新能源及工藝燃料乙醇的研究進展及存在問題馬歡,劉偉偉,張無敵,劉士清(云南師范大學省農(nóng)村能源重點實驗室,云南昆明650092)摘要:介紹了燃料乙醇的優(yōu)點,開發(fā)的意義及在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。結合云南的實際情況,指出在云南以甘蔗為原料發(fā)展燃料乙醇的前景廣闊。關鍵詞:燃料乙醇;研究進展;存在問題;云南;甘蔗中圖分類號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1004-3950(2006)02-0029-05 Present situation and existing problem of fuel alcohol MA Huan, LIU Wei-wei, ZHANG Wu-di, LIU Shi-qing Provincial Key Laboratory of Rural Energy Engineering Yunnan Normal University, Kunming 650092, China) Abstract: The author summarized the process technology and development of fuel alcohol with its significant advantages at home and abroad in this paper. Analyse shows that sugarcane is a very promising raw material for fuel alcohol pro- duction in Yunnan Province. Key words fuel alcohol research progress; existing problem; Yunnan Province; sugarcane1燃料乙醇的概念及開發(fā)的意義增加汽油的含氧量,使其充分燃燒。目前汽油中普遍使用的增氧劑是MTBE(甲基叔丁基醚),它1.1燃料乙醇的概念能提高汽油的含氧量,使其燃燒更完全,可減少向燃料乙醇也稱生物燃料、燃料酒精、汽油醇、大氣中排放一氧化碳。但是,由于MTBE會對地乙醇汽油等。將乙醇進一步脫水再加上適量的變下水造成嚴重的污染,而且其生產(chǎn)難度比較大,因性劑(汽油)后形成變性燃料乙醇。燃料乙醇產(chǎn)生于20世紀20年代,隨著石油的大規(guī)模、低成本此最佳的替代品就是燃料乙醇。(2)燃料乙醇的辛烷值高,調(diào)和辛烷值一般開發(fā),酒精因其經(jīng)濟性較差而被淘汰。石油是不可再生的能源,石油枯竭遲早要到來,為了減輕對可以達到120左右,可以有效提高汽油的抗爆指石油的依賴,人們都在尋找可再生能源。同時,農(nóng)數(shù)。它作為點燃式發(fā)動機燃料時,可以用于壓縮業(yè)的快速發(fā)展,造成糧食大量過剩,這一切,都使比較高的發(fā)動機,提高發(fā)動機的熱效率,是內(nèi)燃機燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的重新崛起和迅速發(fā)展成為必然最有希望的代用燃料。近年來汽油醇的生產(chǎn)又成為煉油工業(yè)的一個方(3)有利于環(huán)境的改善。使用車用乙醇汽向。所謂車用乙醇汽油,就是把變性燃料乙醇和油,可以使汽車尾氣的污染水平平均降低30%以汽油以一定比例混配,形成一種新型混合燃料上。其中一氧化碳排放下降30.8%,揮發(fā)性烴類(國際上稱汽油醇,商品名 GASOHOL)。我國化合物排放下降13.4%,二氧化碳的排放量降低初步確定從乙醇的體積分數(shù)為10%起步推廣使27%2,此外還可減少其他有害物質(zhì)的排放用車用汽油醇,這樣現(xiàn)有車輛不需任何改裝,其油(4)纖維素是地球上最豐富的有機資源之耗、動力基本不受影響,汽車尾氣的污染可大幅度一,它是一種可以再生的資源,每年僅陸生植物就降低,又不消耗過多的糧食?？梢援a(chǎn)生纖維素約500億t。纖維素還是最主要1.2燃料乙醇的優(yōu)點及其開發(fā)意義的生物質(zhì)資源,它占地球生物質(zhì)總量的60%~(1)燃料乙醇是一種良好的增氧劑,它可以80%。纖維素類資源,如秸稈、蔗渣及森林工業(yè)副收稿日期:2005-09-16作者簡介:馬歡(1982-),女,碩士研究生新能源及工藝產(chǎn)品等具有來源豐富、品種多、再生時間短等優(yōu)(3)泰國是亞洲第一個由政府開發(fā)全國生物點。據(jù)統(tǒng)計,全世界每年可生產(chǎn)生物質(zhì)2200億t,燃料項目的國家。在短短的兩年時間內(nèi),泰國成相當于目前世界能源消耗的3~8倍我國的功地開發(fā)了乙醇和燃料酒精項目,這些項目提供纖維素原料非常豐富,僅農(nóng)作物秸稈、皮殼一項,了利用過剩的食用農(nóng)產(chǎn)品的途徑,對提高泰國幾每年產(chǎn)量就達7億多t其中玉米秸(35%)小麥百萬農(nóng)民的生活水平起到了積極的作用。由于泰秸(21%)和稻草(19%)是我國的三大秸稈,林國的成功,亞太地區(qū)的其他國家,如中國、印度、越業(yè)副產(chǎn)品、城市垃圾和工業(yè)廢物數(shù)量也很可觀。南、馬來西亞、韓國、老撾、柬埔寨、緬甸等也在考因此,以纖維素降解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇具有巨大的潛慮燃料乙醇計劃。力,同時可以減輕農(nóng)林廢棄物(麥草、玉米秸稈、1.3.2國內(nèi)玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)、工業(yè)廢棄物(制漿和我國發(fā)展燃料乙醇起步較晚,先后在河南、安造紙廠的纖維渣、鋸末等)、城市廢棄物(廢紙、包徽、黑龍江、吉林和遼寧五省進行了試點,生產(chǎn)的裝紙等)及林業(yè)廢棄物對環(huán)境造成的壓力,實原料主要為玉米等陳化糧。從2001年開始,首先現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在河南、黑龍江兩省開始試用車用乙醇汽油,采取1.3燃料乙醇的發(fā)展及應用現(xiàn)狀地方立法的手段在試點城市應用。河南先在南1.3.1國外陽、洛陽、鄭州三市使用車用乙醇汽油,2001年和(1)美國是燃料乙醇的主要生產(chǎn)國之一,早2002年分別消耗燃料乙醇147t和5000t,增長勢在20世紀30年代就開展了燃料乙醇的研究及應頭明顯;黑龍江省首先在肇東和哈爾濱使用車用用。截至2002年,美國生產(chǎn)燃料乙醇的20個州乙醇汽油,2001年和200年分別消耗燃料乙醇已建有73家工廠,總計生產(chǎn)能力達到632萬t/a,127t和500t。我國吉林燃料乙醇有限公司河南另外還有34套裝置在擴展中。起初美國是以玉天冠集團及黑龍江華潤金玉實業(yè)有限公司都生產(chǎn)米為原料生產(chǎn)燃料乙醇,并以10%的比例摻入汽燃料乙醇,年產(chǎn)量分別達到60萬、30萬和15萬油中代替有致癌作用的MTB隨著燃料乙醇技/a。另外,安徽豐原集團也正在籌建年產(chǎn)量30術的發(fā)展,為了擴大乙醇生產(chǎn)的原料來源,降低乙萬t的燃料乙醇基地,并等待國務院審批通過。醇的生產(chǎn)成本,美國近幾年來正在積極地研究利用纖維素物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇,其中最有發(fā)展前途2燃料乙醇生產(chǎn)技術的研究現(xiàn)狀的是甜高粱和刺槐。按生產(chǎn)原料的不同,燃料乙醇的生產(chǎn)可以分(2)巴西是世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)國和為兩大類:一是以玉米等淀粉類和甘蔗汁、砂糖等消費國,也是唯一不使用純汽油作為汽車燃料的糖蜜類物質(zhì)為主要原料;另一類則是以農(nóng)業(yè)廢棄國家。巴西燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于20世紀20物(秸稈、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)工業(yè)廢棄年代。甘蔗為巴西主要的經(jīng)濟作物,其種植的甘物(制漿造紙的纖維渣、鋸末等)城市廢棄物(廢蔗有65%用于乙醇生產(chǎn),而乙醇的97%用于燃紙、包裝紙等)及林業(yè)廢棄物4等纖維素含量較料。目前,巴西的主要汽車燃料有4種:純乙醇高的物質(zhì)為發(fā)酵原料。(含水乙醇)、乙醇汽油(22%乙醇+7%汽油)、2.1以淀粉類和糖蜜類物質(zhì)為原料的生產(chǎn)技術MEG燃料(60%乙醇+33%甲醇+7%汽油)和柴以玉米為例,其生產(chǎn)過程包括:玉米預處理油巴西共有320多家燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè),其中(粉碎)、脫胚制漿、液化、糖化、發(fā)酵、蒸餾、脫水205家實行燃料乙醇和糖聯(lián)產(chǎn),115家單純生產(chǎn)燃和變性,工藝流程如圖1料乙醇。巴西目前的乙醇生產(chǎn)能力為1272萬t玉米先用水或酒糟離心清液在一定溫度下進a,97%用于燃料,生產(chǎn)地現(xiàn)有燃料乙醇儲存能力行浸泡,浸泡后的玉米經(jīng)破碎磨破碎,分離出胚為生產(chǎn)能力的60%(相當于763萬t)。自2000芽,并將纖維及淀粉顆粒破碎到一定的粒度。脫年以來,燃料乙醇的產(chǎn)量年均增長12%以上。胚后的玉米淀粉漿(含有淀粉、蛋白質(zhì)和纖維等巴西是世界上唯一不供應純汽油的國家汽油發(fā)物質(zhì))送入液化工段。淀粉在高溫下糊化,同時動機車輛均使用乙醇汽油?，F(xiàn)在,巴西共有約在a-淀粉酶的作用下降解,物料的黏度降低,這370萬輛以乙醇為燃料的專用汽車。一過程稱為液化。液化后的醪液稱為液化醪。液新能源及工藝低纖維素的分子質(zhì)量,打開密集的晶狀結構,以利原料(玉米)預處理凈玉米脫胚制漿胚芽玉米油車間于進一步的分解和轉(zhuǎn)化。預處理之后,半纖維素淀粉漿通常直接被水解成為單糖(木糖、阿拉伯糖等),排放或加工氧化碳液化、糖化輔料制備剩下的不溶物質(zhì)主要是纖維素和木質(zhì)素。預處理糖化發(fā)酵的方法主要有:熱機械法、自動水解法、酸堿處理發(fā)酵成熟法和有機溶劑處理法。在熱酸的作用下,木質(zhì)素DDGS車間稀酒精餾脫水料乙主要降解成多種單環(huán)芳香族化合物,纖維素則被降解轉(zhuǎn)化為葡萄糖,另外還有一些如甲酸、乙酸、圖1以玉米為原料的燃料酒精生產(chǎn)工藝己糖酸等不穩(wěn)定生成物。在發(fā)酵過程中,這些物化前需加入氫氧化鈉和氨水來調(diào)節(jié)物料的pH值質(zhì)主要分為兩大類:可發(fā)酵性糖,主要有木糖、葡和補充部分氮源,同時加入氯化鈣用于保持a-萄糖、阿拉伯糖等;對發(fā)酵有毒的物質(zhì),主要包括淀粉酶的穩(wěn)定性。液化醪經(jīng)稀硫酸調(diào)節(jié)pH值后有機酸、醛類、醇類化合物。加入糖化酶進行糖化。糖化的目的是將液化醪中(2)不需要對原料進行酸解或酶解預處理,的淀粉及糊精水解成酵母能發(fā)酵的糖類(主要是直接利用菌種將纖維素類物質(zhì)分解生產(chǎn)乙醇。目單糖及部分二糖及三糖,如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖前研究最多的是熱纖梭菌,它能分解纖維素,等),糖化后的醪液稱為糖化醪。通過酵母對糖并能使纖維素二糖、葡萄糖果糖等發(fā)酵。目前看化醪進行連續(xù)發(fā)酵。在發(fā)酵過程中,酵母將糖轉(zhuǎn)來,它是將纖維素轉(zhuǎn)化成乙醇的最有效菌種,但也化成乙醇和CO2,同時釋放出熱量。所產(chǎn)生的二存在一系列的問題,如:纖維素發(fā)酵速度慢、容積氧化碳用水洗以回收隨之帶出的乙醇。隨后,含產(chǎn)量低、終產(chǎn)物有機酸和乙醇對菌種細胞有相當有乙醇的發(fā)酵成熟醪通過蒸餾裝置進行蒸餾提大的毒性。純,所生產(chǎn)的燃料乙醇加入體積分數(shù)2%~5%的(3)利用纖維素酶水解纖維素,收集酶解后變性劑汽油就成為變性燃料乙醇產(chǎn)品。的酶液作為酵母發(fā)酵的碳源10。此法目前常用2.2以纖維素類物質(zhì)為原料的生產(chǎn)技術的菌種多來自木霉屬、曲酶屬和青酶屬,但是在降纖維類物質(zhì)(秸稈、蔗渣、木材等)主要有三解的過程中,葡萄糖的積累會對水解產(chǎn)生一定的種組成成分:纖維素,約占干重的45%;半纖維抑制作用。素,占干重的30%;木質(zhì)素,占干重的25%。以纖(4)同時糖化發(fā)酵法(SSF法):為了克服反維素為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇,首先將纖維素進饋抑制作用 Gauss等提出將纖維素酶對纖行酸解和堿解或酶解預處理,釋放出的葡萄糖可維素的水解和酵母發(fā)酵生成乙醇在同一個容器內(nèi)進入乙醇發(fā)酵途徑,其工藝路線如圖2。產(chǎn)纖維進行反應,這樣酶水解的產(chǎn)物葡萄糖由于酵母的素酶的微生物有真菌、酵母菌和細菌。發(fā)酵不斷地被利用,從而消除葡萄糖濃度過高對纖維素酶解的反饋抑制。目前這是最有發(fā)展前景水解葡萄糖纖維素酶葡萄糖發(fā)酵的方法,但是還存在糖化和發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)等抑纖維素制影響。直接發(fā)酵纖維素木糖木糖異構化木糖乙醇3燃料乙醇發(fā)展過程中存在的問題類物質(zhì)直接發(fā)酵目前燃料乙醇生產(chǎn)中存在的最大問題是降低木質(zhì)素(不能轉(zhuǎn)化為燃料乙醇成本。據(jù)報道,以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇,其綜圖2纖維素類物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的路線合成本是3897元/t,其中原料費用是3047元/t,即原料的成本占綜合成本的78.19%。當原以纖維素類物質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇的生產(chǎn)技術料玉米的價格上升時,其他費用的成本不會隨玉有如下幾種:米價格的變化而變化,這時整個燃料乙醇的生產(chǎn)(1)原料先經(jīng)過物理或化學方法預處理,再成本就會大幅度上升。國內(nèi)乙醇的價格長期高于經(jīng)酵母發(fā)酵成燃料乙醇。預處理的主要目的是降汽油的價格。美國乙醇的生產(chǎn)成本只有2770元新能源及工藝t,而國內(nèi)乙醇的生產(chǎn)成本為3671元/t,差901甘蔗為原料時只需簡單榨汁,而淀粉類原料需要元/t。因此,乙醇企業(yè)降低成本的主要途徑是提經(jīng)過粉碎蒸煮、糊化糖化等一系列較長的工藝流高副產(chǎn)品的綜合利用水平,如玉米生產(chǎn)乙醇后還程,能耗太大。如果按原料的成本進行計算,大約可以生產(chǎn)淀粉玉米色拉油飼料、沼氣和化肥等12t甘蔗能生產(chǎn)1t的燃料乙醇,甘蔗的成本按200副產(chǎn)品。根據(jù)統(tǒng)計,大約3.2t玉米或3t薯干可以元/t來算,那么生產(chǎn)1t燃料乙醇僅需2400元;而產(chǎn)生1t燃料乙醇,雖然很多燃料乙醇的生產(chǎn)基地大約3.26t玉米才能生產(chǎn)t燃料乙醇,玉米的單都是利用陳化糧為原料,但從長遠來看,為了避免價為1200元/t,僅玉米成本就高達3912元/t燃料乙醇的耗糧對糧食市場造成沖擊,緩解農(nóng)民從環(huán)境影響的評價看,利用甘蔗生產(chǎn)燃料乙收入與農(nóng)作物增產(chǎn)不同步的矛盾,開發(fā)纖維素、半醇,無論廢水還是廢氣都可以達到排放標準或者纖維素制取燃料乙醇的技術具有更深遠的意義循環(huán)利用。綜上所述,利用甘蔗是進行燃料乙醇在以纖維素為原料生產(chǎn)燃料乙醇的過程中,生產(chǎn)的理想原料。最大的問題是原料的預處理。用酸解法進行原料表1些農(nóng)作物的NER比較的預處理會產(chǎn)生對發(fā)酵過程有毒的物質(zhì),同時酸作物 NER的使用對生產(chǎn)設備有腐蝕作用;而其他的物理方甘蔗1.90~2.70法,如熱機械法、爆破法等,對機器的磨損和耗能甜菜0.56較嚴重;用酶解法也存在葡萄糖和產(chǎn)物乙醇對纖玉米0.74木薯0.69~3.56維素酶的反饋抑制以及纖維素酶自身成本太高甜高粱1.00(約13.2美分/L)等問題。所以,開發(fā)高效、低成本的預處理技術和培育篩選能將纖維素類物質(zhì)進云南地處我國西南邊疆,地理環(huán)境及氣候較行有效發(fā)酵的微生物是首要的問題。其次在生產(chǎn)為獨特,作物秸稈資源十分豐富,每年產(chǎn)生稻草大工藝上,應該把生產(chǎn)中的各個部分進行最佳的結約60萬t,秸稈347萬t,還有一些花生和薯類藤合,使得原料的能源轉(zhuǎn)化達到最理想的效果。如蔓資源等。這些作物秸稈資源除小部分被利用果能解決好這些問題,那么利用纖維素類原料轉(zhuǎn)外,多數(shù)被焚燒或棄廢,十分浪費,因此合理利用化乙醇將會帶來更大的社會效益和經(jīng)濟效益。這些資源也將帶來意想不到的收效。4燃料乙醇在云南的發(fā)展前景5結語云南獨特的“立體氣候”適宜于多種多樣的隨著社會的發(fā)展,燃料乙醇作為一種綠色能糧食作物和經(jīng)濟作物生長,主要糧食作物有稻谷、源日益受到人們的關注。降低成本是發(fā)展燃料乙玉米、小麥、馬鈴薯、雜糧等,主要經(jīng)濟作物有甘醇并使其走上產(chǎn)業(yè)化道路必須解決的問題。按照蔗、油料、橡膠等。云南有28個縣(市)種植甘地區(qū)的差異性,優(yōu)化和合理利用地方資源,發(fā)展燃蔗,全省甘蔗種植面積達25.3萬~26.7萬hm2,料乙醇及其生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物,提高能源的轉(zhuǎn)甘蔗單產(chǎn)平均59~60t/hm2,蔗糖含量為13%化率,使資源得到充分利用,是發(fā)展可再生能源和18%,甘蔗種植面積和產(chǎn)糖量位居全國第二。甘燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的關鍵。蔗農(nóng)業(yè)年產(chǎn)值突破20億元,制糖工業(yè)年產(chǎn)值突破參考文獻:40億元。利用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇比用其他作物具有明【1]黃治玲燃料乙醇的生產(chǎn)與利用[]化工科技,2003,11(4):44-47.顯的成本優(yōu)勢。首先,甘蔗的光合作用強,凈能比[2]張遠欣,燃料乙醇的發(fā)展狀況[J].甘肅科技,2005,高達2.7,甘蔗生物產(chǎn)量高,莖葉皆可利用,是全21(4):117-118.世界公認的最好的能源作物之一農(nóng)作物[3]王丹,林建強直接生物轉(zhuǎn)化纖維素類資源生產(chǎn)光合作用的強弱通常用凈能比NER來表示,凈能燃料乙醇的研究進展[J]山東大學學報(自然科學比是太陽光能通過葉綠素光合作用儲存能量的比版),2002,33(4):525-529.例,等于輸出總能量/輸入總能量,見表1。此外,[4]李盛宗,賈樹彪利用纖維素原料生產(chǎn)燃料酒精的和玉米、木薯等淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇相比,以研究進展[J].釀酒,2005,32(2):13-16.新能源及工藝[5]劉娜,石淑蘭,木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的研 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Direct mi-的發(fā)展前景[J]甘蔗糖業(yè),2004,(5):29-33.報道浙江省積極實施節(jié)電工程2005年節(jié)電21億千瓦時據(jù)浙江省經(jīng)貿(mào)委發(fā)布的信息表明,2005年浙江省組織實施節(jié)電改造項目660項,年節(jié)電21.264億千瓦時,相當于節(jié)約了杭州的主要電源之一—蕭山電廠這樣一個中型電廠一年多的發(fā)電量。浙江省在加快電力建設的同時,積極實施節(jié)電工程。2005年2月21日,浙江省政府出臺了《關于加強節(jié)約用電工作的意見》,明確提出今后3年累計節(jié)電100億千瓦時的目標任務。各地各部門也紛紛制定實施節(jié)電的政策措施。同時,認真組織對全省重點用能企業(yè)開展能源監(jiān)測(審計)進一步強化企業(yè)內(nèi)部節(jié)能基礎管理體系,落實相關節(jié)電設施,社會和經(jīng)濟效益顯著提高。大批新型節(jié)能技術也被推廣到企業(yè),走進千家萬戶。低壓變頻節(jié)電技術作為一項成熟的節(jié)電技術,在浙江省得到廣大企業(yè)的廣泛應用200年,浙江省新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術取得突破,全省已有6家水泥生產(chǎn)企業(yè)8條生產(chǎn)線完成了余熱利用節(jié)電技術改造,累計發(fā)電裝機容量達到3萬千瓦。在節(jié)能燈、太陽能利用技術推廣等方面,都取得顯著成效。大規(guī)模的節(jié)電不僅節(jié)約了寶貴的能源,保護了以火電為主電源的浙江的環(huán)境。按2005年浙江省節(jié)電21億千瓦時測算,相當于節(jié)約標準煤約70萬噸,由此可減少二氧化碳排放56萬噸,減少二氧化硫排放1.3萬噸。來源:中國政府網(wǎng)浙江蕭山發(fā)電廠天然氣發(fā)電工程年內(nèi)點火浙江半山天然氣發(fā)電工程建成之后,杭州第二個天然氣發(fā)電工程項目—蕭山發(fā)電ㄏ天然氣發(fā)電工程安裝簽字儀式于4月12日下午正式簽訂。浙江蕭山發(fā)電ㄏ天然氣發(fā)電工程為國家東海天然氣開發(fā)的下游配套項目,也是浙江省重點工程,省“五大百億”工程之一。該工程的動態(tài)投資為25.7億元,建設規(guī)模為兩臺35萬千瓦的燃氣蒸汽聯(lián)合環(huán)機組。工程計劃第一臺機組將于年內(nèi)點火,2007年兩臺機組全部建成投產(chǎn)。該工程建成后,屆時,將進一步緩和杭州市的電力負荷壓力,使用電緊張狀況得到有效緩解,同時,也將進一步改善浙江省和杭州市的能源結構。本刊作者聲明:《能源工程》2006年第1期《生物柴油的理化性質(zhì)及質(zhì)量標準》一文增補馬歡為第二作者。