稳态模拟,所以不涉及到物质的积累量,物料衡算公式为:输入+产生=输出+消耗。整个麦秆制备乙酰丙酸工艺流程的进出口流股的物料衡算情况见表3。
根据Aspen Plus模拟得到的物流信息,对麦秆制取乙酰丙酸工艺流程进行了物料衡算。由表3中数据可知,在整个工艺中小麦秸秆进料量为17 857 kg/h,最终得到质量分数为99.2%的产品乙酰丙酸,其质量流量为2 372.84 kg/h,即小麦秸秆与乙酰丙酸产品的质量比为7.53∶1。此外,输入流股与输出流股的质量流量保持一致,说明该工艺流程满足质量守恒定律。

2.2 系统参数

乙酰丙酸制备流程中主要单元的操作参数如表4所示。
生物质电厂的基本参数如表5所示。
沼气的生成量是按照TO-AD流股中有机物质量的91%在厌氧发酵过程中被消耗掉,其中85%被转化成沼气计算得出[11]。蒸汽流量由式(1)、(2)确定:
E = η b × ( q m , 燃 料 × L 燃 料 + q m , 沼 气 × L 沼 气 )
q m , 蒸 汽 = E / [ C p × ( T S - T W ) + Δ h + ( h s u p - h v ) ]
式中:E为锅炉从燃料和沼气中提取的能量,MW;ηb为锅炉效率;qm,燃料为生物质燃料的质量流量,kg/h;L燃料为生物质燃料的低位发热量,MJ/kg;qm,沼气为沼气的质量流量,kg/h;L沼气为沼气的低位发热量,MJ/kg;qm,蒸汽为蒸汽的质量流量,t/h;Cp为水的比热容,kJ/(kg·℃);TS为5 MPa时蒸汽的饱和温度,℃;TW为锅炉给水温度,℃;Δh、hsup和hv分别为水的汽化热、过热蒸汽的比焓、饱和蒸汽的比焓,kJ/kg。物性参数如表6所示。

3 结果与讨论

3.1 能量分析

为了便于直观展示系统中的能量流动过程,绘制了系统中各部分的能量流动如图4所示。
对于生物质电厂,为简化分析进行以下假设[19]:①分别将环境温度和压力恒定为25.0℃和101.325 kPa,系统稳态运行;②锅炉排烟温度恒定,锅炉效率不变;③进料速率和发电功率保持恒定,即发电效率保持不变。
生物质电厂净发电效率为:
η e = P e / ( q m , 燃 料 × L 燃 料 + q m , 沼 气 × L 沼 气 )
式中:Pe为发电功率,MW。
已知条件如下:发电功率为10.3 MW;生物质燃料的质量流量为4 883.6 kg/h,低位发热量为15.37 MJ/kg;沼气的质量流量为2 128.3 kg/h,低位发热量为15.56 MJ/kg。计算可得净发电效率为34.3%。

3.2 经济性分析

使用动态投资回收周期和净现值评价新系统的盈利能力与经济可行性。通常,系统的动态回收周期越短,净现值越高,其经济表现越好[20]。计算公式如下:
C N P V = ∑ y = 1 n [ ( C i n - C o u t ) / ( 1 + i d i s ) y ]
∑ y = 1 D P P [ ( C i n - C o u t ) / ( 1 + i d i s ) y ] = 0
式中:CNPV为净现值,元;n为项目周期,年;y为项目实施的年数,年;Cin为第y年的资金流入,元;Cout为第y年的资金流出,元;idis为贴现率;DPP为动态回收周期,年。
本系统的资金投入包括设备投资成本和运维成本。收入来源为乙酰丙酸和电力的售卖。新系统中涉及的设备可以根据工艺要求进行精确设计,也可以参照现有的设备模型,按照设备尺寸进行相应折算[21]。新设备的成本按照规模因子法进行换算,其计算方法如公式(6)[8]所示:
C 2 = C 1 × ( S 2 / S 1 ) f
式中:C1为现有设备的成本,元;C2为换算后新设备的成本,元;S1为现有设备的参数;S2为新设备的参数;f为设备的尺寸因子。
根据文献中相关参数[8,11,19,21],按照公式(6)进行计算可得到各设备的成本,如表7所示。
对于生物质电厂,可对现有锅炉进行改造,其费用为300万元[22]。与表7中所得到的各设备成本相加即可得到总的设备投资成本。
本系统进行经济性分析的基本参数如表8所示。
在施工期间,项目的资金流入Cin为零。在运行年限期间,每年的资金流入为:
C i n = M L A × N × C L A + P e × N × C e
式中:MLA为每小时生产的乙酰丙酸量,t;N为系统的年运行时间,h;CLA为乙酰丙酸的售卖价格,元/t;Ce为电力售价,元/(kW·h)。
在建设期间,项目资金流出等于建设期的设备总投资,其中第一年支出占60%,第二年占40%。在运行年限内,每年的资金流出Cout为:
C o u t = C y + C i t
式中:Cy为运维成本,元;Cit为所得税,元。
由上述公式计算得到的经济性分析结果如表9所示。由表9可知,该系统的动态回收周期为3.57年,净现值为37 961万元,具有较为可观的经济效益。

4 结论

提出了一种利用农业固体废弃物小麦秸秆制取乙酰丙酸系统,并利用反应后的木质素等生物质固体残渣以及有机废水厌氧发酵后产生的沼气作为燃料,与生物质电厂进行耦合,尽可能减少工艺流程中废物的生成,降低处理成本并发电,从而促进生物质的资源化利用以及农业的可持续发展。
(1)利用Aspen Plus软件对麦秆制备乙酰丙酸的工艺流程进行设计并模拟,最终得到质量分数为99.2%的产品乙酰丙酸,原料小麦秸秆与产品乙酰丙酸的质量之比为7.53∶1。
(2)通过系统分析可知,生物质电厂的发电功率为10.3 MW,每年生产的乙酰丙酸量为11 864.2 t,生物质电厂净发电效率为34.3%。
(3)通过经济性分析可知,该系统的动态回收周期为3.57年,净现值为37 961万元,具有较为可观的经济效益。

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