آنالیز فنی و اقتصادی پالایشگاه زیستی بر مبنای گیاه کرچک و منداب

STUDENT

DEGREE

YEAR

Global interest in development of biorefineries has drawn significant attentions due to their benefits such as higher efficiency, multifaceted use of bio-based feedstocks, and reducing the deleterious effects of fossil fuel consumptions. In biorefineries, a biomass takes part in different chemical and biological reactions, as a main feedstock, and produces biofuel and various byproducts, including heat, power, and chemicals, such as resins, vitamins, and fibers. In other words, biorefineries use oil refineries concepts, in which a wide range of valuable fuels and chemicals are produced simultaneously from oil. The feedstock’s type has significant impacts on the process design and products types. Castor and Eruca Sativa are non-edible plants and can flourish even under extreme cultivation conditions. They can be cultivated on wastewater, while the cost of cultivation is lower than other plants such as rapeseed and soybean. These plants contain seeds and lignocellulosic residuals. The oil extracted from these seeds is inexpensive and can be efficiently used for the production of biodiesel. Besides, the lignocellulosic parts are suitable for biogas and ethanol production. In this study, techno-economic analyses were designed for six distinct processes to produce biodiesel, ethanol, and biomethane along with byproducts. Simulation of the processes was carried out by Aspen plus software. Using the simulation results, economical assessment done by Aspen PEA. Afterwards, total capital investment, manufacturing costs, and manufacturing price of biodiesel were estimated for each case and sensitivity analyses were conducted. Based on the obtained results, the price of produced ethanol in scenario 1 and 2 for castor and scenario 4 and 5 for Eruca Sativa were 0.701, 0.693, 0.567, 0.558 $ per litter, respectively. The price was higher than that of petrol in Middle East, but lower than that of ethanol in Iran. Thus, producing ethanol was affordable, regarding to the price of ethanol in Iran. The price of produced biomethane in scenario 3 for castor and scenario 6 for Eruca Sativa were 0.58 and 1.19 $/m 3 , respectively. This price was higher than that of natural gas, was not economically feasible for biomethane. In spite of the subsidies given to fossil fuels in Iran, producing biofuels via the biorefinery was still profitable, however, they are not profitable lonely. The studies showed that initial investment required for each scenario was 51.69, 48.90, 87.49, 52.02, 55.59 and 89.08 Million$, respectively. Profitability index calculated for each scenario was 1.29, 1.41, 0.94, 1.24, 1.32, and 0.98, respectively. Therefore, producing biodiesel from castor and Eruca Sativa in biorefinery that ethanol is the most important side product, and in this study is related to scenario 1,2,4 and 5, is affordable. The price of biodiesel produced as a main product for scenario 2 was 0.323 and for scenario 5 was 0.366 $ per litter, and was lower than 0.380 $/L, that was the price of diesel in Middle East region, indicating that producing biodiesel via the biorefinery would be cost-effective. Sensitivity analysis specify that the most effective factor on the price of biodiesel produced in each scenario was the price of oilseed of castor and Eruca Sativa. Decreasing the production cost of castors and Eruca Sativa, that is feasible by cultivating on sewage, results in lower price of biodiesel. By exclusion of subsides and increasing tax on fossil fuels, which is the future plan of government, producing biofuels will be more economical. The results also showed that cultivating castor and Eruca Sativa in order to decrease the environmental pollution, regarding the capabilities of such plants to confront against dust and soil erosion, the ability to grow on sewage, and considering the potential of such plants to be used as food of biorefinery, versus industrial refinery, it will be more reasonably priced. Keywords

1 امروزه پالایشگاه‌های زیستی به دلیل کارآمدی بیشتر، امکان استفاده چندوجهی از زیست‌توده و کاهش اثرات آلودگی‌های ناشی از وابستگی به سوخت‌های فسیلی مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پالایشگاه زیستی ماده خام بیولوژیکی که به عنوان خوراک اصلی استفاده می‌شود، در فرآیندهای زیستی و شیمیایی متعددی شرکت کرده و سوخت‌های زیستی، برق، حرارت و انواع مختلفی از محصولات شیمیایی تولید می شوند. به عبارت دیگر هدف پالایشگاه‌های زیستی مشابه با پالایشگاه‌های نفتی است که از نفت خام سوخت و مواد شیمیایی متعدد تولید می‌کنند. کارآمدی و بازده پالایشگاه زیستی، نوع محصولات تولیدی و فرآیندهای به کار رفته در آن به نوع خوراک زیستی مورد استفاده وابسته است. گیاهان کرچک و منداب، گیاهان غیرخوراکی بوده که قابلیت کشت بر پساب و تصفیه بیولوژیکی پساب و شرایط خشک و کم آب را دارند و علاوه بر بخش‌های لیگنوسلولزی حاوی دانه‌های روغنی هستند. روغن استخراج شده از این دانه‌ها ارزان قیمت بوده و بازده بالایی برای تولید بیودیزل دارد، از طرفی بخش‌های لیگنوسلولزی نیز برای تولید اتانول و بیوگاز مناسب هستند. آنالیز فنی و اقتصادی روشی برای بررسی جنبه های فرآیندی و سودآوری یک تکنولوژی و انتخاب تکنولوژی مناسب می باشد. در این پژوهش آنالیز فنی و اقتصادی شش فرآیند در قالب پالایشگاه زیستی برای تولید سوخت‌های زیستی بیودیزل، اتانول و بیومتان به همراه محصولات جانبی دیگر از دوگیاه کرچک و منداب بررسی شده است. بدین منظور فرآیندهایی در قالب سناریوهای مختلف طراحی شده و توسط نرم‌افزار Aspen plus شبیه‌سازی آن‌ها انجام شده است. بر مبنای داده‌های شبیه‌سازی بدست آمده تجهیزات فرآیندی هر سناریو طراحی شده و به کمک نرم‌افزار Aspen PEA برآورد اقتصادی انجام شد. در هر مورد هزینه‌های سرمایه‌گذاری کل، هزینه‌های عملیاتی و قیمت تمام شده سوخت‌های زیستی محاسبه شده و قیمت معادل سوخت‌های زیستی تولید شده در هر فرآیند با قیمت محصول موجود در بازار و سوخت‌های فسیلی مقایسه شده است. سپس به کمک آنالیز حساسیت انجام گرفته تأثیر متغیرهای مختلف بر قیمت محصول بررسی شد. بر اساس نتایج بدست آمده قیمت معادل اتانول تولید شده در سناریوهای 1و 2 برای گیاه کرچک و 4 و 5 برای گیاه منداب به ترتیب 701/0، 693/0، 567/0 و 558/0 دلار به ازای لیتر بدست آمد، این مقدار از قیمت بنزین در منطقه خاورمیانه بیشتر اما از قیمت اتانول در ایران کمتر است، بنابراین تولید اتانول زیستی با توجه به قیمت اتانول در ایران مقرون به صرفه است. قیمت معادل بیومتان تولید شده در سناریو 3 برای کرچک و سناریو 6 برای منداب به ترتیب 58/0 و 19/1 دلار به ازای متر مکعب بدست آمد، این مقدار از قیمت گاز طبیعی بیشتر است بنابراین تولید بیومتان مقرون به صرفه نیست. مطابق نتایج بدست آمده به دلیل اختصاص یارانه‌ به بخش سوخت‌های فسیلی در ایران تولید سوخت‌های زیستی به تنهایی مقرون به صرفه نیست در حالیکه تولید آنها در قالب پالایشگاه زیستی بر اساس شاخص‌های اقتصادی سوددهی دارد. بررسی‌ها نشان داد سرمایه اولیه مورد نیاز برای هر سناریو به ترتیب 69/51، 90/48، 49/87، 02/52، 59/55 و 08/89 میلیون دلار است. شاخص سوددهی محاسبه شده برای هر سناریو به ترتیب 29/1، 41/1، 94/0، 24/1، 32/1 و 98/0 است، بنابراین تولید بیودیزل از گیاهان کرچک و منداب در یک پالایشگاه زیستی که اتانول مهمترین محصول جانبی آن است و در این بررسی مربوط به سناریوهای 1، 2، 4 و 5 است مقرون به صرفه است. قیمت معادل بیودیزل تولید شده به عنوان محصول اصلی برای سناریو 2 مقدار 323/0 و برای سناریو 5 مقدار 366/0 دلار به ازای لیتر بدست آمد که کمتر از 380/0 دلار به ازای لیتر قیمت گازوئیل در منطقه خاورمیانه است و نشان می‌دهد تولید بیودیزل در قالب پالایشگاه زیستی طراحی شده در دو سناریو 2 و5 مقرون به صرفه خواهد بود. آنالیز حساسیت انجام گرفته مشخص کرد مؤثرترین عامل بر قیمت بیودیزل تولید در هر سناریو قیمت دانه روغنی گیاه کرچک و منداب است. به طوریکه با افزایش 50% قیمت دانه گیاه کرچک و منداب 17-13% تغییر در قیمت بیودیزل تولیدی ایجاد می‌گردد. کاهش هزینه‌های تولید گیاهان کرچک و منداب که از طریق کشت بر روی پساب امکان‌پذیر است، موجب کاهش قیمت بیودیزل می‌شود، همچنین با حذف کامل یارانه‌ها و افزایش مالیات‌های بخش انرژی‌های فسیلی که در برنامه‌های دولت قرار دارد، تولید سوخت‌های زیستی در ایران به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه‌تر خواهد شد. همچنین نتایج نشان داد که کشت گیاه کرچک و منداب در راستای کاهش آلودگی‌های زیست محیطی با توجه به قابلیت کشت این گیاهان برای مقابله با پدیده ریزگرد ها و فرسایش خاک و توانایی رشد بر روی فاضلاب و با توجه به پتانسیل موجود در استفاده از این گیاهان به عنوان خوراک پالایشگاه زیستی در مقیاس صنعتی مقرون به صرفه خواهد بود. واژگان کلیدی پالایشگاه زیستی، آنالیز فنی و اقتصادی، بیودیزل، اتانول، بیوگاز، گیاهان انرژی زا