农作物乙醇燃料的综合效益分析

第24卷第2期农业工程学报Vol 24 No. 22008年2月Transactions of the CSAeFeb.2008299农作物乙醇燃料的综合效益分析张纪鹏,姜慧?,霍炜',赵红(1.青岛大学机电学院,青岛266071;2.青岛大学数学科学学院,青岛266071)摘要:乙醇作为化石燃料的替代品,对于能源需求日趋紧张的中国来说具有非常重要的意义。然而,农作物乙醇作为燃料其生命周期、经济效益及环境效益如何将直接影响其推广使用。文章就农作物乙醇作为燃料的综合效益进行了全面分析,得出了除甜高粱外多数农作物作为燃料乙醇原料具有较低的能效转换率之结论。而且在目前情况下,由于生产成本较高,所产生的经济效益也较差。但其对于解缓能源紧张问题、提高农民收入、促进人员就业具有良好的社会效益,同时对机动车辆的废气污染排放有所改善。关键词:乙醇燃料;农作物;生命周期中图分类号:U473文献标识码:A文章编号:1002-6819(2008)-2-029905张纪鹏,姜慧,霍炜,等.农作物乙醇燃料的综合效益分析[J]农业工程学报,2008,24(2):299-303Zhang Jipeng, Jiang Hui, Huo Wei, et al. Analysis of the comprehensive benefits of grain alcohol fuel[J]. Transactions of theCSAE, 2008, 24(2): 299-303. (in Chinese with English abstract)0引言1乙醇及乙醇汽油的燃料特性分析随着中国经济的飞速发展,能源的需求速度急速增1.1乙醇的相关物理性能长,2006年石油的进口量达到了14518万t,成品油的进乙醇是一种含氧碳氢化合物,其物理性能如表1所口达到了3638万t。对石油的进口依赖度超过了40%示,作为燃料它与汽油相比有较高的含氧量(34.7%严重影响到国家的能源安全问题。就此国家从“九五利于发动机的燃烧过程,而汽油含氧量为0;它的沸点为至“十一五”重点科技攻关项目上设立了能源多样化的784℃比汽油高,蒸发性能差于汽油,不利于燃料的雾化,清洁汽车行动课题。多种替代能源车辆已经广泛的受到因此对发动机的燃烧过程有不良的影响;其自燃温度为国内、国际科研机构和企业的重视,近年来氢能源、醇392℃,高于汽油的221~257℃,增加了发动机的自燃抗类燃料、天然气等车辆均有了大力的发展。爆性,此有利于提高发动机的压缩比。但从采用均质压醇类生产其原料广泛,既可来自石化冶炼,也可来燃(HCCI)的角度看,过高的自燃温度不利于该工作过自农业、林业生产。中国现在80%的乙醇原料是谷类°程;其火焰传播速度为04ms,大于汽油的033ms,有中国是一个农业大国,农业生产在国民经济的发展中占利于提高发动机的燃烧效率:其辛烷值为100高于汽油有相当重要的地位和比重,从事农业生产的人口众多(75705万人),占全国总人口的582%。所以农业乙醇表1乙醇、汽油的相关理化特性如果可作为主体代用燃料将对中国的国民经济、能源战Table 1 Related physical and chemical characteristicsof grain alcohol and gasoline略、社会和环境产生极大的影响农作物乙醇是否可作为车辆的主体代用燃料,需要性能参数乙醇考核其能量转换生命周期、环保效益、经济效益核算分子式分子量能源替代影响指数等多种因素。目前国内很多专家学者含氢量对粮食乙醇燃料问题进行了分析研究,众说纷纭,有褒含氧量有贬。文章就农作物乙醇燃料问题进行其生命周期和相密度g·L1072~0.78关效益问题统计分析,以客观地评价农作物乙醇代用燃沸点闪点℃料的使用可行性及意义221~257中国煤化工收稿日期:20070606修订日期:2007-10-10基金项目:国家863资助项目(项目编号2006AAlA1D6)THCNMHG143~148作者简介:张纪鹏(1956-),男,内蒙古呼和浩特人,教授,研究方向为辛烷值(R+My2]90~93内燃机工作过程及新能源与节能。青岛青岛大学机电学院,266071容水性很小农业工程学报2008年的90~93,可增强发动机的抗爆性能,利于提高发动机中乙醇体积比为10%时,氧含量为35%的效率;综合整个性能,其具有较好的燃料理化性能。5)乙醇汽油允许含水量与乙醇掺入量及温度有关,尤其混合比例在10%以内时,发动机及其供油系统均可10%的乙醇汽油在常温条件下含水>04%时会出现水分保持原有状态。1.2乙醇汽油的燃料特性6)车用乙醇汽油具有微腐蚀性,燃油供给系统应采目前广泛使用的乙醇汽油,其随乙醇的掺混比例不用抗腐蚀性材料。同特性变化如表2所示。7)乙醇对某些有机物具有溶解性,燃油供给系统要1)随着酒精含量的增加,其密度增加,根据目前常采取防溶解措施用的10%掺入量计算,密度相差0.6%。8)乙醇具有很强的清洗性,发动机的燃油供给系统2)乙醇汽油的辛烷值随乙醇含量的增加而增加,10%的管路、油箱等内壁的原有胶质、铁锈等杂质都会被清乙醇汽油的辛烷值增加42洗入乙醇汽油中,使系统发生阻塞3)汽油中掺入体积为5%~7%乙醇时饱和蒸汽压最9)10%(V乙醇的汽油比普通汽油吸水性强,如储运大,可达584kPa。继续增加乙醇的掺入量将使饱和蒸汽器具密封不好,则48h后含水量会增加一倍。为此,贮压下降。存不应超过7d,并应在贮存器内安装具有干燥剂的呼吸4)氧含量随着乙醇比例的增加而增加,当乙醇汽油阀以防乙醇汽油吸水表2乙醇掺入量对燃油的性能影响Table 2 Effects of different mixtures of alcohol on fuel performances乙醇掺入量(v最大含水能力%饱和燕汽压流动性体积膨胀量理论空燃比辛烷值增加07212529215.300t80.72170.1040.7225217,60.l80214.51597,12中国的酒精原料农业生产情况分析小麦的情况:2005年产量为9600万t消费量为1.04亿t,缺口为440万t左右中国每年消耗汽油约5000万t,按照10%乙醇汽油稻谷的情况:2005年产量为186亿t,消费量为193计算,作为燃料的乙醇需要量为540多万t。亿t,缺口约为700万te2.1中国用于酒精生产主要农作物生产情况甘蔗:2004年产量为8985万t中国目前作为燃料酒精生产的原料主要以农产品为甜菜:2004年产量为586万t。主。其中以玉米、谷物为原料的占55%,薯类为原料的占从上述数据看,依靠国内生产的粮食作物进行燃料33%,糖蜜为原料的占12%近几年,中国酒精产量分别乙醇生产显然难以保证原料的供给。为:2000年产量为230万t,2001年是230万t,2002年是245万t,2003年是285万t,2004年达到305万中国煤化工产能效转换分析中国的主要农作物生产情况CNMH生产、工业生产过玉米的情况200年国内玉米产量预计在1265亿t,程需要泪耗大里的能源和资源,作为燃料其是否具有实国内总消费量增长到13105亿t。因此,2005年消费量际意义必须进行寿命周期分析,了解其作为能源燃料的缺口为355万t能效转化率。第2期张纪鹏等:农作物乙醇燃料的综合效益分析农作物燃料乙醇生命周期是从原料的种植到燃料乙产过程能耗14390Mt小麦:其中农业生产能耗3605醇在发动机气缸内燃烧为止的过程。燃料乙醇生命周期Mt小麦,占燃料酒精生命周期能耗的251%;工业转换主要包括原料的种植和乙醇生产2个大的部分,两者的能能耗10638M小麦,占总能耗的746%,1t小麦所产量消耗占生命周期的能量消耗的98%,蒸馏工艺是乙醇生酒精运输及销售能耗147MJ,占总能耗的03%;生产乙产中的最大耗能部分,占乙醇生产总耗能的56%。化肥使醇所含能量7772M小麦。因此,小麦乙醇燃料能效转用占生物质种植总能量消耗的95%换率为054,其能效转换率与玉米相近,远远小于1,说燃料能效转化率:明产出燃料有效能仅为投入能量的1/2多一点,从燃料能7=V(乙醇产出能量)但Q(乙醇生产总能耗)量转换或生产的角度看意义并不大虽然农作物在生产乙醇过程中还会产生多种附带产4)薯类乙醇燃料的生命周期品,如以小麦为原料的乙醇生产过程,其中副产品有:麸单位面积鲜薯产量约为40hm2,可产薯干144t;皮,谷朊粉(小麦蛋白),胚芽产品、DDG(高蛋白饲乙醇产出率为033t薯干,单位面积乙醇产出率为474料酵母)、二氧化碳和杂醇油。但是,以动力能源为主thm2;乙醇生产过程能耗9575Mt薯干,其中农业生产要目的的乙醇生产过程所追求的主要目标是酒精产出能耗2854MIt薯干,占燃料酒精生命周期能耗的29.8%率。文章就几种主要作物的乙醇产出情况进行分析,探.工业转换能耗6554MJt薯干,占总能耗的684%,1t薯讨其能效转换的意义。干所产酒精运输及销售能耗167M】,占总能耗的18%;在表3中,对玉米、稻谷、小麦、薯干、甜高粱、甘生产乙醇所含能量8844M薯干。因此,薯干乙醇燃料蔗等能效转换过程的能源消耗和产出进行了对比分能效转换率为093,其能效转换率接近1,远远大于玉米,析体,从表中可以看出是比较作物中较高的,但还是小于1,从燃料能量转换或1)玉米乙醇燃料的生命周期生产的角度看意义也还是有限从表3可以看出,单位面积玉米产量约为512hm5)甜高粱植物酒精的生命周期乙醇产出率为03tt;单位面积乙醇产出率:1.658thm2单位面积甜高粱产量约为90thm2,乙醇产出率为乙醇生产过程能耗:其中农业生产能耗3756M玉米,0079t甜高粱,单位面积乙醇产出率为71thm2;乙占燃料酒精生命周期能耗的246%;工业转换能耗11271醇生产过程能耗1450MJt甜高粱,其中农业生产能耗Mt玉米,占总能耗的742%,1t玉米所产酒精运输及214Mt甜高粱,占燃料酒精生命周期能耗的148%;工销售能耗152MJ,占总能耗的1.2%;生产乙醇所含能量业转换能耗1196Mt甜高粱,占总能耗的825%,1t甜8040M玉米;剩余物能量13353Mt玉米,由于其利高粱所产酒精运输及销售能耗40MJ,占总能耗的37%;用价值较低,所以可以视为无效能;因此,玉米乙醇燃生产乙醇所含能量2115M甜高粱。因此,甜高粱乙醇料有效能效益仅仅为0.53远远小于1,说明产出燃料有燃料能效转换率为146,其能效转换率大于1,远远大于效能大大低于投入能量,从燃料能量转换或生产的角度玉米,是所有比较作物中最高的,其燃料能量转换增加看意义并不大率为46%2)稻谷乙醇燃料的生命周期6)甘蔗乙醇燃料的生命周期同样从表3得出,单位面积稻谷产量约为631thm2单位面积甘蔗产量约为70thm2,乙醇产出率为0053乙醇产出率为036t稻谷:单位面积乙醇产出率:2272t甘蔗,单位面积乙醇产出率为387thm2;乙醇生产过thm2;乙醇生产过程能耗14788MJ稻谷:其中农业生程能耗1498Mt甘蔗,其中农业生产能耗275MJt甘蔗产能耗3650MJt稻谷,占燃料酒精生命周期能耗的占燃料酒精生命周期能耗的183%;工业转换能耗1196247%;工业转换能耗10956MJt稻谷,占总能耗的Mt甘蔗,占总能耗的797%,1t甘蔗所产酒精运输及741%,1t稻谷所产酒精运输及销售能耗152MJ,占总销售能耗268MJ,占总能耗的2%;生产乙醇所含能量能耗的12%;生产乙醇所含能量9648MJ稻谷。因此,1423Mt甘蔗。因此,甘蔗乙醇燃料能效转换率为095,稻谷乙醇燃料能效转换率为0.652,虽然其能效转换率高其能效转换率低于1,单从燃料能量转换或生产的角度看于玉米12个百分点,但还是小于1,产出能量不足投入没有实际意义。能量的2/3,说明产出燃料有效能大大低于投入能量,从相比较而言,甜高粱的能效转换最高,有46%的能燃料能量转换或生产的角度看意义并不大量增V山中国煤化工辜还有提商的余地,3)小麦乙醇燃料的生命周期还需要一业生产和工业生产单位面积小麦产量约为425thm2;乙醇产出率为过程CNMHnsw'1I b l过程具有更大的能效029t小麦;单位面积乙醇产出率:1.31thm2;乙醇生转换率农业工程学报表3各主要衣作物产量、酒精产出量及能效转换数据对抑制“温室效应”意义重大1Table 3 Main grain production alcohol output and conversiondata between energy and efficiency5乙醇燃料的经济效益分析作物种类玉米稻谷小麦木薯甜高粱能源甘蔗除了能量转换效益外,经济效益也是农作物乙醇的单位面积产量5.12631142524090重要指标,它直接影响到乙醇燃料的推广使用市场。目前由于农作物乙醇的成本较高,为了促进当地的农业生物靶或淀粉含量125产发展和解决农民陈化粮问题,粮食乙醇生产地区实行酒精产出率104503901501了高额的政府补贴根据国内相关乙醇生产厂的成本分析,农作物燃料精产量几,hm2209280165860000900乙醇的生产成本是:价格1050190014403801)玉米的单位面积产量约512thm2,乙醇产出率为10L/,单位面积乙醇产量2099Lhm2,玉米价为1050乙醇生产成本424070004700425940004600元∧时成本为4240元,其中原料费用3315元/,占综酒精产出比030.360290330.079合成本的78.19%,其它综合费用为925元/。燃料乙醇的热值相当于常规汽油热值的61.867%,按汽油的等价热值吨作物产乙醇含能MJ804096487728842151423计算,相当于等效汽油价格6848元,是汽油价格的1.4能能耗M375630305284214275倍(汽油价格按4800元计算)吨作物才2)稻谷的单位面积产量约6311thm2,乙醇产出率转能耗(M)127110956106386511961196为450L/,单位面积乙醇产量2840Lhm2,稻谷价为1900换运输与销售能耗506450645064506450645064元时,乙醇成本为7000元/t,按汽油的等价热值计算,相当于等效汽油价格11314元/t,是汽油价格的236倍。总能耗M,t15179148149951461483)小麦的单位面积产量约4252thm2,乙醇产出率燃科的能效0065094091460952390/,单位面积乙醇产量168Lhm,小麦价为1440元时,乙醇成本为4700元t,按汽油的等价热值计算4乙醇燃料的环保效益相当于等效汽油价格7596元,是汽油价格的158倍4)木薯的单位面积产量约40thm2,乙醇产出率为150除了对燃料进行能效转换寿命周期分析外,其环保Lt,单位面积乙醇产量600bm2,木薯价为380元t时效益也是应该重点考核的内容。虽然其对发动机燃烧过燃料乙醇的生产成本为4259元。按汽油的等价热值计程有所改善,但其生产过程所形成的有害物质排放是否算,相当于等效汽油价格6884元A,是汽油价格的143低于燃烧排放过程的降低率,是考证环保效益的重点倍目前中国汽车保有量已达到2974万辆引,大气污染5)甜高粱的单位面积产量约90hm2,乙醇产出率为物的60%来自车辆的排放,有关统计认为,使用10%的70L,单位面积乙醇产量4900Lhm2,甜高粱价为240乙醇汽油可降低HC排放量134%、CO排放量下降元时,乙醇成本为4000元,按汽油的等价热值计算308%、CO2排放量下降39%,还可作为汽油的增氧添相当于等效汽油价格6465元t,是汽油价格的135倍加剂替代甲基叔丁基醚和乙基叔丁基醚降低环境的污染6)甘蔗的单位面积产量约70thm2,乙醇产出率为410L,单位面积乙醇产量2099Lhm2,甘蔗价为195元有关统计分析认为:在燃料乙醇生命周期过程中,时,乙醇成本为4600元,按汽油的等价热值计算,相燃烧过程”产生的环境影响最大约占整个生命周期的当于等效汽油价格7437元,是汽油价格的1.5倍52%;其次为“燃料生产”占41%;“原料生产”占7%与汽油比较燃料乙醇产生的环境影响较小,但也有人6结论认为乙醇厂本身就是一个重要的污染源。乙醇厂所排放能源多样化是能源安全的一个良好对策,农作物燃的挥发性有机物(oCs)和CO比相关统计数据要高的料乙甲↓,旦必须要注重生命周期多。而且其中的有机物包括了3类有害的空气污染物乙问题中国煤化工要改良作物品种,提醛、甲醛和丙烯醛。高乙CNMHG产工艺,提高能源利作物乙醇燃料的原料生长过程是一个碳循环过程,用率,降低生产过程排放污染;为了提高经济效益,要其光合作用将大气中的CO2转换为自身能量,而且农作加强综合利用,采取联合生产,充分利用乙醇生产过程物燃料酒精的整个生命周期不增加大气中的CO2含量,的废弃物,形成循环利用可持续发展的绿色能源经济第2期张纪鹏等:农作物乙醇燃料的综合效益分析303玉米、稻谷、小麦的能源转换率均低于23,因此[eb/ol].http://www.agri.gov.cn/fxycpdqt/t20050107-_3036作为燃料乙醇的生产原料没有意义。从经济性角度看,87htm,2005-01-07三种作物的燃料乙醇生产经济效益均为负值,也是没有7]黑龙农业网.12月16日黑龙江省部分地区稻谷价格意义的。木薯和甘蔗的能源转换率达到了092和095,但[eb/ol].http://hljol.com/article/hqyc/200512/2153.html2005-12-17是仍然低于1,即使改良品种、改善生产工艺所得到的能[8]李奇伟,戚荣,张远平.能源甘蔗生产燃料乙醇的发展效转换提高也不会有太大的增值,所以,仅在具有十分前景[门,甘蔗糖业,2004,(5):29-34.优越的经济效益情况下,才有燃料乙醇的生产价值。甜(9]中华人民共和国农业部.2060年中国农业发展报告高粱是所分析作物中唯一能量转换大于1的作物。从能量M].北京:中国农业出版社,2006合成角度分析,甜高粱每天合成的碳水化合物可生产乙[1o刘兆庆,李达,王曙文,等.甜高粱生物能源—未来醇48L/hm2,玉米只有5Lhm2,小麦为3Lhm2,甜高粱能源的希望(,农产品加工,2005,(6):34-35.是玉米和小麦的32倍和16倍,因此,甜高粱应该是最[黄忠水,纪威,鄂卓茂我国开发燃料酒精的综合效益有希望的燃料乙醇作物。但是,甜高粱生产乙醇的成本分析[门节能,2001,(12):3-6仍高于汽油,这一点必须得到解决,否则也难以打开市12戴杜,理河,浦耿强,等,广西木薯燃料乙醇项目能效评估[门广西农业生物科学,2005,(2):167-171场[13]倪维斗,李政,靳晖.对用生物质原料生产燃料用乙[参考文献]醇之我见门,中国工程科学,2001,(5):44-49]韩飞.乙醇汽油的研究现状和应用前景门.辽宁化工,[4吴域琦,冯向法.方兴未艾的中国甲醇燃料新产业A2001,(11);493-497.4届北京国际清洁汽车技术研讨暨展览会会议论文[2]梅允福.发展清洁车用乙醇汽油[门节能环保技术,2003,[C]2005:455-461[15]马煜国,燃料乙醇:朝阳企业门,中国石油企业,20053]傅其军.国内外酒精行业发展近况门广西轻工业,2005(7):36-372);12-34.[16]胡志远,楼狄明,浦耿燃料乙醇生命周期影响评价4]王文泉.借燃料乙醇工业发展东风开拓我国木薯产业新局[.内燃机学报,2005,(3):258-263面门,热带农业科学,2003,(3):34-40[冂门马书霞,陈砺,王红林.发展新型能源——木薯燃料酒[5]李银雁.“二等公民”熬出了头—木薯有望成增收亮点精门.可再生能源,2005,(3):73-75.[EB/OL].htp/ /news. xinhuanet. com/fortune200205/16con[18]范晶,陈连陈丽,等.黑龙江省甜高粱的开发利tent395913htm,2002-05-16用[门.中国糖料,2005,(2):58-60.[6广西糖网.本榨季当前生产情况综述Analysis of the comprehensive benefits of grain alcohol fuelZhang Jipeng, Jiang Hui, Huo Wei, Zhao Hong(1. College of Mechanical and Electronic Engineering. Qingdao University, Qingdao 266071,China:2. College of Mathematics, Qingdao University, @ingdao 266071, China)Abstract: As the substitute fuel of petroleum, grain alcohol is significant to China regarding its daily intensive need ofenergy. However, the popularized usage of grain alcohol as fuel is directly affected by the grain lifecycle, economiebenefit and environmental benefit. After completly analyzing the benefits of grain alcohol as fuel, it is concluded thatmost grain except broomcom has a comparatively lower conversio1 In addition the economic benefit isrelatively low comparing its high production cost under the current.中国煤化工 lent social benefitof reducingImproving faCNMHG, it helps reduce gaspollution caused by motor vehiclesKey words: grain alcohol fuel; grain; lifecycle