我国燃料乙醇生产技术现状与发展前景分析

化工科技,2012,20(5):68~72综述专论science & TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY我国燃料乙醇生产技术现状与发展前景分析刘海军1,李琳,白殿国,于德华3,徐友海',金刚,高玉玲,赵文雨(1.中国石油吉林石化公司研究院吉林吉林132021;2.吉林燃料乙醇有限公司吉林吉林132101;3.中国石油吉林石化公司有机合成厂,吉林吉林132021;4.中国石油吉林石化公司电子商务部吉林吉林132021)摘要:资源和能源是人类社会生存和发展的永恒需求,当前用以支撑全球经济发展的石油资源及能源供应正面临严峻挑战。燃料乙醇作为新的可再生的燃料替代品,可直接用作液体燃料或者同汽油混合使用,减少对不可再生能源——石油的依赖,保障本国的能源安全而日益受到各国的重视。作者介绍了国内外燃料乙醇生产技术概况与研究发展现状,分析了我国发展非粮燃料乙醇的必要性及存在的技术关键和发展前景。指出从长远来看,生产纤维质原料燃料乙醇是燃料乙醇发展的根本出路。关键词:燃料乙醇;淀粉质原料;木质纤维素;生物精炼中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1008-0511(2012)05006805能源,是人类生产与生活的动力本源。自进了很多问题和挑战。作者从国内外燃料乙醇生产入工业文明时代以来,能源日益成为人类经济社技术研发现状出发,分析了我国发展非粮燃料乙会存在和发展的必不可少的物质基础我国已把醇的必要性及存在的技术关键和发展前景指出能源产业置于发展国民经济的战略地位。然发展纤维质原料燃料乙醇将是解决燃料乙醇发展而,随着人类无节制地巨量消耗化石能源,导致一的根本出路系列问题的产生,诸如气候变化、环境污染及生态破坏等,直接威胁着人类社会经济的可持续发展。我国燃料乙醇生产技术概况人们逐步认识到,化石能源在给人类带来无可比目前,世界燃料乙醇生产技术按原料可分为拟的物质财富和社会进步的同时,也给经济发展、3类。(1)以玉米、小麦等为原料的淀粉类技术;社会进步、生态环境带来严重的负面效应和沉重(2)以甘蔗、甜菜等为原料的糖蜜类技术;(3)以负担。人类开始反思和纠正自身不科学利用能源农、林废弃物等为原料的纤维素类技术。前2的行为,并开始探索、开发自然界的第四大能种技术已十分成熟美国的玉米乙醇2010年产能源——可再生能源。为4355万t,由于原料与技术上的优势,生产成绿色植物经光合作用合成的生物质是地球上本相对较低。巴西的甘蔗乙醇生产效率最高成贮量丰富的可再生资源同时也是替代石油资源本最具竞争优势,20年产能达到2000t以的良好选择。基于生物质资源生产的燃料乙上。而纤维素燃料乙醇目前还处于研究开发阶醇,可以直接与成品油配混使用,并可以直接作为段,尚未实现产业化。发动机燃料,且不增加环境温室气体总量。在石中国的玉米乙醇虽已进入规模化生产,但我油资源日益枯竭的背景下,燃料乙醇这一可再生国现阶段粮食类淀粉质原料生产燃料乙醇的生产清洁能源产业得到了前所未有的发展,但也带来成本仍很高,美国乙醇生产成本在5500元/t左右,而国内乙醇生产成本高达7000多元/t(以玉作煮简介:刘海军(1967),男,吉林市人中国石油吉林石米为原料,2010年·阡以心缅依靠国家的财政补收稿日期:2012-06-07化公司研究院高级工程师,博要研究方向为微生物菌种诱变与筛选生物催化与转化,现从事燃料乙醇领域0帖,才能维中国煤化工运行。2010研发工作。CNMHG年,国内5平已專疋烂王:吉林燃料乙第5期刘海军,等我国燃料乙醇生产技术现状与发展前景分析·69·醇有限公司、河南天冠燃料乙醇有限公司、安徽丰其列入长期发展战略中6。原生化股份有限公司、中粮生化能源(肇东)有限目前,许多企业和研究机构开始探索非粮燃公司、广西中粮生物质能源有限公司燃料乙醇总料乙醇的生产途径。加拿大 logen公司在纤维乙产量为186.9万t(2011年全国酒精协会年会数醇技术开发,尤其是纤维素酶技术开发方面居世据),国家均给予了一定额度的财政补贴。中国不界领先地位,荷兰的皇家壳牌公司( Royal Dutch仅在燃料乙醇生产技术上与国外有较大差距,在She)是其主要战略合作者。除此之外,美国燃料乙醇使用技术上如灵活燃料的研发、副产品(DDCE、NREL、 Muscel、 Shoals、 Alabama、Cosk的综合利用技术等方面也落后于国外ata、 Lanza tech)、瑞典( Etek etanolteknik AB)、从世界范围来看燃料乙醇生产原料中60%法国( Houston)、芬兰( Chempolis)、奥地利为甘蔗或甜菜,33%为玉米。而我国地少人多,生(linz)意大利( Chemtex)丹麦( Dong energy)产燃料乙醇所需粮食和经济作物原料有很大的局和日本(TSK, Tokyo)等公司均已建立了中试生限性,主要以玉米、小麦淀粉为生产原料。目前,产线。美国通用汽车公司(GE)德国大众公司我国燃料乙醇生产以玉米为原料占总原料的( Volkswagen)和日本丰田公司( Toyota)也正在78%,原料结构单一。近年来,高产的能源作物作筹建纤维素乙醇装置。按照原料预处理方法的不为现代生物质能资源己引起广泛关注。根据中国同,目前纤维素乙醇中试生产工艺主要有以下土地资源和农业生产的特点,应合理选育和科学3种。种植能源植物,如甘蔗、木薯、甘薯、马铃薯、甜高(1)蒸汽爆破工艺粱等,并大力发展非粮原料生物质能资源,为燃料蒸汽爆破是将纤维素材料在高温高压下维持乙醇生产提供可靠的原料保障4。目前,非粮原段时间,随后突然释放压力的一种处理方式,在料主要集中在淀粉类糖类、纤维质等原料。处理过程中可以加入一定量的硫酸、氨水及其它淀粉类原料主要包括木薯、甘薯、马铃薯、菊化学品,从而加强预处理的效果。采用此类工艺芋等薯类作物。该类作物作为生产燃料乙醇的替的主要有加拿大 logen、美国杜邦与丹麦丹尼斯代原料已引起世人的关注。此类作物的最大特点科公司合作的DDCE公司等为耐瘠薄、单位面积产量高、淀粉含量高。内蒙(2)稀酸及水热处理工艺古、新疆、黑龙江是马铃薯的主要生产基地,可重稀酸处理工艺是采用低浓度的硫酸、盐酸、磷点发展以马铃薯为原料的燃料乙醇,逐步代替玉酸等无机酸及甲酸、乙酸等有机酸,在高温条件下米燃料乙醇。西南、长(珠)江中下游地区由于其处理一定时间,从而可以增加纤维素水解效率。独特的气候,是种植木薯、甘薯的首选地区。近年具有代表性的主要有芬兰科伯利公司 Chempo来,中国木薯、甘薯的主产区,已逐步建成以木薯、lis)、意大利康泰斯( Chemtex)、丹麦( Dong ener甘薯为原料的燃料乙醇试生产厂。以菊芋为原料gy)公司等。生产燃料乙醇仍处于实验研究阶段。芋头、葛根、(3)气化发酵工艺耶路撒冷菜蓟等淀粉类原料正逐渐引起世人的重气化发酵工艺是将纤维素材料在高温气化炉视中进行气化,生成含有CO、CO2、H2、CH4、水蒸2国内外非粮燃料乙醇技术研发状况分析气及含量较低杂质的合成气,将合成气经过处理后通入特定的发酵设备中,经过发酵将CO和H2鉴于粮食安全问题,玉米、小麦等粮食类燃料转化为乙醇。新西兰的郎泽公司 Lanza tech)及乙醇仅仅是新能源产业发展的开端,目前广受“追美国的 CosKata公司采用此类工艺建成了合成捧”的薯类、甜高粱等非粮作物也仅仅是阶段性的气生产乙醇的中试装置。选择,而以木质纤维素为原料的第二代生物燃料中国纤维质资源丰富秸秆年总量约7亿ta,乙醇才是未来大规模替代石油的关键。由于纤维林木废弃′中国煤化工秸秆以及林素制燃料乙醇具有长远的战略意义,各国纷纷将业加工废弃CNMH数量很大但化工科技第20卷其实分布零散,当实际应用于工业生产时,此类原将达到3500万t,国内粮食生产与粮食需求之间料的供应、收集、贮存和运输都存在一定的问题,的矛盾已日益突出。会直接影响到燃料乙醇的生产成本。另外受制于随着全球石油需求的不断增加,油价飙升,中纤维质原料预处理技术、纤维素酶生产技术、乙醇国石油的对外依存度也不断加大。自1993年起发酵菌株等一系列关键技术的制约,使得以纤维中国已成为石油净进口国,2010年石油消费量达质原料生产燃料乙醇一直未能产业化。4.23亿t国内供应量仅为1.87亿t,对外依存度纤维素乙醇作为未来的发展方向,是中国生高达55.8%。面对越来越严峻的能源问题,燃物质能源的最终解决方案之一。在国家“863计料乙醇成为目前最热门的替代能源。使用燃料乙划”、国家自然科学基金以及大型乙醇生产企业的醇可以减少对石油的依赖,形成多元化的能源支资助下,清华大学、山东大学、华东理工大学、大连撑体系,满足多方面的能源需求;燃料乙醇相关产理工大学河南农业大学、中国科学院工程所、浙业和技术开发的同时会带动能源科技的发展,对江大学等单位在利用纤维质原料生产燃料乙醇领维护国家能源安全和实现能源的可持续利用具有域已进行了许多研究,取得了一批阶段性成果。重要意义我国有关秸秆生产乙醇的科研报道较多,但能够此外,乙醇燃料能够干净地燃烧,使用车用乙形成中试生产线的较少。目前,能形成生产线的醇汽油可以使汽车尾气污染水平平均降低30%有:河南农业大学的玉米秸秆生产燃料乙醇的工以上。并且,乙醇对于石油中污染地下水并可能艺已在河南天冠集团进行了中试,天冠集团在致癌的甲基叔丁基醚(MTBE)是一个良好的替代2006年9月底进行了年产3000t纤维乙醇示范品,而不需要对现有车辆进行改造。因此,乙醇燃装置的奠基,2009年建成投产了我国首条万吨级料的推广使用能够大大改善大气质量和生态环秸秆乙醇生产线;吉林燃料乙醇有限公司已和华境,缓解经济高速发展所带来的人与环境的矛东理工大学就建立年产3000t纤维乙醇的合作盾。达成协议,并启动了项目实施;中国科学院过程工目前的燃料乙醇生产主要是以谷物为原料,程所已在山东建立了年产3000t的纤维乙醇示玉米燃料乙醇在很多国家已经成为重要的能源供范工程;中粮集团在清华大学的技术支持下已经应来源,“十五”期间中国也建设了多个以玉米为在黑龙江肇东投资建设了一个年产500t的实验原料的燃料乙醇生产项目,占燃料酒精生产的装置,并且已经投入生产。但目前整体工艺水平78%。但是随着世界粮食供应紧张,乙醇生产不与国外技术有一定的距离,乙醇成本高达8000得不转向以非粮食作物作为原料的发展方向,中元/t以上。国从2007年开始,为稳定粮价和生产,不得不叫3我国发展非粮燃料乙醇的重要意义停以玉米为原料的燃料乙醇项目,鼓励以“不与人争粮、不与粮争地”的非粮食原料(包括甘蔗、木“十五”期间,为了消化陈化粮,从2000年起薯、甜高粱、秸秆)等生产乙醇及下游产品。未来中国正式启动了燃料乙醇的生产与试用工作。生中国燃料乙醇发展更多的应是依靠非粮食原料。产企业主要以玉米、小麦等陈化粮为生产原料,年中国有大量未利用土地,根据全国土地资源调查生产能力在170万t左右。现今陈化粮已消耗殆办公室统计,中国有荒草地4927万hm2、盐碱地尽,燃料乙醇年需求却增长至500万t,燃料乙醇1020万hm2,总量占耕地面积的一半。利用这些生产企业的原料供应已经开始出现缺口。与此相土地种植耐干旱、耐贫瘠,且适种范围广的薯类、映的是,由于近年来中国人口与城镇发展、道路与甜高粱等作物发展非粮燃料乙醇,潜力巨大。厂矿建设,灾毁耕地以及生态建设的退耕等多方非粮燃料乙醇作物除了单位土地面积产量面原因,造成1997~2010年中国的耕地面积整体高、生产成本中国煤化农业本身的呈持续减少。而2000~2010年中国粮食年总需发展空间CNMHG农村剩余劳求量均高于年总产量,预计2011年后粮食缺口量动力等方面也天出思又。循测算,建设10刘海军,等我国燃料乙醇生产技术现状与发前景分析·71万t/a的木薯制取燃料乙醇项目,每年需加工消价值也许是促使纤维素乙醇产业化的重要途径。耗70多万t鲜木薯或28万t干木薯片,可带动十尽管木质纤维素原料本身非常廉价,但是将其多万户农民增产增收。同时,还可为社会提供一转化成乙醇的工艺过程非常复杂,需要大量的能耗定数目的就业岗位这主要是由木质纤维素自身的结构特性决定的,而经济分析显示,中国发展纤维素乙醇有更大得到的目标产物是经济附加值并不很高的乙醇致的优势。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资使单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势。源,也是当前利用率最低的资源,是各国新资源战而生物精炼和乙醇联产模式就打破了原来由生物质略的重点。中国可利用的木质纤维素约7亿t/a,生产单一产品的观念,实现原料充分利用和产品价这些丰富而廉价的自然资源主要来源于农林业废值最大化,就是所谓的“吃干榨净”,正如目前的利用弃物、工业废弃物和城市废弃物。所以,纤维素乙粮食生产乙醇一样。例如,利用玉米同时生产燃料醇是未来发展的必然方向乙醇、玉米油蛋白粉、高果糖浆、蛋白饲料和其它系4影响纤维素燃料乙醇产业化的关键技术列产品,这样提升了整个工艺产品的经济附加值,同时取得良好的经济效益和社会效益。同样利用木质近年来国内外对利用木质纤维转化乙醇进行纤维素的三大类组分也可以衍生出多种产品。例了大量的研究,工艺路线已经打通但当前要想实现如:目前,大多的木糖醇厂主要是利用玉米芯中的半工业化生产,在原料收集、预处理、糖化、发酵和精馏纤维素生产木糖醇结果剩下大量的木糖渣(主要是各工艺过程中还存在着制约纤维素乙醇生产技术难纤维素和木质素),如果进行联产模式,将剩下的纤点,主要表现为以下4个方面维素与木质素进行组分分离,分别生产纤维乙醇和(1)原料的收集与储运体系尚未建立。木质纤优质燃料或木质素磺酸盐就有可能进一步提升产维素原料分散,季节性强,尤其是农作物秸秆因此,品的综合效益。其收集与储运技术是原料保障的关键。综上所述,中国应该利用纤维素乙醇作为主要(2)木质纤维素预处理技术有待进一步优化和的生物能源,加快以纤维素乙醇为核心的非粮燃料提高。由于天然纤维素原料的结构复杂使得其纤乙醇综合技术开发,尽早实现其产业化发展的目标。维素、半纤维素和木质素三者不能有效分离;另外伴相信经过“十二五”期间,中国在利用农林废弃物制随产生一些中间副产物,实验表明这些物质抑制酵取燃料乙醇方面,必将取得更大的进展为缓解液体母的生长和代谢,最终影响乙醇产率。燃料短缺促进环境保护和社会可持续发展等方面(3)缺乏高效的纤维酶菌株。现有的纤维素酶发挥重要作用制剂效果较低,使得酶解糖化经济成本较高,当前生产1t纤维乙醇需要酶制剂成本约3000元。6结束语(4)缺乏能够同时高效利用戊糖和己糖的发酵利用纤维质原料生产燃料乙醇工艺的研究和开菌株。在木质纤维水解中,其中有相当比重的木糖发,是目前世界各国寄予厚望的重点。如何建立经[m(葡萄糖):m(木糖)≈2:1]。因此,戊糖的利用济合理的原料收储体系、开发高效廉价的纤维质原是影响纤维乙醇综合成本的关键一项。料预处理技术、选育诱变产高酶活的纤维素酶生产5我国未来纤维素乙醇产业化发展前景菌株、构筑能同时发酵五碳糖和六碳糖的基因工程菌株以及实现浓醪发酵等是降低纤维乙醇成本的关目前,国外纤维素乙醇产业化的研究已经成为键。从长远来看纤维质原料燃料乙醇生产将是燃了热潮,正步入一个关键时期,中国在这方面也有良料乙醇发展的根本出路。好的基础。为了使纤维素乙醇尽早地实现产业化,[参考文献]除了以上几项关键技术进一步解决好外,还应当借(1丁声俊].粮食与食品工鉴石油化工的经验,坚持走生物精炼和乙醇联产的模式,尽可能地最大提升和拓展底物各组分的经济[2]1inWeH业,2010,72化工科技第20卷neering evaluation of ethanol production from wood through bio-[7田春荣2010年中国石油进出口状况分析[国际石油经济,processing and chemical catalysis [J]. Biomass and Bioenergy011,3:15~25.[8陈茜,黄晨倩陈莺中国非粮燃料乙醇产业发展分析与政策3]张敏华,吕惠生我国非粮燃料乙醇生产技术进展[]酿酒科建议[世界农业,2008,9(353):33~36.技,2008,9(171):91-95[9]冯丽敏.玉米秸秆制取燃料乙醇的研究进展[J农业科技与装4]柳羽丰,王滨生,王佳祥.非粮燃料乙醇发展综述[化学工程备,2010,1:29~31.师,2009,(07):53~5[10]张迪,丁长河,李里特,等.玉米秸秆生产燃料乙醇技术[]酿[5]袁文杰克鲁维酵母同步糖化发酵菊芋生产乙醇的研究[DL大酒,200633(5):56~58.连:大连理工大学,2009[11]袁振宏罗文吕鹏梅等.生物质能产业现状及发展前景[[6]张百良任天保,王许涛纤维素乙醇的研究现状及其发展趋势化工进展,2009,10(28):1687~16U新能源产业,2007,(4):12~1Analysis on the present situation of production technology anddevelopment prospect of fuel ethanol in ChinaLIU Hai-jun', LI Lin', BAI Dianguo, YU De-huaXU Your hai,JIN Gang, GAO Yu-ling, ZHAO Werry(1. Research Institute of Jilin Petrochemical Co Ltd., PetroChina, Jilin 132021, China; 2. Jilin Fuel ethanol Co. Ltd.,Jilin 132101, China; 3. Organic Synthesis Plant of Jilin Petrochemical Co. ltd., Petro China, ilin132021, China; 4. Electronic Business Department of jilin Petrochemical Co. Ltd, PetroChina, Jilin 132021chinaAbstract: Natural resources and energy are the eternal demand of survival and development for human society. Inpresent, petroleum and energy supply for supporting global economic development are confronting with the severechallenge. As a new renewable fuel substitute, fuel ethanol is increasingly valued by all countries, because it can bdirectly used for liquid fuel or mixed with gasoline, reduce to dependence on oil of nonrenewable energy and en-sure native energy security. In this paper, the present situation of production technology and research developmentof fuel ethanol at home and abroad were introduced, and the necessity to develop nonfood fuel ethanol and the keytechnology and development prospects of our country were analyzed. Finally, it was pointed out that fuel ethanolproduction with lignocellulosic biomass is the fundamental way to solve nonfood fuel ethanol development in thelong run.Key words: Fuel ethanol; Starchy stock; Lignocellulosic biomass; Biorefinery中国煤化工CNMHG