木薯燃料乙醇生产的技术提升及全生命周期能耗分析

第24卷第7期农业工程学报VoL 24 No. 71602008年7月Transactions of the CSaeJu.2008木薯燃料乙醇生产的技术提升及全生命周期能耗分析董丹丹1,赵黛青1,廖翠萍',陈宪笙2,林琳(1.中国科学院广州能源研究所,广州510640;2.广东中科天元新能源科技有限公司,广州510640)摘要:发展燃料乙醇是中国替代能源战略大框架下的成熟模式,木薯燃料乙醇因为不耗用粮食原料也日益提上发展日程。该文引入生命周期理论,对木薯燃料乙醇系统的三个阶段进行了能耗分析,重点讨论了燃料生产阶段采用新旧工艺对周期能耗的影响。能耗计算发现,采用新工艺可以较大地增加系统周期的净能量产出,提高系统的能效;加强副产品的开发,使用农家肥替代化肥也可产生同样的效果关键词:木薯燃料乙醇;生命周期;燃料生产阶段;能源效率中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:10026819(2008)-7-016005董丹丹,赵黛青,廖翠萍,等木薯燃料乙醇生产的技术提升及全生命周期能耗分析[J].农业工程学报,2008,24(7):160-164.ith English abstract)0引言食供给形势造成了压力。国家发改委价格司对玉米价格的监测数据显示,2006年主产区玉米每50kg平均出售燃料乙醇是以玉米、小麦、薯类、甘蔗、甜菜等为价格59.28元,比上年提高3.75元,升幅6.8%。继续采原料,经发酵、蒸馏制得乙醇,脱水后再添加变性剂变用玉米等粮食作物为生产原料,势必会引起国内国际粮性而成的。在替代能源战略的大框架下,燃料乙醇已经食市场的动荡。此外,燃料乙醇生产能耗高,生产成本成为替代石油的成熟模式。中国自2002年启动燃料乙居高不下,只有具备国家补贴的情况下企业才能生存。醇项目以来,已形成每年102万t的生产能力,乙醇汽油家现阶段针对这两个问题,首先是鼓励生产企业发展消费量已占全国汽油消费量的20%。中国也已成为世界非粮原料燃料乙醇,其次在逐年降低补贴额度,以促使上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国和消费企业采用先进低能耗乙醇生产技术。木薯是非粮食农产国。中国发展燃料乙醇的初衷是消化陈化粮,卸掉贮粮品,对土质的要求低,耐旱、耐贫瘠;采用木薯为原料的巨额财政负担;随着化石原料的日渐短缺,国际油价生产燃料乙醇符合中国“不争粮,不争(食)油,不争的大幅波动,燃料乙醇成为替代能源的优势凸显。而且糖,充分利用边际性土地(指基本不适合种植粮、棉、汽油中添加乙醇,可以替代普通汽油中含有用于防腐、油等作物的土地)”的粮食发展战略S。并且以木薯为原防爆的添加剂MTBE,从而避免了MTBE对地下水和空料生产酒精相对于玉米、小麦、甘蔗等更具有经济性气的污染,环境效益相当明显。实际上燃料乙醇发展“十木薯生长于亚热带地区,对中国南方农业的发展、提高五”规划中提出的“拉动农业、保护环境、替代能源”三农民收入都具有重要意义大战略已经逐步显现其作用。按照有关规划,中国生物本文引入生命周期理论呵( Life Cycle Assessment),燃料产业发展将分三个阶段:“十一五”实现技术产业化以广东地区木薯燃料乙醇生产为实例,依托广州中科天“十一五”实现产业规模化,2015年以后大发展。到“十元可再生能源公司的技术支持,对木薯燃料乙醇的全生一五”末期,中国燃料乙醇的年产能将由现在的刚刚超命周期进行了能耗分析。本文首先建立了木薯燃料乙醇过100万t达到500万t预计到2020年,中国生物燃料生命周期模型,综合考虑广东地区木薯种植水平、乙醇消费量将占到全部交通燃料的1%左右,建立起具有国转化技术和能源利用状况等实际条件,定量评价了木薯际竞争力的生物燃料产业。燃料乙醇的能源效率和其净能量产出,并针对不同工艺在燃料乙醇的发展过程中,也出现了一些问题。随进行了敏感性分析,进而提出改进方向,为木薯燃料乙着玉米逐步取代陈化粮成为燃料乙醇的主要原料,给粮醇的能量可持续性发展提供量化依据。收稿日期:20070915修订日期:200804151评价模型基金项目:广东省软科学研究项目(No2005B70101040,No2006870103016)作者简介:董丹丹(1982-),女,河南鹤壁人,研究方向为可再生能源生中国煤化工薯种植、木薯运输到命周期评价。广州市天河区五山能源路2号中科院广州能源研究所乙醇510640除草HCNMHG个过程消耗了化肥※通讯作者:赵黛青(1958-),江苏南京人,研究员,主要从事能源利用不、天然气、水等。本文技术研发与评价工作,广州市天河区五山能源路2号中科院广州能源研究对生命周期的三大过程的能耗进行了统计,包括原料生FT, 510640. Email: zhaoda@msgiecaccn产、原料运输和燃料转化。无水乙醇生产出来直接添加第7期董丹丹等:木薯燃料乙醇生产的技术提升及全生命周期能耗分析变性剂,以10%的体积分数与汽油混合就可以作为燃料使用。变性和使用阶段乙醇几乎不消耗能量,本文选取2评价方法的系统边界就到燃料转化为止21基本概念木薯燃料乙醇生命周期能耗分析评价指标包括净能阳能煤柴油、天然气(一化学品其他量En10( net energy)、隐性能耗Ei( indirect energy)显性能耗 Ed( direct energy)、过程总能耗 Er(total energy)净能源效率n、副产物替代能量Eb( byproduct energy)原料种植阶段能量产出Eo( energy output)、能源效率p,他们的具体种茎意义如表1所示燃料乙醇该论文能耗单位均为:k/kg或Mt,即产出单位质土壤耕种/播种/量的燃料乙醇,所产出或消耗的能量值。22数据收集[幽肥除]环境排放木薯燃料乙醇生命周期数据包括木薯种植阶段的化肥、农药、地膜等消耗的生产能耗数据,车辆运输阶段收获」醪处理的柴油消耗量,燃料转化阶段的工艺选择、流程耗电耗汽、流程所耗化学品等的相关能耗数据。数据来源由表2图1木薯燃料乙醇生命周期能耗分析图所示。这些数据一部分来自中国公开出版的文献资料,Fig 1 Life cycle framework of cassava-based fuel ethanol部分的自于广东地区的实际调研表1木葚燃料乙醇生命周期能效评价指标定义和意义Table 1 Index and its meaning of energy efficiency in cassava-based fuel ethanol life cycle平价指标指标定义过程总能耗B-∑E(1,2,3)生命周期三阶段消耗的化石能源总合能量产出Eo=26.778M/kg能量产出即燃料乙醇的热值作为产品的燃料乙醇所含的能量Eo去除生产过程中消耗的总能量B就净能量产出ErEo-Er为净能量产出,本文分计与不计副产物替代能量两种情况来讨论定义为燃料乙醇生命周期中以直接能源形式如电、柴油等消耗的能量显性能耗反映了木薯种植与燃料转化行业本身技术水平的能耗状定义为生命周期中消耗物资的生产能耗及设备生产分配到单位产品的能耗,它反映了相关行业现行技术的能耗水平单位化石能源消耗所产出的净能量能源效率PEoVE单位化石能源消耗所产出的能量丧2木喜燃料乙醇全生命周期的数据收集及其来源实际情况出发,考虑木薯的亩产量,可假定:木薯的收Table2 Data sources of cassava-based fuel ethanol production集半径选为10km,则木薯运输平均距离5km,中国2004生命周期阶段数据收集及其来源年交通运输企业主要经济指标显示,柴油货车的柴油肥料3文献、年鉴消耗强度为006L(t:km)农药习文献原料种植木薯燃料乙醇生命周期阶段的部分数据和能量的二农膜叫未考虑:灌溉水、劳动人力次消耗形式没有考虑在内,见表2。这主要基于以下3个因素的考虑8:①该数据对最终结果的影响小;②燃料地人可元化技冲太规使生产该数于化学试剂,硫酸等吗年鉴、文燃料生产在整个生命周期中占有极为重要的地位微生物制剂,淀粉酶等叼生产厂家调研燃料生产阶段杀菌剂,青霉素等文献燃料生产通过以下流程进行:原料首先经过清理、除杂,副产物产出,杂醇油等调研、文邮再进行粉碎,破坏植物细胞组织,便于淀粉的游离;经生产设备折旧工程实际蒸煮处理,并破坏细胞,使淀粉糊化,使其更好的接受未考虑:厂房建设、生产用水、生产人力液化姑化发酵性糖后,形成均本研究的生命周期评价的对象为广东中科天元新能的料发酵成熟后,再进行源科技有限公司设计的一项年产6万t的燃料乙醇工程实蒸馏CNMHG,就得到燃料乙醇例,该公司是一家经验丰富的乙醇生产工程公司。此外生产流程中不同阶段采用不同的工艺,见表3,它们所消笔者又对广东地区的木薯种植状况进行了调研,使得该耗的蒸汽、电等也大不相同,并对生命周期能耗产生相生命周期能效评价符合广东省实际情况。从广东地区的应的影响。农业工程学报2008年表3燃料乙醇生产阶段的不同生产工艺及其节能效果4Table 3 Different technologies of ethanol conversion and their energy consumptions产工段陈旧技术适宜推广的新技术及其节能效果在研技术蒸煮液糖化135℃高温蒸煮双降法85℃的低温蒸煮节能效果:节能20%以上,提高产品得率1%1生料发酵2挤压膨化3超细磨酵母发酵酒度为8%左右的稀醒发酵2度为10%以上的浓醪发酵节能效果:节能节水,提高设备利用率40%以上同步糖化发酵常压蒸馏差压蒸馏节能效果:节省蒸汽50%1热泵蒸馏2真空喷射装置乙二醇萃取分子筛法1应用热泵或差压技术2超临界和亚临界提取或环己烷共沸法节能效果:共节省蒸汽电力20%技术3滲透蒸发技术4加盐萃取技术废馨处理直排或先厌氧后好氧处理玉米:酒精废糟液生产全干燥蛋白饲料(DDs)结果与讨论能耗的具体数值采用表2所列陈旧技术和宜推广技术的能耗平均值。由图2可以看出:在燃料生产阶段蒸馏段3.1燃料生产阶段不同工艺的能耗比较消耗的能量最大,为生产能耗的43%;而废醪处理、原参考科技文献和燃料乙醇企业的生产实际,搜集料预处理、酵母发酵消耗最少,百分比分别为1%、2%、乙醇生产流程消耗的蒸汽、电力及化学物资消耗数据,2%;蒸煮液化段和脱水段的能量消耗量位居生产能耗的并追根溯源确定生产这些蒸汽、电力和化学物资所消耗第二、第三位,百分比分别为31%和21%。因此,燃料的能量:然后对流程的七个阶段的耗能进行加和就是图2生产阶段的节能重点依次为:蒸馏段、蒸煮液化段和脱的燃料生产阶段各部分能量消耗及其百分数比较。水段。废醪处理蒸煮液化酵母发原料预处理蒸煮液化酵母发酵蒸馏脱水废酵处理图2燃料生产阶段各部分能量消耗及其百分数比较Fig 2 Energy consumption and its percentage of every stage in ethanol conversion part由表3所示,燃料乙醇生产阶段可釆用新工艺的部蒸馏等工艺减少很多;在不计副产品能量产出替代时,分有蒸馏段、蒸煮液化段、脱水段和酵母发酵段。酵母旧工艺生产能耗为43.124MJ/kg,适宜推广工艺的生产能发酵段本身只耗用了生产阶段2的能量,它采用浓酵发耗为19.822MJkg可见未经技术革新的燃料乙醇生产企酵的节能效果在于提高了后续蒸馏、脱水段的酒精浓度,业能耗成本远远高于采用新技术的企业减少了废醪处理量,增加了设备的利用率。图3是对燃料生产阶段关键部分采用不同技术的能耗比较,由图325000■高温蒸煮可以看出,蒸馏阶段采用差压蒸馏比采用常压蒸馏能耗压蒸馏二醇法降低了1/2强,单位燃料生产节约约10M左右的能耗低温蒸煮采用差压蒸馏可以显著降低燃料生产阶段总能耗;蒸煮液化的低温蒸煮较高温蒸煮节能效果也很显著1;而,堂分子筛法10000分子筛脱水8和环己烷共沸脱水的耗能差别不大,采用前者的节能效果一般。这3个生产段都是因为显著的降低了蒸汽用量而取得了节能的效果中国煤化工图4是根据表3所列的陈旧工艺与适宜推广工艺的CNMHG耗分别计算所得的燃料生产阶段总能耗图。若采用低国秆生严阶段天键部分不同工艺能耗比较温蒸煮、浓醪发酵、差压蒸馏等节能效果显著的新工艺,Fig3 Energy consumption of key steps in ethanol conversion燃料生产阶段总能耗比采用高温蒸煮、稀醪发酵、常压art using different technologies董丹丹等:木薯燃料乙醇生产的技术提升及全生命周期能耗分析50000统的能耗如图6所示。在系统中,燃料生产阶段耗用的4500040000能量最多,其次是原料生产阶段,原料运输耗能最少。35000表4原料种植阶段的能量消耗Table 4 Energy consumption of raw material production耗用物能耗数值uJ·kg替代方案木薯种按不耗能计按不耗能计旧工艺生产总耗新工艺生产总耗磷肥5788.125农家肥替代,按不耗能计尿素18156351815635图4在不同生产工艺下的燃料生产阶段总能耗878900Fig 4 Total energy consumption of ethanol conversion in除草剂3921739217dififerent technologies杀虫剂34.118总计86150892826964燃料生产阶段不仅消耗了大量的蒸汽、电等能量形也消耗了一些化学试剂、微生物制剂,而这些产品的生产也会消耗能量。将生产流程各阶段消耗的能量以蒸汽、电形式出现的归为显性能耗,生产消耗掉的物资的能量归为隐性能耗,图5是燃料生产阶段各部分能量消耗的构成。预处理、蒸馏和废醪处理段除了设备生产折旧耗能,基本不消耗隐性能量,即这些阶段不消耗除蒸汽、电等的其他物质。蒸煮液化和酵母发酵段因为要加一定最的化学试剂调pH值、杀菌等,并需要活性干原料种植原料运输燃料生产酵母进行发酵,在这两个阶段隐性能耗有一定的比例,但是量很小。脱水段采用分子筛进行脱水,而分子筛的图6木薯燃料乙醇生命周期各阶段能量消耗生产耗用了大量的能量,为该部分总能耗的1/3。因此Fig 6 Life cycle energy consumption of cassava-based减少燃料生产的能耗,不仅要降低直接的能耗形式,也可以通过提高所需物质的生产能效或替换为更节能的物3.3木薯燃料乙醇生命周期系统净能量产出和系统能质来达到目的效9000通过对木薯燃料乙醇系统各部分的能耗计算,可得8000出系统的净能量产出和系统能效,如表5所示。可以看出,如果燃料生产阶段采用陈旧、能耗大的旧工艺,系统的净能量产出为负,燃料乙醇不仅没有发挥它的产能作用,反而加剧了能量短缺的趋势:采用新工艺的燃料生产使整个系统的能效达到178%,净能量为4048MJkg:如果对系统生成的副产物如沼气、杂醇油综合利用等进行能量替代分配,木薯燃料乙醇系统地净能量产出为10.108MJkg,系统能效为60.6%预处理蒸煮液化酵母发酵燕馏脱水废醪处理表5燃料生产工艺及副产物分配与否对木薯燃料乙醇生命周图5燃料生产阶段各部分显性能耗和隐性能耗比较期净能量和能效影响Fig5 Comparison of direct and indirect energy consumptionTable 5 Life cycle energy efficiency and net energy output offor different stage in ethanol conversion processassava-based fuel ethanol3.2木薯燃料乙醇生命周期能耗比较料生产采用旧工艺燃料生产采用新工艺新工艺下进行(未进行副产品分配)(未进行副产品分配)副产物分配由前所述,该系统生命周期共分为3个阶段:原料原料生产2.8272827种植、原料运输和燃料生产。原料种植阶段能耗如表4原料运输0080所示。磷是木薯生长过程中所需的一项重要营养元素国煤化工g2319823-6060但磷肥的生产能耗居高不下,占到了整个原料种植阶段能耗的67%若采用农家肥替代,既可以产生同样的增过程总YHanN MHG.73产效果,又显著降低了原料生产过程的能量消耗净能量产出Bn净能源效率丌178%在原料生产阶段磷肥采用农家肥供给,采用新技术能源效率p0.582进行燃料生产,不考虑副产物能量替代,则生命周期系164农业工程学报4结论[7 Shapouri H, Duffield A, Graboski S. Estimating the netenergy balance of com ethanol[R]. Washington DC: U.S.1)木薯燃料乙醇生产阶段的蒸馏、蒸煮液化和脱水Department of Agricuiture: 10-15部分能耗最高,蒸馏部分采用差压蒸馏可降低能耗1/2[8] Shapouri Hosein, Duffield James, Wang Michael. The 2001蒸煮液化采用低温蒸煮降低能耗1/3,脱水部分采用分子net energy balance of corn-ethanol. U. S. Department of筛法较环已烷共沸法节能效果微小;应用新工艺,该阶Agriculture(USDA), Office of the Chief Economist(OCE)[eB/ol].http://www.usda.gov/agency/oce/oepnu/net%段的总能耗可有显著降低,从43.124MJkg降至19.82420energy%20balance docMJ/kg。[9] Shapouri Hosein. Estimating the net energy value of2)在木薯燃料乙醇生产段采用新工艺,加强副产品m-ethano[]. Fuel and Energy Abstracts, 1998, 39(3)的开发利用,可以有效增加木薯燃料乙醇系统的净能量产出,提高系统的能耗效率4289[10] David Lorenz, David Morris. How much energy does it taketo make a gallon of ethanol[R]. Washington, DC: Institute for3)在原有生产工艺下,系统地能源效率为0582Locak Self Reliance, 1995: 1-5采用改进工艺而不进行副产物分配的情况下,能源效率[](《中国交通年鉴》编辑部.中国交通年鉴2002Z].北京达到了1.178;同时采用新工艺并对副产物回收利用,能中国交通年鉴社,2007:129-131.源效率为1.606[12]Kim S, Dale B E. Allocation procedure in ethanol production4)肥效不变的前提下,用农家肥替代化肥可有效减ystem from corn grain[]. Intemational Journal of Life Cycle少原料种植阶段的能量消耗,提高系统的能效。Assessment,2002,7(4):237-243.5)在木薯燃料乙醇生命周期中,燃料生产段能耗最13万若相坐本馨栽培技术门农村实用技术,20,(12原料生产段次之,原料运输能耗最少[14]董丹丹,赵黛青,廖翟萍,等.生物基燃料乙醇生产工艺的能耗分析与节能技术综述[化工进展,2007,26(11)[参考文献]1596-1602[1燃料乙醇替代汽油发展迅速门中国设备工程,2006():(15贾树彪,李盛贤,等,新编酒精工艺学M,北京:化学60工业出版社,2004,17-382]钱伯章,燃料乙醇的发展现状和趋势冂节能与环保,[1林善民,酒精行业节能降耗的重大技术措施:差压蒸馏2006,(6):16-19福建糖业,1992,(2):49-51.3]中国环保网,燃料乙醇“十一五”发展规划即将公布[17李洪刚,木薯低温蒸煮酒精发酵工艺条件的几点看法[EB/OL].南方日报,htp:/www.chinaenvironment.com[J山东食品发酵,1990,(1):3-5hbgg20060920/29097html,2006,9[18]曹福禄.分子筛法无水酒精生产工艺探讨门酿酒科技,[4]黄诗铿.中国粮食供求态势与燃料乙醇原料选择[.中国食物与营养,2006,(4):36-38[9华南工学院无锡轻工业学院,天津轻工业学院,大连轻[5]陈立胜,潘瑞坚.木薯酒精产业的社会效益和经济效益分工业学院编著.酒精与白酒工艺学[M,轻工业出版社,析门,广西轻工业,2007,23(1):24-251989:10-11[6] Vigon B W, Tolle D A, Comaby B W, et al. Life cyclessessment: inventory guidelines and principles M][20]戴杜,刘荣厚,浦耿强,等.中国生物质燃料乙醇项目能量生产效率评估门农业工程学报,2005,21(1)};121Cincinnati: EPA Press, 1993: 87-93123Energy consumption analysis in life cycle of cassava fuel ethanolproduction and the advantages of the new technology in energyconsumptionDong Dandan', Zhao Daiqing, Liao Cuiping, Chen Xiansheng Lin Lin'(. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. Guangdong Zhongke Tianyuan Regenerative Resources Engineering Co, Lid, Guangzhou 510640, China)Abstract: Fuel ethanol becomes one of the most important liquid fuel as the substitute of fossil fuel. Cassava fuel ethanolproduction is concerned, because cassava is not food materials. Incassava-based fuel ethanol was established; Energy consumption of the中国煤化工 Iculated, Difftechnologies were discussed in the stages of ethanol conversion and thCN MH Analyzed to find out thebest technical route for the producers based on the statistics. The results snow that adopting new technologies, enhancingdevelopment of byproduct and employing livestock manures instead of chemical fertilizers can greatly improve the energyefficiency of the systemKey words: cassava-based fuel ethanol; life cycle; ethanol conversion stage; energy efficiency