中国燃料乙醇的应用及生产技术的效益分析与评价

第30卷第4期太阳能学报Vol 30, No 4200年4月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAApr.,2009文章编号:0254006(2009)04052606中国燃料乙醇的应用及生产技术的效益分析与评价庄新姝,袁振宏,孙永明,许敬亮,吴创之,马隆龙(中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室,广州510640)摘要:针对国内外燃料乙醇的应用和发展情况,对比分析了淀粉质糖质和纤维素类原料燃料乙醇生产工艺的异同,并对我国3种原料的资源状况进行了评价。以10万va的燃料乙醇工厂为例,对不同原料燃料乙醇生产工艺的经济性能源效益和社会效益进行了对比分析发现甜高梁和木薯最有经济优势;从能源效益分析可知生产工艺能耗约占80%,工艺改进非常重要;从单位土地能源净产出情况看甜高梁最高,其次是甘蔗和木薯可见能源作物具有开发潜力;通过社会效益分析,10万t燃料乙醇工厂会给农民带来2~4亿元的年收益提供约100个的就业岗位;且10万t燃料乙醇的应用C2年减排量可达30万t以上,减排CO、CH等汽车有害污染物近1700关键词:燃料乙醇;经济性;能源效益;社会效益;评价中图分类号:TK6文献标识码:A引言我国政府非常重视可再生液体燃料产业的发展,国家“十一五发展规划”中已将燃料乙醇确定为燃料乙醇做为当前最直接最有效的石油基液体优先发展技术。《可再生能源中长期发展规划》明确燃料替代品其应用可有效减排CO2及城市车辆的提出发展目标到2010年,生物质液体燃料达到200尾气污染已正在世界范围内推广应用2。万t,到20年,达到1000万t,生物质能年利用量占据 Campbell和 Laherrere的估算,全球原油产量将到一次能源消费量的4%。于2010年前出现供不应求的状况,至2050年产量将会从现在的25×10桶减至5×10桶。我国人均可开采石油资源量为世界平均水平12%,自1993年1000成为石油净进口国,进口量逐年增加(见图1),2006年进口原油已达1.38亿t对外依存度高达47%。据国际能源署(EA)等权威机构预测:2010年和2000200年中国的石油产量将会分别在15-1.87亿t199619982000200220042006和135~220亿t之间,而同期的石油需求量将分别达到335~368亿t和4.30~5.50亿t,如果没有2006年中国石油进口量有效的替代能源措施,2010和200年石油对外依存port from 1997 to 2006 in China度将分别增长到61%和769%,我国液体燃料安全2006年世界燃料乙醇的年产量已近3000万t,将面临严峻考验其中巴西和美国是世界上燃料乙醇最大的生产和消另外,在我国大城市污染物中,40%以上的费国。我国在200年四大国有燃料乙醇生产企业NO,80%以上的CO和70%以上的H化合物均来规划建设的10万t已全部达产,以0%掺混的乙自于汽车尾气“,百万人口以上城市的大气污染正醇汽油(E0占全国汽油消费量的20%,燃料乙醇的由第一代煤烟型向第二代汽车型转化。年产量居世界第3位20070828中国煤化工中国科学院知识创新工程重大项目(KCX1-YW-1.3);国家高划项目(20080006)CNMHG4广东省科技通讯作者:震振宏(1953-),男博士、研究员博士生导师主要从事生物质液体燃料制备及生物质能源战略方面的研究。yu@m4期庄新妹等:中国燃料乙醇的应用及生产技术的效益分析与评价527本文在总结不同原料燃料乙醇在我国应用的基11淀粉质原料础上对其生产及利用过程中所涉及到的经济性、能淀粉类原料包括玉米、小麦、甘薯、木薯等谷类源效益、环境效益以及社会效益进行了初步的量化和薯类作物其共同特点是淀粉含量高,可通过水解评估,以期为燃料乙醇的原料选择、工艺改进方向、生成糖,进而由微生物发酵获得乙醇。我国玉米等研究定位以及推广应用等提供有价值的参考。陈化粮约4000万t,自2001年推广燃料乙醇以来,基1原料及生产工艺本已消耗殆尽。玉米在我国的主要产区集中在东北、华北以及燃料乙醇的原料有淀粉质原料糖质原料和纤山东半岛,近10年来平均年产量约12亿。一般维素类原料。各种原料生产燃料乙醇的技术特性对来说68%的玉米用于饲料、13%食用、8%用于工业比见表1。深加工,每年剩余量为年产量的1%,约1250万to囊1不同原料燃料乙醇生产工艺技术特性对比我国薯类主要有甘薯、马铃薯、木薯等,川渝地Table 1 Process features comparison of different区分布较为丰富。除部分食用及用作饲料外,每年feedstocks for fuel ethanol producti约有3500万t鲜薯可作为酿酒和燃料乙醇原料种类淀粉类纤维素类综上,淀粉类原料的极限供应量约为1500万t,粉碎、蒸煮、按照30%的转化率,其燃料乙醇产量只能维持当前预处理糊化压榨调背粉碎物理或化学处理我国汽油消费水平下全部掺混10%乙醇汽油的供酸或酶糖化,酸或纤维素酶,应,即500万t乙醇。水解易水解,产物单无水解过程,水解较难产物12糖质原料无发酵无发酵抑制物复杂,有发酵抑糖质原料包括甘蔗、甜菜以及制糖的副产物糖抑制物产淀粉酶酵耐乙醇酵母专用酵母或细蘭,通过简单的压榨稀释等处理,微生物可直接利发酵母发酵六碳发酵六碳糖发酵六碳糖和五用其中的糖类生成乙醇。我国甘蔗的产区主要集中糖为乙醇为乙醇碳糖为乙醇在广西、云南和广东糖类原料产量有限主要用于乙醇提取蒸馏、精馏、蒸馏、精馏、蒸馏、精馏、制糖。2001年,我国甘蔗和甜菜产量分别为7566万与精制t和1100万t其糖蜜总残糖量约有475万t,有生产饲料、沼气、肥料、沼气、木质素(燃料)、综合利用近180万t乙醇的潜力,但不足以作为燃料乙醇的主沼气、C2要原料来源。淀粉质和糖质原料生产燃料乙醇已实现工业1.3纤维素类原料化,其中糖类原料工艺最简单、成本最低。纤维素类纤维素类原料指木屑、秸秆等农林废弃物和薪原料生产燃料乙醇技术尚不成熟,面临三大技术瓶炭林、草类、废弃纸张等,其共性是以纤维素、半纤维颈:①酸水解中糖类产物易分解生成乙醇发酵抑制素和木质素为主要成分,可通过预处理将半纤维素物;②酶水解中必需的纤维索酶成本高并缺乏高效和纤维素水解生成木糖为主的五碳糖和葡萄糖为主的预处理技术;③生物质三大组份之一的半纤维素的六碳糖,再由细菌或微生物发酵成乙醇。依据水解生成的木糖等五碳糖较难发酵成乙醇,故目前204年中国统计年鉴农作物产量和谷草比的乘积计纤维素燃料乙醇是能源界的研究热点。美国和加拿算农业废弃物资源量,191-200年我国农业废弃大建有纤维素乙醇示范工厂我国“八五”期间华东物平均每年达6.58亿t,其中资源量最大的是玉米理工大学率先开展了以稀盐酸和氯化亚铁为催化剂秸秆,年均产量达224亿t,其次是稻秆,年均产量水解纤维素废弃物制取乙醇燃料技术的研究与探达1.85亿t第三位的小麦秆达103亿to目前我国索,“九五”期间进入年产600规模的中试阶段。中农作物秸秆的利用主要有以下4个方面:用于工业国科学院过程工程研究所在国家科技攻关项目的支原料中国煤化工8%、其余63%用持下,开展了纤维素酶固态糖化发酵制取乙醇的研于农HCNMHG分资源量达32究,为纤维素制取乙醇技术的开发奠定了基础。以亿t、以x产燃料乙醇,可下就我国各原料的资源状况作以分析。年产2600万t燃料乙醇。528太阳能学报30卷木材及林产加工业废弃物是森林生长和林业生能源专用品种但在优良品种选育试验示范和推广产过程中提供的生物质能源。我国森林面积1286应用方面仍处起步阶段,尚未形成可提供大量燃料亿公顷覆盖率达134%,现有林木蓄积量达108亿乙醇生产原料的能力。立方米以上,年可产生采伐造材剩于物1.1亿t,木综上,以玉米、甘蔗等为原料,数量有限,存在材加工剩余物03亿t,废旧木材06亿t(085亿“与民争粮”、“与粮争地”的问题,且成本过高,不能m3),所以可利用的木材及林业废弃物近2亿t以满足我国燃料乙醇长期发展的需要。以甜高粱、木16%的转化率生产燃料乙醇年产量可达3200万t薯、能源甘蔗等能源作物生产燃料乙醇技术成熟,我另外全国有5700万公顷的宜林地和荒沙、荒国有可利用的边际土地资源约6亿亩,应因地制宜地,还有1亿公顷不适宜发展农业的边际性土地,可地大力发展。纤维素类生物质数量巨大,从资源角以大部分用于营造速生林作为燃料乙醇的原料。度来看最有前景,故对纤维素类燃料乙醇的技术研14能源作物发非常迫切。够用作提指甜高粱能源甘蔗、木暮和甘薯等高产糖类和淀粉2生产及利用过程中的效益分析类作物该类作物生产燃料乙醇技术成熟,通过农业燃料乙醇的应用优点很多,但对其生产及利用及生物技术的应用,可提高作物单产和抗逆性,从而过程中所涉及到的经济性能源效益、环境效益以及利用非农荒地盐碱地等边际性土地大面积种植,以社会效益进行量化评估的研究较少,而这对指导燃期为燃料乙醇的规模化生产提供充足的原料。料乙醇的原料选择、工艺改进方向、研究定位以及推我国适合种植木薯的省份为粤、桂、闽琼滇,广应用都将是非常有价值的参考。本文以燃料乙醇具有荒草地资源约123亿亩甜高粱可以在鲁冀、的主要原料为研究对象,选择主要的经济指标农业津、辽、吉、黑、内蒙、晋陕、甘、宁、青新等黄河淮指标和工艺指标对10万t规模的燃料乙醇厂进行了河流域以北地区种植,该区域共有盐碱地面积约经济性、能源效益和社会、环境效益的初步量化研1.43亿亩荒草地约355亿亩。究。表2为基础数据。我国能源作物潜力巨大,目前虽已培育出一些表2基础数据Table 2 Basic data经济指标农业指标工艺指标原料单位产品投资/Yt原料价格N施肥量乙醇转化率电耗煤耗/·t1%/kWht产品/kg"t产品玉米35001200~13007.16-9.5632820~260650~8504甘蔗3873.3627-895.6~7.04~55甘薯1700-2008.50-13.5230~312)190-235600-800木薯400~420500~4000975-20.012190~235600-800甜高粱2600-30070(鲜茎秆)500~8000(秆)1400~18(籽粒)150-40(籽粒)500~700秸秆740~9840682615~25300~38090-1200杂木740~9840760~850(￥/m3)900~1200注:.中华人民共和国统计年鉴200;b.苏广达作物学[M].广东广东高等教育出版社,200.8;中华人民共和国农业部农业信息网邮p!∥ww.ri.w,cn/ index. hhm;c鲜甘薯原料转化率;d“酒精行业主要经济技术指标国家标准"”。21经济性分析见表3,可见纤维素类的秸秆和木材因工艺不成燃料乙醇生产成本主要来自建厂投资原料价熟凵中国煤化工产成本最高。玉格、生产工艺成本和副产品收益。据此及目前相关米原CNMHG约为4500元,甘的文献资料得出我国不同原料燃料乙醇的生产成本蔗属糖质原料,虽然原料成本与玉米相仿但其工艺4期庄新妹等:中国燃料乙醇的应用及生产技术的效益分析与评价较简单,故生产成本在3150-4140元之间,木薯和耗最低,只相当于总能耗的约02%,图2给出了各甜高粱茎秆原料价格较低,尤其是甜高粲生产工艺种原料运输能耗的对比,甘蔗和甜高粱最高因为其与甘蔗类似,故这两种原料很有前景。以鲜茎秆为原料,鲜甘薯第三,其次是秸秆、木薯、木豪3不同原料燃料乙醇的生产成本材和玉米,可见原料堆积密度越大运输能耗越低Table3 Production cost of fuel ethanol with different feedstocks原料生产成本/￥甘蔗3150~4140甜高粱甜高粱(茎秆)>2600玉米4000~4700纤维素(酸水解)玉米甘蔗甘薯木薯甜高梁秸杆木材纤维素(酶水解)22能源效益分析图210°ta燃料乙醇厂原料运输能耗燃料乙醇作为能源,其生产及利用过程中的能Fig 2 Transportation energy consumption of源消耗量是非常重要的指标。从原料种植到乙醇产different feedstocks for a 10' v/ a ethanol plant出过程中的能耗主要包括4部分:种植能耗基建及图3是略去运输能耗,不同原料种植能耗基建设备能耗原料运输能耗和生产过程工艺能耗,本文及设备能耗和生产工艺能耗情况。从种植能耗的对对其初步量化进而计算出各种原料的单位土地能比来看甜高粱耗能最高其次是玉米和甘薯木薯源净产出。最低,秸秆和木材因为可用农林废弃物种植能耗不种植能耗包括播种、施肥灌溉等,其中肥料的计。从设备及基建能耗来看,以秸秆和木材为原料耗能最大,且不同肥料的能耗有明显不同氮肥是能能耗最高这是因为纤维素原料结构复杂导致其生源密集型产品生产所需要的能量约是磷肥的8倍,产步骤复杂所需设备及基建投资较高。另外从各钾肥的19倍,故本文种植能耗以氮肥计。原料能耗相对比例上看,所有原料的生产工艺能耗基建及设备能耗很难计量,本文依据单位产品都约占80%,所以降低燃料乙醇的能耗最主要的投资情况折合成能源消耗量计算按照10万t规模任务是要改进生产工艺,以使乙醇能耗从根本上得投资额计算:生产设备投资包括设备资金和基建资到降低金,二者占总投资额的60%,其中设备占60%,基建10閉占40%每2万元设备资金含1t钢材,每15万元基建资金含1t钢材,再折合钢材的生产能耗得到蒉60囫囱囱基建及设备能耗。运输能耗按照10万t乙醇生产原料所需土地的半径,以40t载重量的柴油卡车耗油量计算。生产过程中的工艺能耗来自工艺中的煤耗、电耗汽耗和水耗。因汽耗来自于燃煤,本文主要考虑煤耗和甘蔗甘薯木暮甜高粲秸杆木材电耗□种植能耗〓设备及基建能耗z刀生产工艺能耗其中钢材生产能耗按645.12kg标煤/t计,尿素图310ua燃料乙醇厂不同原料能耗对比生产能耗以9546kg标煤/计,40t卡车百公里油Fig 3 Energy consumption comparison of耗按40L计different feedstocks for a 10 ta ethanol单位土地能源净产出=10万t乙醇提供的能量中国煤化工位土地能源净产(种植能耗+基建及设备能耗+原料运输能耗+出生产工艺能耗)。CNMHG源净产出最高其次是看和飞不,布矿和木材净产出为从能耗计算结果看生产工艺能耗最高运输能副,原因是其生产工艺不成熟导致工艺能耗和基建太阳能学报30卷设备能耗均较高,这也是该技术目前不能工业化的原因,相信随着技术的进步是可以克服的。3结论及建议1)燃料乙醇已作为石油基液体燃料替代和CO2公么么么么么么么有效的减排方式在巴西美国欧盟、亚太等地区得到应用和发展,各国都加紧了研究和推广步伐。燃料乙醇已成为我国可持续能源系统构建重要的组成部分并实现了乙醇汽油(E10)20%的市场份额我国已成为燃料乙醇第三大生产和消费国,我国政府也已制定了大力发展的远景规划,从市场需求来看有玉米甘蔗甘薯木警甜高粱秸杆木材巨大的发展空间;图410ta燃料乙醇厂单位土地能源净产出2)从原料上看我国玉米等淀粉类原料极限供Fig 4 Net energy output per unit area of应量可生产500万t乙醇;甘蔗、甜菜等糖质原料主different feedstocks for a 10 ta ethanol plant要用于制糖,不足作为乙醇的主要生产原料;以木综上,从能源产出的角度来看甜高粱、甘蔗和薯能源甘蔗、甜高粱等能源作物原料生产技术成木薯非常有竞争力,因地制宜地大力种植甜高粱、能熟全国有近6万亩的可利用边际性土地应加快品源甘蔗和木薯解决近期我国燃料乙醇的原料问题,种研发及因地制宜地推广应用进程;纤维素类原料是必要且可行的。有提供近600万t燃料乙醇的能力,技术研发非常23杜会效益分析迫切;燃料乙醇的原料来自于农村及林区的种植业,3)从不同原料燃料乙醇的经济性分析来看,甜按照10万ta燃料乙醇工厂原料消耗量和原料价高粱和木薯最有优势;从能源效益分析可知生产工格,农民提供原料获得的年收入见图5,可见种植速艺能耗占80%的耗能比例,工艺改进非常重要;单生林提供木材原料获利最高达4亿￥/B其次是甘位土地能源净产出最高的是甜高粱、甘蔗、木薯可蔗、玉米、木薯甜高粱、甘薯和秸秆。故不考虑技术见能源作物具有开发潜力;通过社会效益分析,10因素,木材、甘蔗、木薯甜高粱和甘薯都是很有前景万t燃料乙醇工厂会给农民带来2~4亿元的年收的原料。秸秆原料虽然收益最低但其属于废弃物益,且10万t燃料乙醇的应用可实现年减排CO230利用15亿元的年收益是在收获了农产品基础上万t以上,减排C0、CH等汽车有害污染物近170;的附加值,更可显著增加农民收人。4)建议我国当前以木薯、甘薯等非口粮的淀粉类原料和甜高粱、能源甘蔗等糖类原料为主以陈化粮和玉米、小麦类的余粮为辅保证燃料乙醇原料的供应建立燃料乙醇的产业体系和设备制造基础。420图依靠科技创新,不断改进和完善生产工艺降低能耗实现清洁规模化生产。同时加大纤维素燃料乙1010.5么么么么么醇的科研投入,尽快突破预处理、纤维素酶、发酵五碳糖微生物筛选的技术瓶颈推进纤维素燃料乙醇玉米甘蔗甘薯木薯甜高粱秸杆木材的工业化进程。制订发展生物质能源的激励政策,图510°v/a燃料乙醇厂农民年收入情况积极发挥市场优化资源配置的基础作用,促进燃料Fig5乙醇产业的健康发展。different feedstocks for a 10 t/a ethanol plant另外,年产10万t的燃料乙醇工厂,可增加就中国煤化工业1000人;燃料乙醇的应用可减排CO230.8万va,tCNMHGJichun. Fuel ethanol减排其它汽车排放的污染物1670a,产生巨大的环Beijing: Chinese Petro-境效益和社会效益。hemical Industry Publisher, 2004, 10期庄新妹等:中国燃料乙醇的应用及生产技术的效益分析与评价22]Badger P C. Ethanol from cellulose: a general review,and control in China [ J]. Yunnan Emvironment Sciencend new uses[M]. ASHS199,18(3):3032.Prese. Alexandria, VA, 2002[6] National Statistic Bureau. Annals o Chinese statistics[ M]Xiayangnese Statistic Publisher. 20als for ethanol production: A review[J]. Bioresource Techn. [7] Key advisory project o renewable energy-biomass energy byChinese academy of engineering. Biomass Energy and Chen[4] Guo Yijun, Chen Shengliang. Pollution of automobile exhaustcals for Petroleum SubstituteR].Dec. 25, 2006and control strategy[J]. Chongging Environment Science, [8] Engerlsdad O P. Technologies and application of fertilize1997,19(3):9-13.[M]. Beijing: Chemical Engineering Publisher, 1992[5] Chang Rong, Qian Xu. The pollution of automobile exkFUEL ETHANOL APPLICATION AND PRODUCTIONEFFICIENCY EVALUATION IN CHINAzhi, Ma LongleEnergy and Gas drate, Chinese Aademy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: Based on the fuel ethanol application and development home and abroad, the producing process of starch, sugar and cellulosic feedstocks were compared and their potentials for ethanol producing in China were evaluated. Throughthe economy, energy efficiency, environment and society benefits analysis for a fuel ethanol plant of 10 va with differentfeedstocks, it is found out that the energy crops of sweet sorghum and cassava possess economy predominance. And nearl80% energy consumption comes from fuel ethanol process so that the process improvement is very critical. Thus the netoutput of unit area of sweet sorghum, energy sugarcane and cassava is very high so that the energy crops process more developing potential. By the society benefit analysis, farmers can obtain 200-400 million Yuan annuallyfeedstocks to the fuel ethanol plant which can offer 1000 employees simultaneously. Furthermore, it can reduce CO letover 300 thousand tons and other pollutants such as CO, CH etc. nearly 1700 tons per year by 10 tons fuel ethanol ap-plication. Finally some suggestions for fuel ethanol development in China were presentedKeywords: fuel ethanol; economy; energy efficiency; society benefits; evaluation中国煤化工CNMHG