(下)我国燃料乙醇生产技术的现状与展望

2007-10-26

    2.1.3.2  离心清液回配量偏低

    美国企业可以实现50%以上甚至100%酒糟清液的回用,而我国中粮生化能源(肇东)有限公司回配量仅达到30%。吉林燃料乙醇公司开始则没有回配工序,将离心清液白白蒸发掉,既浪费了能源、资源,又污染了环境,后来生产中又补加“循环回配”这道工序。其他两个燃料乙醇厂的回配量也仅在25%-30%之间。

    2.1.3.3  DDGS产品的质量

    美国DDGS产品是重要的牛饲料组分,其经济效益较好,冲抵后可以使燃料乙醇的每升生产成本降低0.1美元。而国内DDGS产品的质量则是燃料乙醇厂面临的一个难题。由于国内装置离心清液回配量偏低,导致蒸发浓缩混入酒糟做饲料的清液部分——糖浆量增加,引起DDGS产品颜色变深,影响其外观及价格。如果提高回配比例,虽然可以使加入饲料部分的糖浆量减少,降低能耗,使DDGS产品颜色变浅,符合质量要求。但是回配量增加会引起活细菌的污染和发酵醪液黏度增加等不利因素,导致发酵指标降低,产酒率下降,对发酵过程带来破坏性影响。这是一个系统的技术提升问题,美国企业的装置中这些问题都是不存在的。

    2.2  非粮燃料乙醇生产技术水平

    目前真正实现大规模工业化生产非粮燃料乙醇的原料有甘蔗、红薯、木薯。甜高梁、秸秆纤维素乙醇大都处于中试研究阶段。

    2.2.1  甘蔗燃料乙醇生产技术水平

    在非粮燃料乙醇生产技术中,巴西的甘蔗燃料乙醇技术已实现了商业化,乙醇成本仅为每升0.2美元左右。目前巴西的乙醇厂采用间接发酵和连续发酵两种工艺,酵母均被分离出继续回用。其成熟醪乙醇浓度可达8%-11%,乙醇得率为92%-93%,发酵时间缩短至6-10h,导致酵母一天可回用3次,并且连续运行200天。其能量输出输入比平均为8,最佳值为10。

    我国南方甘蔗资源丰富,但由于我国人口众多,蔗糖需求量大,企业直接生产蔗糖利润高于生产燃料乙醇,所以国内甘蔗燃料乙醇技术始终没有得到发展。

    2.2.2  木薯/红薯燃料乙醇生产技术水平

    木薯/红薯生产燃料乙醇除了前期预处理阶段与玉米燃料乙醇不同外,其他工序都可以借鉴。木薯/红薯的DDGS营养价值低,通常都用于做沼气或者肥料,并且木薯/红薯淀粉加工工艺耗水量大,后期的污水处理难度加大。

    国内木薯燃料乙醇大规模生产以中粮广西项目(每年20万吨)的技术最具有代表性,它技术起点高,汲取了近些年来各厂技术改造的成果。其工艺特点:原料预处理采用干法风送二级粉碎、湿法泵送、粉浆回流拌料工艺;生产中采用双酶法中温喷射液化、无糖化大罐浓醪间歇发酵、多塔多耦合差压精馏和分子筛变压脱水等工艺;酒精糟液的综合利用则采用国际先进的IC反应器处理废水,副产沼气回锅炉燃烧,进行热电联产,实现清洁生产和产业可持续发展。以上先进工艺的采用使木薯燃料乙醇生产的能耗、水耗、物耗及污水排放等指标都接近或达到国际先进水平。以乙醇纯度99.5%为标准,按木薯干淀粉含量67%的标粮计算,原料消耗低于3.05t;耗新鲜水低于12.7t;木薯燃料乙醇能耗折标煤低于500kg;蒸气消耗降至1.8t/t乙醇;废水达到国家排放标准,具备推广的价值。

    2.2.3  甜高梁燃料乙醇生产技术水平

    甜高梁与甘蔗类似,都可以榨取糖汁发酵生产乙醇。由于巴西甘蔗燃料乙醇技术成熟且先进,使国外对甜高梁燃料乙醇研究较少;国内最近几年由于燃料乙醇工业的兴起,企业在甜高梁燃料乙醇的研究方面也投入不少精力,但多处于中试阶段。甜高粱燃料乙醇生产的最大问题是保持甜高梁糖分的贮存技术。2006年中粮集团在内蒙古五原县及山东阳信县分别进行了甜高粱种植及贮存试验,平均亩产5t(包括茎、叶),锤度16左右。与广西轻工业科学研究院合作进行了甜高粱榨汁液态发酵中试试验,采用类似甘蔗糖蜜发酵生产乙醇工艺,榨汁发酵24-40h后,成熟醪液乙醇含量达12%(v/v),其中可发酵糖利用率超过95%。

    在黑龙江省桦川县桦川四益公司建设了年产5000t乙醇能力的甜高粱茎秆固体发酵工业化生产示范工程。中粮集团、清华大学和内蒙古五原县政府合作也进行了固态发酵燃料乙醇试验,缩短固态发酵时间至44h,可发酵糖利用率超过90%。

    2.2.4  纤维素燃料乙醇生产技术水平

    用秸秆纤维素生产乙醇是一个备受国内外关注的研究,目前世界上还没有实现工业化生产。美国国家可再生能源实验室(NREL)在纤维素生产乙醇技术研究方面走在世界的前列。它采用稀酸处理已粉碎的玉米秸秆,其玉米秸秆单耗为3.75t/t乙醇,水耗为7.2t/t乙醇,蒸气消耗为4.8t/t乙醇,总能耗为750.4kg标煤/t乙醇。同时美国为了在2012年实现纤维素乙醇在价格上与汽油具有竞争力,并且10年内减少20%的汽油消耗的目标,2007年2月美国能源部(DOE)宣称在未来4年中将斥资3.85亿美元,新建6个燃料乙醇精炼厂发展以纤维素为原料生产燃料乙醇的商业化技术,预计所有装置全荷生产时,纤维素乙醇产量将达到1.3亿加仑。具体工艺技术及投资情况如表2所示。

    表2  美国能源部纤维素乙醇装置的商业投资部署

    Table 2 The US Department of Energy(DOE) cellulose to ethanol plant commercial development awards

awardee

Process utilized

40% capital commitment

Abengoa Bioenergy

thermochemical & enzymatic(700 ton feedstock per day)

$76-million

ALICO,Inc.of LaBelle,Florida

thermochemical/fermentation(770 ton feedstock per day)

$33-million

BlueFire Ethanol,Inc. of Irvine,California

concentrated acid hydrolysis(700 ton feedstock per day)

$40-million

Broin Companies of Sioux Falls,South Dakota

enzymatic(842 ton feedstock per day)

$80-million

Iogen Biorefinery Partners,LLC,of Arlington,Virginia

enzymatic(700 ton feedstock per day)

$80-million

Range Fuels of Broomfield,Colorado

thermochemical(1200 ton feedstock perday)

$76-million

    续表2

awardee

Ethanol production(million gal/a)

$award/gallons

Abengoa Bioenergy

11.4

6.67

ALICO,Inc.of LaBelle,Florida

7

4.71

BlueFire Ethanol,Inc. of Irvine,California

19

2.11

Broin Companies of Sioux Falls,South Dakota

31.3

2.56

Iogen Biorefinery Partners,LLC,of Arlington,Virginia

18

4.44

Range Fuels of Broomfield,Colorado

40

1.90

    从表中可以看出美国政府在纤维素乙醇方面投资及补贴是巨大的,而工艺路线研究主要集中在热化学分解、酶解及浓酸水解3个方面,该项计划将极大地促进纤维素燃料乙醇生产工艺及技术的发展。

    国内中粮集团在这方面也做了大量的工作,中粮集团500t/年纤维素乙醇试验装置采用纤维素酶解技术,于2006年11月22日一次投料试车成功,吨乙醇消耗7吨玉米秸秆,纤维素酶解转化率达到92%,成熟醪酒分为5%,纤维素出酒率为37.7%,蒸气消耗7t/t乙醇,总能耗折标煤1010kg/t乙醇,实验结果显示各项技术指标均达到预期的先进水平。该装置在世界上首次采用连续汽爆技术用于纤维素产乙醇,其中酶制剂由中粮集团与丹麦诺维信公司合作。下一步中粮集团将在进一步优化和完善中试基础上,抓紧开展万吨级示范装置工艺包设计,为纤维素制乙醇产业示范奠定基础。

    3  燃料乙醇生产技术的未来发展方向

    燃料乙醇目前的价格比汽油贵约1000元/t,且传统酒精生产方法环境污染严重。因此如何采用新技术提高化工单元生产效率,降低能耗,降低生产成本,同时减少对环境的污染,是企业迫在眉睫的问题。而国家限制玉米燃料乙醇,大力提倡非粮燃料乙醇,因此寻找廉价原料,研究新的生产工艺成为未来燃料乙醇产业发展的核心动力。在非粮原料中,木薯/红薯、甜高梁都是过渡性的替代原料,最终纤维素乙醇则是未来的发展方向。

    3.1  改进原有技术,减少污染,降低生产成本

    国内玉米燃料乙醇生产成本随玉米原料的价格变化而波动,目前约为美国燃料乙醇成本的1.5-2.0倍,这可归因于美国玉米种植技术及燃料乙醇生产技术水平的提高引起的生产成本降低。结合国外技术进步的历程,国内玉米燃料乙醇生产技术改进的重点任务是:(1)同步糖化浓醪发酵技术;(2)无蒸煮生料发酵工艺;(3)研究耐高温、高渗、高乙醇浓度的酵母菌椒提高发酵浓度、温度和速度;(4)醇水膜分离技术的研究;(5)离心清液回配技术;(6)高附加值产品生产技术。

    尽管木薯乙醇生产取得了长足进展和积累了丰富经验,但要进一步降低成本除了类似上述玉米燃料乙醇生产技术改进外,仍有不少重大科研问题,包括:(1)稳定、高产的木薯品种和种植技术;(2)薯类乙醇污水处理及废渣的高值化利用的问题等。

    3.2  寻找廉价原料,研究新的生产工艺

    从未来趋势看,发展燃料乙醇要从粮食为主的原料路线向非粮转变,即重点开发利用“不与人争粮、不与粮争地”,且经济性较好的薯类、甜高梁及纤维素等资源,形成非粮为主的原料结构。针对非粮原料燃料乙醇亟需解决以下问题:

    甜高梁燃料乙醇工艺应注重解决:(1)稳定、高产的甜高梁秸秆品种和种植技术;(2)保持甜高梁秸秆糖分的贮存技术,以缓解农业生产的季节性和工业化生产的连续性之间的矛盾;(3)固体发酵中的高产菌种和高效发酵反应器。

    开展纤维素乙醇的研究可以缓解粮食和能源紧张,根本解决燃料乙醇的生产原料问题。纤维素乙醇可减少70%-90%温室气体排放,显著改善环境,是燃料乙醇产业的未来发展方向。但用纤维素生产乙醇是一个世界性的难题,最主要的问题是生产成本远远高于玉米燃料乙醇。它在(1)清洁高效的原材料预处理技术,(2)纤维降解酶系成本高效生产技术,(3)发酵过程优化,(4)半纤维素降解糖的合理利用和木质素高值化利用等方面都有待于进一步的技术突破,预计其真正实现商业化,即使在美国也至少需要3-5年的时间。

    4  结束语

    综上所述,燃料乙醇的应用可以带来巨大的经济、环境和社会效应。随着现代生物技术与工程技术的不断发展,高产菌株的获取越来越简单,发酵工艺也得到不断改进,诸如纤维素乙醇生产成本高、粮食乙醇出酒率低、薯类乙醇污染大成本高等目前存在的问题都将逐步解决,这些都为燃料乙醇的大规模生产提供了技术保证。今后燃料乙醇的研究领域和应用范围将会不断扩展,其在可再生燃料市场中将占主要地位。

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