国内外燃料乙醇生产和应用情况分析

o.15,No.22精细与专用化学品第15卷第22期Fine and Specialty Chemicals200年11月21日市场资讯国内外燃料乙醇生产和应用情况分桁徐昌洪·方家骥(南京绿天源生物化工工程有限公司,江苏南京210003)摘要:介绍国内外燃料乙醇的生产和应用情况。美国和巴西的燃料乙醇产量占世界总产量69%,其中美国约占33%,2006年美国的使用量为1514万t;巴西约占36%,巴西的产量为1265万t。同时,还简介了欧盟加拿大、日本、印度和泰国的燃料乙醇的应用情况。2006年我国燃料乙醇的使用量约110万t,截至2006年底,我国燃料乙醇的总产能达163万v/a。按不同的原料介绍了我国燃料乙醇的生产工艺,即玉米、木暮、糖蜜、甜高粱和秸秆。最后对我国燃料乙醇的发展提出了几点建议。关键词:燃料;乙醇;玉米;木薯;秸秆Analysis on Production and Application Situation ofFuel ethanol at Home and abroadXU Chang-hong, FANG Jia-jiNanjing Lutianyuan Biochemical Engineering Co., Ltd., Nanjing 210003, China)Abstract: The production and application situation of fuel ethanol at home and abroad were introduced. The total out-put of fuel ethanol in America and Brazil accounted for 69% of global total output. Thereinto, the share of America accoun-ted for 33 %, consumption of fuel ethanol in 2006 was 15. 14 million tons in the United States: Brazil accounted for 36%its output was 12. 65 million tons. Meanwhile, the application situation of fuel ethanol in European Union, Canada, JapanIndia and Thailand were introduced in brief. In 2006, China's consumption of fuel ethanol was 1. 1 million tons, up to theend of 2006, the domestic capacity of fuel ethanol was 1. 63 million tons per year. The technologies for production of fuelethanol based on different raw materials namely, corn, cassava, molasses, sweet grain sorghum and straw were introducedseparately. Finally, gome suggestions on development of Chinas fuel ethanol werKey words: fuel; ethanol; corn; cassava;straw自20世纪中期以来,石油成为世界上最重要的尾气CO排放量的30%,烃类排放量的40%,同时能源物资。但当前世界石油供应比较充裕的状况难减少CO2和氮氧化合物的排放。以持久,新发现的石油储量越来越少,产量也日渐减世界各国对可再生能源的发展给予了高度重少。近年来,中东局势动荡,尤其是日渐减少的石油视,竞相开发。美国、巴西走在世界前列,两国燃料资源和日益增加的开采费用,使得石油价格持续攀升,给世界经济的发展投下浓重的阴影,从而使以可乙醇产量占世界产量的69%。我国从20世纪80再生物质生产代用能源成为大势所趋。汽车尾气对年代起即考虑用可再生物质生产能源产品以应对能环境的污染日益严重,环境的恶化是人类共同面对源危机,国内第一套以玉米为原料生产乙烯/环氧乙的一大难题。添加10%的燃料乙醇可以减少汽车烷联合装置在19%5年正式立项1992年开工建设。中国煤化工收稿日期:20070829CNMHG作者简介:徐昌洪,教授级高工,中国国际咨询公司专家,长期从事发酵和化工产品开发。2007年11月21日徐昌洪,等:国内外燃料乙醇生产和应用情况分析311国外燃料乙醇生产使用概况1.1美国玉米→清选粉碎1.1.1燃料乙醇生产使用量液化糖化」目前,美国燃料乙醇生产量约占世界产量的馏釜底液33%。近年来生产使用情况及预测如表1所示。表1近年来美国燃料乙醇生产使用情况及预测精」[固液分馆清液年份使用量/加仑使用量万t浓滤渣2.69亿81.45燃料乙醇浓缩液16.0亿1亿燥制粒34.0亿40.0亿1211.22006年56.0亿图1全粒法(干法)阶梯式连续发酵工艺流程60.0亿再氢解为乙醇,在这一系列反应中,葡萄糖将全部转2020年100.0亿3000化为乙醇,而无CO2析出,因此原料利用率大为提高。据报道,由于DDGS等副产物收益较好,冲抵后根据美国能源部公布的资料可知近年来美国美国燃料乙醇的生产成本约为04-05美元/L燃料乙醇的生产与使用获得迅猛发展:年产量突破1.2巴西10亿加仑用了10年时间(1984~1993年),突破20目前,巴西燃料乙醇的生产量约为1265万t,约亿加仑也用了10年时间(1993~2002年),而由20古全球产量的36%。国内使用1226万t,占全国非亿至30亿加仑仅仅用了2年时间(2002-2004柴油车用燃料的40%左右;年出口量约40万t左年)。右。巴西是目前世界上惟一不供应纯汽油的国家,根据美国能源部的计划,到2025年可再生物质也是世界上最早推广使用燃料乙醇的国家,20世纪生产的生物燃料将代替从中东进囗石油的75%,到70年代即进行燃料乙醇生产与推广。1977年开始2030年将用生物燃料代替现在汽油使用量的30%,使用E20汽油(含乙醇20%),1980年研制出使用届时将需要燃料乙醇600亿加仑,即约1.8亿t含水乙醇的汽车发动机,所用燃料乙醇含水量达1.1.2美国燃料乙醇生产原料及工艺7.8%,目前,全国有超过250万辆汽车是由使用含美国的燃料乙醇生产主要以玉米为原料,90%水乙醇发动机驱动的,另有1550万辆车使用含乙醇以上的燃料乙醇生产企业将厂建在玉米带上。生产22%的E22乙醇汽油。巴西的目标是年生产10万工艺主要是全粒法(干法)阶梯式连续发酵。1995辆以乙醇为动力的汽车,预计2011年巴西燃料乙醇年时美国44个燃料乙醇生产厂只有11个采用湿法的产量将达到2150万t工艺。20世纪50年代后新建企业几乎全部采用干巴西燃料乙醇的生产是以甘蔗为原料,目前全法工艺,主要原因是建设期短,投资较少(许多工厂国甘蔗年产量约有一半用于生产乙醇,预计2010年是由当地农民和其他资本投资建设的),并且其副前后将有60%产量用于乙醇生产。其生产方法是产物干酒糟颗粒饲料(DDGS)也是当地养牛业所需直接将榨取的甘蔗汁进行发酵,前处理工艺比较简的全价饲料。其工艺流程如图1所示单,投资较少,生产成本较低。据报道,巴西燃料乙为了进一步提高综合经济效益,美国有企业用醇生产成本约为370美元/t,出口价格为420美元溶剂将DDGS中所含油脂萃取出来,进一步制成生左右。物柴油和甘油,也有企业将初馏塔釜底液进一步处1.3理后,经复合纤维素酶酶解其中的纤维和半纤维素,1.3中国煤化工分离后残渣加工成蛋白饲料,酶解液进一步发酶制CNMHG产燃料乙醇72万醋酸。醋酸可直接销售,也可与乙醇生成醋酸乙酯,t,其中法国约30万t,西班牙24万t,德国13万t,32精细与专用化学品第15卷第22期意大利、瑞典也有一定产量。预计,2010年欧盟将安徽丰原生化股份有限公司32万a,黑龙江华润生产燃料乙醇300万t。欧盟各国燃料乙醇生产原酒精有限公司10万ta。2004年华润扩建产能达料主要为小麦和薯类。32万ta;2005年吉林扩建至60万ta产能,总生1.3.2加拿大产能力达156万a;至2006年底,上述4家企业的形成规模生产,并正逐步推广使用乙醇汽油。总产能达163万t/a。近年我国燃料乙醇使用情况其各省对燃料乙醇的使用要求不同,其中安大略省如表2所示。已立法,要求在2010年前销售的发动机汽油中必须衰2我国燃料乙醇使用量含有10%的燃料乙醇;温尼泊省为10%;而萨斯喀使用量/万t则温省要求为75%。加拿大燃料乙醇生产原料主要为玉米和小麦,生产成本约为0.5美元/L1.3.3日本尚未大规模使用燃料乙醇,由于资源缺乏,目前只有含3%乙醇的汽油供应。政府计划2020年前,计划2010年50%以上汽车使用乙醇汽油,2030年所有汽车使用乙醇汽油。2006年E10乙醇汽油使用量达到110万t左13.4印度右,约为全年汽油消费量的20%。做为发展中大国,印度对能源问题也十分重视,根据2004年统计,我国乙醇按生产原料分,玉其乙醇年产量在17亿-30亿公升间,生产原料主米占50.30%,薯类2.89%,高粱13.35%,小麦要是糖蜜,目前正在推广使用含乙醇5%的乙醇汽2.11%,糖蜜11.35%。我国木薯产量不能满足企油,每年需从巴西进口乙醇,但印度政府的目标是做业生产需要,每年仍需从泰国大量进口,仅2006年到燃料乙醇自给自足,因此巴西方面预计这种进口1-9月份即进口木薯达37482万to状况不会持续太久。2.2玉米燃料乙醇1.3.5泰国2.2.1高密度单槽清液连续发酵工泰国政府对燃料乙醇的生产使用十分重视,拟乙醇生产中,原料成本在生产成本中占有绝对建立年产100万t燃料乙醇生产能力,在全国推广比重,虽然原料价格时有变化,但原料费用在生产成使用E10乙醇汽油。初期拟建成10万∽a燃料乙本中比例独大的地位却无法撼动。据有关部门统醇生产装置,但迄今未见竣工报道。计,2004-2006年玉米生产乙醇的原料成本在总成1.3.6其他本中所占比例分别为8966%,86.7%和87.96%。燃料乙醇的生产与使用已是大势所趋,各国都因此,如何提高玉米各组分综合利用价值,大幅在加紧制订规划,澳大利亚、墨西哥、哥伦比亚等国提升副产品的附加值,以减少原料价格上涨带来的计划推广E10乙醇汽油阿根廷计划使用E15乙醇负面影响,是燃料乙醇能否大面积推广的关键之一,汽油。英国荷兰奥地利南非等国均已制订计划,依靠政府财政补贴终非长久之计积极发展燃料乙醇的生产。南京绿天源生物化工工程有限公司开发的膜耦合清液发酵燃料乙醇生产工艺是拥有独立知识产权2我国燃料乙醇生产及使用情况的国家专利技术(专利号:zL01127164.7),其工艺2.1燃料乙醇使用情况流程如图2所示。近年来我国乙醇生产能力增长迅猛,全国生产膜耦合清液发酵燃料乙醇生产工艺技术特点如能力2004年为395万t,2005年为656万t,而2006下年猛增至897万t,仅此一年即增加241万t。但其高细响醚母细胸来度为5x103/mL,中国家批准定点的只有4家燃料乙醇生产厂,其生发酵中国煤化工周期的110-1/产能力2003年为102万∽a,其中吉林燃料乙醇公8,发CNMHG司30万ta,河南天冠燃料乙醇有限公司30万t/a(2)糖醇转化率高,可达理论值的94%。膜生2007年11月21日徐昌洪,等:国内外燃料乙醇生产和应用情况兄分析3.398亿元,年利税3172万元。燃料乙醇单位成本核算结果为:总成本5135元,副产品抵扣为1463.67元,单位成本为3671.33元。使用上述专利技术,用玉米为原料生产燃料乙醇,综合经济效益较好。但采用此方法发酵生产酒[殿胚]一[压榨]一玉米油精,糖酵转化理论收率仅为51%,相当一部分糖变成了CO2,必须加以解决。2.3木薯燃料乙醇调浆木薯系淀粉质原料用途比较广泛。近年来随着我国乙醇产能迅速增长,木薯需求量也大增,每年均纤维处理纤维浆←选涤需从国外大量进口,2004年以来,连续3年进口量脱水干燥液化糖均超过300万t,价格也在逐年攀升。2006年11月纤维饲料广西木薯干收购价格已涨至1200元/t。同为淀粉质原料除原料前处理工段有所不同复合酶水解糖液浓缩干燥外,制糖和发酵等工段与玉米乙醇是相同的。根据发上述工艺要求,年产6万t燃料乙醇的生产厂,按2006年中期市场价格计,固定资产总投资1.25亿水力分离元,包括配套热电站一座。年销售收入2.74亿元馏}→釜底液其中主产品6万t燃料乙醇销售收人2.52亿元,5500t饲料酵母销售收入2200万元,年利税11668清液去调浆釜底液万元。燃料乙醇单位成本核算结果为:总成本离心分离」燃料乙醇4612.2元,副产品抵扣为366.6元,单位成本为浓缩液4245.6元。蛋白饲料加工干燥木薯乙醇主要存在以下3个问题:一是原料的饲料酵母可靠供应问题,即国内木薯生产难以满足发展燃料图2膜耦合清液发酵生产燃料乙醇工艺流程乙醇需要。二是原料价格上扬问题,由于木薯的综合利用价值较低,副产品收益少,因此原料价格对生物反应器的应用使产物反馈抑制降至最低,副反应产成本的影响更明显;如上述工厂若按同期泰国市产物极少。场木薯干价格(合人民币800元/t)进原料,则上述(3)改良湿法前处理工艺,玉米综合利用率高,项目年利税可达7886.8万元。但2060年以来木薯副产物附加值得到大幅度提升。干进口到岸价在120~140美元/t因此木薯乙醇(4)差压蒸馏热泵技术和热耦合技术的应用的成本更难以明显下降。每吨木薯燃料乙醇成本较可显著降低能耗。以玉米为原料的燃料乙醇成本高500元左右。三是(5)采用耐高温菌种,可在35℃时正常发酵,显环保问题,木薯乙醇废液治理难度大是环保界公认著降低循环水消耗,节能。的。目前,绝大多数木薯乙醇厂排放的废液未经有(6)全程自动控制,使整个生产过程始终处于效处理即排放,对当地及下游环境造成严重影响。最佳工艺条件下运行上述问题严重制约了木薯燃料乙醇的发展(7)闭环生产工艺,无工艺废水排放,既节约水2.4其他原料乙醇生产简况资源,又保护环境。按照2006年上半年市场价格,以上述工艺设计24h中国煤化工西云南一带数建造的年产6万t燃料乙醇厂的固定资产总投资量较CNMHG日趋缩少糖蜜数(包括配套热电站)为1.45亿元。年销售收入量原本不大。近年来随着糖蜜用途的拓展,市场对精细与专用化学品第15卷第22期糖蜜的需求迅速增长,与此同时,国际、国内市场糖解成葡萄糖,再经发酵制得乙醇。目前,该技术已申价持续攀升,使得糖蜜价格也不断高升。糖蜜乙醇报拟建年产5万t燃料乙醇厂,固定资产投资已无成本优势,因此日渐娄缩。16211亿元(不包括热电站),其直接生产成本(原2.4.2甜高粱辅材料、水电汽耗和人工费)3365元/,不含废水等甜高梁也属于糖质原料。2006年中科院近代三废处理费用,其中吨耗原料秸秆6t、1200元;酶制物理所利用重离子辐射技术培育甜高粱新品种,使剂7kg、1792元得甜高粱秸秆汁液含糖量大幅提高,在甘肃进行了有报道称,中粮集团500t/a纤维素中试装置于多种区域千亩规模试验种植,平均亩产甜高梁8t,汁2006年1月22日一次试车成功在世界上首次将液含糖量20%左右。榨取汁液后直接发酵6h,醪连续汽爆技术应用于纤维乙醇生产,所用纤维素酶液含乙醇9%左右,每亩地所产甜高粱可制取乙醇是中粮集团与丹麦诺维信公司联合开发的,从试验300kg左右,甘肃省有边际土地1000万亩适宜种植结果看,各项技术指标均达到国际先进水平甜高粱。目前国家发改委已将甘肃省作为定点生产以秸秆为原料生产乙醇首先面临的是原料体积甜高粱燃料乙醇的省份,“十一·五”期间将建立40庞大收集、运输、储存问题需很好解决;其次是原料万亩甜高粱种植基地,兴建年产10万t燃料乙醇生木质素含量较高,应采用酸解预处理所产生的酸性产厂,并在省内封闭销售。废水必须好好解决;最后是酶制剂所占成本比例很清华大学、中粮集团和内蒙古自治区五原县政大,导致燃料乙醇成本偏高。府也合作进行了固态发酵燃料乙醇中试,据此,内蒙古河套地区拟建年产3万t甜高粱燃料乙醇生产装3发展建议置。3.1釆用不同原料生产燃料乙醇新疆农科院吐鲁蕃农科所负责的甜高粱乙醇项面对能源短缺,发展生物质燃料已成各国共识,目已选定2万亩甜高粱种植区域,莎车县和浙江浩因地制宜采用不同原料生产燃料乙醇是解决问题的生物质新能源科技有限公司共同开发,将在5年正确途径。当前,甚至在相当长的一段时期内我国内建成每年可利用30万!甜高粱秸秆的燃料乙醇燃料乙醇的生产仍应以淀粉质原料为主,其中主要生产厂。是玉米,其次在适宜地区种植薯类作物为辅,因为我农业部规划设计院称已建成每年400t中试装国和美国一样同处于玉米种植的黄金地带,玉米同置进行甜髙粱流态固定化酵母快速发酵生产燃料乙其他作物相比易于种植,易于收获,易于贮藏,易于醇,发酵周期8~10h。据称,不含三废处理费用的加工转化,易于提取纯化,生产燃料乙醇附产品综合燃料乙醇生产成本为3800~4000元/t经济效益最好,技术最成熟,成本也最低。在我甜高粱是耐旱作物,利用早地、盐碱地等边际土国,以非粮原料如秸秆等生产燃料乙醇是一个应积地种植甜髙粱生产燃料乙醇是一个好途径。但是要极努力的方向。在西部适宜种植的边际土地种植甜解决好大量秸秆渣的去向问题,如用做食草动物的高粱等作物用于生产燃料乙醇,可以作为对全局的饲料,虽是一个较好的解决方法,但一旦大规模推补充。广,数百上千万吨的秸秆渣需要多少动物来消化,这3.2以玉米生产燃料乙醇应作为系统工程来抓大量牲畜的市场前景又如何都是需要考虑的;如将相对于美国而言,我国的转基因玉米种植已经这些秸秆用于造纸,则必须解决污染处理问题。推迟了15年,在当前的能源形势下,我国必需要推2.4.3秸秆广转基因玉米,大幅度提高单位面积产量,解决与粮以秸秆中的纤维素为原料生产乙醇是国内外十争地的问题;其次,应大力推广新工艺新技术,特别分关注的课题。山东大学生命科学院在这方面做了是发酵与节能技术提高糖醇转化率降低水、电、汽大量的工作,有报道说山东大学和河南天冠集团联能人如立合攻关的纤维酶解生产燃料乙醇中试项目进展顺提中国煤化工乙醇企业,收率每年增加420万元纯利,酶活力和生产成本达到国内领先水平,其做法是利润CNMHG时也节约了一个火先用稀酸处理已破碎秸秆,脱除木质素后,纤维经酶车专列的运力这是何等显著的社会经济效益!当2007年11月21日徐昌洪等:国内外燃料乙醇生产和应用情况分析前最为现实的问题是把目前工厂中占原料总量饲料加工,其次用于生物化工(如赖氨酸、味精、维12%左右的玉米纤维利用起来,多产5%左右燃料生素、淀粉糖葡萄糖、变性淀粉等),以及白酒和食乙醇若进一步改变乙醇发酵的路径,不释放CO2,用酒精的生产此外还有部分出口2003年我国玉大幅度地提高糖醇转化率,前景更诱人。第三,没有米出口达1500万t左右,而据2005年资料,我国出绝对的废物,只有放错位置的资源。要将三废处理口玉米价格倒挂,出口离岸价低于国内市场价,国家的间题解决在生产过程中间,而不是在生产过程的已取消出口补贴,预计2006-2007年度,我国出口最后,按循环经济的观点来设计燃料乙醇工厂,搞玉米将降至400万t左右,这1000万t左右的玉米好资源综合利用,把燃料乙醇与生物质化学品的生回归,将有助于改善国内市场玉米供应情况。同时燃产有机结合在一起。这些是燃料乙醇能否可持续发料乙醇生产过程中所产生的高蛋白饲料等副产物展的关键。建议将这些实实在在、切实可行、很快便约占原料玉米总量的1/3左右,又返回到饲料生产可取得显著经济效益的关键技术列入园家攻关课中,这些高品质添加物的加人,可以显著减少饲料用题,集中人力、物力财力在短期内突破。粮的消耗有报告说可减少原粮用量的20%以上。总的说来,当前我国玉米的绝大部分已做为工因此燃料乙醇的生产虽然引发了“争粮”的议论,业原料。我国近年来玉米年产量在13亿t左右,但并不如想像中的严重,如果采取上述有效措施2005年产量达到139亿t,用于人们食用部分大约“与人争粮”、“与粮争地”的问题是可以妥善解决占10%左右,且有逐年下降趙势,大部分玉米用于的,而且还是一条解决“三农”问题的重要途径。口(上接第18页)对反应液的薄层分析结果表明,当反应时间为同时,杀菌实验表明,所合成化合物对谷草杆菌4h时,反应液中对氯苯甲酰肼反应完全,确定为反和大肠杆菌均无明显抑菌作用。口应终点参考文献3.3生物活性实验生物活性试验结果见表1所示。1〕张力学张自义,7B杂环酰胺基头孢菌家新衍生物的半合成及抗菌活性研究(高等学校化学学报,1990,11(2):148-151表1目标化合物对水稻根生长的影响2〕柳文敏孙如中,姚兴芝,等.NN硝基苯酰基取代苯酰氨基质址浓度/(mg/L)硫的合成与生物活性[功〕.应用化学,2002,19(4):393-396化合物0.512550〔3〕张自义杨虎.3苄基6-(1氨基烃基)-1,2,4三唑并[3,4b]目标化合物1,3,4嗨二唾的合成与波港表征[J〕.有机化学1986,6(3萘乙酸1061034〕金桂玉,谢敏兩赵国峰.1芳酰基4取代吡唑甲酰基氨基硫脲和环化产物的合成及生物活性(刀.应用化学,1995,12(4)通过表1可以看出,当药液浓度分别为0.5和1.0mg/L时,目标化合物及阳性对照化合物对水稻〔5]江月玲潘瑞炽水体酚类化合物污染对水稻幼苗生长的影响J〕植物学通报,1995,12(增刊):57-59根的增长均有促进作用,而且目标化合物比对照化[6)獸长强,孟庆芳,张秦等现代化学试剂手册(第一分册)[M〕合物的效果显著,尤以质量浓度为1mg/L时效果最北京:化学工业出版社,198552好。但当药液的质量浓度增加到25和50mg/L时,(7〕李新生汪丽瓶欧阳萌,新型含硅植物生长调节剂的合成及其目标化合物和阳性对照药均对水稻根生长有致伤致生物活性(J精细化工,2000,17(1):1416死作用。这是因为高浓度的药液打乱了植物细胞内(8]吴国焊被物生长素的作用机理[)农机化研究.200,6部的生理平衡,对水稻种子细胞具有“胁迫”作用,H中国煤化工〔9〕潘育出版社,2001.236导致细胞失水所致-”。CNMHG