燃料乙醇能源系统的生态重组

第29卷第3期可再生能源VoL 29 No. 32011年6月Renewable Energy ResourcesJun. 2011燃料乙醇能源系统的生态重组杨慧,陈砺,王红林,严宗诚(华南理工大学化学与化工学院,广东省绿色化学产品技术重点实验室,广东广州510640)摘要:以木薯为原料的燃料乙醇传统生产模式是农业和工业两个简单线性过程的叠加,资源消耗量大排放废物多。根据工业生态学原理,借鉴自然生态系统的模式对该过程进行生态重组,通过引入分解者及消费者,使物质、能量在系统内循环成为可能,系统呈现复杂化趋势,形成工农业共生体。经生态重组后,系统产生的可燃气自给有余,年产燃料乙醇25万t的系统副产物可饲养生猜50万头、产有机肥料300万t可降解塑料54万t;年可减排CO224万t,处理废液340万t木薯茎秆等农业废弃物227万t,额外创造16亿元经济收入,节约生产成本550万元。关键词:木薯;燃料乙醇;工业生态系统;生态重组中图分类号:TK6;S2162;X17Ll文献标志码:A文章编号:1671-5292(2011)030084-06Eco-restructuring of fuel ethanol systemYANG Hui, CHEN Li, WANG Hong-lin, Yan Zong-cheng(Guangdong Provincial Laboratory of Green Chemical Technology, School of Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract: The traditional production model of cassava-based fuel ethanol is the union of two sim-ple linear processes of agriculture and industry, which results in high energy consumption and serious pollution. According to the theory of industrial ecosystem and the model of natural ecosys-tem, cassava-based fuel ethanol system was eco-restructured. And the cycle of mass and energyshowed the trends of complication, and formed the symbiont of industry and agriculture. The iain the system could be realized by introducing the decomposers and the consumers. The systerual output of 25 000 tons of cassava-based fuel ethanol system was analyzed as an example. Afterbeing eco-restructured, the combustible gas produced in the system was more than self-efficient50 000 pigs, 300 000 tons of organic fertilizers, and 54 000 tons of degradable plastics as by-prod-ucts could be produced each year. 24 000 tons of CO2 emissions, 340 000 tons of wastewater, and227000 tons of cassava stem could be reduced annually. The system can create an additional in-come of 1.6l billion Yuan, and save production costs of 9 000 000 Yuan at the same timeKeywords: cassava; fuel ethanol; industrial ecosystem; eco-restructuring0引言按比例与汽油混配制成车用乙醇汽油。随着人燃料乙醇是可再生的生物质液态能源,可类进入后石油时代,燃料乙醇的优越特性引起收稿日期:201006-07中国煤化工基金项目:科技部中泰科技合作项目(18509J);广东省科技计划项目(20CNMHG作者简介:杨體(1984),女,汉族,山西忻州人,博土研究生,主要研究方向为可再论与应用。 E-mail; yanghuil98410@ yahoo杨篡,等燃料乙醇能源系统的生态重组一以木薯原料为例了世界各国的重视,迎来了重大的发展机遇。就全的主要原因;同时,木薯产区布局的不合理,又导世界范围而言,目前燃料乙醇的消耗量相当于汽致了生产成本的上升两。人类种植木薯的目标油的2%,预计到2030年将达到10%~20%。我产物为富含淀粉的块根,在其生长过程中,块根国已在东北、河南、安徽、广西等地推广使用乙醇的产量与茎秆、枝叶等非目标产物的产量基本相汽油当。茎秆、枝叶的利用率非常低,除了部分茎秆留乙醇可通过化学合成和生物发酵等方法制作种苗外,其余作为低热值燃料焚烧或废弃在田得。目前,世界上通过生物发酵法生产的乙醇占乙间,引起环境问题。木薯生长模型如图1所示,可醇总产量的94%以上闪。甘蔗、甜菜等糖类生物质以看出,这是一个通过植株的光合作用,吸收阳和玉米、小麦等淀粉类生物质是发酵法产乙醇的光水、肥料和CO2得到木薯块根及其它部分的主要原料,木质纤维素也可以作为发酵法的原料,线性农业过程。但是还没有得到大规模应用。木薯( Maninot eg-culenta crant)是一种在我国南方广泛种植的非水肥料一02粮作物,具有适应性强、耐旱、耐贫瘠等特点鲜木薯中淀粉含量在32%以上,是生产乙醇的理想争日标产物(块根)原料。研究结果表明,在各种原料中,木薯的综合效益居第2位闪。C=程→非日标产物工业系统是现代社会经济系统的核心,是社会发展不可缺少的动力,它提供的产品和服务构图1木薯生长模型成了现代文明的物质基础。但是,工业体系是人类Fig 1 Model社会与自然生态系统相互作用最为强烈的一个子发酵法燃料乙醇生产工艺流程如图2所示。系统,在人类各种活动中,工业活动对自然环境冲水水蒸气击最大,由此造成对自然环境的损害也最为严重。以可再生生物质为原料生产燃料乙醇,为人类提供了一种全新的车用燃料。然而,与其它工业过程一样,燃料乙醇的生产过程对自然生态环境产生了强烈的扰动。通过对以木薯为原料的燃料乙醇水蒸气水燕气能源系统进行生态重组,可大大降低其对自然环燃料境的冲击次蒸馏乙醉脱水分离1传统燃料乙醇生产过程分析传统的发酵法生物质乙醇生产过程分为原料废液种植的农业过程和乙醇生产的工业过程两大部分。以木薯为原料的乙醇生产为例,木薯种植为后图2木薯制燃料乙醇的工艺流程续的工业过程提供生物质原料,而工业过程则将Fig 2 Technological flow of cassava-based fuel ethanol木薯中的淀粉通过生物转换及化学分离的方法制木薯经液化、蒸煮处理,破坏细胞,使淀粉糊成燃料乙醇。化;在液化酶、糖化酶的作用下,转化为可发酵性木薯是我国南方重要的旱地经济作物,主要糖后形成均一的糖化醪加入酒精酵母发酵酵母集中在广西、广东、海南、云南、福建等省份。截至将葡萄糖代谢为乙醇;发酵成熟醪经蒸馏、脱水处2005年,我国木薯收获面积为43.5万hm2,鲜薯理,得到乙醇含量为995%以上的燃料乙醇产总产量为730万t,其中广西占全国收获总面积品。用工业生态学的理论对该生产过程进行归和鲜薯总产量的60%以上m。采用传统的种植纳中国煤化工出,这是一个向模式,品种单一、老化栽培管理粗放集约化程系CNMHG燃料乙醇同时度低,是导致我国木薯产量低、淀粉含量不理想向环境排顾废气相废泄旳线性⊥业过程。85可再生能獐2011,29(3)的运行模式是不可持续的,也是目前我国燃料乙醇行业难以摆脱政府补贴而完全靠市场规律运行的重要原因之2燃料乙醇能源系统的生态重组木薯块根经过长期的进化,自然生态系统在一定时期内形成了能量流和物质循环在生产者、消费者和分解者之间的相对的、动态的平衡,即生态平衡在自然生态系统中,物质得到充分的利用,形成图3燃料乙醇生产模型封闭循环,一种生物或一个种群所产生的废物Fig 3 Model of fuel ethanol productio可作为生态系统内其它成员物质或能量的来源套年产25万t的燃料乙醇生产装置,每而不会成为系统的废物叫年需要消耗77万t木薯干片、550万t水、725万人类社会作为自然生态系统中一个特殊的kWh电能、155万t水蒸气;产生COD浓度高达子系统,在可持续发展中起着举足轻重的作用。30000mg/L以上、BOD3浓度高达20000mg以运用人类的智慧、借鉴自然生态系统的模式对工上和干物质含量为2%-10%的废液34万t叫;生业系统进行生态重组,使目前的低级工业生态系物发酵过程还产生24万tCO。目前,只有部分统向高级演进,是人类与整个地球可持续发展的经初步脱水分离后的木薯酒精糟直接出售给农户关键。 Frosch R提到传统的工业活动模式应该做粗饲料或者肥料,大部分废液进入末端治理系向更为复杂的模式转变,即工业生态系统。在统或直接排放,所产生的CO2则基本未被利用,工业生态系统中,物质和能量利用最优化,废弃既浪费了资源,又污染了环境。物排放最小化。工业生态系统从提出至今已有按照传统的行业划分,农民在田间耕作收20年,对于确定和实现各种工业可持续发展目获木薯,形成了木薯种植的农业过程;燃料乙醇标起到了无与伦比的作用mn。公司向散布在各地的农户收购木薯,运回工厂燃料乙醇生产的本质是能量转化过程,即通加工成乙醇产品,是典型的工业过程。两个过程过植物的光合作用将太阳能固化成生物质能,通是分置的、割裂的,其唯一节点是货币与木薯实过生物化工过程将生物质能转换成含有化学能的物的交换。事实上,从生物质能生产全过程看,乙醇。这个过程需要消耗水、CO2肥料以及各种上述两个过程构成了从原料生产到产品加工的形式的能量、各种辅料、人力等,同时向环境排放完整生物质能源系统。在这个系统中,无论是木农作物茎秆、枝叶、生产过程所产生的废水、废气薯植株通过光合作用生长发育并形成富含淀粉·等废料。按照自然生态学原理和自然生态系统的的块根,还是将块根通过工业过程制成燃料乙运行方式进行调整和重组,构建出如图4所示的醇,物质与能量的流动都是线性的;系统的组成燃料乙醇能源系统。与结构十分简单,所涉及的行业及企业数量少图4上方双线箭头所示为传统生产过程,是产品种类不多;生产与消费仅仅是一些互不相整个能源转换的主线。模仿自然生态系统的运行关或关联度不大的物质与能量的叠加;所产生规则,使简单系统复杂化,是低级工业系统向高级的废物仅经初步处理,甚至完全不加以处理而工业生态系统进化的重要措施,其关键在于增加直接排向环境。这与地球生命诞生初期自然生系统中起废物分解和再生作用的成员。态系统十分类似。在以木薯为原料的燃料乙醇生产过程中Graedel提出三级工业生态系统的进化理“废物”有固、液、气3种,主要有木薯植株除块论,将这种最初级的运行方式称为一级生态系根以外的其他部分、蒸馏分离过程产生的废醪统。一级生态系统存在的前提是资源的无限化液利中国煤化工其性质的不同及环境容量的无限化,其完全不考虑资源利用的分CNMHG完成分解和再生效率和持续性、完全不考虑排出废物对环境影响功能YHa86杨篡,等燃料乙醇能源系统的生态重组一以木薯原料为例CO2产品HO能量辅料几几几阳光木薯种植燃料L醇生产2:=-燃料乙醇CO2深加工荞殖产品生物质气化肥料加废水独处理固形物饲料加工可燃气厌氧酒化系统边界有限的废物物质流-物质、能量流图4燃料乙醇能源系统Fig 4 Energy system of fuel ethanol(1)木薯茎秆、枝叶为分解产物提供了“消费者”,使物质、能量在系统生物质气化是以生产合成气为目的的生物质内循环利用成为可能。这种工、农业共生体成员间能利用技术方法,具有高效、环保、可持续等优点,的关系可以是大公司独立一体化经营的紧密型;在近年得到很快的发展,非常适合处理农林废弃可以是工、农业公司或个体经营者以契约关系形物,所获得的能量品位比直接燃烧大幅度提高。成的半紧密型,如我国所独创的“公司+农户”模本系统采用该技术将木薯茎秆、枝叶转化为合成式;也可以是以行政区域划分的松散型关系。气,作为锅炉燃料,向燃料乙醇生产过程提供能通过生态重组,以产品为结合点,将各成员联量所产生的灰渣经加工后作为木薯种植的肥料。系起来,形成互为供求关系的简单网络将线性系2)废醪液统向准循环性物料流动演进。环境向系统输人能蒸馏过程所排出的废醪液富含有机质而无毒量、水及少量的辅料,通过系统的加工,得到燃料害,既可作为种植业的肥料、养殖业的饲料,也可乙醇、养殖产品,同时向环境排放有限的废物。可转化为能源。废醪液经过固液分离预处理,部分见,这种系统比较接近图5所示的二级生态系液体回输生产工艺过程循环使用;固形物加工成统饲料供动物养殖,动物的粪便则加工成肥料供木主要成员薯种植,或作为厌氧消化的原料;固液混合物则进入厌氧消化工段,所产生的沼气作为锅炉燃料。能橄与二级生态系统有限的(3)CO2废物酵母菌在代谢过程中会产生大量CO2,经过辅助成员辅助成加工处理后,可得到干冰、液体CO2或高分子产品,如可降解塑料(PPC)等燃料乙醇能源系统(图4)将木薯种植的农业图5二级生态系统物质与能量流动模型过程与燃料乙醇生产的工业过程作为一个整体Fig5 Model of material and energy flow for second grade形成了农业与工业的协作、共生体系。这种体系既解决了农业生产的资金、肥料、优良品种选育、3生态重组效果分析栽培技术及农产品销路等问题,也保证了工业过中国煤化工的废弃物资源程的原料供应,更重要的是利用这种共生关系,为化,在HCNMHG量和成本;或者工业、农业过程所产生的“废物提供了“分解者”,加工成m以四双,同时也减轻可再生能漉011,29(3)了系统对环境的污染。为了评价生态重组的效果,益来说,每年可减少CO2排放量24万t,改善了以重组后的年产25万t燃料乙醇生产系统为例厂区的空气质量。生态重组系统与线性系统的产进行量化分析。出对比如表1所示,经济效益对比如表2所示(煤该系统每年需新鲜木薯2265万t种植木薯的价格按400元计,肥料价格按1600元计)。所产生的茎秆和枝叶为2265万始a。采用生物质从表2可以看出,猪和PPC外售,可燃气和肥料气化技术,每千克木薯秆可生产2m3可燃气,其供系统内部循环利用;系统每年可额外创造约16热值为3695-3974kJ/m3,即每立方米可燃气相亿元经济收人,同时节约生产成本550万元。当于0.13kg标准煤。系统每年可以生产可燃气表1生态重组系统与线性系统产出对比4.5×10°m3,相当于585t标准煤。按照气化1万 t Table 1 Yield comparison of eco- restructuring system and秸秆产生气化灰1000t,约相当于35.7t钾肥计linear svstem算网,在木薯茎秆气化过程中生成的灰渣为227生态重组系统线性系统猪/万头·a万ta,相当于8104t钾肥。发酵过程中排放的CO2可用来生产可降解cOy万ta塑料(PPC)。该技术不仅减轻了CO2的排放,其产可燃气/万t·a标煤0.18品又可替代有污染的不可降解塑料。PPC中含有肥料/万t·a40%的CO2,可减少塑料制品对石油和天然气资废醪液/万t·a1源的消耗,是一种典型的循环经济技术模式。每表2生态重组系统与线性系统经济效益对比生产1tPPC可利用CO2045-0.5四,本系统排放Table 2 Comparison on economic efficiency of的CO2为24万ta,可以生产PPC约54万taeco-restructuring system and linear systemPPC每吨售价高达3万元,因此,每年可实现销售生态重组系统/万元·a线性系统/万元·a收人约16亿元。PPC16×10该系统燃料乙醇生产过程中排放的废醪液约34万ta,经固液分离后可回收的固形物约15万肥料ta,用做猪饲料每年可饲养5万头猪按每头猪售-900价1000元计,每年可获得500万销售收入。猪粪4结语经过沼气池发酵,在产生沼气的同时,又可生产出工业生态学为传统工业迈向可持续发展提供高效灭虫菌的沼液、沼渣。沼液、沼渣是生产无公了战略性的理论模式,以此为基础所进行的生态害农产品的优质有机肥料。该系统每年产鲜猪粪重组可较大幅度地降低生产过程的能耗,提高系约1.5万t按每千克鲜猪粪产生沼气0.2m3沼渣统的环境相容性和经济效益。本文以年产25万t0.3kg、沼液2kg计算,可得沼气750万ma,相木薯燃料乙醇的系统为例,通过引入起分解者及当于6750t标准煤(1m3沼气折合标准煤消费者作用的成员,使物质、能量在系统内循环成09kg),可得沼渣和沼液345万四。经过固液分为可能,形成工、农业共生体。离之后的废水进行厌氧消化,按每吨废水产生的生态重组后产生的可燃气可完全替代线性工沼气为23m3计算四,可产沼气782万ma,相当业系统中燃料乙醇生产过程所消耗的煤,并且还于7038t标准煤。废水经处理后产生的消化污泥有相当于0.18万t标准煤的可燃气剩余。其系统约26万t,可提供给农民做有机肥料副产物年可饲养生猪5万头、有机肥料约30总而言之,该系统经生态重组后每年产生的万t、PPC约54万t。每年可减少排放CO24万t可燃气相当于1.38万t标准煤,燃料乙醇生产过当量、废液34万t、木薯茎秆等农业废弃物227程消耗1.2万t标准煤,因此,产生的可燃气可完万t,减轻了由于燃料乙醇生产对环境造成的冲全替代线性工业系统中的燃料,并且还剩余相当击。中国煤化工经济收入同时于0.18万t标准煤的可燃气。养猪5万头,可生节约CNMHG部分实施达到产有机肥料约30万t、PPC约54万t。从环境效了预定的数。桶慧,等燃料乙醇能源系的生态重—以木薯原料为例生态重组不仅满足了空间组织和联系的高效[100KMS, DALE B E. Allocation procedure in ethanol性原则实现了物质、能量的良好通达性;还满足production system from com grain [INternational了经济、社会、环境和谐的多功能性原则,从而初Journal of Life Cycle Assessment, 2002, 7(4): 237步实现了经济效益、社会效益和生态效益3者统的整体效应。[l张华,阚久方薯于酒精废液全回用技术应用实例U污染防治技术,200,13(2):119-120.[2]保国裕酒精发酵副产CO2资源化动态与途径甘蔗参考文献糖业,2008(2):43-47.ARNALDO WALTER. FRANK ROSILLO-CALLE[13] GRAEDEL T E, ALLENBY B R Industrial Ecology[M].PAULO DOLZAN, et al. Perspectives on fuel ethanolEnglewood Cliffs: Prentice Hall, 1995nsumption and trade [].Biomass and Bioenergy,[14]邓南圣吴峰工业生态学—理论与应用]北京2008,32(8):730-748化学工业出版社,20022]孙果宋,黄科林.循环经济中工业生态产业链构[5]邓南圣,宁吴峰工业生态系统与工业系统的生态建——以广西优势资源木薯为例化工技术与开重组天津社会科学,2005(2):78-81发,2006,35():25-29[16] FROSCH R, GALLOPOLOUS NStrategies for manufac[3)CARLOS A CARDONA. OSCAR J SANCHEZ. Fuelturing]. Sci. 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