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Understanding Ethanol Combustível Produçăo e Uso ISBN: 0-86619-203-4 [C]1984, Voluntários em Ajuda Técnica,
PREFACE
Este papel é um de uma série publicada por Voluntários dentro Técnico Ajuda para prover uma introduçăo a estado-de-o-arte específica tecnologias de interesse para pessoas em países em desenvolvimento. É pretendida que os documentos săo usados como diretrizes para ajudar pessoas escolhem tecnologias que săo satisfatório ŕs situaçőes deles/delas. Năo é pretendida que eles provęem construçăo ou implementaçăo săo urgidas para as Pessoas de details. que contatem VITA ou uma organizaçăo semelhante para informaçăo adicional e ajuda técnica se eles achado que uma tecnologia particular parece satisfazer as necessidades deles/delas.
Foram escritos os documentos na série, foram revisados, e foram ilustrados quase completamente por VITA Volunteer os peritos técnicos em um puramente basis. voluntário Uns 500 voluntários eram envolvidos na produçăo dos primeiros 100 títulos emitidos, enquanto contribuindo aproximadamente 5,000 horas do time. deles/delas o pessoal de VITA incluiu Leslie Gottschalk como editor primário, Julie Berman que controla typesetting e plano, e Margaret Crouch como gerente de projeto.
Precipício Bradley e Ken Runnion, co-autores deste papel, especialize em álcool combustível produçăo tecnologias. Bradley é um microbiologist e Runnion engenheiro químico a Renovável Tecnologias, Inc. Eles publicaram vários manuais práticos e folhetos no campo, e está pesquisando atualmente e métodos novos desenvolvendo de melhorar o processo de hydrolysis de goma requerida para produçăo de combustível de álcool. Revisores de Kenneth Brunot, C. Gene Haugh, e Daniel Ingold também săo os especialistas dentro o area. Brunot, vice-presidente sęnior para Wright Technology, era antigamente o presidente de Wright Energy Corporaçăo de Nevada onde ele especializada em estudos relativo a ethanol produçăo usar energia de geothermal para exigęncias de energia de processo. cabeças de Haugh + Departamento de Engenharia Agrícola a Politécnica de Virgínia Institute. Ingold é um biophysicist treinando e um engenheiro de pesquisa a Corporaçăo de Tecnologia Apropriada.
VITA é uma organizaçăo privada, sem lucro que apóia as pessoas trabalhando em problemas técnicos em países em desenvolvimento. ofertas de VITA informaçăo e ajuda apontaram a ajudar os indivíduos e grupos para selecionar e tecnologias de instrumento destinam o deles/delas situations. VITA mantém um Serviço de Investigaçăo internacional, um centro de documentaçăo especializado, e uma lista computadorizada de voluntário os consultores técnicos; administra projetos de campo a longo prazo; e publica uma variedade de manuais técnicos e documentos.
EU. INTRODUÇĂO
Este papel descreve a produçăo e uso de ethanol (álcool etílico) como um fuel. líquido é A produçăo de ethanol um bem estabelecido tecnologia; porém, o uso de ethanol como um líquido combustível é um assunto complexo.
Ethanol era um dos primeiros combustíveis usada em engines. automóvel Isto era extensivamente usado na Alemanha durante Segunda Guerra Mundial e também em Brasil, a Filipinas, e os Estados Unidos. Durante o pós-guerra período, como materiais de petróleo ficaram baratos e abundantes, gasolina substituiu ethanol em grande parte como um fuel. Not automóvel até os anos setenta, quando a provisăo de óleo era restringida, fez ethanol re-emergem como uma alternativa para ou extender para petróleo-baseado combustíveis líquidos (ethanol como um extender é acrescentado a estes combustíveis para aumentar o volume deles/delas). Today, 12 países produzem e use uma quantia significante de ethanol. Por exemplo, Em Brasil um terço dos usos de automóveis daquele país puro ethanol como combustível; + permanecendo duas terceiras misturas de uso de gasolina e ethanol. França, os Estados Unidos, Indonésia, a Filipinas, Guatemala, Costa Pica, Argentina, a República de África do Sul, Quęnia, Tailândia, e o Sudăo é outros países com governo ou privado ethanol abastecem programs. Os programas săo projetados para reduzir um a dependęncia de país em combustível importado caro e ajudar dentro criando uma indústria de combustível doméstica nova.
Puro ethanol podem substituir gasolina em faísca-igniçăo modificado máquinas, ou pode ser misturado com gasolina a até 20 por cento concentraçăo para abastecer máquinas de gasolina inalteradas. Mistura de
saques dois propósitos: (1) estende gasolina provę, e (2) como um enhancer de octano, substitui dianteira compőe em gasolina. Ethanol também pode ser usado em diesel modificado (igniçăo de compressăo) máquinas; porém, isto năo é comum.
A produçăo e uso de ethanol de combustível podem servir uma variedade indiretamente de needs. Em um nível nacional, ethanol podem melhorar equilíbrio de pagamentos deslocando petróleo importado com domestically fuel. produzido Isto pode prover emprego rural também aumentado e mercados alternativos para artigos agrícolas. Em uma comunidade ou nível individual, ethanol abastecem produçăo é freqüentemente vista como uns meios para ficar independente de combustíveis comprados, para mantenha dinheiro dentro da economia local, e prover um seguro provisăo de combustível no caso de escassezes de combustíveis de petróleo.
II. PRINCÍPIOS OPERACIONAIS
PRODUÇĂO DE ETHANOL
Ethanol abastecem produçăo é uma combinaçăo de biológico e físico processes. Ethanol é produzido por fermentaçăo de açúcares com yeast. é concentrado para abastecer grau por distillation. Figure 1
é uma representaçăo esquemática dos passos principais em combustível produçăo de ethanol.
Feedstocks, as matérias-primas básicas, săo ou adoce ou engomar-contendo crops. Estes " Colheitas " de Combustível de Biomassa (tubérculo e grăos) geralmente inclua beterrabas de açúcar, batatas, milho, trigo, cevada, Alcachofras de Jerusalém, e doce sorgo. Sugar colheitas como săo cana-de-açúcar, beterrabas de açúcar, ou doce sorgo para produzir uma soluçăo açúcar-contendo que pode ser fermentada diretamente por yeast. Starch devem ser levados a cabo feedstocks, porém, um passo de conversăo adicional.
Goma é um polímero de cadeia " longo " de glicose (i.e., muitas glicose unidades de polímero uniram em uma cadeia). Gomas de năo podem ser diretamente fermentada a ethanol. Eles devem ser quebrados primeiro abaixo no unidades de glicose mais simples por um processo de hydrolysis. No hydrolysis pisam, engome săo moidos feedstocks e misturado com molhe para produzir um triture contendo 15 a 20 por cento tipicamente starch. O triture está entăo cozido a ponto de ebuliçăo ou sobre e tratada em seqüęncia com duas preparaçőes de enzima. O primeiro hydrolyzes de enzima engomam moléculas a cadeias curtas; o segundo hydrolyzes de enzima as cadeias curtas para glicose. O triture é entăo esfriada a 30[degrees] C, e fermento é somado.
Fermentos săo microorganismos que produzem ethanol. Estes microorganismos é capaz de converter açúcar em álcool por um biológico processo chamado fermentaçăo. A equaçăo seguinte mostra o
reaçăo biológica básica na conversăo através de fermentaçăo de um quilograma de glicose para ethanol, gás carbônico, e calor:
Teoricamente, a eficięncia de conversăo de máximo de glicose para ethanol é 51 por cento em uma base de peso. However, alguma glicose é usada pelo fermento para a produçăo de massa de cela e para metabólico produtos diferente de ethanol. Em prática, entre 40 e 48, por cento de glicose é convertida a ethanol. Com um 45-por cento eficięncia de fermentaçăo, 1,000 quilogramas de açúcar de fermentable, produza aproximadamente 570 litros de puro ethanol. Conversely, aproximadamente 1,800, săo exigidos quilogramas de açúcar de fermentable produzir 1,000 litros de ethanol. Mash contęm tipicamente entre 50 e 100 gramas de ethanol por litro (5 a 10 peso de por cento por volume) quando fermentaçăo está completa.
Ethanol está separado de triture através de destilaçăo--um processo físico em qual os componentes de uma soluçăo (neste caso, água e ethanol) está separado através de diferenças em ponto de ebuliçăo ou pressăo de vapor.
Ethanol e forma de água um azeotrope, ou soluçăo fervente constante, de cerca de 95 álcool de por cento e cinco água de por cento. O cinco água de por cento năo pode ser separada através de destilaçăo convencional. A produçăo de puro, água-livre (anhydrous) ethanol requer para um passo de desidrataçăo destilaçăo seguinte. Desidrataçăo de , um passo relativamente complexo em ethanol abastece produçăo, é realizado em um de dois ways. O primeiro método usa um terço líquido, geralmente benzeno que é acrescentado ao ethanol / molhe mixture. Isto muda as características ferventes do soluçăo, permitindo separaçăo de ethanol de anhydrous. O segundo método emprega peneiras moleculares que selectively absorvem água em a base da diferença em tamanho molecular entre água e ethanol.
Os sólidos de non-fermentable em destilou triture (stillage) contenha quantias variáveis de fibra e proteína, dependendo do feedstock. O líquido também pode conter proteína solúvel e outros nutrientes. A recuperaçăo da proteína e outros nutrientes em stillage para uso como alimento de gado pode ser essencial para econômico ethanol abastecem production. Proteína conteúdo variará com feedstock. Um pouco de grăos (por exemplo, salgue, cevada) rendimento um subproduto sólido --destilador secaram grăos (DDG)--que varia de 25 a 30 por cento proteína e faz um alimento excelente para gado. Se o processando equipamento é construída de imaculado acere e processando é levada a cabo debaixo de condiçőes bem-controladas, a proteína, subprodutos também podem ser consumidos por humanos.
A produçăo de ethanol também produz effluent líquido que é um problema de poluiçăo potencial. que aproximadamente 9 litros de effluent săo produzida para cada litro de ethanol. Em plantas bem-projetadas, alguns do effluent pode ser reciclada. Effluent pode ter um alto Biológico Demanda de oxigęnio (BOD) que é uma medida de água orgânica potencial de poluiçăo, e é ácido. que requer para tratamento antes de discharge. Tratamento exigęncias dependa de feedstock e regulamentos de controle de poluiçăo locais. por causa do conteúdo ácido, cuidado deve ser tomado se o effluent é esparramado em cima de campos.
ETHANOL END USO
Ethanol é um líquido de alta qualidade, estável. Alguma da substância química e săo resumidas propriedades físicas de ethanol em Mesa 1.
Mesa de 1. Resumo de Propriedades de Ethanol
Propriedade Ethanol
Fórmula química.............................. [C.SUB.2][H.SUB.5]OH
Peso molecular.............................. 46.07
Densidade (20[degrees] C)....................... 0.791 G/CC
Ponto de ebuliçăo [um]............................. 78.5[DEGREES] C
Calor de Combustăo [b]........................ 5625 KCAL/1
Calor de Vaporizaçăo [c]...................... 9.225 KCAL/MOLE
Octano que Taxa................................. 106-108
Stoichiometric Air/Fuel Relaçăo [d]............. 9/1
[ponto de ebuliçăo de a] é a temperatura a qual umas mudanças líquidas Fase de e se torna um gás; o ponto a qual a pressăo de vapor do líquido iguala a pressăo de vapor do sistema.
[b] Aquecem de combustăo é a quantia de calor emitida quando um unidade quantidade de qualquer hidrocarboneto (por exemplo, ethanol) está queimado para gás carbônico e água.
[c] Aquecem de vaporizaçăo é a contribuiçăo de calor exigiu mudar líquido a seu ponto de ebuliçăo para um vapor ŕ mesma temperatura (por exemplo, molhe ŕs 100[degrees] C para cozinhar em vapor ŕs 100[degrees] C).
[d] A relaçăo de air/fuel de stoichiometric é a quantia de ar necessário completamente oxidar (queime) o combustível.
Ethanol Use em Máquinas
Ethanol geralmente é usado em transporte e agricultura abastecer combustăo interna, quatro-ciclo, máquinas de faísca-igniçăo. É usado como uma substituiçăo direta para gasolina, ou está misturado com gasolina como um extender e propugnador de octano.
O uso de ethanol para substituir gasolina requer modificaçőes para + carburador, combustível componentes de sistemas, e freqüentemente a compressăo ratio. que A conversăo eficiente de máquinas de gasolina existentes requer técnicos qualificados, educados.
Máquinas especificamente projetaram e fabricaram para operar em combustível de ethanol geralmente será mais eficiente que modificou gasolina engines. concentraçőes de Ethanol de entre 80 e 95 por cento pode ser usada como combustível que elimina a necessidade para sofisticado sistemas de desidrataçăo e simplifica destilaçăo. Em muitos casos, a conversăo de máquinas para operar em ethanol pode ser mais simples e mais custo eficiente que desidrataçăo de ethanol. A desvantagem de conversăo de máquina é aquela distância de viagem de veículo está limitada pela provisăo disponível e distribuiçăo de ethanol.
Alguns " sistemas de combustível " duais--quer dizer, máquinas com um carburador que ou possa operar em ethanol ou em gasolina--foi desenvolvida em um basis. limitado No Brasil, uma porçăo significante do transporte rápido usa ethanol abastecem especialmente em automóveis com máquinas projetadas, fabricadas por automóvel internacional principal, companhias.
Em máquinas inalteradas, ethanol podem substituir até 20 por cento de + gasoline. Blending ethanol com gasolina estende a gasolina proveja, e melhora a qualidade de gasolina aumentando seu octano value. Como um enhancer de octano, ethanol podem substituir dianteira combinaçőes em gasoline. There săo vantagens a usar gasolina / ethanol mistura em lugar de puro ethanol. Misturas de năo requerem máquina modification. Em deste modo, podem ser integrados ethanol rapidamente com provisăo de gasolina existente e sistemas de distribuiçăo. Substituindo dianteira compőe com ethanol remove um do diretor areje problemas de poluiçăo associados com gasolina.
A desvantagem de usar misturas de ethanol/gasoline é que o ethanol devem ser anhydrous, enquanto requerendo um passo de desidrataçăo em produçăo. Se ethanol de non-anhydrous está misturado com gasolina, o misturas separarăo em uma fase de gasolina e um water/ethanol fase, causando desempenho de máquina irregular.
Além de seu uso em automóveis gasolina-abastecidos e em caminhăo ou máquinas de trator, podem ser usados ethanol em outros tipos de engines. por exemplo, pequeno, máquinas de gasolina de quatro-ciclo acharam dentro equipamento agrícola em pequena escala (por exemplo, lavradores, tratores pequenos) possa queimar freqüentemente 80 a 95 ethanol de por cento como uma substituiçăo direta para gasoline. requerem Tais máquinas alimentadas por ethanol modificaçőes mínimas.
O uso de ethanol em máquinas de dois-ciclo especialmente projetadas tem demonstrada em uma base limitada. O problema de usar ethanol nestes máquinas é que o ethanol năo mistura bem com oil. lubrificando para ir ao redor deste problema, pesquisa está abaixo modo para achar lubrificando óleos que năo săo afetado através de ethanol.
Embora ethanol usem em máquinas diesel-abastecidas é possível, tem seu limitations. Ethanol năo acende debaixo de compressăo e năo misture bem com combustível de diesel. Therefore, ethanol năo podem ser usada como uma substituiçăo direta para combustível de diesel ou misturado com combustível de diesel para uso em máquinas de igniçăo de compressăo. Ethanol pode só seja usada como uma substituiçăo para combustível de diesel se a máquina é provido com tomadas de brilho.
Ethanol pode ser gastado em motores dieseis superalimentados para aproximadamente 25 por cento do combustível total. Isto é terminado levando o ethanol em um tanque de gasolina separado e injetando isto no diesel máquina por uma corrente de ar de supercharger.
Ethanol também pode substituir combustível de aviaçăo em máquinas de aeronave.
Ethanol Use em Eletrodomésticos
Ethanol pode ser usado em uma variedade de cozinhar, aquecendo, e iluminar appliances. Em alguns casos, ethanol podem ser usados dentro modificou eletrodomésticos projetaram para combustíveis convencionais. Em outros casos, săo requeridos eletrodomésticos especificamente projetados para combustível de ethanol.
III. VARIAÇŐES DE DESÍGNIO DE PLANTA
Esta seçăo descreve os processos e equipamento brevemente necessário para cada passo principal em ethanol abasteça produçăo. Isto também provę uma discussăo geral das economias de combustível de ethanol production. que năo é significado prover informaçăo específica em desígnio de planta.
Processos e equipamento grandemente variam, enquanto dependendo de feedstock, o precise para hydrolysis de goma, ethanol terminam uso, apoio disponível, utilidades, fonte de energia de processo, uso de subproduto, e planta balança.
PROCESSO DE FEEDSTOCK
Estudos de desígnio de planta indicam que uma economia de balança existe para um 30,000,000 gal/year plantam produzindo hidratou (190 prova) ethanol e co-gerador, i.e., utilizando em-local gás turbina gerador jogos abasteceram com ethanol hidratado para prover associado poder precisa para o plant. A turbina esvazie gás poderia ser usado obter vapor de alto-pressăo e a turbina quente gasta esvaziam poderia ser usado gás em curso subproduto Provisăo de operations. secante produzir subprodutos de processo (destilador secaram grăos (DDG), gás carbônico, e fusel lubrificam deveriam ser incluídos componentes no desígnio global para maximizar efetividade de custo.
O tipo de feedstock escolhido para ethanol abastece produçăo tem um impacto significante em desígnio de planta. Ethanol é produzido de um variedade de açúcar - ou engomar-contendo colheitas, com modificaçőes, no desígnio dos processos de preparaçăo de feedstock. O săo exigidas modificaçőes acomodar as propriedades físicas do feedstock, como também a natureza do carboidrato (i.e., adoce contra goma).
Equipamento de preparaçăo é necessário moer, pulverizador ou extrato, + feedstock antes de pudesse ser processado. Milling equipamento para preparaçăo de feedstock varia, enquanto dependendo de tais características do feedstock como umidade estrutura contente, física, e conteúdo de fibra.
Engome Hydrolysis
Feedstocks engomar-contendo requerem equipamento de hydrolysis de goma inclusive tanques, aquecimento e sistemas refrescantes, sistemas de agitaçăo, bombas de transferęncia, e monitorando instrumentos. feedstocks Engomado tenha que ser moida antes de hydrolysis a um tamanho de partícula que pode atravesse uma tela de 20-malha.
Vapor circulado por exchangers de calor é os meios mais comuns de aquecimento o triture; entăo, engome hydrolysis que aquece exigęncias deve ser incluída em capacidade de caldeira de planta.
Esfriando o triture de ferver a temperatura de fermentaçăo (aproximadamente 30[degrees] C) geralmente o fator determinando em exchanger de calor design. Isto é especialmente verdade em climas tropicais onde a temperatura ambiente da água refrescante é relativamente alto.
Os sistemas de agitaçăo para tanques de hydrolysis de goma devem ser adequados misturar viscoso (grosso) engome soluçőes eficazmente. Quando goma está aquecida em água, forma um gel muito grosso. Starch gelatinization é essencial para hydrolysis enzimático eficiente. Misturando completos de goma de gelled trituram é necessário assegurar troca de calor eficiente e atividade de enzima.
Equipamento monitorando para hydrolysis de goma inclui termômetros medir trituram temperatura e temperatura de vapor, e pressăo medidas para medir trituram pressăo se pressurizou hydrolysis de goma sistemas săo used. Tests para medir a eficięncia de hydrolysis de goma também é em geral necessary., o feedstock é + elemento mais importante determinando as economias de ethanol produçăo, e hydrolysis de goma ineficiente podem ter um impacto econômico principal em produçăo de ethanol.
Engome sistemas de hydrolysis săo de dois tipos gerais: sistemas de grupo e systems. Grupo sistemas contínuos consistem em tanques que săo classificada segundo o tamanho em relaçăo a tanque de fermentaçăo capacidade e tempo segurando. O tanque é equipado com exchangers de calor, normalmente interno, rolos que circulam vapor e água refrescante. O triture é agitada por um motor equipado com reduçăo de engrenagem e misturando impellers. Transfer bombas capaz de controlar um nível alto de săo usados sólidos para transferir o triture de fermentaçăo tanks. Com feedstocks muito viscoso, troca de calor e tritura agitaçăo é realizada bombeando o triture por um exchanger de calor externo e atrás nos tank. Grupo sistemas é operada por enchendo o tanque, levando a cabo o processo de multistep de enzima, hydrolysis, e bombeando entăo o inteiro triture volume em fermenters.
Sistemas de hydrolysis de goma contínuos requerem mais sofisticado equipamento, mas eles săo normalmente mais eficientes. sistemas Contínuos geralmente use " fogőes de jato " em qual tritura e origina de é misturada debaixo de pressăo a temperaturas de 105 a 150[degrees] C. Water, feedstock, e enzima é alimentada em um tanque de premix a um controlado taxe, aquecido, e bombeou debaixo de pressăo pelo jet. O triture é persistida em pressăo alta e temperaturas altas durante alguns minutos, entăo libertada do fogăo a segurar tanques onde é esfriada e enzima adicional é somada. O triture é transferida entăo para fermenters. A pressăo alta e temperatura destes sistemas resultam em gelatinization de goma mais eficiente e hydrolysis. Estes sistemas requerem caldeiras de alto-pressăo e relativamente sistemas sofisticados por manter o triture debaixo de pressăo. Equipamento é de tamanho em base de capacidade de fermenter de planta e tritura tempo de residęncia em fogőes.
Fermentaçăo
Fermentaçăo acontece em tanques equipados com agitaçăo e aqueça exchangers para remover o calor gerado por fermentaçăo. Tanque tamanho está baseado na concentraçăo de açúcar dentro o triture, tempo de fermentaçăo, concentraçăo de ethanol final, e produçăo de planta taxa.
Final tritura concentraçăo de ethanol é uma funçăo direta de triture adoce concentration. Dentro dos limites de feedstocks e fermento tolerância de ethanol, concentraçőes de ethanol mais altas săo desejáveis. Máximo tritura concentraçăo de ethanol é aproximadamente 10 peso de por cento por volume. A concentraçőes mais alto que 10 por cento, fermento é killed. Generally, feedstocks com conteúdo de umidade alto e açúcar ou engoma concentraçőes menos que podem ser fermentadas 20 por cento sem dilution. Feedstocks com goma alta ou açúcar concentraçőes requerem diluiçăo. que O açúcar será desperdiçado se o concentraçăo está mais da quantia necessário produzir o quantia de máximo de ethanol tolerada pelo fermento.
Fermentaçăo requer tipicamente de 12 a 72 horas que dependem em a quantia de fermento começava fermentaçăo e triturava açúcar normalmente săo equipadas Plantas de concentration. com fermentaçăo múltipla tanques no horários cambaleantes para prover um contínuo proveja de fermentou triture para destilaçăo.
Um dos problemas mais significantes em produçăo de ethanol, especialmente em plantas em pequena escala, é contaminaçăo de triture por Bactérias de bacteria. utilizam açúcares que seriam convertidos caso contrário para ethanol. desígnio de planta Bom e fermentaçăo eficiente possa controlar wihout de contaminaçăo que recorre a esterilizaçăo cara sistemas.
Destilaçăo
Sistemas de destilaçăo ou podem ser grupo ou contínuo. Escolhendo um sistema ou o outro está baseado em balança de planta. Ambos os tipos requeira sistemas de aquecimento, normalmente vapor (que pode ser de baixo-pressăo caldeiras), uma coluna de destilaçăo, e um condensador. Figure 2 mostra schematics destes dois tipos de sistemas.
Tamanho de coluna de destilaçăo e taxa de produçăo de ethanol săo baseado em a concentraçăo de ethanol nos fermentaram tritura, fermentaçăo capacidade, e horários de produçăo. plantas Em pequena escala--até aproximadamente 100,000 litros produçăo de ethanol anual--possa eficazmente use sistemas de destilaçăo de grupo. Em sistemas de grupo, o inteiro triture volume é passado, ou carregou, para um recipiente grande chamado um ainda, que é entăo heated. Os vapores săo permitidos passar no destilaçăo column. Though sistemas de grupo săo menos eficiente que sistemas de destilaçăo de alimento contínuos, eles săo muito mais fáceis para construa e opere.
Em sistemas de alimento contínuos, fermentou triture é bombeada a um controlado taxe na coluna de destilaçăo, com calor introduzido, ao fundo da coluna. Provisăo de é feita ao topo de a coluna para alimentar unprocessed tritura atrás pelo sistema. Deveriam ser usadas colunas de alimento contínuas em amplas plantas onde a eficięncia melhorada justifica a complexidade somada.
Desidrataçăo
O uso planejado do ethanol determina a necessidade por desidrataçăo sistemas para remover a cinco água de por cento que năo pode ser separou por distillation. Se ethanol será misturado com gasolina, desidrataçăo é requerida. A presença de água em resultados de gasolina-misturas de ethanol em separaçăo de fase em armazenamento ou combustível que Desidrataçăo de tanks. năo é requerida se ethanol é ser substitua gasoline. Ethanol pode ser usado diretamente dentro modificou máquinas a concentraçőes de entre 80 e 95 por cento.
Recuperaçăo de subproduto
Săo recuperados subprodutos sólidos de stillage com solid/liquid separaçăo equipment. que Este equipamento pode percorrer de simples telas para tal equipamento complexo como centrífugas ou filtros de vazio. Proteína solúvel em stillage magro pode ser recuperada por evaporation. Se subprodutos serăo armazenados ou serăo transportados distâncias significantes, secar é necessário. Stillage com alto pode ser alimentado freqüentemente diretamente conteúdo de umidade a gado a ou se aproxime o local de produçăo de ethanol com separaçăo mínima ou processando.
Tratamento de Effluent
Produçăo de cada volume de ethanol de combustível gerará aproximadamente nove volumes de effluent. que UMA porçăo do effluent pode ser reciclada e usado diluir feedstocks de concentraçăo alto. However, até mesmo se o effluent é reciclado, ainda pode causar um significante poluiçăo problem. para evitar poluiçăo de água de superfície ou água de chăo, o effluent tęm que sofrer degradaçăo de microbiological; quer dizer, o assunto orgânico prejudicial conteve dentro o effluent devem ser demolidos antes do effluent está disposto de. Isto é anaerobiamente terminado, aerobiamente, ou por um seqüente combinaçăo dos dois métodos. que degradaçăo de Effluent normalmente é feita em uma lagoa de tratamento simples, seguida por uma estabilizaçăo, lagoa, se necessary. Alternatively, o effluent podem ser alimentados digesters de biogas, combinando produçăo de energia com tratamento desperdício.
Utilidades
Produçăo de Ethanol requer água, combustível de caldeira, e transporte para feedstock, ethanol, e subprodutos. Eletricidade de pode ser corra bombas, motores ativos, controles de processo, e instrumentaçăo, mas há muitas unidades ao longo do mundo que produza até 10,000 galőes por ano sem Água de electricity.
é requerida para triture diluiçăo e esfriando em exchangers de calor usaram com sistemas de hydrolysis de goma, fermenters, e condensador.
Caldeiras geravam vapor de processo requeira um barato, de baixa qualidade abasteça como gás natural, biogas, biomassa, carvăo, residual, lubrifique, ou bagasse (bagasse é esmagado cana-de-açúcar ou refugo de beterraba de fabricaçăo de açúcar) . combustíveis líquidos De alta qualidade ou eletricidade săo antieconômico e ineficiente para uso como combustível de caldeira. Finally, o feedstock precisa ser transportado ŕ planta; e os produtos, ethanol e subproduto alimento animal, precise ser transportada para o ponto de uso.
As exigęncias de energia de processo para ethanol abastecem produçăo varie dependendo amplamente de equipamento, desígnio de processo, e feedstock. O produçăo de um litro de ethanol com um valor de aquecimento de 5,625 Kcal/liter requereria 800 a 1,200 Kcal tipicamente por cozinhar, 1,300 a 1,500 Kcal para destilaçăo, 800 a 1,000 Kcal para desidrataçăo, e aproximadamente 300 Kcal para operar motores ativos e pumps. O secando de subprodutos da produçăo de um litro de ethanol poderia requerer um 600 a 700 Kcal. adicional O produçăo de ethanol de anhydrous e subprodutos secados de grăo--representando a gama alta para energia de processo--vá requeira 2,800 a 3,800 Kcal/liter. A produçăo de 90 por cento ethanol de feedstock de açúcar sem subproduto que seca--representando a baixa gama para energia de processo--requereria 1,600 para 1,800 Kcal/liter.
A disponibilidade e o custo de utilidades săo fatores críticos ambos na balança e as economias de álcool production. Dois fatores contribuíram ao fracasso de projetos de combustível de ethanol em countries: em desenvolvimento (1) plantas para a produçăo de ethanol combustível seja tăo grande que as utilidades de apoio năo puderam se encontrar a energia deles/delas precisa; e (2) as plantas eram sited assim longe do feedstock que transporte năo era econômico.
Balança de planta
Ethanol abastecem gama de plantas em tamanho de alguns mil litros para mais de 100 milhőes de litros de produçăo anual. O desígnio e operaçăo de plantas em pequena escala grandemente pode ser simplificada por hydrolysis de goma combinando, fermentaçăo, e destilaçăo de grupo em tanques de processo de multi-propósito. As plantas poderiam incluir um ou vários tanques provendo fermentaram triture para uma única destilaçăo column. Plants até aproximadamente 100,000 litros de produçăo anual pode ser projetada este way. que podem ser consideradas plantas de grupo Até maiores se combustível de caldeira barato está disponível. Com bem técnico ajuda, podem ser construídas plantas de grupo em pequena escala e podem ser operadas com o habitante, recursos de comunidade-nível e habilidades.
Pode ser obtida maior eficięncia operacional em plantas maiores por hydrolysis de goma separando e fermentaçăo em especialmente projetou sistemas e usando colunas de destilaçăo de alimento contínuas. Geralmente, o maior custo importante e complexidade operacional de este tipo de planta será devolvido em eficięncia operacional. Amplas plantas de álcool requerem alguns empregados pelo menos com administraçăo relativamente sofisticada e Planta de skills. técnica desígnio, equipamento, e construçăo requerem freqüentemente recursos fora a comunidade local.
COST/ECONOMICS
É difícil de prover informaçăo geral sobre combustível de ethanol economias porque custos de produçăo e valor de produto dependem em plante local, feedstock, balança de produçăo, e uso de fim.
Produçăo de Ethanol inclui capital e costs. Dois operacional fatores importantes em custos de capital para plantas de grupo pequenas săo engome sistemas de hydrolysis e capacidade de caldeira. Em plantas grandes, criando, sistemas de destilaçăo, e controle de processo é relativamente mais significant. Generally, custos importantes para álcool, plantas percorrem de $.50 a $1 (o EUA) por litro de produçăo anual capacity. baseado em figuras de plantas de EUA, capital custos por litro de capacidade de produçăo anual para muito pequeno e plantas muito grandes săo geralmente maiores que esses para intermediário-balança plantas--1 a 10 milhőes de litros produçăo anual.
O maior custo operacional em produçăo de ethanol, embora escale, é feedstock. Para ethanol abasteça produçăo para ser lucrativa, uma provisăo econômica de feedstock é essencial. Em pequeno plantas, trabalho-custos também podem ser relativamente importantes.
Custos indiretos para conversăo de máquina, distribuiçăo e marketing, plante utilidades, e transporte de feedstock e produtos é também importante avaliando custos de produçăo de ethanol.
Valor de mercado de Ethanol depende de uso de fim. O valor de mercado de geralmente seriam medidos ethanol como um combustível de substituiçăo relativo para gasolina prices. O valor de mercado de ethanol quando misturado com gasolina pode ser mais alto que gasolina por causa do valor de octano aumentado de misturas de ethanol/gasoline.
Valor de mercado de subproduto está medido contra o preço local de feed. animal O valor é tipicamente determinado comparando o conteúdo de proteína de alimentos.
Outros fatores, aparte de produçăo de ethanol vale e o mercado valor de ethanol, também pode ser significante ŕ análise econômica. Deslocamento de petróleo importado com domestically produzido combustível renovável pode melhorar déficits de equilibrar-de-pagamento e possa ser economicamente vantajoso apesar de ethanol relativamente mais alto Oportunidades de costs. para emprego rural, mercados alternativos para artigos agrícolas, e independęncias de energia podem proveja vantagens econômicas significantes além de um direto contabilidade de rentabilidade de planta.
IV. COMPARING AS ALTERNATIVAS
COMBUSTÍVEIS QUE COMPETEM COM ETHANOL
Metanol, butanol, e alguns tipos de óleo vegetal săo tręs alternativas para ethanol. metanol e butanol podem ser usados substitua ou estenda gasolina ou combustível de diesel. Porém, óleos vegetais de
é limitada a substituir só combustível de diesel até pesquisa adicional prova caso contrário.
Metanol é a alternativa mais importante. é um álcool líquido um átomo de carbono contendo ([CH.sub.3]OH). Like ethanol, é usado substituir ou seja misturada com gasolina. Metanol de é produzido por um processo químico que usa metano como o feedstock primário. Metanol também pode ser produzido de carvăo ou biomassa. Em um balança mundial, a indústria de produçăo de metanol é relativamente grande, e usa gás natural para feedstock. Metanol produçăo requer temperatura alta, pressăo alta, e catalisadores especiais.
Este processo é muito mais complexo que produçăo de ethanol e é geralmente econômico em só plantas industriais muito grandes.
Butanol é um álcool de quatro-carbono. tem dois possível substância química estruturas, dependendo da posiçăo do hydroxyl,: BUTANOL DE N ([CH.sub.3] [CH.sub.2] [CH.sub.2][CH.sub.2]OH) e 2 butanol ([CH.sub.3] [OH.sub.1] [CH.sub.2] [CH.sub.3]) Fermentaçăo de .
produz N butanol. ethanol Distinto ou metanol, butanol podem substitua para ou seja misturada com combustível de diesel em compressăo igniçăo engines. do que é produzido através de fermentaçăo bacteriana engome - ou açúcar-contendo feedstocks e purificou através de destilaçăo. As bactérias produzem ethanol e acetona além do produto principal, butanol.
A produçăo de butanol tem duas desvantagens: (1) a fermentaçăo de butanol é difícil comparada com isso de ethanol; e (2) fermentaçăo de butanol produz combustível menos-útil por unidade de feedstock que fermentaçăo de ethanol com fermento. Butanol foi produzida comercialmente debaixo de condiçőes de tempo de guerra. Porém, Today butanol já năo é produzido comercialmente para uso como combustível.
PESQUISA ATUAL E DESENVOLVIMENTO
Ethanol abastecem produçăo é uma tecnologia comercial bem estabelecido. Mas também é uma tecnologia que tem quarto para melhorar. Isso é por que pesquisa e esforços de desenvolvimento em combustível de ethanol produçăo é ongoing. As áreas de pesquisa relativo a isto tecnologia que continua sendo endereçada inclui (1) feedstock; (2) engome hydrolysis e desígnio de processo de fermentaçăo; (3) ethanol e fim de subproduto usa; e (4) integraçăo local-específica de produçăo de ethanol com economias agrícolas locais.
Feedstock é o elemento de custo mais significante em produçăo de ethanol. Perguntas de possível competiçăo para início agrícola pouse, e impactos de produçăo de ethanol em provisăo de comida e distribuiçăo é crucial ao sucesso social e econômico disto technology. Uma área importante de pesquisa é a identificaçăo de goma - ou açúcar-contendo colheitas nas que podem ser crescidas terra pobre e aquele requeira uma quantia mínima de cultivo e contribuiçőes químicas (por exemplo, fertilizantes). que Tal feedstocks devem ser compatível com as condiçőes climáticas locais, os recursos de água, e a terra type. Eles năo deveriam romper o habitante agrícola economy. feedstocks Alternativo debaixo de avaliaçăo em partes várias do mundo incluem palma de sago, bambu, docemente, batatas, e árvores de gafanhoto de mel. Once que săo identificadas colheitas potenciais, pesquisa será dirigida para rendimentos crescentes, colheitas adaptando para situaçőes específicas, e cultivo em desenvolvimento, colha, e técnicas de armazenamento.
Feedstocks alternativo exigirăo para pesquisa adaptar goma hydrolysis e equipamento de fermentaçăo e procedimentos para o particular características de feedstock e concentraçăo de fermentable sugars. Fermentaçăo pesquisa também poderia incluir a seleçăo de tensőes de fermento para eficięncia de fermentaçăo melhorada. Melhorias de
possa incluir tolerância aumentada a açúcar alto e concentraçőes de ethanol, tolerância para temperatura de fermentaçăo alta, ou adaptaçăo para características de feedstock particulares.
Pesquisa precisa em ethanol e usos de fim de subproduto poderia incluir avaliaçăo de tecnologia e economias para usos de ethanol outro que como um combustível de motor; avaliaçăo de técnicas de conversăo para tipos específicos de máquinas; e avaliaçăo de feedstocks específico para recuperaçăo e uso de subprodutos.
Pesquise em integraçăo de produçăo de combustível de ethanol com agrícola economias poderiam cobrir uma gama larga de tópicos, enquanto incluindo economias de feedstock e cultivo, planta e desígnio de equipamento ajustar constrangimentos locais específicos, fontes de combustível de processo, impactos, em emprego e distribuiçăo de renda, e efeitos em nacional balança de pagamento.
V. INTEGRAÇĂO DE
A introduçăo próspera de produçăo de combustível de ethanol e usa dentro países em desenvolvimento requerem planejamento cuidadoso. A tecnologia deve ser integrada com condiçőes econômicas locais, disponível, recursos, e uso de fim potencial do ethanol e seus subprodutos. A eficięncia operacional de amplas plantas de ethanol possa ser maior que isso de plantas em pequena escala. However, isto, eficięncia pode ser de pouco valor se a planta for muito grande para + feedstock disponível e utilidades de apoio ou se o habitante săo rompidas economias de produçăo de comida e distribuiçăo.
Deveriam ser escaladas plantas de Ethanol de forma que demanda para feedstock faz năo rompa sistemas de distribuiçăo e mercados para agrícola commodities. Support utilidades e transporte deveriam ser capazes apoiar a balança de produçăo de ethanol. Um importante, escondido custo de amplas plantas de ethanol é o custo de construir ou estradas atualizando, sistemas de provisăo de água, sistemas de controle de poluiçăo, e eletricidade capacidade geradora. que O método financiava estes sistemas de apoio săo uma pergunta econômica importante.
Destilador secaram grăos (DDG) é o artigo de subproduto principal sendo o resultado de produçăo de ethanol. que Este produto de proteína alto é um alimento de gado excelente, e alimenta poderiam ser localizados lotes próximo + ethanol plant. Outro uso de potencial extremamente importante de este material proteína-rico poderia ser como um suplemento de comida humano.
Uso de fim do ethanol e subprodutos deve estar em uma balança que partidas production. que recursos Técnicos precisam estar disponível para conversőes de máquina se necessário. Se ethanol será misturado com gasolina, marketing e sistemas de distribuiçăo para ethanol e para misturas de ethanol/gasoline devem ser desenvolvidas dentro paralelo com o construçăo e operaçăo de plantas de combustível de ethanol.
Própria integraçăo pode aumentar economias de produçăo de ethanol e pode ser alcançada com bem-projetada pequeno - e médio-balança plants. plantas Em pequena escala podem tirar proveito freqüentemente de baixo valor ou feedstocks desperdício como comida que processa desperdício ou estragado ou crops. deteriorado que UMA variedade de caldeira barata abastece como biogas, calor desperdício de outra indústria ou plantas de poder, ou biomassa pode ser usou se as plantas săo escaladas para emparelhar os recursos disponível dentro de distâncias de transporte econômicas. Desidrataçăo de pode ser eliminada se ethanol é usado em máquinas convertidas. Alternatively, um número de plantas de ethanol pequenas pode prover 80 a 95 ethanol de por cento para uma planta centralizada para desidrataçăo e Subproduto de distribution.
processando podem ser reduzidas se a planta é escalada proveja demanda de alimento de gado na área imediata da planta.
Plantas em pequena escala săo muito mais simples a construçăo e operam que plants. grande Com apoio técnico, plantas de ethanol em pequena escala pode ser construída e pode ser operada usando habilidades localmente disponíveis e resources. Com a exceçăo de tal equipamento como motores, caldeiras, e controles, podem ser construídas plantas em pequena escala razoavelmente em qualquer loja de máquina bem equipado, contanto que tecnicamente som planos săo available. nos que também podem ser montadas plantas Em pequena escala reboques de apartamento-cama assim eles podem ser movidos de local para local.
Engome hydrolysis e desidrataçăo de ethanol săo os dois passos compra a longo prazo requerendo de materiais fora do habitante ou até mesmo level. nacional A produçăo de enzimas de hydrolysis de goma e peneiras moleculares requerem tecnologia relativamente sofisticada. Enzimas e peneiras moleculares săo providas por vários companies. Como uma alternativa para comprar estes materiais, eles pode ser fabricada em plantas centralizadas para distribuiçăo para plantas de ethanol em pequena escala.
VI. CHOOSING A TECNOLOGIA APROPRIADA
A decisăo para produzir e usar combustível de ethanol requer se dirigindo dirija e questions. técnico e econômico indireto Estes perguntas săo importantes em qualquer balança de desenvolvimento que percorre de uma decisăo local individual para produzir em uma balança pequena para nacional-nivelar programas.
Dirija perguntas técnicas e econômicas na decisăo para produzir e usa ethanol abastecem inclua o custo e a disponibilidade de feedstock; ethanol e fim de subproduto usa e comercializando; leis e regulamentos; balança de produçăo; e seleçăo de desígnio de planta e opçőes de equipamento.
Fatores que afetam disponibilidade de feedstock e custo incluem transporte, armazenamento, desperdiçamento potencial, e variaçőes sazonais em provisăo e preço.
Ethanol e usos de subproduto săo afetados através de transporte de produto e distribuiçăo, armazenamento, possível desperdiçamento de subprodutos, variaçőes sazonais em procura de mercado ou uso de em-local, e se + ethanol é substituir ou seja misturado com gasolina. Se ethanol será misturada com gasolina, os custos e os sistemas para distribuiçăo, mistura, e marketing precisam ser levadas em account. Se ethanol é substituir gasolina, os custos de máquina, conversăo e limitaçőes para uso de veículo săo dois fatores importantes.
Leis e regulamentos que afetam ethanol abastecem produçăo variará de país para Variaçőes de country. também pode acontecer entre legal e jurisdiçőes políticas dentro de países. Regulamentos de devem ser conferida para cada caso individual. que Os regulamentos principais săo esses que previnem o uso de ethanol de combustível para consumo humano. Geralmente, estes regulamentos requerem aquele ethanol seja desnaturada por agentes químicos somando para o ethanol para fazer isto impróprio para humano consumption. prontamente denaturant disponível para ethanol é gasolina misturou ao uma por cento por volume. que Outros regulamentos podem governe descargas de líquido e effluents gasoso e profissional segurança e Leis de health. que ditam conformidade a construir códigos (por exemplo, elétrico, examinando, e segurança de fogo codifica) possa também aplique.
Decisőes relativo a balança de planta, equipamento, e desígnio de processo dependa principalmente de feedstock, a disponibilidade de mercados para ethanol e seus subprodutos, e a disponibilidade de planta Economias de financing. de balança em ethanol abastecem produçăo é muito menos importante que bem-planejou integraçăo de produçăo de combustível de ethanol com economias agrícolas, transporte local, local, utilidades, e usos de fim.
Reuniăo social indireta e perguntas econômicas também săo muito importantes dentro a decisăo para produzir e usar combustível de ethanol. decisőes Econômicas relativo a produçăo de ethanol mais pode confiar na habilidade para se encontrar tais objetivos como aumentando emprego rural, alcançando energia independęncia, e provendo mercados alternativos para colheitas que em avaliaçăo direta de custos de produçăo e mercado values. Technical decisőes relativo a balança de planta, desígnio de processo, e equipamento pode ser influenciada pela habilidade para conhecer tais objetivos como + uso de trabalho local e equipamento localmente fabricado, o criaçăo de mercados alternativos para colheitas agrícolas como feedstocks, e o uso local de energia de processo.
O aparecimento de ethanol como uma alternativa viável para gasolina tem conduzida a duas controvérsias principais que podem afetar decisőes considerando ethanol abastecem produçăo.
A primeira controvérsia interessa a pergunta de rendimento de energia líquido; quer dizer, se o conteúdo de energia do ethanol é maior que a energia consumiu em produçăo. Com tecnologia eficiente, + conteúdo de energia de ethanol excede a em-planta direta processe contribuiçőes de energia antes de aproximadamente 2 a 1. However, uma recente análise, que levou em conta a energia cultivava feedstocks e transportar feedstock e produtos, calculou isso produçăo de ethanol consome mais energia que é produced. O resposta técnica para esta análise é aquele ethanol năo é um primário fonte de energia; bastante, é uma conversăo de energia e armazenamento system. Em produçăo de ethanol, de baixa qualidade, difunda primário săo atualizadas fontes de energia a um combustível de alta qualidade, líquido. Energia solar na forma de carboidrato de planta e de baixa qualidade săo convertidos combustíveis de caldeira a um combustível satisfatório para uso em transporte. Em condiçőes simples, a resposta é isso automóveis năo possa correr em cassava. Quando ethanol é visto como uma energia sistema de conversăo, a pergunta de energia líquida é largamente irrelevante. Năo obstante, a pergunta é útil porque mostra o precise selecionar esse feedstocks que requerem relativamente pequeno cultivo e baixas contribuiçőes de fertilizante e substâncias químicas, e o precise usar combustíveis de caldeira de baixa qualidade.
A segunda controvérsia cerca o assunto de comida contra combustível; quer dizer, se o uso de colheitas agrícolas para combustível de ethanol produçăo afetará a quantia de terra adversamente disponível para produçăo de comida e provisăo de comida, como também afetando comida prices. Esta é uma pergunta complexa para qual há nenhum absoluto answers. por um lado, uma ampla diversăo de colheitas de comida para produçăo de ethanol poderia reduzir comida provę e aumento comida prices. por outro lado, um cuidadosamente planejou e bem-integrou ethanol abastecem indústria necessariamente năo resulta dentro competiçăo direta para terra agrícola e comida Baixo-valor de supplies.
colheitas crescidas em terra marginal săo freqüentemente feedstocks de álcool bom com comida pobre pode Cultivo de value. de colheitas de baixo-valor contribua ŕ economia por conversăo para um alto-valor product. Increased emprego rural pode aumentar as pessoas é econômico acesso para comida de alta qualidade. Ethanol também poderia ser produzido de artigos agrícolas que seriam exportados caso contrário. Por exemplo, cana-de-açúcar pode valer mais como um feedstock para produçăo de combustível doméstica para deslocar petróleo importado que como uma exportaçăo crop. O assunto de comida contra combustível enfatiza o precise para planejamento cuidadoso mas năo signifique aquele combustível de ethanol produçăo é uma tecnologia imprópria.
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Investigaçőes de referęncia em tópicos específicos relativo a combustível de ethanol produçăo pode se referir por VITA ao pessoal de Renovável Tecnologias, Inc. que preparou este relatório ou para outro VITA voluntários com perícias em combustível de ethanol.