我国非粮燃料乙醇的原料资源量分析

中外能源SINO-GLOBAL ENERGY011年第16卷我国非粮燃料乙醇的原料资源量分析靳胜英,孙守峰,宋爱萍,张福琴(中国石油规划总院,北京10003)摘要目前世界燃料乙醇的生产原料约60%为甘蔗或甜菜等糖质原料、33%为玉米或小麦等淀粉质原料,而纤维质原料正日益受到重视。我国可用于生产燃料乙醇的非粮淀粉质原料主要有甘薯、木薯、蕉藕、葛根等。其中蕉藕目前尚未形成产业化生产;葛根原料价格高,不宜作为乙醇原料;甘薯归属粮食范畴;只有木暮是最适宜制燃料乙醇的非粮淀粉质原料。纤维质原料主要包括农作物秸秆、农林废弃物、木屑等,其中农作物精秆是我国产量最大的非粮燃料乙醇原料。粘秆资源密度考虑,利用区域应主要集中在河南、山东、江苏等地,保守估计这3个省的精秤量可供生产1117×10t乙醇。目前制约纤维质原料制乙醇的关键瓶颈之一是原料的收集、运输及供应保障,若没有国家大的政策扶持和资金补贴,纤维质原料因缺乏经济可行性而尚不具备T业化生产乙醇的条件。糖质原料主要有甘蔗、甜菜甜高粱茎秆和菊芋。由于菊芋菊粉附加值高,不宜作乙醇原料;甘蔗、甜菜主要用于糖业,不会作为乙醇原料;从单位土地面积乙醇产量和原料成本、农民种植收益综合来看,甜高梁茎秆是适宜生产燃料乙醇的糖质原料。需要寻求产业化种植模式来落实资源总量,提高资源保障度;另一方面要进一步研究低成本、安全保质的茎秆储藏技术关键词非粮燃料乙醇原料淀粉质纤维质糖质木薯农作物秸秆甜高梁茎秆1前言21甘薯世界范围内,燃料乙醇的生产原料中约有60%甘薯是高产作物,喜暖怕冷,对土壤适应性强,为甘蔗或甜菜等糖质原料、3%为玉米或小麦等淀耐酸碱性好。中国是世界最大的甘薯生产国,种植粉质原料。纤维质原料作为燃料乙醇的生产原料日面积约500×10%hm2,占世界总种植面积的57%。近益受到重视,因此本文分别从淀粉质、纤维质和糖年来我国甘薯平均单产基本稳定在22hm2左右。质原料论述我国燃料乙醇的生产原料。目前我国2008年,中国甘薯产量约10×10%t,在我国粮食作燃料乙醇的国家批复产能已达152X10a,其中约物产量中排第四位(国家统计中甘薯属于粮食,约87%以玉米、小麦淀粉为原料,仅广西生物质能源5t鲜甘薯折合t粮食)。鲜甘薯含有约70%-75%的公司全部以木薯为原料,规模为20×10%a。根据国水分、20%2%的淀粉、2%的可溶性糖、2%的蛋白家《可再生能源中长期发展规划)提出的“近期重点质和少量脂肪其中淀粉是制乙醇的原料平均8t发展以薯类、甜高粱等为原料的非粮燃料乙醇,远鲜甘薯可产1t乙醇期积极发展以纤维素生物质为原料的生物燃料乙中国甘薯种植区域分布很广,四川、河南、山醇”,本文结合我国国情和资源情况,对可用于生产东重庆、广东、安徽6省市为甘薯主产区,208年燃料乙醇的非粮资源量、原料特点及其应用现状进6省的种植面积和产量合计分别占全国总量的66%行分析和讨论并对不同原料生产燃料乙醇的适宜和70%(见表1門。四川是我国甘薯种植第一大省原料类型和产量规模进行分析和探讨。2008年种植面积93×10"hm2,产量1716×10,均居2主要的淀粉质原料选择及资源量全国首位。目前国家已禁止新上以玉米、小麦等粮食作物TV山中国煤化工为原料的燃料乙醇项目,可用于生产燃料乙醇的非CNMHG国科季院过程工程研粮淀粉质原料主要包括甘薯、木薯、蕉藕、葛根等究所生物化工专业,目前主要从事石油及新能源的规划研究工以下对其种植、应用状况及原料特点等进行分析第5期靳胜英等,我国非粮燃料乙醇的原料资源量分析41表12008年我国甘薯主产区种植面积和产量分布川河南山东计「古总量的比例,%种植面积/10hm293.060.0399380332664鲜甘暮产量/10t目前,中国甘薯的主要用途是饲料、工业加工48%作饲料、0%作鲜食加工占8%、留种占4%、和食用,其中甘薯加工以淀粉酒精为主产品,以粉腐烂占20%。我国甘薯的主要用途及原料用量和丝为次产品。2008年,产量大省四川的甘薯总量中比例见表2。表22008年中国甘薯主要用途及原料比例途直接食用合计全国平均用量/0t5011l404150310023全国平均比例,%15146100四川省用量/10t1716四川省比例,%100从甘薯应用现状看,生产燃料乙醇的甘薯原料广西有大大小小200多家木薯淀粉加工厂,20可从饲料用途中争取一部分,可从腐烂损失中挽救多家木薯酒精厂,用量占木薯总量的45%左右。从部分,估计可争取到总产量的5%左右。以甘薯大广西木薯的应用现状看,生产燃料乙醇的木薯原料省四川为例,年均鲜甘薯产量1700×10t,按照现有可从农民自用中争取一部分。产量,争取总量5%,每年可获得约85×10鲜甘薯木薯可通过开发荒地增加资源量。目前,我国按8t鲜甘薯产It燃料乙醇估算,可满足10×10%v/a适于种植木薯的广西、广东、云南、海南、福建等地燃料乙醇规模的生产需要。若通过种植高淀粉品种尚有820×10hm2(123×10亩)荒地,其中广西木薯提高产量,还可进一步提高原料量。种植可扩展面积最大,未利用土地达372×10%hm22木薯含荒草地164×10"hm2、滩涂9x10hm2,若能开发其木薯属高产作物,耐干早、耐贫瘠、易栽培,在中一部分种植木薯,则可为燃料乙醇生产提供可靠亚热带产量较高。全世界木薯种植总面积约1850×的原料资源。广西区政府规划新开发67×10hm2土l0%hm2,主产区是非洲和东南亚,分别占世界总种植地种植木薯若按产量15u/hm2估算,鲜木薯总产量面积的66%和16%。中国不是木薯主产国种植面可达100010t,假设总产量的20%用于乙醇生产积约41×10hm2,占世界总种植面积的2%,年产量按7t鲜木薯生产lt燃料乙醇估算,可生产28×10t约600×10%,主要分布在广西、广东、云南、海南和乙醇。此外,周边东南亚国家丰富的木薯资源,可为福建等省。鲜木薯含有27%-3%的淀粉、4%左右中国木薯生产乙醇提供一定程度的原料保障。的蔗糖叫。乙醇生产是利用木薯块根中的淀粉,平23蕉藕均7鲜木薯产It乙醇。蕉藕,也称芭蕉芋,喜温暖耐旱,适应性强,抗广西是中国木薯主产区和最大的木薯加工基逆性强,病虫害极小,在我国西南江南至华北均有地近年来木薯种植面积和总产量均占全国的70%栽培,四川省尤为丰富。蕉藕既可成片种植也可零以上。2008年,广西木薯种植面积30×10hm2,总产星栽培,一般采用地下茎繁殖,不用种子。目前,四量450×0左右,平均鲜木薯单产可达15hm2,其川省蕉藕种植面积达6×10hm,多属自然生长和粗应用现状及所占原料的比例见表3放种植,大部分地方的蕉藕并没有得到利用,小部表3广西木薯应用现状及所占原料的比例分区县(如四川乐山县)利用蕉藕块茎加工淀粉、粉用途淀粉及变形淀粉酒精柠敏艘农民外销计曰抽地士要用作观赏。自用省外用囊/10%18213491224淀粉含量在22%CNMH比例,%以上制乙醇的原料,平注:表中统计数据包含进口木暮的数量。均9鲜蕉藕产1t乙醇。蕉藕种植粗放,耗用人工量中外能源SINO-GLOBAL ENERGY2011年第16卷少,每亩比甘薯少用工4天左右,劳动力成本低。蕉品——葛粉;提取异黄酮类活性物质(异黄酮中葛藕最显著的特点是可以在地里储藏和越冬而不腐根素、大豆甙元等)作为药物中间体。葛根在200烂,可以随用随挖,从而延长了保存时间降低了生年的收购价格一般为12元/kg,市场上零星出售价产干片的费用叫因此,如果能利用荒山坡地种植蕉格为2-4元/kg,目前这样高的价格作为乙醇生产藕,可提高乙醇生产原料的供应能力。原料不经济。24葛根2.5原料选择葛根具有适应性强、耐干旱、耐瘠薄的特点,适为了比较不同作物生产乙醇的原料成本,本研合于在荒山和荒地等区域种植,目前在盆地周围山究以200年的平均单产和收购价格为例,比较木地有较大规模的自然分布。四川省野生葛根资源相薯、甘薯、蕉藕、葛根的单位面积产量、乙醇产量和当丰富,野生葛根资源面积约100×104亩,人工栽原料成本,以玉米和小麦作为参考,淀粉利用率按培面积约10×10亩,尚未形成一定规模。葛根淀90%计算。粉含量在25%以上,含量比甘薯略高,与木薯相近,考虑中国地域辽阔,不同地区农作物的产量不全国平均亩产可达3t左右,7葛根可生产1t乙醇。尽相同,本研究以典型地区作为参考地点,木薯选目前葛根加工企业以生产保健功能食品为主择广西,甘薯、蕉藕、葛根选择四川,玉米选择吉林要利用途径,例如加工生产药食兼优的绿色保健食小麦选择河南,对比结果见表4表42009年不同淀粉质原料单产、乙醇产量、原料成本和适宜区域情况产thm2)单价/(元,t)生产每吨乙醇单位面积的乙醇生产每吨乙醇参考地点所需原料产量/t·hm-2)的原料成本/元7.0甘3360四川玉米004500吉林1,85146注;表中所列单产为选择典型地区作为参考地点的产量;资料来源于国家粮食局网站及参考文献[]l由表4可见,不同作物单位面积乙醇产量为:3纤维质原料选择及资源量蕉藕>葛根>甘薯>玉米>木薯>小麦;生产每吨乙醇纤维素生物质原料(简称纤维质原料)主要包括的原料成本为:蕉藕<木薯=甘薯<玉米<小麦<葛农作物秸秆、农林废弃物、木屑等,是真正的非粮乙根。这种排序可能因为农作物收购价格的波动而变醇原料。纤维质原料的主要成分是纤维素、半纤维化,其中蕉藕由于目前尚未形成产业化生产,因此素和木质素,一般含量分别为40%-60%、20%~40%单价很便宜。和10%-25%,其中纤维素、半纤维素是生产乙醇的总体而言,相比于玉米和小麦,蕉藕、甘薯、木原料。在此主要对农作物秸秆作为燃料乙醇生产原薯的吨乙醇原料成本都具有竞争优势,蕉藕原料成料进行分析讨论。本最低,这主要是因为目前蕉藕既没有形成种植产我国是世界第一大秸秆生产国,200年产量约业,资源量等情况存在不确定性,也没有形成以蕉8×10%,约占世界总产量的18%。在秸秆总量中,稻藕为原料的加工产业,如果作为未来生产乙醇的原草、玉米秸秆和麦秆是我国的主要秸秆类型,资源料蕉藕存在涨价的动力。葛根原料成本较高,不适量分别占全国秸秆资源总量的30%、24%和16%左合作为燃料乙醇的生产原料。木薯和甘薯的吨乙醇右,具有较大的开发潜力。在目前的工艺技术水平原料成本基本相等,但甘薯的单位面积乙醇产量明下釬可亡1了显高于木薯。考虑到目前国家对于甘薯属于粮食的中国煤化工作不均,近45%的倾向,建议未来薯类制乙醇应选择可在荒山坡地种秸和CNMHG支据秸秆资源密度植的木薯为宜划分的地区及其秸秆产量见表52。第5期靳胜英等,我国非粮燃料乙醇的原料资源量分析43豪5我国农作物秸秆资源高、中、低密度划分及其秸秆总产量精秆单产粘秆总产量平均稍秆资源地区土地总面积(hm「数hm比例,%数量10n比例,%密度/hm区域范围全国全国31个省、市、自治区高密度地36915豫、鲁、苏、皖、津、沪冀、鄂、吉中密度地区10030193992032m432.31408湘、辽桂赖、粤、、京、黑晋、贵低密度地区<108312宁川、琼闽陕、云、甘、内蒙新、青、藏在全国31个省(市、自治区)中,有豫、鲁、苏、个省的秸秆总量约59570×10t,按15%计算,则可皖、津、沪、冀、鄂、吉9个省市的秸秆资源密度高于用于生产燃料乙醇的资源总量为8935×10t,按照200/hm2,全部集中于东部地区和中部地区,其土地8秸秆产1t乙醇估算,可供生产乙醇l11×10h。面积之和占全国的12.2%,而秸秆总产量占到全国表7可集中用于生产燃料乙醇的主要秸秆资源量的439%,平均秸秆资源密度为3196U/hm2,比全国平均水平高261倍。尤其是河南、山东、江苏3省,省份主要精杆类型鞘科产量可供生产乙醇的资源量平均秸杆资源密度高达456/hm2以上,为全国平均河山江玉米秸秆稻草180602709水平的515倍,其土地面积之和仅占全国的45%,13640而秸秆总产量却占全国的233%。东北地区秸秆资源密度为143.5hm2,其中吉林是秸秆主产区叫。秸秸秆的收集、运输和储存是其作为工业原料首杆作为工业原料的主要问题是收获有季节性、能量先要解决的关键问题。以玉米秸秆为例,一般每亩密度低种植分散这使得其收集半径必须控制在只可收集到风干秸秆0.5按目前的工艺水平和单定范围内。因此从秸秆资源密度考虑我国秸秆耗情况,年产1×10规模的乙醇厂需秸杆8x10va资源的利用区域应集中在豫、鲁、苏、皖、津、沪、冀全部收集需要16×10亩耕地。而目前玉米秸秆约鄂、吉9个省市,尤其是河南、山东、江苏等地有1/3直接还田,1/3用作饲料等其他用途,实际能目前我国秸秆利用方式呈多元化发展,如秸够收集到的仅为1/3,这就需要在48×10亩左右的秆还田、制有机肥料、秸秆气化及压块燃料、动物饲耕地范围内完成收集任务。另一方面,农业生产季料、造纸业和纺织业原料及秸秆培养食用菌等,但节性强,换种期短,为了腾地换种,甚至要求秸秆在仍有相当大一部分被弃置或焚烧。近年来我国秸秆10天左右完成收集和储存。收获后一般需要原地的利用情况见表6。摊开晾晒1~3天才能进行捆扎码垛储存,这种集中表6近年来我国农作物秸秆利用方式及所占比例收集和晾晒原料收集难度很大。纤维质原料固体成主要用途所占比例%精秆/型加工设备还不尽完善,高秆作物的收获机械尚处在中试阶段,难以解决纤维质原料收集和储存的饲料瓶颈"问题。因此,以秸秆为原料生产乙醇的项目农村生活能源33986杆还田及收集损失规模除受技术限制外,还受到原料制约,需要根据废弃或焚烧11246资源情况和合理的运输半径确定合理的生产规模。合计720854糖质原料选择及资源量从秸秆的应用情况来看,除去农村生活用能糖质原料主要有甘蔗、甜菜、甜高粱茎秆和菊47.1%、畜牧饲料20.1%、秸秆还田15%和工业造纸芋,为比较不同糖质作物制乙醇的原料成本,本研22%等用途之外,废弃或焚烧占156%,约1×10%究以2009年平均单产和收购价格为例,比较甘蔗、因此可将废弃和焚烧的秸秆(约15%)用作燃料乙甜菜中国煤化工面积产量、乙醇产醇原料。量和CNMHG为参考,糖分利用河南、山东、江苏3省的主要秸秆类型产量及率按%计算。秤以興型思区作为参考地点甘废弃焚烧的资源量(约占总量的15%)见表7。这3蔗选择广西甜菜选择新疆甜高粱选择山东菊芋中外能源SINO-GLOBAL ENERGY20l1年第16卷选择盐碱地,玉米选择吉林,小麦选择河南,对比结吨乙醇的原料成本为:甜高粱茎秆<甘蔗<甜菜<玉果见表81。可见,不同作物单位面积乙醇产量为:米<小麦<菊芋。同样,这种排序也会随着农作物收甘蔗>甜菜>甜高粱茎秆>菊芋>玉米>小麦;生产每购价格的波动而变化。豪82009年不同糖质原料单产、乙醇产量、原料成本和适宜区域情况单产m单价(元)生产每吨乙单位面积的乙生产每吨乙那参考地点所需原料产量(t·hm2)的原料成本/元甜高鬟茎秆200150山东372412.212.23.8盐碱地4500注:表中所列单产为选择典型地区作为参考地点的产量;资料来源于国家粮食局网站及参考文献[l甜高粱抗旱、耐涝、耐盐碱,在荒草地、盐碱地碱地,可以为燃料乙醇的生产提供原料叫。据保守估等低质土地上也有一定供应潜力。我国甜高粱资源计,盐碱地甜高粱茎秆产量为一般农田产量(本研主要分布在内蒙古、河北、新疆、山东等地,种植面究取75t/hm3)的20%,即15u/hm3(鲜重),15t甜高粱积约300hm2,籽粒产量2.25-3.75/hm2,茎秆产量茎秆(鲜重)可产It燃料乙醇,则燃料乙醇单位面积60~105/hm2,茎秆富含糖分(茎汁的含糖量为17%产量为1.Ou/hm2,因此上述96x10"hm2盐碱地可供28%)。糖汁是转化乙醇的原料,根据茎秆含糖量的生产燃料乙醇近100×10t不同,生产1t乙醇所需的甜高粱茎秆量也不相同,5结论及建议约15t新鲜茎秆产1t乙醇。①非粮淀粉质原料中,蕉藕虽然目前不具规菊芋适应性强,耐贫瘠、耐旱、耐寒、耐盐碱,可模,但具有原料供应潜力;葛根附加值高,原料价格在滩涂、盐碱地上推广耕种,产量高,普通地块可产高,不宜作为燃料乙醇生产原料;甘薯归属粮食范菊芋块茎30~60/hm2。菊芋新鲜块茎含有约15%的畴,作为燃料乙醇生产原料具有政策风险;目前木菊粉,菊粉是一种天然果聚糖,可以用来制乙醇,平薯是最适宜制燃料乙醇的非粮淀粉质原料保守估均122t鲜块茎产t乙醇。目前菊粉已被世界40计主产区广西新规划木薯产量中如果有20%作为多个国家批准作为食品的营养补充剂,有较高的附乙醇原料,可供生产乙醇28×10。加值。考虑菊芋的菊粉成分有较高的功能食品附加②纤维质原料中,农作物秸秆是我国产量最值,生产每吨乙醇所需原料比例高达12左右,原料大的非粮燃料乙醇原料我国主要秸秆类型是玉米成本较高,不宜作为生产燃料乙醇的原料。秸秆、麦秸和稻草。从秸秆资源密度考虑,利用区域虽然甘蔗和甜菜是制乙醇的好原料,但是由于应主要集中在河南、山东、江苏等地,保守估计这3国内食糖消费量供不应求的局面使得制糖的经济个省的秸秆量可供生产111×10乙醇。制约纤维效益比制乙醇要高,因此在目前的物价和生产水平质原料制乙醇的关键瓶颈之一是原料的收集、运输下,甘蔗和甜菜不会作为生产乙醇的原料。甜高梁及供应保障。在目前的技术水平和价格体系下,若茎秆由于尚未形成产业化规模,价格便宜,原料成没有国家大的政策扶持和资金补贴,纤维质原料尚本较低,单位土地面积所产乙醇的产量也比玉米和不具备工业化生产乙醇的条件。小麦要高,是适宜生产乙醇的糖质原料。③糖质原料中,由于菊芋菊粉附加值高,不宜我国有很多不宜开垦为农田、但可种植高抗逆作乙醇生产原料;甘蔗、甜菜主要用于糖业,具有较性能源作物的低质士地。中国科学院地理科学与资好的口中国煤化工;甜高梁茎秆可源研究所的资料表明,东北、华北、西北和黄淮河流在盐CNMHG土地面积乙醇产域等地的盐碱地面积约960×10hm2,如果能够利用量和原科成本、农民秤租收益惘况综合来看,甜高其中的10%,将能获得%6xl0hm3的甜高粱种植盐粱茎秆是适宜生产燃料乙醇的糖质原料。提高原料第5期靳胜英等,我国非粮燃料乙醇的原料资源量分析45保障程度仍需做许多工作,一方面是进一步优选高参考文献抗性高产量的甜高粱品种,进行高产高糖甜高粱良[《中国能源作物可持续发展战略研究》编委会中国能源作种的开发,寻求产业化种植模式来落实资源总量,物可持续发展战略研究M]北京:中国农业出版社,200提高资源保障度;另一方面是进一步研究低成本[2]毕于运,王亚静,高春雨中国主要秸杆资源数量及其区域安全保质的茎秆储藏技术,保障原料的稳定供应和分布农机化研究,2010,32(3);1-7安全储存(编辑张峰)Analysis of Raw Material Resources for Non-Grain Fuel Ethanol in China(PetroChina Planning and Engineering Institute, Beijing 100083)Abstract] Of all the feedstocks used in today's fuel ethanol production worldwide, about 60% is sugar-con-ining plants such as sugar cane and sugar beet and 33% is starch-containing plants such as comwheat.In addition, cellulosic feedstocks are drawing increasingly wide attention In China, the main starch-con-for producing fuel ethanol include sweet potato, cassava, canna edulis and vineroot. No commercial production of canna edulis has yet started in China. Vine root is not suitable for use asethanol feedstock as it is too expensive. Sweet potato is actually a source of grain. Therefore, only cassava ise most suitable non-grain starch-containing feedstock for producing fuel ethanol Cellulosic feedstocks mainlyinclude straws, forest wastes and saw dust. Straw is the largest source of non-grain feedstock for producing fu-el ethanol in China by output. For consideration of the availability of straw resources, the main areas utilizingis resource should be in Henan, Shandong and Jiangsu provinces By conservative estimates, these threeprovinces'combined output of straw can be used to produce 1117 x10t of ethanol. One of the key obstaclesto using cellulosic feedstock to produce ethanol is the gathering, transportation and supply of feedstock. Withoutgovernmental policy support and subsidies, due to the lack of economic viability, China is still not ready toproduce ethanol using cellulosic feedstock on a commercial scale. The main sugar-containing feedstocks includesweet beet, sugar grass stalks and Jerusalem artichoke. As it has a high value, Jerusalepowder is not suitable for use as feedstock for ethanol. Sugar cane and sweet beet are mainly used in thesugar production industry and thus will not be used as feedstock for ethanol. From the perspective of ethanolproduction in unit acreage, feedstock cost and farmer's revenue from plantation, sugar grass stalks are suitablefor use as the feedstock for fuel ethanol. A commercial-scale plantation should be in place to secure feedstock resources. On the other hand, efforts should be made to develop low-cost, safe and reliable stalk storagetechnolo[Keywords] non-grain feedstock for fuel ethanol; starch-containing cellulosic sugar-containing; cassava; straw;sugar grass stalks中国煤化工欢迎广大读者订CNMHGzhongwny@163.com