燃料乙醇的研究进展及存在问题

新能源及工艺燃料乙醇的研究进展及存在问题马欢,刘伟伟,张无敌,刘士清(云南师范大学省农村能源重点实验室,云南昆明650092)摘要:介绍了燃料乙醇的优点,开发的意义及在国内外的研究现状和发展前景。结合云南的实际情况,指出在云南以甘蔗为原料发展燃料乙醇的前景广阔。关键词:燃料乙醇;研究进展;存在问题;云南;甘蔗中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1004-3950(2006)02-0029-05 Present situation and existing problem of fuel alcohol MA Huan, LIU Wei-wei, ZHANG Wu-di, LIU Shi-qing Provincial Key Laboratory of Rural Energy Engineering Yunnan Normal University, Kunming 650092, China) Abstract: The author summarized the process technology and development of fuel alcohol with its significant advantages at home and abroad in this paper. Analyse shows that sugarcane is a very promising raw material for fuel alcohol pro- duction in Yunnan Province. Key words fuel alcohol research progress; existing problem; Yunnan Province; sugarcane1燃料乙醇的概念及开发的意义增加汽油的含氧量,使其充分燃烧。目前汽油中普遍使用的增氧剂是MTBE(甲基叔丁基醚),它1.1燃料乙醇的概念能提高汽油的含氧量,使其燃烧更完全,可减少向燃料乙醇也称生物燃料、燃料酒精、汽油醇、大气中排放一氧化碳。但是,由于MTBE会对地乙醇汽油等。将乙醇进一步脱水再加上适量的变下水造成严重的污染,而且其生产难度比较大,因性剂(汽油)后形成变性燃料乙醇。燃料乙醇产生于20世纪20年代,随着石油的大规模、低成本此最佳的替代品就是燃料乙醇。(2)燃料乙醇的辛烷值高,调和辛烷值一般开发,酒精因其经济性较差而被淘汰。石油是不可再生的能源,石油枯竭迟早要到来,为了减轻对可以达到120左右,可以有效提高汽油的抗爆指石油的依赖,人们都在寻找可再生能源。同时,农数。它作为点燃式发动机燃料时,可以用于压缩业的快速发展,造成粮食大量过剩,这一切,都使比较高的发动机,提高发动机的热效率,是内燃机燃料乙醇产业的重新崛起和迅速发展成为必然最有希望的代用燃料。近年来汽油醇的生产又成为炼油工业的一个方(3)有利于环境的改善。使用车用乙醇汽向。所谓车用乙醇汽油,就是把变性燃料乙醇和油,可以使汽车尾气的污染水平平均降低30%以汽油以一定比例混配,形成一种新型混合燃料上。其中一氧化碳排放下降30.8%,挥发性烃类(国际上称汽油醇,商品名 GASOHOL)。我国化合物排放下降13.4%,二氧化碳的排放量降低初步确定从乙醇的体积分数为10%起步推广使27%2,此外还可减少其他有害物质的排放用车用汽油醇,这样现有车辆不需任何改装,其油(4)纤维素是地球上最丰富的有机资源之耗、动力基本不受影响,汽车尾气的污染可大幅度一,它是一种可以再生的资源,每年仅陆生植物就降低,又不消耗过多的粮食。可以产生纤维素约500亿t。纤维素还是最主要1.2燃料乙醇的优点及其开发意义的生物质资源,它占地球生物质总量的60%~(1)燃料乙醇是一种良好的增氧剂,它可以80%。纤维素类资源,如秸秆、蔗渣及森林工业副收稿日期:2005-09-16作者简介:马欢(1982-),女,硕士研究生新能源及工艺产品等具有来源丰富、品种多、再生时间短等优(3)泰国是亚洲第一个由政府开发全国生物点。据统计,全世界每年可生产生物质2200亿t,燃料项目的国家。在短短的两年时间内,泰国成相当于目前世界能源消耗的3~8倍我国的功地开发了乙醇和燃料酒精项目,这些项目提供纤维素原料非常丰富,仅农作物秸秆、皮壳一项,了利用过剩的食用农产品的途径,对提高泰国几每年产量就达7亿多t其中玉米秸(35%)小麦百万农民的生活水平起到了积极的作用。由于泰秸(21%)和稻草(19%)是我国的三大秸秆,林国的成功,亚太地区的其他国家,如中国、印度、越业副产品、城市垃圾和工业废物数量也很可观。南、马来西亚、韩国、老挝、柬埔寨、缅甸等也在考因此,以纤维素降解发酵生产乙醇具有巨大的潜虑燃料乙醇计划。力,同时可以减轻农林废弃物(麦草、玉米秸秆、1.3.2国内玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)、工业废弃物(制浆和我国发展燃料乙醇起步较晚,先后在河南、安造纸厂的纤维渣、锯末等)、城市废弃物(废纸、包徽、黑龙江、吉林和辽宁五省进行了试点,生产的装纸等)及林业废弃物对环境造成的压力,实原料主要为玉米等陈化粮。从2001年开始,首先现可持续发展。在河南、黑龙江两省开始试用车用乙醇汽油,采取1.3燃料乙醇的发展及应用现状地方立法的手段在试点城市应用。河南先在南1.3.1国外阳、洛阳、郑州三市使用车用乙醇汽油,2001年和(1)美国是燃料乙醇的主要生产国之一,早2002年分别消耗燃料乙醇147t和5000t,增长势在20世纪30年代就开展了燃料乙醇的研究及应头明显;黑龙江省首先在肇东和哈尔滨使用车用用。截至2002年,美国生产燃料乙醇的20个州乙醇汽油,2001年和200年分别消耗燃料乙醇已建有73家工厂,总计生产能力达到632万t/a,127t和500t。我国吉林燃料乙醇有限公司河南另外还有34套装置在扩展中。起初美国是以玉天冠集团及黑龙江华润金玉实业有限公司都生产米为原料生产燃料乙醇,并以10%的比例掺入汽燃料乙醇,年产量分别达到60万、30万和15万油中代替有致癌作用的MTB随着燃料乙醇技/a。另外,安徽丰原集团也正在筹建年产量30术的发展,为了扩大乙醇生产的原料来源,降低乙万t的燃料乙醇基地,并等待国务院审批通过。醇的生产成本,美国近几年来正在积极地研究利用纤维素物质生产燃料乙醇,其中最有发展前途2燃料乙醇生产技术的研究现状的是甜高粱和刺槐。按生产原料的不同,燃料乙醇的生产可以分(2)巴西是世界上最大的燃料乙醇生产国和为两大类:一是以玉米等淀粉类和甘蔗汁、砂糖等消费国,也是唯一不使用纯汽油作为汽车燃料的糖蜜类物质为主要原料;另一类则是以农业废弃国家。巴西燃料乙醇产业的发展始于20世纪20物(秸秆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)工业废弃年代。甘蔗为巴西主要的经济作物,其种植的甘物(制浆造纸的纤维渣、锯末等)城市废弃物(废蔗有65%用于乙醇生产,而乙醇的97%用于燃纸、包装纸等)及林业废弃物4等纤维素含量较料。目前,巴西的主要汽车燃料有4种:纯乙醇高的物质为发酵原料。(含水乙醇)、乙醇汽油(22%乙醇+7%汽油)、2.1以淀粉类和糖蜜类物质为原料的生产技术MEG燃料(60%乙醇+33%甲醇+7%汽油)和柴以玉米为例,其生产过程包括:玉米预处理油巴西共有320多家燃料乙醇生产企业,其中(粉碎)、脱胚制浆、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水205家实行燃料乙醇和糖联产,115家单纯生产燃和变性,工艺流程如图1料乙醇。巴西目前的乙醇生产能力为1272万t玉米先用水或酒糟离心清液在一定温度下进a,97%用于燃料,生产地现有燃料乙醇储存能力行浸泡,浸泡后的玉米经破碎磨破碎,分离出胚为生产能力的60%(相当于763万t)。自2000芽,并将纤维及淀粉颗粒破碎到一定的粒度。脱年以来,燃料乙醇的产量年均增长12%以上。胚后的玉米淀粉浆(含有淀粉、蛋白质和纤维等巴西是世界上唯一不供应纯汽油的国家汽油发物质)送入液化工段。淀粉在高温下糊化,同时动机车辆均使用乙醇汽油。现在,巴西共有约在a-淀粉酶的作用下降解,物料的黏度降低,这370万辆以乙醇为燃料的专用汽车。一过程称为液化。液化后的醪液称为液化醪。液新能源及工艺低纤维素的分子质量,打开密集的晶状结构,以利原料(玉米)预处理净玉米脱胚制浆胚芽玉米油车间于进一步的分解和转化。预处理之后,半纤维素淀粉浆通常直接被水解成为单糖(木糖、阿拉伯糖等),排放或加工氧化碳液化、糖化辅料制备剩下的不溶物质主要是纤维素和木质素。预处理糖化发酵的方法主要有:热机械法、自动水解法、酸碱处理发酵成熟法和有机溶剂处理法。在热酸的作用下,木质素DDGS车间稀酒精馏脱水料乙主要降解成多种单环芳香族化合物,纤维素则被降解转化为葡萄糖,另外还有一些如甲酸、乙酸、图1以玉米为原料的燃料酒精生产工艺己糖酸等不稳定生成物。在发酵过程中,这些物化前需加入氢氧化钠和氨水来调节物料的pH值质主要分为两大类:可发酵性糖,主要有木糖、葡和补充部分氮源,同时加入氯化钙用于保持a-萄糖、阿拉伯糖等;对发酵有毒的物质,主要包括淀粉酶的稳定性。液化醪经稀硫酸调节pH值后有机酸、醛类、醇类化合物。加入糖化酶进行糖化。糖化的目的是将液化醪中(2)不需要对原料进行酸解或酶解预处理,的淀粉及糊精水解成酵母能发酵的糖类(主要是直接利用菌种将纤维素类物质分解生产乙醇。目单糖及部分二糖及三糖,如葡萄糖、麦芽糖、蔗糖前研究最多的是热纤梭菌,它能分解纤维素,等),糖化后的醪液称为糖化醪。通过酵母对糖并能使纤维素二糖、葡萄糖果糖等发酵。目前看化醪进行连续发酵。在发酵过程中,酵母将糖转来,它是将纤维素转化成乙醇的最有效菌种,但也化成乙醇和CO2,同时释放出热量。所产生的二存在一系列的问题,如:纤维素发酵速度慢、容积氧化碳用水洗以回收随之带出的乙醇。随后,含产量低、终产物有机酸和乙醇对菌种细胞有相当有乙醇的发酵成熟醪通过蒸馏装置进行蒸馏提大的毒性。纯,所生产的燃料乙醇加入体积分数2%~5%的(3)利用纤维素酶水解纤维素,收集酶解后变性剂汽油就成为变性燃料乙醇产品。的酶液作为酵母发酵的碳源10。此法目前常用2.2以纤维素类物质为原料的生产技术的菌种多来自木霉属、曲酶属和青酶属,但是在降纤维类物质(秸秆、蔗渣、木材等)主要有三解的过程中,葡萄糖的积累会对水解产生一定的种组成成分:纤维素,约占干重的45%;半纤维抑制作用。素,占干重的30%;木质素,占干重的25%。以纤(4)同时糖化发酵法(SSF法):为了克服反维素为原料发酵生产燃料乙醇,首先将纤维素进馈抑制作用 Gauss等提出将纤维素酶对纤行酸解和碱解或酶解预处理,释放出的葡萄糖可维素的水解和酵母发酵生成乙醇在同一个容器内进入乙醇发酵途径,其工艺路线如图2。产纤维进行反应,这样酶水解的产物葡萄糖由于酵母的素酶的微生物有真菌、酵母菌和细菌。发酵不断地被利用,从而消除葡萄糖浓度过高对纤维素酶解的反馈抑制。目前这是最有发展前景水解葡萄糖纤维素酶葡萄糖发酵的方法,但是还存在糖化和发酵温度不协调等抑纤维素制影响。直接发酵纤维素木糖木糖异构化木糖乙醇3燃料乙醇发展过程中存在的问题类物质直接发酵目前燃料乙醇生产中存在的最大问题是降低木质素(不能转化为燃料乙醇成本。据报道,以玉米为原料生产燃料乙醇,其综图2纤维素类物质发酵生产燃料乙醇的路线合成本是3897元/t,其中原料费用是3047元/t,即原料的成本占综合成本的78.19%。当原以纤维素类物质为原料生产乙醇的生产技术料玉米的价格上升时,其他费用的成本不会随玉有如下几种:米价格的变化而变化,这时整个燃料乙醇的生产(1)原料先经过物理或化学方法预处理,再成本就会大幅度上升。国内乙醇的价格长期高于经酵母发酵成燃料乙醇。预处理的主要目的是降汽油的价格。美国乙醇的生产成本只有2770元新能源及工艺t,而国内乙醇的生产成本为3671元/t,差901甘蔗为原料时只需简单榨汁,而淀粉类原料需要元/t。因此,乙醇企业降低成本的主要途径是提经过粉碎蒸煮、糊化糖化等一系列较长的工艺流高副产品的综合利用水平,如玉米生产乙醇后还程,能耗太大。如果按原料的成本进行计算,大约可以生产淀粉玉米色拉油饲料、沼气和化肥等12t甘蔗能生产1t的燃料乙醇,甘蔗的成本按200副产品。根据统计,大约3.2t玉米或3t薯干可以元/t来算,那么生产1t燃料乙醇仅需2400元;而产生1t燃料乙醇,虽然很多燃料乙醇的生产基地大约3.26t玉米才能生产t燃料乙醇,玉米的单都是利用陈化粮为原料,但从长远来看,为了避免价为1200元/t,仅玉米成本就高达3912元/t燃料乙醇的耗粮对粮食市场造成冲击,缓解农民从环境影响的评价看,利用甘蔗生产燃料乙收入与农作物增产不同步的矛盾,开发纤维素、半醇,无论废水还是废气都可以达到排放标准或者纤维素制取燃料乙醇的技术具有更深远的意义循环利用。综上所述,利用甘蔗是进行燃料乙醇在以纤维素为原料生产燃料乙醇的过程中,生产的理想原料。最大的问题是原料的预处理。用酸解法进行原料表1些农作物的NER比较的预处理会产生对发酵过程有毒的物质,同时酸作物 NER的使用对生产设备有腐蚀作用;而其他的物理方甘蔗1.90~2.70法,如热机械法、爆破法等,对机器的磨损和耗能甜菜0.56较严重;用酶解法也存在葡萄糖和产物乙醇对纤玉米0.74木薯0.69~3.56维素酶的反馈抑制以及纤维素酶自身成本太高甜高粱1.00(约13.2美分/L)等问题。所以,开发高效、低成本的预处理技术和培育筛选能将纤维素类物质进云南地处我国西南边疆,地理环境及气候较行有效发酵的微生物是首要的问题。其次在生产为独特,作物秸秆资源十分丰富,每年产生稻草大工艺上,应该把生产中的各个部分进行最佳的结约60万t,秸秆347万t,还有一些花生和薯类藤合,使得原料的能源转化达到最理想的效果。如蔓资源等。这些作物秸秆资源除小部分被利用果能解决好这些问题,那么利用纤维素类原料转外,多数被焚烧或弃废,十分浪费,因此合理利用化乙醇将会带来更大的社会效益和经济效益。这些资源也将带来意想不到的收效。4燃料乙醇在云南的发展前景5结语云南独特的“立体气候”适宜于多种多样的随着社会的发展,燃料乙醇作为一种绿色能粮食作物和经济作物生长,主要粮食作物有稻谷、源日益受到人们的关注。降低成本是发展燃料乙玉米、小麦、马铃薯、杂粮等,主要经济作物有甘醇并使其走上产业化道路必须解决的问题。按照蔗、油料、橡胶等。云南有28个县(市)种植甘地区的差异性,优化和合理利用地方资源,发展燃蔗,全省甘蔗种植面积达25.3万~26.7万hm2,料乙醇及其生产过程中的副产物,提高能源的转甘蔗单产平均59~60t/hm2,蔗糖含量为13%化率,使资源得到充分利用,是发展可再生能源和18%,甘蔗种植面积和产糖量位居全国第二。甘燃料乙醇产业的关键。蔗农业年产值突破20亿元,制糖工业年产值突破参考文献:40亿元。利用甘蔗生产燃料乙醇比用其他作物具有明【1]黄治玲燃料乙醇的生产与利用[]化工科技,2003,11(4):44-47.显的成本优势。首先,甘蔗的光合作用强,净能比[2]张远欣,燃料乙醇的发展状况[J].甘肃科技,2005,高达2.7,甘蔗生物产量高,茎叶皆可利用,是全21(4):117-118.世界公认的最好的能源作物之一农作物[3]王丹,林建强直接生物转化纤维素类资源生产光合作用的强弱通常用净能比NER来表示,净能燃料乙醇的研究进展[J]山东大学学报(自然科学比是太阳光能通过叶绿素光合作用储存能量的比版),2002,33(4):525-529.例,等于输出总能量/输入总能量,见表1。此外,[4]李盛宗,贾树彪利用纤维素原料生产燃料酒精的和玉米、木薯等淀粉质原料生产燃料乙醇相比,以研究进展[J].酿酒,2005,32(2):13-16.新能源及工艺[5]刘娜,石淑兰,木质纤维素转化为燃料乙醇的研 crobial conversion: Prospects, progress and obstacle究进展[J].现代化工,2005,25(3):19-24.J] Biotechnology,1992,34(35):527-5416王成军燃料乙醇在美国和巴西的发展国际石[11] Gauss, Suzuki, Takagi. Manufacture of al-油经济,2005,13(5):51. cohol from cellulosic materials using plural ferments[7]黄治玲燃料乙醇产业的全球发展状况[J]化工管[P].US3990994,1976理,2002,3:34-35.[12]张继泉,王瑞明,关风梅.玉米秸杆同时糖化发酵[8]吕福英,闵航,陈美慈热纤梭菌分解纤维素生产生产燃料酒精的研究[J]纤维素科学与技术,乙醇的研究进展[J]食品与发酵工业,1996,(6)2002,10(3):35-39:43-49.[13]韩德奇,李伟,张冬捧,等,燃料乙醇的生产进[9]吕福英,闵航,陈美慈,一个高温厌氧直接转化纤展和应用探讨[J],化工技术经济,2002,20(6):9维素为乙醇的高纯富集物[J]浙江大学学报,-15.2000,26(1):56-60[14]李奇伟,戚荣,张远平能源甘蔗生产燃料乙醇 [10] Hogsett D A, Ahn H J, Bernardez T D. Direct mi-的发展前景[J]甘蔗糖业,2004,(5):29-33.报道浙江省积极实施节电工程2005年节电21亿千瓦时据浙江省经贸委发布的信息表明,2005年浙江省组织实施节电改造项目660项,年节电21.264亿千瓦时,相当于节约了杭州的主要电源之一—萧山电厂这样一个中型电厂一年多的发电量。浙江省在加快电力建设的同时,积极实施节电工程。2005年2月21日,浙江省政府出台了《关于加强节约用电工作的意见》,明确提出今后3年累计节电100亿千瓦时的目标任务。各地各部门也纷纷制定实施节电的政策措施。同时,认真组织对全省重点用能企业开展能源监测(审计)进一步强化企业内部节能基础管理体系,落实相关节电设施,社会和经济效益显著提高。大批新型节能技术也被推广到企业,走进千家万户。低压变频节电技术作为一项成熟的节电技术,在浙江省得到广大企业的广泛应用200年,浙江省新型干法水泥窑纯低温余热发电技术取得突破,全省已有6家水泥生产企业8条生产线完成了余热利用节电技术改造,累计发电装机容量达到3万千瓦。在节能灯、太阳能利用技术推广等方面,都取得显著成效。大规模的节电不仅节约了宝贵的能源,保护了以火电为主电源的浙江的环境。按2005年浙江省节电21亿千瓦时测算,相当于节约标准煤约70万吨,由此可减少二氧化碳排放56万吨,减少二氧化硫排放1.3万吨。来源:中国政府网浙江萧山发电厂天然气发电工程年内点火浙江半山天然气发电工程建成之后,杭州第二个天然气发电工程项目—萧山发电ㄏ天然气发电工程安装签字仪式于4月12日下午正式签订。浙江萧山发电ㄏ天然气发电工程为国家东海天然气开发的下游配套项目,也是浙江省重点工程,省“五大百亿”工程之一。该工程的动态投资为25.7亿元,建设规模为两台35万千瓦的燃气蒸汽联合环机组。工程计划第一台机组将于年内点火,2007年两台机组全部建成投产。该工程建成后,届时,将进一步缓和杭州市的电力负荷压力,使用电紧张状况得到有效缓解,同时,也将进一步改善浙江省和杭州市的能源结构。本刊作者声明:《能源工程》2006年第1期《生物柴油的理化性质及质量标准》一文增补马欢为第二作者。