纤维素乙醇转化评价体系的建立及利用其对秸秆颗粒的探索

【摘要】：目前,以纤维质原料生产纤维素乙醇尚处于研究和示范工厂阶段,原料供应和技术转化问题一直是制约其产业化的主要瓶颈。我国主要以农作物秸秆为原料生产纤维素乙醇,面对众多的生物质原料,缺乏相关技术评价体系对其进行筛选和评价。 纤维素乙醇的生产方法有水解法和热化学法,水解法是指将原料中的多糖转化为乙醇；热化学法是将原料气化得到的合成气转化为乙醇,目前运用较多的技术是水解法。纤维素是线性长链大分子聚合结构,其分子通过大量氢键聚合,使得其结构稳定,因此需要先将其预处理,之后将纤维素转化为六碳糖,半纤维素转化为五碳糖,最后将糖类发酵为乙醇。本文遵循化工技术经济的分析决策过程,初建纤维素乙醇转化评价体系,运用德尔菲法、频度分析法、层次分析法等评价方法确定评价指标,建立技术指标等3个一级指标,原料组成、生产过程等7个二级指标,纤维素含量、转化装置规模、燃料化利用率、原料成本、纤维素乙醇目标价格、CO2排放等22个三级指标为评价指标体系；根据对专家调查表的统计,得到各评价指标的权重并根据权重大小确定该体系的主要评价指标,得出纤维素乙醇转化率(w=0.1994)、转化装置规模(w=0.1040)、纤维素酶成本(w=0.0595)、纤维素含量(w=0.0581)、原料成本(w=0.0510)、CO2排放(w=0.0448)以及半纤维素含量(w=0.0434)等主要评价指标。对小麦秸秆、玉米秸秆、甜高粱秸秆等三种农作物秸秆进行筛选分析,得出每种原料的最适宜转化路线;并根据层次分析法对三种原料打分,得到综合得分小麦秸秆(0.1551)、玉米秸秆(0.2034)和甜高粱秸秆(0.1416),可见玉米秸秆的综合得分稍高,而且玉米秸秆的生物质含量和纤维素转化率较高,重点分析玉米秸秆的原料供应模式。 对现有农作物秸秆的原料收-储-运体系调研分析,发现存在一些问题：玉米秸秆的收获受季节性制约,不能做到原料的稳定性供应；由于玉米秸秆体积较大,需占用较大的储存面积和较多的运输车辆；另外玉米秸秆的安全储存也尤为重要,纤维素乙醇的转化对原料品质(如含水量要求20%以下、是否夹杂泥土、是否发生霉变等)的要求较高,所以现有原料供应模式在玉米秸秆的收购、储存、运输各个环节尚存在很大的改进空间。针对此,提出将原料颗粒化作为纤维素乙醇的原料,据调查,玉米秸秆颗粒化对原料的生物质组成没有改变。通过对玉米秸秆颗粒制纤维素乙醇从生物质含量变化和原料供应成本方面进行的分析和评价,得出秸秆颗粒化后,原料纤维素含量为38.75%,与颗粒化之前的39.41%相比差别不大,可见颗粒化并不影响其生物质含量,具备技术可行性；而且原料颗粒化后可增加其储存密度而压缩其储存体积,减少原料储存空间并且对运输所需的车辆也大大减少,并且使原料的保存周期增长,使原料的收购不再受季节性影响。结合目前实际运用的纤维素乙醇转化方法,确定秸秆颗粒的合理转化工艺路线,从而解决了目前原料收-储-运体系存在的高成本问题,为后续纤维素乙醇的原料供应模式提供思考。 【关键词】：纤维素 半纤维素 木质素 纤维素乙醇 玉米秸秆 化工经济学 评价指标 秸秆颗粒 收-储-运体系 供应模式
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ352.7
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 文献综述16-36
• 1.1 纤维素乙醇的发展背景16-21
• 1.1.1 我国生物能源的发展政策17-19
• 1.1.2 纤维素乙醇的发展现状19-21
• 1.2 纤维素乙醇的原料种类21-26
• 1.2.1 农作物秸秆22-24
• 1.2.2 能源作物24-26
• 1.3 纤维素乙醇的转化步骤26-31
• 1.3.1 纤维质结构26-27
• 1.3.2 转化工艺27-31
• 1.4 评价理论与方法31-33
• 1.4.1 确定评价指标31-32
• 1.4.2 评价方法32-33
• 1.5 本文研究目的和内容33-36
• 1.5.1 研究目的33
• 1.5.2 研究内容33-36
• 第二章 纤维素乙醇转化评价体系的建立36-50
• 2.1 初建纤维素乙醇转化评价指标体系36-37
• 2.2 纤维素乙醇转化评价指标体系的各指标权重计算37-44
• 2.2.1 建立层次结构模型37-38
• 2.2.2 重要性赋值38-39
• 2.2.3 构造判断矩阵39
• 2.2.4 权重计算39-44
• 2.3 纤维素乙醇转化评价体系在原料筛选上的运用44-48
• 2.3.1 评价秸秆原料44-45
• 2.3.2 评价结果分析45-48
• 2.4 本章小结48-50
• 第三章 农作物秸秆供应模式及存在问题分析50-60
• 3.1 农作物秸秆资源及利用现状50
• 3.2 农作物秸秆的收-储-运模式50-56
• 3.2.1 玉米秸秆的收购要求52-54
• 3.2.2 玉米秸秆的储存模式54-56
• 3.3 存在问题分析56-57
• 3.4 本章小结57-60
• 第四章 秸秆颗粒制纤维素乙醇分析60-70
• 4.1 秸秆颗粒的应用现状60-63
• 4.2 原料成型工艺63-64
• 4.2.1 秸秆颗粒工艺流程63-64
• 4.2.2 秸秆颗粒加工设备64
• 4.3 秸秆颗粒制纤维素乙醇的生物质含量分析64-66
• 4.3.1 颗粒化前后的工艺路线对比65-66
• 4.3.2 颗粒化前后生物质含量对比66
• 4.4 秸秆颗粒制纤维素乙醇的原料供应成本分析66-68
• 4.4.1 玉米秸秆颗粒的产品成本67
• 4.4.2 玉米秸秆和玉米秸秆颗粒制纤维素乙醇的成本对比67-68
• 4.5 秸秆颗粒制纤维素乙醇的适用路线选择68
• 4.6 发展秸秆颗粒的社会效益68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 第五章 结论与展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-78
• 研究成果及发表的学术论文78-80
• 作者和导师简介80-81
• 附件81-82

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