燃料乙醇制造的"零能耗零污染"趋势

生物工程学报journals, imaccnChinese Journal of Biotechnology ISSN 1000-3061cb@imaccn@2008 Institute of Microbiology, CAs& CSM, All rights reserved综述燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趋势毛忠贵,张建华江南大学生物工程学院,无锡214122摘要:酒精蒸馏废液有充足的非淀粉生物质可供沼气转化,沼液营养丰富可作酵母发酵工艺用水。通过酒精高浓度发酵、沼气高效转化、沼气热电联产,差压蒸馏、环形过程工艺等产能、节能、无废技术的研发和集成,将最终宄成木蓦原料燃料酒精制造向“零能耗、零污染”生产技术的转型关键词:酒精发酵,木薯,沼气发酵,零能耗,零污染Trend of"Zero Energy Consumption and Wastewater"in FuelEthanol productionZhonggui Mao, and Jianhua ZhangJiangnan University, College of Biotechnology, Wuri 214122, ChinaAbstract: The energy consumption in a Chinese ethanol manufacturer with cassava as the feedstock, has been reduced to azero-closed level. If theR&d on technical integration of high ethanol concentration fermentation, methane fermentation techniquesteam and electricity co-generation system, new distillation technology, and the wastewater reutilization, is camied out continuously,the proposed"zero energy consumption and wastewater"technique could be realized in fuel ethanol production process.Keywords: alcohol fermention, cassava, methane fermention, zero energy consumption, zero wastewater“非粮、无污染、低能耗”是我国燃料乙醇发1木薯原料展的先决条件,它既是一个重要的技术发展方向也是下一轮燃料酒精产业顺利发展必须建立的技术木薯是目前我国主要的非粮酒精发酵原料,也平台。是世界上最大的能源作物之一。木薯是亚热带作物,在“政产学”多方努力下,近年来我国酒精制进我国自产约600多万吨。东南亚年产4000多万吨,是世界木薯主要产区之一,因需求拉动,近年来产技术已取得较大的进展,特别是木薯酒精的实际制量增幅较大。2005年我国与东盟达成的186项“零造过程已接近“零能耗”。总结、提高、优化并集成关税”贸易协定中就有一项是木薯,一定规模的来先进制造工艺和过程技术,集中力量合作攻克几个源是有保障的。技术关键,在国际上率先形成“无污染、零能耗”以木薯为原料生产酒精在我国已有几十年历史的非粮生物质能源制造产业化样板,对推动我国生目前生产规模有100多万吨,技术相对成熟,成本物质能源产业健康发展有重要意义。也较玉米等粮食原料低,因而在不消耗国内粮食08: Accepted: March 12, 2008or:zhongguIMao.E-mail:maozg@vip.163.com毛忠贵等:燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趋势947和不挤占耕地的前提下保持一个合适的规模是适很快宜的。23酒精差压蒸馏2几个重要的产能和节能技术差压蒸馏实质上是双效蒸馏技术。安徽宿县从法国引进第一套装置至今已有20年历史,期间经历21沼气发酵酒精工业不景气,企业普遍规模小投资大因而实际木薯酒精蒸馏废液的COD高达80001000推广缓慢。2000年以后四个规模化的燃料酒精定点pm(固液分离前),CN为25-30,处于沼气发酵CN企业全部采用差压蒸馏技术,国内其他年产10万吨比的最佳范围内,加上蒸馏废液本身温度较高以上非定点的酒精生产企业也在逐步使用中,技术(100C左右因而容易实现沼气的高温发酵。十多年已比较成熟。实际运行吨酒精可节约蒸馏耗汽35%,来木薯酒精废液的沼气发酵在工艺和工程技术上进相当于酒精生产全过程节约蒸汽23%。步很大,特别是2级串联的UASB厌氧发酵工艺。24高浓度酒精发酵新建的UASB反应器单只容量一般都在3000m3,最我国玉米酒精发酵浓度一般在12%,较美国普大的已达500m3木薯酒精蒸馏废液的沼气发酵技遍在15%以上相差3个百分点。而木薯原料因营养术已成为大规模工业沼气发酵的成功典范。国内一较玉米差发酵浓度更低,仅9%-10%。酒精高般产沼气水平为260Nm3酒精(95%,Wv,最好的发酵既能提高装备产能,又能较大幅度降低能耗已达330Nm/t酒精,其主要差异在沼气发酵工艺如酒精浓度从12%提高到15%,则蒸馏蒸汽消耗降的安排上,即先固液分离后沼气发酵还是2级串低15%。因而高浓度酒精发酵是一个重要的技术方联中间分离,后者因生物质转化更为充分故沼气产向3,玉米酒精发酵浓度15%,木薯酒精发酵浓度量大12。13%应是近期比较合理的目标。尽管沼气发酵技术进步很大,但仍有很大潜力,木薯酒精废液中还剩余40%的固态生物质(未溶3酒精制造“零能耗”的实现解的纤维和木质素类物质尚未转化成沼气。研究提31酒精制造过程的能量投入高沼气发酵技术,再增加10%的沼气量,使之达到国内酒精生产主要用薯类和玉米两大类原料。360Nm3/酒精是可以做到的,理想的是所有非酒精制造过程中能量投入的计量一般用吨酒精(95%,Wv发酵的生物质全部转化成沼气的蒸汽消耗和电能消耗表示。国内较好的水平为22热电联产薯类酒精(发酵液酒精10%,WV):汽耗3:8吨,酒精的生产制造既用电,又用汽,特别是酒精电耗130kWh已包括环保工程运转用电)蒸馏用汽量大而稳定,为热电联产装置的稳定运行创玉米酒精(发酵液酒精12%,WV:汽耗45吨造了条件。发酵工业的工艺用汽压力一般在04MPa电耗180kWh。即可,而热电联产产汽锅炉额定压力多在38MPa以玉米酒精能耗较大的原因是玉米脱胚和生产饲上,除去蒸汽输送管路压力损失后一般还有△3.0Mpa料DDGS要耗用较多的蒸汽和电力。以上的压差可推动汽轮机发电(如既产汽又发电的3,2技术集成后的节能和产能背压式发电)。3.2.1蒸汽的消耗和产出由于工艺用汽压力不高,发酵企业采用21MPa以木薯酒精为例以下的低压锅炉较多,但低压锅炉热效率低,仅发酵酒精度从10%提髙至13%,节约蒸汽80%多。热电联产为提高热电转换效率通常使用15%。38~59MPa的中高压锅炉,热效率较普通锅炉提高应用差压蒸馏技术,蒸馏可节能35%。因蒸馏10个百分点以上,一般可达92%-95%。因而背压发用汽占酒精生产总用汽的65%,则总节汽为电和锅炉热效率的提高为企业带来双重利益,对酒65%×35%=23%。精生产企业而言其生产成本可降低8%-10%,因而两项技术可节汽15%+23%=38%,则蒸汽热电联产技术在10万吨以上规模的企业推广应用消耗降为948|sSN10003061cN11-1998/QChin J Biotech38×(1-38%)=2.36t(酒精)4“零污染工艺”的研发沼气产率计为360Nm3/(酒精),热值:51404187kNm,热电联产中的燃烧产汽65k8Nm341木薯酒精沼液回用环形工艺则:总产汽6.5×103×360=234t(酒精)生物质能源产业如规模过小则没有实际意义即沼气燃烧产汽和生产消耗蒸汽基本平衡规模大则废水污染问题突显,因而低成本的“零污3.22电力的消耗和产出染工艺”技术平台不建立,燃料酒精等生物质能源我国发酵产业界目前热电联产已比较普遍,行产业在我国难以顺利发展业先进水平为:在输出低压工艺蒸汽的同时每吨蒸产品制造型企业其污染可能有各种类型,如废汽可净产出电能90kWh,折合成吨酒精(95%,Wv)水、废气或废渣污染,也有制造工艺型污染和工艺废液生产沼气后热电联产发电辅助型污染。对燃料酒精而言关键是“工艺型废水污90×234=2 l kwh(酒精)染”,需通过技术进步使其向“零污染工艺”转型。木薯酒精生产过程消耗电能130kWh(酒精)解决了工艺型废水污染则其它污染大幅度降低,少60%消耗在原料的粉碎工序),则电力富余量低COD废水的污染处理成本处于企业承受能力211-130=81kWh/(酒精范围之内,问题也就容易解决。即通过技术进步和技术集成,以木薯原料生产燃在总结前人成果和多年研究探索的基础上,我料酒精,可实现能量自给,且每吨酒精5%,W可对们已完成了木薯酒精沼液回用闭路循环的框架研究外输送电能8kWh,即可实现富裕的“零能耗制造”。形成如下图所示的酒精发酵环形工艺注:以上计算发酵酒精浓度13%、沼气产出360酵母酒精发酵相对粗放,对发酵原料的要求不Nm/酒精(95%,Wv。蒸汽和电力的产出数据是企象氨基酸等那样严格,因而可以用蒸馏废液作工艺业内部的实际考核指标。配料用水。酒精蒸馏废液pH38-40,但液化糖化的33目前国内酒精企业能耗的最好水平适宜pH分别为55和45,因而用蒸馏废液作配料江苏花厅酒业在10万吨级木薯酒精生产线上,用水有一个pH匹配的问题;另一个问题是蒸馏废液已成功实现沼气代煤作主要能源,在热电联产工程中的可溶性干固物含量高达6%-8%,废液回配循环尚未投产前,就已实现吨酒精耗原煤0.1t以下(实中会逐渐累积,因此目前企业用蒸馏废液循环回配际耗原煤60-80kg),与一般吨酒精需原煤0.5t指标率最高只有30%。相比,大幅度节能80%以上(此处“原煤”热值为蒸馏废液经沼气发酵后其沼液pH为中性,可4187×5500k/kg)。该企业的酒精生产过程实际上已溶性干固物仅02%,容易实现全部回用作工艺配接近“零能耗”,沼气热电联产工程上马后,由于电料用水的目标;原本沼液后续耗氧处理中难降解的力有富余而上当地电网,算经济账即可实现零能耗,氨态N等小分子有机物成了酒精酵母的营养物,醪体现在能耗成本为“零”上。液酵母密度增加了30%以上,更适宜高浓度酒精发LiquefyDistillDewaterFuel ethanolFeed water Marsh liquidMethane fermentMethane图1酒精发酵环形工艺Flg. 1 Ethanol production circular processJoumals. im ac. n毛忠贵等:燃料乙醇制造的“零能耗零污染”趋势酵不再需要为废水达标排放而必须进行的大规模高 REFERENCES成本的耗氧处理,节约了水资源,也降低了生产成本[1] Yuan ZH, Wu CZ, Ma LL Fundamentals and Technology4.2仍需研究的几个关键技术on Biomass Energy Development. Chemical Industry4.2.1高浓度酒精发酵技术Press,2005,3:67-148一般研究集中在耐高渗菌种和酵母营养物上袁振宏,吴创之,马隆龙.生物质能利用原理与技术目标使酒精发酵稳定在13%、底物对乙醇转化达化学工业出版社,2005,3:67-14891%,以及发酵时间控制在60h之内。[2] Li QL, Cao J. Application research on the anaerobic4.2.2生物质全利用技术digestion for comprehensive treatment of dried potatresidue liquid of alcohol factory. Energy Engineering,尚有相当量的生物质没有得到有效转化,适合2001,(3):24-26,开展发酵沼气转化、生物高分子材料或高效微生物李泉临,曹军.利用沼气技术综合治理酒精厂废液.能堆肥等研究。源工程,2001,(3):24264.2.3工程化技术开发等[3]Reddy LVA, Reddy ovS Rapid and enhanced production of工程化阶段可能出现的高浓物料的输送、蒸馏ethanol in very high gravity sugar fermentation bySaccharomyces cerevisiae. Process Biochemistry, 2004, 41粗馏塔的雾沫夹带、沼气发酵的脱S、环形工艺工(3):726-729程平衡等技术问题需要解决。[4] Li CL Application of high concentration mash fermentation木薯酒精是我国生物质能源开发中一个很好的techniques to advance energy-saving and cleaning alcoholproduction. Liquor-making Science and Technology, 2005突破口,完全可以在企业层面呈现一个“零能耗零污染”的样板和技术平台。工业生物技术界如能集李传林.应用浓醪发酵技术,推动酒精工业节能及清洁中一些力量,政产学通力合作,将为我国生物质能生产.酿酒科技,2005,131(5):10源事业的健康发展作出重要贡献,也为其他非粮燃 5] Najafpour G, Younes H, Ismail KSK. Ethanol料酒精的制造技术和后续秸秆能源化转化技术的研fermentation in an immobilized cell reactor usingSaccharomyces Cerevisiae. Bioresource Technology, 2004发和工程化积累宝贵的经验。41(3):251-260科学出版社科学出版中心生命科学分社新书推介生命科学实验设计指南【美】DJ.格拉斯著丛羽生等译9787-03-021341-9￥35.002008年5月30日出版随着人类和其他物种基因组的破译,生物信息科学的发展,生命科学已成为21世纪最为活跃、发展最为迅速的先导性学科之一。国内各高校十分重视生命科学的发展,相继设立了本科生创新科研项目以设计师及研究策略和实验设计方面的课程。研究生培养也以科学研究水平为标准。本书作者基于多年教学科研经验以及与著名专家学者交流的基础,对生物学研究策略和实验设计进行深入细致的解析。本书可作为生命科学专业高年级本科生和研究生的教材和参考资料。植物生物学与生态学实验高玉葆石福臣等编著9787030213365￥25002008年5月12日出版本书是在南开大学生物科学专业多年相关实验教学的基础上,结合国内高校植物生物学教学现状,并植物生物学与综合国内外近年来的实验教学成果编制而成。全书分为植物解剖、植物分类、植物生理和植物生态4个部分,共50个实验。在考虑全书系统性的同时,各部分实验内容本着相对独立、材料易得的原则,由浅人深、循序渐进。在实际实验教学中,使用单位可以根据教学安排,灵活选取其中的实验内容。本书可作为高校生物科学专业本科生的实验指导用书,也可作为从事植物学、植物生理学和植物生态学的科学工作者及研究生提供参考。欢迎各界人士邮购科学出版社各类图书(免邮费邮购地址:北京东黄城根北街16号科学出版社科学出版中心生命科学分社邮编:100717联系人:阮芯联系电话:01064034622(带传真)更多精彩图书请登陆网站hp:/www.lifescience.com.cnJoumals. im ac cn