WSKAŹNIKI EFEKTYWNOŚCI PRODUKCJI BIOETANOLU.pdf

(356 KB) Pobierz
TADEUSZ KOMOROWICZ, JANUSZ MAGIERA *
WSKAŹNIKI EFEKTYWNOŚCI WYBRANEJ
INSTALACJI PRODUKCJI BIOETANOLU
EFFECTIVENESS INDICES OF SELECTED
BIOETHANOL PRODUCTION PLANT
Streszczenie
Przedstawiono bilanse materiałowe i energetyczne poszczególnych węzłów technologicznych w zakładzie
produkującym bioetanol z kukurydzy o wielkości przerobu surowca rzędu 1000 Mg/miesiąc. Obliczono
wskaźniki produkcyjne. Stwierdzono, że jednostkowe nakłady energetyczne poniesione w samym tylko
zakładzie stanowią 65% ilości ciepła, którą można odzyskać z bioetanolu w procesie spalania.
Słowa kluczowe: bioetanol, bilans energetyczny produkcji bioetanolu, wskaźniki produkcji bioetanolu
Abstract
The material and energy balances of individual technological nodes in bioethanol production plant of the
corn throughput about 1000 Mg/month have been presented. The process indices have been calculated. It
has been found that only in the works the energy input per bioethanol unit is equal to 65% of its net
calorific value.
Keywords: bioethanol, energy balance of bioethanol production, bioethanol production indices
* Dr inż. Tadeusz Komorowicz, dr hab. inż. Janusz Magiera, prof. PK,
Politechnika Krakowska.
928337298.053.png 928337298.064.png 928337298.074.png
 
136
1. Wstęp
Bioetanol, czyli alkohol etylowy uzyskiwany z rolniczych surowców odnawialnych
(biomasy), stosowany jest jako dodatek do paliw silników spalinowych. Może być on
również stosowany jako surowiec do produkcji eteru etylotertbutylowego, zamiennego
składnika tych paliw. Coraz szersze stosowanie odnawialnych źródeł energii, do których
należy bioetanol, pozwala redukować zużycie paliw kopalnych, których zasoby są
ograniczone. Bioetanol, dzięki swoim cechom, może stać się jednym z najważniejszych
surowców energetycznych przyszłości. Zawiera on w swoim składzie tlen, dzięki czemu
podwyższa liczbę oktanową benzyn. Nie zawiera natomiast siarki i węglowodorów
aromatycznych, takich jak benzen, dzięki czemu gazy spalinowe z mieszanek benzynowo-
-etanolowych zawierają mniej tlenku węgla, węglowodorów, w tym wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych, tlenków azotu, związków siarki i cząstek stałych.
Pojawiają się jedynie dodatkowo nieznaczne ilości kwasu octowego i formaldehydu.
Mniejsza jednostkowa wartość energetyczna etanolu powoduje, że jego zużycie w stosunku
do benzyny jest większe. Ważnym aspektem spalania bioetanolu jest natomiast fakt, że
powstały w tym procesie ditlenek węgla może być całkowicie zaabsorbowany ponownie
w procesie fotosyntezy, podczas wzrostu następnej partii biomasy do produkcji bioetanolu.
Tym samym, w odróżnieniu od ditlenku węgla powstałego ze spalenia benzyny
wyprodukowanej z ropy naftowej, nie powiększy on na stałe ilości ditlenku węgla
w powietrzu i nie wpłynie na zwiększenie efektu cieplarnianego. Produkcja biopaliw
generuje dodatkowe miejsca pracy w rolnictwie i jego otoczeniu. Szacunki przeprowadzone
w różnych krajach UE wskazują, że wyprodukowanie 1000 Mg biopaliw płynnych wymaga
zatrudnienia około 12–16 osób [1]. W kontekście rosnących cen ropy naftowej i
możliwości nieregularnych jej dostaw, produkcja biopaliw powoduje zwiększenie
bezpieczeństwa energetycznego kraju. Strategia rozwoju energetyki odnawialnej [2]
zakłada stopniowy wzrost ilości biopaliw w bilansie energetycznym Polski. Istnieją
również wymogi Unii Europejskiej dla państw członkowskich w tym zakresie [3].
Ilości bioetanolu, które można uzyskać w warunkach polskich z 1 ha upraw przedstawia
tabela 1 [1].
Tabela 1
Wydajność bioetanolu z 1 ha upraw
Gatunek
Plon
[Mg/ha]
Cukier/skrobia
[% suchej masy]
Uzysk bioetanolu
[dm 3 /Mg]
Plon etanolu
[dm 3 /ha]
Pszenica
3,63
59,5
380
1379
Pszenżyto
3,12
56,5
360
1123
Żyto
2,21
54,5
350
773
Kukurydza
6,00
65,0
420
2520
Ziemniak
1,84
17,8
110
2024
Burak c.
3,70
16,0
100
3700
Z danych zawartych w tabeli 1 widać, że największą ilość bioetanolu, w przeliczeniu na
powierzchnię upraw, można uzyskać w przypadku buraka cukrowego i kukurydzy.
W Polsce najwięcej bioetanolu pozyskuje się z kukurydzy. Zakłady produkujące bioetanol
wytwarzają dodatkowo paszę z wywaru, będącego ubocznym produktem procesu.
928337298.001.png 928337298.006.png 928337298.007.png 928337298.008.png 928337298.009.png 928337298.010.png 928337298.011.png 928337298.012.png 928337298.013.png 928337298.014.png 928337298.015.png 928337298.016.png 928337298.017.png 928337298.018.png
 
137
Jednym z kryteriów opłacalności produkcji bioetanolu jest stosunek ilości energii
dostarczonej w procesie produkcji do tej ilości energii, którą można uzyskać podczas
spalania bioetanolu. Proces otrzymywania bioetanolu można podzielić na etapy: uprawy,
produkcji bioetanolu w zakładzie, odwadniania oraz mieszania z benzyną i dystrybucji.
Celem pracy było przeprowadzenie bilansu energetycznego poszczególnych węzłów
technologicznych w jednym z polskich zakładów produkcji bioetanolu i pasz z kukurydzy,
o wielkości przerobu surowca około 1000 Mg/miesiąc i określenie efektywności
energetycznej tego procesu.
2. Bilans miesięczny poszczególnych węzłów produkcyjnych
Bilanse poszczególnych węzłów produkcyjnych ujęto w tabelach 2–7. W bilansie
energetycznym uwzględniono ilość zużytej energii elektrycznej oraz ilość energii cieplnej
dostarczonej za pomocą pary wodnej nasyconej o temperaturze 155°C i cieple kondensacji
równym 2100 kJ/kg. Wzięto więc pod uwagę tylko wtórne nośniki energii, a nie pierwotne,
tj. węgiel, za pomocą którego wyprodukowano prąd elektryczny i mazut, za pomocą
którego wyprodukowano parę wodną w zakładzie.
2.1. Węzeł przygotowania surowca
Masa zakupionej kukurydzy po oczyszczeniu zmniejsza się o około 4%. Kukurydza
zawiera ok. 60% skrobi, która jest właściwym surowcem do produkcji bioetanolu. Dla
prawidłowego doboru parametrów procesu ważne jest dokładne określenie ilości skrobi,
która może ulec przemianie do alkoholu. Rezultaty bilansu masowego i energetycznego dla
tego węzła przedstawiono w tabelach 2 i 3.
Tabela 2
Bilans masowy węzła przygotowania surowca
Ilość kukurydzy
[Mg]
Ilość zanieczyszczeń
[Mg]
Ilość kukurydzy oczyszczonej
[Mg]
Ilość
skrobi
[Mg]
1045,1
41,8
1003,3
602,0
Tabela 3
Bilans energetyczny węzła przygotowania surowca
Czas pracy
urządzeń
Zapotrzebowanie
mocy
Ilość zużytej
energii
Rodzaj procesu
[h]
[kW]
[kWh]
[MJ]
Oczyszczanie
100
59,9
5990,0
Mielenie
348
130,8
45518,4
Razem
51 508,4
185 430,24
928337298.019.png 928337298.020.png 928337298.021.png 928337298.022.png 928337298.023.png 928337298.024.png 928337298.025.png 928337298.026.png 928337298.027.png 928337298.028.png 928337298.029.png 928337298.030.png 928337298.031.png 928337298.032.png 928337298.033.png 928337298.034.png 928337298.035.png 928337298.036.png 928337298.037.png 928337298.038.png
 
138
2.2. Węzeł zacierania
Bilans energetyczny węzła zacierania przedstawiono w tabeli 4.
Tabela 4
Bilans energetyczny węzła zacierania
Ilość energii
[MJ]
Medium
Ilość
Energia elektryczna
81360,0 kWh
292896
Para wodna
1222,44 Mg
2567124
ok. 200 m 3
Woda chłodnicza
Razem
2860020
2.3. Węzeł fermentacji
Miesięczny bilans masowy węzła fermentacji przedstawia tabela 5, a energetyczny
tabela 6. Cała zawartość kadzi zaciernych, po odebraniu tzw. matki drożdżowej w ilości
332,33 Mg, jest przepompowywana do kadzi fermentacyjnych. Kadzie fermentacyjne
muszą być wcześniej dokładnie zdezynfekowane parą wodną. Czas dezynfekcji wynosi 15–
20 min. Ponieważ ilość wydzielającego się CO 2 podczas fermentacji nie jest mierzona,
obliczono ją zgodnie z teoretycznym stopniem konwersji reakcji fermentacji (ze 100 kg
skrobi otrzymuje się teoretycznie 56,8 kg etanolu i 54,3 kg CO 2 , w reakcji bierze udział
woda).
Tabela 5
Bilans masowy węzła fermentacji
Półprodukt/produkt
Ilość
[Mg]
Zacier słodki
4875
Zacier przefermentowany
4548
CO 2
327
Tabela 6
Bilans energetyczny węzła fermentacji
Ilość energii
[MJ]
Medium
Ilość
Energia elektryczna
11520 kWh
41 472
Para wodna
Brak opomiarowania
Woda chłodnicza
Brak opomiarowania
2.4. Węzeł rektyfikacji
Odfermentowany zacier jest podawany do kolumny rektyfikacyjnej poprzez skraplacz,
w którym zacier odbiera ciepło z oparów spirytusu skraplających się w przestrzeni między-
rurowej. Bilans masowy i energetyczny procesu rektyfikacji przedstawiono w tabelach 7
i 8. W etapie tym otrzymuje się 322 246 dm 3 etanolu 92% v/v (w przeliczeniu 296 466 dm 3
etanolu 100%).
928337298.039.png 928337298.040.png 928337298.041.png 928337298.042.png 928337298.043.png 928337298.044.png 928337298.045.png 928337298.046.png 928337298.047.png 928337298.048.png 928337298.049.png 928337298.050.png 928337298.051.png 928337298.052.png 928337298.054.png 928337298.055.png 928337298.056.png 928337298.057.png 928337298.058.png 928337298.059.png 928337298.060.png 928337298.061.png 928337298.062.png 928337298.063.png 928337298.065.png 928337298.066.png 928337298.067.png
 
139
Tabela 7
Bilans masowy węzła rektyfikacji
Ilość
[Mg]
Łączna ilość
[Mg]
Półprodukt/produkt
Zacier przefermentowany
4548
4866
Para wodna (grzanie bezprzeponowe)
318
Destylat (spirytus surowy 92%)
253
4866
Wywar
4613
Tabela 8
Bilans energetyczny węzła rektyfikacji
Ilość energii
[MJ]
Medium
Ilość
Energia elektryczna
6192 kWh
22 291,2
Para wodna
318 Mg
667 800,0
Woda chłodnicza
Brak opomiarowania
Razem
690 091,2
3. Podsumowanie
W tabeli 9 przedstawiono miesięczne zestawienie produkcji, ilość dostarczonej energii
oraz obliczone wskaźniki produkcyjne.
Tabela 9
Miesięczne zestawienie ilości surowców, produktów i dostarczonej energii oraz wskaźniki
produkcyjne
322 246 dm 3
Ilość wyprodukowanego etanolu 92% v/v
296 466 dm 3
Ilość wyprodukowanego etanolu w przeliczeniu na 100%
Sumaryczna dostarczona ilość energii
3 777 0132,24 MJ
29,55 dm 3
Wydajność etanolu (w przeliczeniu na 100%) ze 100 kg kukurydzy
Ilość kukurydzy potrzebna do wyprodukowania 1 dm 3 100% etanolu
3,4 kg
49,25 dm 3
Wydajność etanolu ze 100 kg skrobi (w przeliczeniu na 100%)
Efektywność przerobu skrobi
81%
Ilość energii potrzebna do wyprodukowania 1 dm 3 etanolu w przeliczeniu na
100 % (otrzymuje się etanol 92% v/v)
12,74 MJ
Stosunkowo niski wskaźnik przerobu skrobi wskazuje na nienajlepszą efektywność
przerobową zakładu. Świadczy też o tym porównanie wskaźnika ilości otrzymywanego
etanolu z danymi zawartymi w tabeli 1. Niższy wskaźnik wydajności przekłada się na
wyższy wskaźnik energetyczny jednostkowej produkcji bioetanolu (tab. 9). Podany
wskaźnik miałby jeszcze większą wartość, gdyby odnieść go do pierwotnych nośników
energii (węgiel do produkcji energii elektrycznej, mazut do produkcji pary wodnej w zakła-
dzie). Ze stosunkowo niskiego stopnia przerobu skrobi (81%) widać, że w przypadku jego
zwiększenia wskaźnik energetyczny można by obniżyć nawet o kilkanaście procent. Jeśli
wartość wskaźnika odnieść do wartości opałowej 1 dm 3 czystego etanolu, równej 19,75 MJ,
to widać, że stanowi on ok. 65% tej wartości. Należy dodać, że w artykule nie uwęglę-
928337298.068.png 928337298.069.png 928337298.070.png 928337298.071.png 928337298.072.png 928337298.073.png 928337298.075.png 928337298.076.png 928337298.077.png 928337298.078.png 928337298.079.png 928337298.080.png 928337298.081.png 928337298.082.png 928337298.083.png 928337298.084.png 928337298.085.png 928337298.086.png 928337298.087.png 928337298.088.png 928337298.089.png 928337298.090.png 928337298.091.png 928337298.092.png 928337298.093.png 928337298.094.png 928337298.002.png 928337298.003.png 928337298.004.png 928337298.005.png
 

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin