甘薯燃料乙醇循环经济发展模式研究

第31卷第9期Vol 31 No 92008年9月Environmental Science Technology甘薯燃料乙醇循环经济发展模式硏究夏训峰1,赵伟?,海热提2(1中国环境科学研究院,北京100012;2北京化工大学,北京100029)摘要:非粮食生物质燃料乙醇产业在我国还属于幼稚产业,目前对此类农产品加工企业循环经济发展模式的实证研究很少。文章以重庆环球甘薯燃料乙醇生产为例,从循环经济理念出发以甘薯燃料乙醇生产及相关企业为基本研究单元运用工业生态系统集成和物质代谢的系统分析方法深刻剖析甘薯燃料乙醇企业循环经济发展模式关键词:甘薯燃料乙醇;工业代谢;循环经济;发展模式中图分类号:X32文献标志码:A文章编号:1003-6504(20080-015404Circular Economy Developing Mode for Pachyrhizus-based FuelEthanol IndustryXIA Xun-feng, ZHAO Wei, HAI Re-ti2(1. Chinese Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China;2. Beijing University of Chemical Technology. BeiJing 100029, China)Abstract: The non-foodstuff biomass-based fuel ethanol industry is a baby industry. Although there have some relaresearches on sustainable development of fuel ethanol industry in China recently, most of which are from technologytheory point of view, while this paper is from practical point of view. Chongqing Huan Qiu was chosen as the examplesome systems engineering and substance metabolizable methods, the circular economy developing mode was analyzedresearched.Key words: pachyrhizus-based fuel ethanol; industry metabolism; circular economy; developing mode燃料乙醇被称为21世纪“绿色能源”。在我国生剖析甘薯燃料乙醇企业循环经济发展模式。物质燃料乙醉的主要生产原料是玉米和小麦等粮食1重庆环球甘薯燃料乙醇循环经济产业生态网络构成作物,其比重占乙醇加工业的80%以上。近年来,随着原油价格持续上升,生物质燃料乙醇企业数量不断增1.1甘薯燃料乙醇生态工业系统结构加、规模不断扩大,对玉米、小麦等粮食作物的年需求甘薯燃料乙醇生态工业系统主要是由甘薯园、燃量以约30%的超高速增长凹。这势必给国家的粮食安料乙醇企业及其相关企业(如二氧化碳利用企业、沼气全造成冲击。而发展非粮食作物燃料乙醇产业即可以厂、有机肥厂等)、环境综合处理等子系统组成。其中燃解决能源危机,同时又不会威胁国家粮食安全,是今料乙醇企业是“主要种群”,CO2沼气有机肥厂等企业后国家重点发展项目。是燃料乙醇企业的下游企业,可称之为“次要种群”。重庆是我国甘薯主产区,种植面积占全国12%与自然生态系统类似國,甘薯燃料乙醇生态工业同时重庆又是我国乙醇产品主要需求市场之一,目前系统中同样存在生产者、消费者、分解者及外部环境年需求量在25万t以上,但是重庆地区石油资源缺甘薯园子系统主要为燃料乙醇企业提供基本原材料乏。重庆环球石化有限公司以甘薯为原料生产燃料乙是燃料乙醇生态工业系统的“生产者”;燃料乙醇企业醇,企业位于重庆(长寿)化工园区内,占地506hm2以甘薯为初始原料生燃料乙醇,是燃料乙醇生态工业是西南地区规模最大的乙醇生产基地。本文以重庆环系统的初级“消费者”,而其他企业是以生产燃料乙醇球甘薯燃料乙醇生产为例,从循环经济理念出发,以过程中产生的“废物”为原料进行生产活动的可称之甘薯燃料乙醇生产及相关企业为基本研究单元,运用为次级“消费者”;环境综合治理系统对燃料乙醇工业工业生态系统集成和物质代谢的系统分析方法深刻共生』中国煤化工程产生的废物进行CNMHG收稿日期:2007-01-15;修回2007-0407作者简介:夏训峰(1968),男,副研究员主要研究方向为生态工业循环经济,(手机)3611362268(电子信箱 xufeng9@ Sinacom第9期夏训峰,等甘薯燃料乙醇循环经济发展模式研究155回收、分解、再利用和再循环,在燃料乙醇生态工业系14生态产业链统中实际上承担了“分解者”的角色。燃料乙醇工业共生体中共生单元通过物流、能量12生态工业系统内企业间共生模式分析和信息交换建立了生态联系,形成了生态工业链重庆环球甘薯燃料乙醇生态工业系统是典型的1.4.1主要产品链互利共生模式。由这种共生机制形成的工业共生体系重庆环球燃料乙醇工业生态系统的主产业链:甘具有以下特点:(1)共生对象是企业个体;(2)企业薯(278)→甘薯粉(2.78t)→醪液(9.64)→乙醇(lt)。之间通过形成的生态产业链可以降低生产成本,提高在该生产系统中乙醇生产采用“风选风送(干法)竟争力;(3)链与链之间通过物质、能量、信息流动形→泵送(湿法)→一级半粉碎→中温连续蒸煮→真空成网状共生体系。冷却→连续糖化→露天大罐浓醪连续发酵→五塔差重庆环球生态工业系统中,核心企业是酒精厂,压蒸馏”新工艺。(1)原料薯干片采用一级半粉碎,即其产生大量的副产品,这些廉价的副产品是相关小型一级粉碎机不装筛网,以低动力消耗大产量破碎,再企业的原材料。企业之间通过副产品交换而形成典型经除铁装置后进入二级粉碎机;鲜薯收获季节,采用的工业共生模式,上下游企业从经济效益和生态效益鲜薯湿法粉碎,同时采用粉浆回流工艺,即回流部分的角度出发进行考虑,参与工业共生使他们从某些副粉浆替代湿法粉碎用水,克服了法粉碎时粉浆浓度低产品中获得新的收益并降低一些副产品的处理成本,的缺点;(2)采用以料带汽的低压喷射器加热式中温连可以有效地利用资源并提高环境绩效,参与共生的这续蒸煮工艺设备,料液受热均匀糊化彻底,提高淀粉些企业相互之间形成了稳定的工业共生关系。出酒率0.5%,比高温蒸煮节能30%;(3)采用双流加耐由于重庆环球集团生态工业系统中只有一个核心高温乙醇干酵母连续发酵;(4)采用先进的五塔差压蒸企业,所以这种模式可称为单中心环绕型互利共生模馏技术,节能效果显著,吨酒精耗汽约285(蒸馏),产式。在这种共生模式中,小型企业对核心企业的依赖性品质量显著提高,尤其是水洗塔的釆用能更有效地彻很强核心企业经营运作状况起着至关重要的作用。底排除正丙醇、异丁醇、异戊醇等高沸点杂质组分,粗13企业网络耦合馏塔采用真空蒸馏除了节能外还有利于彻底排除低重庆环球燃料乙醇工业生态系统中涉及到的企沸点杂质组分。既达到优级食用酒精的质量,又可减业较多,不同企业间的网络耦合是生态工业系统的重少蒸馏的蒸汽用量和冷却水用量,比传统的五塔常压要特征,也是生态工业系统能够发挥其最大效能的基蒸馏技术节能45%,节能效果显著。础和保证。重庆环球燃料乙醇工业生态系统中企业耦142主要废物链合关系如图1所示。(1)甘薯(2.78t)→醪液(964t)-+CO2(0.75t)→甲类和油类山(乐庆环球石化)区乙醇它区油醇+干冰+DMC(0.43t+0.08t+0.05t)(2)甘薯(278t)→醪液(9.64t)→酒糟(1244城丰化工)[杂断油面恒固06)沼气+化肥(003)(3)甘薯(278t)→醪液(9.64t)→酒糟(124t)-甲)面产AO<庆人玄甲而清液(114)→沼气(12)庆长为化工有限公司“[冰(4)甘薯(278t)→醪液(964t)→酒糟(1244t)→清液(1184t)→达标排放+回用水(529+5.29)图1承庆环球燃料乙醇工业牛态系统企业网终耦合Fig 1 Corporations networks design in Huan Qiu fuel ethano以上4条产业链为燃料乙醇工业生态系统中废物eco-industrial system处理和资源化的主要产业链。废物链的形成将有效解重庆环球石化生产产品燃料乙醇,副产品二氧化决目前长期困扰燃料乙醇生产中CO2和酒糟的处理问碳用于川维厂的甲醇生产,重庆长寿化工有限公司的题,提高资源的循环利用率,并有助于环境的改善干冰生产和重庆天玄的碳酸二甲酯生产。副产品酒糟各条生态工业链之间通过物质、能量、信息流动重庆环球石化将用于沼气发电和有机肥生产。厌氧污和共享,彼此交错横向耦合使整个共生体形成了网泥由重庆长寿区大地农业开发有限公司承包制成复状结构,形成生态工业网见图2合肥料搭配给甘薯种植农户使用可满足120hm种2中国煤化工谢植基地的复合肥用量。杂醇油作为副产品完全出售CNMHG根据重庆环球石化有限公司的杂醇油购销协议,拟建人以,工业代谢可以划分项目的杂醇油全部外售给重庆城丰化工有限公司。为产品代谢和废物代谢两大类。甘薯燃料乙醇系统工156抓比绀钓我术第31卷6秀主要产品代谢调浆料液L蒸煮糊化了蒸煮料液937t粉甲醇废酒酵母发體「L固液分离主要废物代谢E 34k036t生产DMC005污冰达标择放图2甘萝燃料乙醇系统业代谢Fig2 Industrial metabolism in the industrial system of pachyrlizus-based fuel ethanol业代谢如图2所示。其中物料平衡的原料是干甘薯所,生产链短没有形成业共生。(1)酒精生产企业示数据为每生产1t乙醇所需要或产生的物质的量。需要向国家上交很大一部分排污费用,而且污染物的278t干甘薯经粉碎、预煮、蒸煮糊化、糖化、发酵、处理也比较困燻,废物处理费用标高,给企业带来了蒸馏等工艺可生产1乙醇同时会产生075t的二氧化很大的压力,(2)也是对糟液、CO2等可回收资源的极碳、1244t酒糟、013kg甲醇废气和4kg杂醇油等副产大浪费。目前酒精行业年排放废水总量超过3×10m3品。下游企业将这些副产品作为各自的生产原料生产产其中酒精糟液的年排放量超过4×x10ym3,年排BOD品。此生态丁业系统中,CO2全部回收利用其中约80%约115×10t,COD约2.2×10,分别占全国工业废水的CO2与氢发应制得043t甲醇其余的CO2分别用来BOD3总量的1%和COD排放总量的125%,是有机制得干冰和DMC;酒糟经固液分离后清液通过先进的污染物排放量高、造成环境污染严重的行业之IC和UASB反应器去除大量的COD,产生的沼气用于32重庆环球生态工业系统工业共生效益发电供给燃料乙醇生产过程使用030沼渣与废水处321经济效益理产生的006t污泥经发酵可制得036t肥料;处理后的(1)二氧化!碳回收利用。重庆环球集闭现年产酒水50%以上用做循环用水,主要用于鲜甘馨的清洗和生精10万t发酵过程中有75万tCO2溢出。根据重庆产过程中的冷却用水其余达标排放。在此生态丁业系市具有丰富天然气资源的优势大部分C用于甲醇统中物质的流动远远大于进出系统的物质流。而且通生产,剩余的用于生产碳酸二甲酯和干冰,实现对过甘警园提供甘薯燃料乙醇一酒精糟固液分离→离Co2的全部回收利用,每年可得收益千万元。心清液厌氧发酵生产沼气→消化液分离生产有机肥→(2)利用酒精糟液厌氧发酵制取沼气。重庆环球有机肥返回甘薯园,还形成一条闭环的生态链。集团将发酵糟液和污泥等经厌氧发酵制取沼气,项目3重庆坏球生态工业系统工业共生效益分析沼气年产量为15万t,用其进行发电年发电量可达3.1传统酒精生产系统概况5184万度(7200度h),其中2405万kWh供给乙醇酒精生产是我国仅次于造纸行业的最大有机污和二氧化碳等生产自用,余下270万kwh并入电染源在其生产过程中会产生大量的废弃物,如二氧网外售。同时由沼气燃气发电机配套的余热锅炉年产化碳气体废水以及废渣等据测算,每生产1液态酒蒸汽接进5万t(69h),全部供给乙醇和二氧化碳精有10-12糟液排出。酒槽为高浓度有机废水呈酸生中国煤化工品电5元,性COD高达500000.是酒精行业最主要商品币2941万元的污染源。在传统的酒精生产系统中,往往仅包含CNMHG取有机肥。用沼渣家酒精生产企业缺少其它相关企业的参与,产品单和厌氧污泥作肥料,年产优质有机肥36万t,按照第9期夏训峰,等甘薯燃料乙醇循环经济发展模式研究157100元计,年产值人民币360万元。左右的汽油价格,其盈利主要靠国家财政补贴来(4)排污费减少。如果不进行污染治理,企业将因实现。而在重庆环球甘薯燃料乙醇生态工业系统中环境污染而带来交排污费、罚款,以至停产的处罚,造生产It燃料乙醇仅需干甘薯2.78t,其生产成本在成经济损失,采取环保措施实现污染达标排放将避免2500元∧左右,与3500元左右的汽油相比,即使政上述损失,企业从而得到间接经济效益。按重庆市现行府不给予补贴,也可实现巨大的经济收益。排污费征收标准,估算少交的排污费约为9100万元a。重庆甘薯燃料乙醇工业系统内各子系统间通过优322生态环境效益化组合输入和输出相互衔接,形成生态工业链,通过企重庆环球集团将开发燃料乙醇作为发展发向,燃业之间和企业内部的物质、资金和信息的交换做到资料乙醇显著的环境效益在于:酒精中含有35%的氧,作源的最佳配置和废物的有效利用,环境污染可以减少为氧促进剂添加到汽油中能更有效的促进燃烧,使用到最低水平,形成稳定的工业共生体系。重庆甘薯燃料酒精混合燃料与使用汽油相比,尾气中挥发性有机物乙醇循环经济生态系统的建立,是对中国非农作物燃可降低17%,总污染物排放降低30%,有效降低了温室料乙醇企业建立循环经济实现途径的一次有益探讨,气体CO2的排放减少了CO和O3的排放,对于大气对中国解决能源问题和保证粮食安全具有重要意义。环境的保护和全球气候的改善具有十分积极的意义[参考文献沼气属于清洁可再生能源。据估算,仅沼气工程一项的开发使用相当于每年节省标准煤207万,减少向大杜风光,冯文生燃料乙醇发展现状和前景展望现代化气排放CO29l8OtSO2414t、烟尘3105t灰渣5382t工,2006,26(1):69燃料乙醇生产中,蒸馏废液(酒糟)的产生量为Du Feng-guang, Feng Wen-sheng. Current development offuel ethanol and its future prospect [J]. Modern Chemical14695m%h, Jf COD=62530mg/L, BOD,-32500mg/LIndustry, 2006, 26(1):6-9.(in ChineseSS=560mg;经两步生化法处理和物化处理后,出水(2李平燃料乙醇争粮发改型叫停玉米深加工调查N经济水质COD=7745mgL,BOD=1878mg,SS=4796mgL观察报,2006-12-25pH-6.5-75其污染物排放量及排放浓度均符合国家《污Li Ping. Survey on the suspension of corn grain processing水综合排放标准》(GB897896)级标准。在很大程度by Development and Reform Commission [N]. Economic上消除了对周围环境的污染,这对于保护三峡库区生态Observer News, 2006-12-25. (in Chinese)环境具有非常重要的现实意义和深远的历史意义3]王灵梅,张金屯生态学理论在生态工业发展中的应用门]数益323社会效环境保护,2003,(7):57-60(1)传统酒精T业系统由于未实行清洁生产、未形Wang Ling -mei, Zhang Jing -tun. Applications ofecological theoriesco -industrial development []成工业共生,每年向外部排放大量的废弃物,严重污染Environmental Protection, 2003. (7): 57-60. ( in Chinese)了附近的环境,对社会产生了严重的外部不经济性。重(4刘成付刘越岩循环经济发展的现状及主要模式门环境庆环球甘薯燃料乙醇生态工业系统通过走生态工业道科学与技术,2005,28(4):77-18.路,实现废物重新利用,消除了对社会的外部不经济性。Liu Cheng-fu, Liu Yue-yan. Status and main models of(2)重庆甘薯燃料乙醇的发展可以推动三峡库区circulated economy development [J]. Environmental Science及周边贫困区县种植业的发展、有效解决粮食转化的Technology, 2005, 28(4): 77-18(in Chinese,问题,有利于刺激农业生产,稳定粮食价格,巩固农业[5]吴一平,段宁,乔琦等全新型生态工业园区的工业共生生基础,提高农民收入,促进“三农”及“库区产业空心态链网结构研究门中国人口、资源与环境,2004,142):化”问题的解决。125-130.(3)重庆环球企业集团瞄准未来能源危机的出Wu Yi-ping, Duan Ning, Qiao Qi, et al. Study onindustrial symbiosis and net structure of a new type现将酒精进一步加工发展燃料乙醇以减少汽油的消ecosystem industrial parks(]. China Population, Resource and耗量,降低对石油资源的依赖性,为我国能源安全提Environment, 2004, 14(2): 125-130( in Chinese)供了一条经济上可行并且来源可靠的解决途径。6夏训峰,谢海燕,谢涛,等包头铝业生态工业园区产品代谢4结语中国煤化工6263,目前,每吨燃料乙醇定向收购价格接近5000元,HCNMH Gark of Baotou gI其中国家财政补贴为1373元t。传统的粮食作物燃料Environmental Science Technology, 2006, 29(9):62乙醇的生产成木在4000元以上,远远高于3500元/63, 84. ( in Chinese