甜高粱茎杆制燃料乙醇工程路线探讨

中外能源CHINA FOREIGN ENERGY2006年第11卷甜高粱茎杄制燃料乙醇工程路线探讨张管生(中国地区开发促进会甜高梁产业开发中心,北京100037摘要探讨了用甜高粱茎杆工业化生产燃料乙醇的工程路线,分析了工业生产三个明确目标和要求,五个具体矛盾和困难。根据实践采取相应措施,提岀了分布式加工体系,循环型经济模式和生物法生产工艺三位一体的完整工程路线。关键词甜高粱茎杄燃料乙醇工业化生产工程路线分布式循环型生物法1前言标就是其经济性,具体要求是尽可能低的成本,生用玉米、甘蔗等为原料生产燃料乙醇已在美产成本应当能与汽油价格竞争,至少争取不补贴。国、巴西等国得到了广泛的应用,用甜高粱茎杆生经调研,在目前应努力把成本控制在4000元/左产燃料乙醇,也在国内外得到了广泛的认可右。如进行大规模生产和进一步完善工艺则产品燃用玉米、瓜干等淀粉原料和甘蔗等糖蜜原料,料乙醇完全可以参与市场竞争。生产食用、药用和工业酒精已是人所共知的传统产2,2能源性目标和低能耗要求业,而生产燃料乙醇,特别是用茎杆而不用粮食生同样是生产乙醇,我们需要的是燃料用乙醇产燃料乙醇,则完全是一种新的有发展前景的产而不是生产食用酒精、医用酒精和工业酒精。因此业,特别在中国必须从实际出发,探索新的路子不但对酒精的乙醇含量有明确规定(9.5%的无水我国可再生能源法规定,把生物液体能源作为乙醇),而且要求经过改性能方便地添加到汽油中。优先发展的领域,“十一五”规划更明确地把甜高粱更重要的是要求整个生产过程尽可能地节省电杆制汽油醇作为首选。故许多有识之士早就开展了汽、水、油等能源消耗,实现低能耗生产。绝不能像这方面工作,但进展不大、不快,究其原因是真正用传统生产酒精那样,只要质量达到要求,至于能源甜高粱茎杄进行工业化生产存在着与传统酒精生消耗多少不是关键问题,经济上能有效益即可。通产巨大的差别。无论是组织路线、生产路线和技术常的酒精生产也在降低蒸汽等消耗,但主要是为了路线都要有新思想、新作法和新技术。总之,必须有降低成本,而不是为了降低能耗。而生产燃料酒精创新和突破。我们经过多年的努力探索和具体实践,同时整合相关资源和技术,对用甜高粱茎杆工的目标是生产能源,如果生产过程所消耗的能源接近、达到甚至超过所生产的能源,就使这种经济性业化制造变性燃料乙醇(汽油醇、柴油醇)已取得了突破性进展。本文将对该工程路线探索的目标要的生产行为变得毫无意义,甚至根本就不需要进求、瓶颈难点、方法措施和技术破突作简单介绍。行。因此,生产全过程的能源性目标和低能耗要求2目标和要求是至关重要的也是必不可少的。经研究,我们认为2.1经济性目标和低成本要求般说来甜高粱杄生产燃料乙醇能耗应控制在1由于石油的大量消耗和日益短缺及其他一些137以内,这一点经过努力是能够达到的。原因.使原油价格飞涨。因此寻找替代能源已不可避免,而用生物液体能源添加甚至完全替代汽油和作者简介中国能源研究柴油是共同努力的方向。用玉米等生产燃料乙醇虽会理事,长期从事H中国煤化工和管理及经济比较成熟,但其成本较高,必须进行补贴已是不争工作。现为中国CNMH高粱产业开发的事实,因此用甜高粱茎杆生产燃料乙醇的首要目中心主任,中国西部经济发展研究中心顾问。第4期张管生,甜高粱茎杄制燃料乙醇工程路线探讨2.3环保性目标和低污染要求的加工组合,特别是采取自然贮存,既降低了成本众所周知,城市汽车排气是大汽污染的主要元又延长了加工周期,实现了长年加工平稳生产,较凶之一,而采用乙醇汽油则会大大减少这种污染。好地解决了茎杆保存与加工周期的矛盾。种植甜高粱的过程可大量吸收二氧化碳,故可达到3.3提高糖转化率和发酵率与传统工艺的矛盾碳平衡,称为CO2零排放。更重要的是在酒精生产用甜高粱茎杆生产酒精,是因为茎杆中所含糖过程中排放大量污染物,往往是不允许的,甚至会汁液锤度可高达22%左右,总糖为16%上下,为此被迫停产关门。因此生产过程必须实现环保性目标充分利用糖液,尽量减少损失,就显得特别重要。和低污染要求,否则将被一票否决。甜高粱杆生产因此从包括选择好的种子,加强种植管理,及燃料乙醇造成污染的主要物质,一是榨汁和发酵后时收割加工,到有效地进行贮存、生产,特别是茎杆的固体废弃物,二是发酵和蒸馏后的液体废弃物粉碎及糖的转化和榨汁及残渣的利用都十分重要但我们现已找到了较好的较系统的解决办法,即经同时降低发酵后的残糖也是至关重要的。与一般的过生物物理和生化等方面的加工处理,生产生物纸方法相比,现在综合加工法的残糖已可降至2.0%浆、固体燃料、纤维板、粗蛋白饲料和生物有机肥以下,这是采用生物水解、发酵和蒸馏一步法取得等,争取达到无污染零排放,实行循环经济和秸杄的重大突破。该加工法的优点是固体液体同时利的全价利用,产生明显的经济效益和生态效益。用.糖转化率高、发酵时间短、蒸馏操作简单.可直3工业化生产的瓶颈接生产30°~50°粗酒。为保存、运输、经销、提炼创造3.1甜高粱的种植收割与运输成本的矛盾了有利条件,实现了就近转化。由于所培育的甜高粱是C作物,茎杆亩产可3.4提高酒精纯度与降低能耗的矛盾达5~7t,不但产量高,杆长也高达4-6m,如果采用为了提高酒精纯度,生产符合国家标准而成本集中加工将带来运输的极大困难,甚至影响交通又低、能耗又少的燃料酒精,经研究我们采用了国不但要付岀巨额运费,而且能耗大大增加。并且集内先进的粗馏、溶盐精馏和加盐粹取一步法工艺中堆放的场地和保管安全均有新的要求。分布式能生产成本低、能耗少、纯度为997%~99.8%的无水源加工,即在一定种植范围(例如1×104亩约为乙醇,质量超过国家标准要求,实现了集中提炼,为66km3设一加工点,采取“规模种植,就地加工”就大规模生产汽油醇开辟了道路。较好地克服了上述困难,解决了运输矛盾,降低了3.5大量废渣废液的处理与环境保护的矛盾运输成本(包括经济成本、能源成本和管理成本)。传统的酒精生产,最令人头疼的问题是废渣液3.2茎杆的保存与加工周期的矛盾的排放所造成的污染。如果不加治理就会被迫停农产品的采收不但有季节性而且有集中性,要产;如果进行治理又需要较大的投资,大大增加了求在较短时间内采摘收割完毕,而工业生产则希望成本,使酒精生产无利可图。国内现在用玉米生产细水长流均衡生产,作到长年性和稳定性。因此农燃料酒精的成本居高不下,不仅不能与汽油价格相产品加工特别是加工生产工业品时,有时就会出现竟争,就是经过国家补贴,也难以为继。现在我们采难以克服的矛盾和困难,为了延长加工周期会采取用了先进的技术,首先极大地减少了废液量,仅为各种措施如冷冻、冷藏、汽调、窖藏、干燥、复膜等,传统方法的10%,其次对生产过程中的残渣废液进各种各样的办法取得了不同的效果。然而这一切对行综合利用,而不是采取废渣废液的治理。利用废如此巨大数量的甜高粱杄来说不仅难以实施,更主渣废液生产纤维板、无污染生物纸浆和有机复合钾要的是大大增加了成本和能耗,因而是不可取的。肥以及固体燃料、粗饲料等。不但实现了用甜高粱因此必须寻找一种行之有效的方法,以实现采收的茎杄生产燃料乙醇的无污染零排放,而且实现了茎季节性和集中性与加工的长期性和稳定性的统杆的全价利用大大提高了经济效益从而使整个我们通过研究采用综合加工法,即通过把种植时间生产过程成为中国煤化工与收割时间的有机配合,把液体发酵蒸馏与固体发4符合中国国CNMHG酵蒸馏有机结合,按照不同时期不同要求进行不同用甜高粱茎杄工业化生产燃料乙醇必须实现中外能源106CHINA FOREIGN ENERGY2006年第11卷经济性、环保性和能源性这三大目标,为此要采取酒精总厂。整个加工体系为:规模种植—就地系统有效的方法解决加工周期、加工量和后处理能加工—就近转换—集中提炼一统一配制(见图1力等主要工程难题。我们坚持符合中国实情、有自燃料乙醇总厂己特色的工程路线,生产绿色可再生液体能源的新思路,把开发能源庄园与建设社会主义新农村紧密无水乙醇生产车间(110%/)医天水乙醇生产厂结合起来,把促进农民增收与生态环境保护紧密结原酒加工厂[原酒加工厂[原酒加工厂(1×8合起来,把循环经济与可持续发展紧密结合起来用分布式、循环型和生物法这三位一体的创新措施种植基地匚种植基地」[种植基地(LX1亩)研制开发生物质燃料乙醇,取得了重大突破种植基地4.1分布式加工体系图1分布式加工体系示意图把国外常用的大投入、大农场、大工厂式的集4.2循环型经济模式中加工生产,改变为适合我国国情.能与建设社会为了实现整个生产过程无污染零排放和综合主义新农村紧密结合的分布式能源加工体系,即以利用,必须实施循环经济,确保消除污染和保护环l×l0亩地为一个种植区,配套一个1×l0t的原酒境,并增加可观的经济效益。正是实施了循环经济,加工厂;以1×10酒精为一个加工单元(即以3×10这个能源庄园除了生产燃料酒精外,还可生产纤维亩地为一个综合生产区,需3个原酒加工厂,1个板、高档造纸原料(无污染的生物纸浆)、固体燃料和燃料酒精加工裝置),酒精提炼可相对集中,安排在生物有机钾肥等多种产品(见图2)。土壤改良,土壤改良剂(COM)优良品种生物有机肥高产、抗旱、耐盐碱、适应性强、含糖量高食品吸收规模种植(高产丰收)食物<籽粒白酒/骨C4作物甜高梁(秸秆、籽粒)饲料一养殖毛肥料就地加工降低成本)粪便一沼气秸秆粗加工粉碎:(固体发酵)榨汁:(液体发酵)废液一生物有机肥、饲料就近转化(增收致富)提炼(509)发酵制酒(50°原酒、30°原酒)原酒(30)<食用配制饲料一养殖度造纸骨毛皮肉集中提炼(保质增值)(燃料酒精:酒精95%)燃料酒精(无水酒精99.6%)渣肥料(普通酒精95%)(锅炉、工业炉燃料)便生物有机肥气「姚一配制(便于控制),变性乙醇燃料,乙醇汽油(汽油醇10%),乙醇柴油(柴油醇30%)运输分配,混合燃料部分替代石油制品(油库、油车、加油站、码头)节约能源减少污染(NO,、CO、CH)绿色能源环保用油(汽车、柴油车、船)减少排放(CO2)图2循环经济模式示意图4.3生物法生产工艺是开发出生物中国煤化工新工艺和混甜高粱茎杆生产燃料乙醇的工艺流程为:原料合固体静态发CNMH备,取得了粉碎—固态发酵—填料蒸馏—原酒精馏。更重要旳突破性的进展。整个生产加工过程基本都采用了生第4期张管生,甜高粱茎杄制燃料乙醇工程路线探讨10物法工艺,即采用各种水解霉和发酵菌种,避免采产燃料酒精的固体废弃物,特别是液体废料的综合用造成污染而又难以治理的酸碱等手段,为确保生利用和加工治理创造了条件(见图3)。发酵-原料一甜高梁秸秆残渣粉碎酶了[水固体发酵蒸再上千原酒处理或还田其他渣密度板复合萃取[][有机肥粗饲料燃料乙醇[改性}[无水乙醇」[纸浆乙醇汽油图3现代固态发酵工艺一步法示意图5结论体化蒸馏综上所述,在以甜高梁茎杆为原料,生产可再⑥三大技术创新:自然状态下的原料保存和生生物能源的系统工程中,采用分布式循环型生物加工,延长加工周期;生物水解可控固体发酵蒸馏法生产加工路线,按三大目标和要求,克服五大瓶步法:混合静态固体发酵生物反应器和蒸馏设备颈和难点,采取三大措施取得突破,生产六大产品,一体化可简单归纳如下⑦六大关键设备:可控发酵设备、一体化蒸馏①三大产业目标:经济性、环保性和能源性设备、高效粉碎设备、低能耗干燥设备、多目标筛分②三大工业措施:分布式、循环型和生物法。设备和快速进出料设备。③三大工程难题:加工周期、加工量和后处理⑧六大效益产品:燃料酒精、粗饲料、生物纸④三大技术难点:可控发酵过程、低能耗蒸馏浆、碳化燃料棒、生物有机钾肥和密度板。过程和不同原料粉碎过程。⑤三大工艺特点:生物水解、可控固态发酵、(编辑刘燕)Probe on Engineering Route of Fuel Ethanol with Sorgo Stalk(Sorgo Industry Development Center of CCPAD, Beijing 100037)[Abstract] This article states the engineering route for commercial production of fuel methanol withstalk, and analyzes three goals and five specific difficulties of the industrial production. In addition, it providesrelevant measures according toes, and offers a new integrated technics of distributive processing, cyclingeconomic mode and biologic中国煤化工[Keywords] sorgo stalk; fuel methanol; industrial production; engineeringCNMHGycling typebiologic method