Downstream processing in the ethanol production from lignocellulosic biomass : a process simulation with ASPEN PLUS including an energy analysis

Abstract

Eine der vielversprechendsten Alternativen zu Benzin als Kraftstoff im Transportsektor ist die Nutzung von Bioethanol. Neben den etablierten Herstellungsverfahren für Bioethanol basierend auf Rohstoffen die Zucker und Stärke enthalten, ist die Produktion von Bioethanol aus lignozellulosehaltiger Biomasse ein weiterer Schritt die Entwicklung erneuerbarer Energieträger voranzutreiben. Der energieintensive "down stream"-Prozess begrenzt jedoch dessen Konkurrenzfähigkeit gegenüber herkömmlichem Bioethanol und Benzin. Es ist daher unerläßlich ein Prozeß Setup zu finden, das die Möglichkeiten für eine Wärme-Integration bietet und somit in einen effizienteren Gesamtprozeß resultiert. Ein Vergleich der unterschiedlichen wärmeintegrierten Prozeß-Konfigurationen, basierend auf den Daten die aus der Simulation gewonnen wurden, gibt Auskunft über das bestgeeignete Konzept.<br />In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Destillationsvarianten, zur jährlichen Produktion von 100,000 Tonnen Ethanol aus Stroh, mit dem Modellierungswerkzeug ASPEN Plus® simuliert. Zusätzlich zu diesen 2-Kolonnen- und 3-Kolonnen-Destillationskonzepten wurden eine Mehrstufen-Eindampfanlage und ein anaerober Fermenter zur Erzeugung von Biogas simuliert, welche Ergebnisse für diese beiden Möglichkeiten der anschließenden Schlempenaufbereitung liefern. Eine Evaluierung der unterschiedlichen Betriebsweisen der Mehrstufen-Eindampfanlage liefert wiederum Informationen über mögliche Energieeinsparungen in diesem Prozeßabschnitt.<br />Mittels Pinch-Analyse werden die im Gesamtprozeß implementierten Konzepte aus energetischer Sicht verglichen, um das optimale Destillationkonzept für die jeweilige Form der Schlempenaufbereitung zu finden. Die Ergebnisse aus der Pinch-Analyse zeigen, dass für die Kombination mit der 5-stufigen Gleichstrom-Verdampferanlage das 3-Kolonnen-Destillationsmodell die effizientere Variante darstellt. Der entsprechende minimale Energieverbrauch pro kg Ethanol beträgt 17.2 MJ/kgEtOH mit einem Heiz- und Kühlbedarf für den Gesamtprozess von 60.3 MW und 59.1 MW. Wenn anaerobe Vergärung verwendet wird um die Destillations-Schlempe aufzubereiten, müssen bei der Variante mit einer 3-Kolonnen-Destillation 10 MJ/kgEtOH für den Gesamtprozess bereitgestellt werden. Für diese Anordnung betragen der Heiz- und Kühlbedarf des Gesamtprozesses 35.2 MW und 33.7 MW, welches somit die günstigste Konfiguration darstellt. In beiden Schlempen-Aufbereitungskonzepten könnte der Wärmebedarf des Gesamtprozesses durch die Nutzung der getrockneten festen Rückstände aus der Fest-Flüssig-Trennung abgedeckt werden. Je nach gewähltem Konzept, könnte entweder das produzierte Biogas aufgereinigt und als Produkt verkauft werden oder das Konzentrat der Eindampfung zu weiterer Energieerzeugung herangezogen werden.<br />

The utilization of bioethanol as fuel in the transport industry is one of the most promising alternatives to gasoline. Besides the well established manufacturing method for conventional bioethanol based on raw materials containing sugar and starch, the production of bioethanol from lignocellulosic biomass is a another step in advancing renewable fuels. But its energy intensive downstream process still limits the ability to compete with conventional bioethanol or petroleum. It is therefore essential to find a process setup that provides possibilities for heat integration and consequently results in a more efficient overall process. The comparison of the different heat integrated configurations, based on the data obtained from simulation, provides information about the well-designed concept.<br />In this thesis, two different distillation concepts, with an annual production of 100,000 tons of ethanol from straw, are simulated with the modeling tool ASPEN Plus®. In addition to the 2-column and 3-column distillation configuration, simulations of an evaporation system and an anaerobic digester to produce biogas provide results for these two possibilities of subsequent stillage treatment. For the multi-stage evaporation system, an evaluation of different configurations gives information about possible energy savings in this process section. By applying Pinch Analysis, the concepts are compared from an energy point of view, to find the optimal distillation concept in context with the background process for the respective subsequent stillage treatment.<br />The results from Pinch Analysis show that in combination with a 5-stage co-current evaporation process, the 3-column distillation setup is preferable. For the whole process its minimum energy consumption per kg of ethanol accounts for 17.2 MJ/kgEtOH with a respective process overall heating and cooling demand of 60.3 MW and 59.1 MW. When anaerobic digestion is used to treat the distillation stillage, 10 MJ/kgEtOH have to be provided for the whole process. The overall process's heating and cooling demand accounts for 35.2 MW and 33.7 MW respectively, which again favors the 3-column distillation configuration. In both stillage treatment concepts, the overall process heating demand could easily be covered by the utilization of the dried solid residues from solid-liquid separation. Depending on the chosen concept, either the biogas produced could be upgraded and sold as a product or the evaporation concentrate could be used for further energy production.<br />