玉米燃料乙醇生命周期能耗分析

第31卷第6期哈尔滨工程大学学报vol.31№.62010年6月Journal of Harbin Engineering UniversityJun.2010doi:10.3969/jisn.1006-7043.2010.06.016玉米燃料乙醇生命周期能耗分析丁文武,原林,汤晓五,肖泽仪(四川大学化工学院,四川成都61065)摘要:利用生命周期评价原理对玉米燃料乙醇生产能耗和产投比进行了分析以期为膜生物反应器发酵等新工艺的能耗分析以及玉米燃料乙醇的可再生性分析提供依据在计入和忽略副产品能值的2种情况下,玉米燃料乙醇生命周期的净能量值都为负值能量产投比都小于1,如果不计副产品能值则净能量为-16556.15M,能量产投比为0.618,计入副产品能值则净能值为-8765.15M能量产投比为0753每吨乙醇所耗玉米中含有的可再生能量为40993.60MJ,可再生能量回收率为653%,乙醇的发酵生产只是一种能源形式的转变过程通过现有研究结果的比较发现,国内研究中玉米燃料乙醇生命周期的净能值为正的结果值得商榷关键词:玉米燃料乙醇;净能值;能量产投比;可再生能量回收率;生命周期中图分类号:S216.2文献标识码:A文章编号:1006-7043(2010)0640773407Analysis of net energy production in the corn ethanol life cycleDING Wen-wu, YUAN Lin, TANG Xiao-yu, XIAO Ze-yiSchool of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)Abstract: The energy consumption and energy-making efficiency of com ethanol were analyzed with life cycle as-sessment principles to provide analysis basis for the renewable capability of corn ethanol and the energy consumptionof ethanol fermentation in membrane bioreactor. The net energy of the corn ethanol was negative and the energy-making efficiency was less than 1, whether or not the energy of by-products was calculated. If the energy of by-products was neglected, the net energy was -16 556. 15 MJ, and the efficiency was 0. 618. When by-productswere included, the net energy was -8765. 15 MJ, and the efficiency was 0. 753. The renewable energy from oneton of ethanol was 40 993 60MJ and its recovery efficiency was 65. 3%. Corn ethanol production was just a transformation of energy types. Based on the comparative results of the present study, domestic studies that showed thenet energy production of the corn ethanol life cycle as positive should be questionedKeywords: com ethanol; net energy; energy-making efficiency; recovery efficiency of renewable energy; life cycle随着燃料危机的日益加剧,燃料乙醇虽然得到策略和方向在燃料乙醇生命周期能耗的计算中,由了迅速地发展,但是由于其生产能耗较大而受到严于其边界范围划分的复杂性以及计算方法的不同,重限制,因此包括膜生物反应器在内的新型生产技虽然许多研究者对燃料乙醇的生命周期能耗及净能术得到了广泛而深入的研究1.然而要对膜生物量值情况进行了计算和分析但是其计算结果至今反应器等新型发酵技术的能耗情况进行分析,需要仍然难以取得一致.巴西主要以甘蔗为原料生产燃个可以比较和借鉴的量化依据,由于对燃料乙醇料乙醇,经研究得出其燃料乙醇的净能量值为正值生命周期能耗情况的分析,不仅可以达到这一目的,能量产投比平均达到92,最高可达到11.26;美国更重要的是还可以为燃料乙醇的可持续化发展提供主要臣督立醇其研究结果差异收稿日期:20090605很大,中国煤化工为玉米燃料乙醇基金项目:国家自然科学基金资助项目(20276041,20776088)的生CNMHG而 Pimentel等作者简介:丁文武(1980-),男,博士研究生肖泽仪(1960-),男,教授博士生导师,E-mal:mgch@的研究结果则正好与之相反,认为燃料乙醇的生产通僧作者:肖泽仪不仅不能够节约能源,还要造成能源浪费和巨大的774哈尔滨工程大学学报第31卷环境问题H;中国目前主要以玉米和小麦为原料1.1玉米种植生产燃料乙醇胡志远、李胜、张治山等分别对以木玉米种植阶段分为耕地播种、灌溉、收割以及薯、小麦和玉米为主要原料生产燃料乙醇的生命周脱粒等部分,实际投入部分包括种子、地膜、化肥、农期能耗进行了分析,结果其净能量值都为正药、人工以及柴油和电等由于种植阶段的机械作业值,但是张阿玲等通过研究表示目前国内燃料乙醇用油量或者用电量很难准确统计,在此本文选用各生产的净能量值应为负值,遗憾的是,文中没有种已知功率的机型进行估算,详见表1,对于耕地所列出详细的计算过程和数据投入的能量则是直接引用文献中的数据2,灌溉用鉴于目前燃料乙醇生命周期的能量分析结果仍水量为3900m3/ha,种子、化肥用工以及玉米产量然存在巨大争议本文根据我国吉林黑龙江、山东、等则根据统计年鉴取204-200年统计数据的平安徽的玉米生产情况及吉林和安徽燃料乙醇公司实均值2)(表2),由于年鉴中的复合肥没有给出具际生产情况,利用生命周期评价2原理对玉米燃体组成,在此选用贵州宏福阿城配肥分公司(黑龙料乙醇生命周期能耗及其影响因素重新进行了分江)生产的玉米专用肥(规格31-12-10)进行换析以期为膜生物反应器发酵等新技术的节能计算算,吉林和黑龙江两省都使用过地膜,但是用量不是和分析以及玉米燃料乙醇的可再生性分析提供一个很大,在此本文将其省略不计,孙丽梅等实际调可借鉴和比较的量化依据查了1996年和2005年山东恒台玉米的农药使用量1分析方法为分别为364kg/ha和5.67kg/ha,而李奇峰等调查了吉林中部粮食主产区玉米种植的农药投入为玉米燃料乙醇生命周期的边界划分以及能量流3.693.69kg/ha,据此,本文农药的使用量估计为动如图1所示,整个生命周期由原料生产、乙醇转化4kg/ha.种子、化肥、农药以及用工的能量折算值源及玉米运输和乙醇输配等几个部分组成,进入系统于公开出版的资料和文献232)的能量主要有太阳能(Es)和化石能(EF),从系统出表1玉米种植所用机械来的能量包括燃料乙醇的内能,即通过燃料乙醇燃Table 1 Machineries used in corn cultivation烧所得热能(E1)、副产品的能量(E)以及各种能量机种水泵播种机收割机脱粒机损失(EL).燃料乙醇生命周期的净能值(EN)能量机型TOP4043BYF34YQW25TYDs5产投比(En)以及可再生能量回收率(E)用以下公常州太腾河南省三荣成市海山式计算,其中E为可再生能量:生产动力机械门峡通用机制逝黑龙江五常刀具E1有限公司机械厂限公司Ew=E1+EB-E,En=E-EB””ERx100%功率/8.8~11.341.3~60另外,本系统中没有计入生产化石燃料、农用机械、厂房建设以及生产设备等所需要的能量效率40m%h0.250.3ha/h0.4h/h12-16U/h太阳能石燃料表2玉米产量及种植阶段部分投入Table 2 Corn yield and some inputs of cultivation吉林黑龙江安徽山东压米种玉米运输“已醇转化一醇输种子/(kg·ha-1)50.9636.6839.9444用工/(d·ha1)66.00124.20127.99化肥/(kg·ha-)208.24263.63331.61能量损失能址损为副产品乙醇燃烧77226.93253.40中国煤化图1玉米燃料乙醇生命周期能耗分析图928.746.55Fig. 1 Energy consumption analysis of com ethanol inCNMHG& 7.93 31玉米产量/6526.54424.54153.06305.3第6期丁文武,等:玉米燃料乙醇生命周期能耗分析775·1.2乙醇转化运输能耗最少,仅占总能耗的0.55%左右,对总能乙醇发酵方法有干法和湿法2种,主要工序有耗的影响很少;机械作业和用工在玉米种植过程中原料预处理,液化、糖化、发酵蒸馏和脱水等,由于能耗也较大,但是两项总值也仅占总能耗的23%左湿法生产工艺可以充分利用原料,获得更好的经济右,对整个玉米种植能耗的总值影响也不是很明显效益,因而我国燃料乙醇公司都以湿法工艺生产燃因此,在玉米种植过程中,合理使用化肥,降低氮肥料乙醇根据资料,吉林燃料乙醇公司每吨酒使用量科学种植玉米才是降低玉米种植能耗的精的能耗折标煤为0.824t,安徽燃料乙醇公司每吨关键乙醇耗电414.334kW·h,蒸汽4.543t,其中每吨表3玉米种植及运输能量消耗蒸汽折标煤0.185t3Table 3 Energy consumption of com cultivation and1.3物料、产品等运输MJ/ha化肥农药和乙醇的运输距离采用张阿玲的吉林黑龙江安徽山东估算值,本文假设总运输距离中的100km为公路运840.12604.59658.37740.59输,其余为铁路运输;吉林公司的玉米主要来源于本用工1841.861119.362106.432170.67省玉米产区,因此假设其运输半径为100km,主要机械作业4483.174474.854473.784482.30为公路运输,安徽的玉米5/8来源于东北,14来源农药408.36408.36408.36408.36于本省,1/8来源于华北(本文假设为山东)],据化肥20136.4314344.5821346.7324239.34此假设东北和山东玉米运输到安徽的铁路距离分别N19113.0013601.8520888.6323324.67为1800km和500km,公路运输都为100km,本省POe728.00595.65385.14623.18的运输半径为100km,并且为公路运输.另外,本文K,029542147012.97291.50中的公路运输均设为双程铁路运输均设为单程铁化肥农163.55116.41路和公路的运输能耗则根据中国交通年鉴中的铁路146.82药运输运输主要经济技术指标统计和公路运输行业基本情总值27873.4921068.1529140.4832况统计的数据,分别换算为8.39×102M/2.2乙醇转化运输能耗及副产品能值(t·km)和218MJ/(t·km)如表4所示,在乙醇生产阶段两公司的能耗相1.4副产品差不大,但是,由于安徽公司的玉米单耗比吉林公司副产品能值的估算主要有以下几种基本方法:要大一些,进而导致了其整个玉米燃料乙醇生命周能值法、市场价值法能量投入分摊法以及替代法期的总能耗要比吉林公司要大很多(见后文表6)等,本文以能量替代法估算副产品的能值此法根据张阿玲等的统计数据(∞),中国燃料乙醇的优秀假设由于酒精副产品的产生,使得生产同类产品的生产工艺能耗大约为22CJ/t,可以看出两家公司生其他部门减少生产,从而节省了相应的能量吉林燃产燃料乙醇的能耗都接近优秀生产工艺的能耗;两料乙醇公司每吨乙醇产全干燥蛋白饲料( distil1公司副产品能值相差也不大,但是从表中的数据可dried grains with solubles,DDCS)0.8t,玉米油以看到,玉米油的能值相对较少,DDCS的能值是副0.056t,安徽燃料乙醇公司每吨乙醇产DDCS产品能值的主要部分.需要说明的是,本文副产品的093t,替代产品的能量因子采用Km3的数据,并替代能值分别是以大豆为原料生产大豆油和大豆饲根据国内的实际生产情况加以修正,以减少因国内料所需要的能值,由于大豆本身固氮作用,使得大豆外生产情况的不同所带来的误差在生产过程中所投入的氮肥比玉米要少很多,因而2结果与讨论生产大豆所需的能量比生产玉米所需能量也要少很多,因中国煤化工替代大豆产品将2.1玉米种植阶段能量投入会对NIA凵弓外,有研究者认为CNM如表3,通过对4省玉米种植及运输能耗的统为了工壤,D5厘以骰理到土壤中,以便减计计算得到,化肥是最大的能量投入,占总能耗的少现代农业的不可逆性,因此,DDGS的值不应该被65%以上,氮肥又是其中的最大投入;化肥和农药的计入产出能量中776·哈尔滨工程大学学报第3卷衰4乙醇转化运输能耗及副产品能值要投入25134.23M,因此目前的乙醇生产过程能Table 4 Energy consumption of ethanol conversion,量收益非常少,仅仅是一种能源形式的转变而已transportation and energy of by-products24生命周期能耗以及净能值和能量产投比吉林安徽平均值玉米燃料乙醇生命周期的总能耗、净能量以及玉米单耗/能量产投比如表6所示从表中可以看出无论统计3.203.37(t·t")(乙醇)副产品能值与否,净能值都为负值,能量产投比都小乙醇生产能耗于1,所以生产玉米燃料乙醇是一个能量损失过程,24148.1426120.3225134.23/(MJ·t)(乙醇)在未计副产品能值的情况下,能量产投比仅为乙醇运输能耗0.618,每吨乙醇将亏损16556.15M的能量,即使498.50488.43493.47(MJ·t)(乙醇)统计上副产品能值,能量产投比也仅仅达到0.753玉米油能值生产每吨乙醇也将亏损8765.15M的能量.(MJ·t")(乙隙)1050表6生命周期总能耗及净能值和产投比Table 6 Total energy consumption, net energy andDDGS能值78127266energy-making efficiency in corn ethanol life cycle(MJ·t)(乙醇)M·(乙醇)副产品总能值吉林安徽平均值78127791(MJ·t1)(乙醇)生命周期39709.7846958.5143334.1523可再生能量及其回收率总能耗净能值表5可再生能量及其回收率(未计副产品)12931.78-20180.51-16556.15Table 5 Renewable energy and its recovery efriciency产投比0.6740.618林安徽平均值未计副产品)净能值玉米屮能量161.78-12368.51-8765.1552752.0058323.9355537.97(计副产品)产投比0.8380.6840.753种植所投能量(计副产品)12351.6216737.1214544.37可再生能量/40400.3841586.8140993.60(M·t)(乙醇)可再生能量66.365.3回收率/%本文认为进入系统的可再生能量只有太阳能、种子和人工的能量,所投入的其他能量都是不可再A生的.淀粉热量为17.7KJ/kg,葡萄糖热量为玉米运输玉米生产乙醇生产乙醇运输15.7KJ/kg列,由淀粉的组成可得到,每千克淀粉水解大约生成1.11kg葡萄糖所以其生成葡萄糖图2玉米燃料乙醇生命周期各阶段能耗Fig 2 Energy consumption at different stages of的总热量为174kJ/kg,与淀粉的热量几乎相等因而玉米发酵的前期预处理过程没有增加原料的能燃料乙醇生命周期总能耗中各阶段能耗情况如量,而发酵又是放热过程,因此乙醇中的能量全部来图自于玉米,即来自于可再生能量.由表5可以看到,中国煤化工是主要的能量消耗,每吨乙醇所耗玉米中含有可再生能量为CNMHG39.M,乙醇转4099150M,而每吨乙醇的内能为26778M因化阶段投入2514.23m,分刑占总能耗的37%和而可再生能量回收率为63%,同时,乙醇的生产需58%,玉米运输投人164653M,占总能耗的3.8%,由图可以看出,安徽公司的玉米虽然经过长第6期丁文武,等:玉米燃料乙醇生命周期能耗分析777途运输,但是,其玉米运输的能耗与吉林公司的能耗高但是玉米只有在含水分低于14%时才能存储相差不大,因此玉米来源地不会限制燃料乙醇的发因此必须考虑玉米烘干的能耗,然而,戴杜在文中没展,乙醇运输的能耗更低,每吨乙醇仅493.46M,有表明这一能耗.在乙醇转化的能耗上张治山直接占总能耗的114%.因此要使净能量值转为正值应使用了国外生产数据, Pimentel在2001年的计算该在玉米生产和乙醇转化2个阶段大幅降低能耗.可能是由于统计数据较老,所以能耗较高;副产品能3国内外研究结果比较值的计算争议比较大,计算方法也很多,表中所列只有戴杜使用了市场价格分配法,所以其计算出的能近几年,中美对玉米燃料乙醇生命周期能量分值相对较高.生命周期总能耗各研究结果参差不齐,析的部分研究结果如表7所示通过比较可以看到,主要原因是由于各研究的边界范围划分以及各个阶国内研究所统计的氮肥使用量都明显高于美国不段能耗不同造成的例如表中 Pimentel1在2005年同的是每个研究所统计的生产氮肥的能量不同玉的计算中考虑了玉米种植中生产机械的能耗以及生米乙醇转化率中美差距不大,需要指出的是,戴杜的产乙醇的厂房、设备等能量的投入计算中玉米的湿度为30%,因而其玉米单耗相对较衰7不同研究的玉米乙醇生命周期能量分析结果Table 7 Energy analysis results of corn ethanol life cycle in different studies乙醇生产能耗/总能耗/副产品能值净能值玉米产量/氮肥用量氮肥能值′玉米单耗(M·t)(M·t)(MJ·t-)(M·t)(kg·ha-)(kg·ha")(M·kg)(t·t'乙醇)乙醇)(乙醇)(乙醇)7971-11994742.743.24185042759951367542Pimentel[3]8655张治山750053205590°3140l1103戴杜{1)650049.06°本文5352208.93.3743334.1577918765注:a为干法工艺计算数据;b为湿法工艺计算数据;e为美国阿冈国家实验室的GRET模型中的数据目前国内玉米燃料乙醇生命周期的能耗分析象,,所以这些数据都难以全面地代表实际的生中,其净能量值都为正值,有以下3个重要的原因:产情况1)大量采用了国外的统计数据,在张治山等的3)系统边界划分以及计算方法造成不同计算计算中种子、化肥以及农药的能量折算值甚至是生结果,在以上两位研究者的边界划分也都忽略了生产乙醇的单位能耗都采用了国外的数据,而戴杜等产化石能源等所需的能量,同时采用了不同的计算的计算也引入了美国阿冈国家实验室的 GREET模方法也是可能成为净能量值为正的原因型中的数据,然而,国内的化肥、乙醇等生产水平与国外相比仍然有较大差距国内的生产能耗比国外4结论要大很多,这必然造成其计算结果与国内的实际情1)利用生命周期评价基本原理对玉米燃料乙况难以相符2·;醇生命周期能耗情况进行了分析,每吨乙醇生命周2)统计数据不全面,张治山的计算中,化肥的期的总能耗为43334.15M1在统计和忽略副产品投入量和玉米产量采用了试验条件下的最佳使用量能值中国煤化工能量值都为负值,能及产量,戴杜的玉米产量和化肥投入也只是统计了量CNMHO能值每吨乙醇的净几个地区的生产情况,有一定的片面性,因国内的玉能量为-16556.15M,能量产投比为0.618,计入米种植仍存在滥用化肥农药等不科学种植现副产品能值每吨乙醇的净能值为-8765.15MJ,能哈尔滨工程大学学报第31卷量产投比为0.753[5]原林陈春燕周一慧,等膜生物反应器乙醇发酵下游2)玉米燃料乙醇生命周期总能耗中,原料生产工艺[J]酿酒科技,2008(12):17-20和乙醇转化是主要的能量消耗,每吨乙醇需要投入YUAN Lin, CHEN Chunyan, ZHOU Yihui, et al. Down-原料能耗为16039.06M,乙醇转化投入stream processing techniques of ethanol fermentation by useof membrane bioreactor[ J]. Liquor-making Science and5134.23M,分别占总能耗的37%和58%,玉米和乙醇的运输能耗分别为1646.53M和493.46[6 MACEDO I C. Greenhouse gas emissions and energy balMJ,仅占总能耗的3.8%和1.14%;每吨乙醇所耗ance in bio-ethanol production and utilization in Brazil [J]玉米中含有的可再生能量为40993.60MJ,可再生Biomass and Bioenergy, 1998, 14(1): 77-81能量回收率为65.3%,乙醇的发酵生产只是一种能[7] LORENZ D, DAVID M. How much energy does it take to源形式的转变过程make a gallon of ethanol? Revised and updated[Z]. Wash3)国内一些研究中,玉米乙醇燃料生命周期的gton DC: Institute for Local Self-Reliance, 1995净能量值为正值是由于运用了国外的统计数据统8 SHAPOURI H, DUFFIELD J A, GRABOSKIM S. Estimating the net energy balance of com ethanol[ R]//Agricul-计不全面以及系统边界划分和计算方法造成的,因tural Economic Report 721. Washington DC: US Depart而国内玉米燃料乙醇生命周期的净能量为正值的情ment of Agriculture, 1995况并不乐观[9]SHAPOURI H, DUFFIELD J A, WANG M. 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