玉米基燃料乙醇的綜合效益分析

鈕勁濤，陶 梅，金寶丹

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展帶動(dòng)了能源需求量的日益增加，目前能源緊缺已成為全球性問(wèn)題。為緩解能源緊張，人類對(duì)開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能源寄與厚望。在各生物質(zhì)能源中，燃料乙醇是其中的一個(gè)重要方向。中國(guó)作為目前世界第二大能源消費(fèi)國(guó)和最大的農(nóng)業(yè)國(guó)，發(fā)展燃料乙醇對(duì)緩解中國(guó)石油短缺具有更加重要的意義。中國(guó)于2001年啟動(dòng)“十五酒精能源計(jì)劃”，并要求在汽車運(yùn)輸行業(yè)中推廣使用燃料酒精。經(jīng)過(guò)近10 a的發(fā)展，我國(guó)燃料乙醇的年產(chǎn)量已接近200萬(wàn)t，這其中大部分都是利用玉米、小麥、木薯等為原料生產(chǎn)的。

依據(jù)我國(guó)政府規(guī)定，燃料乙醇主要是以E10（添加10%的乙醇）汽油的形式作為汽車燃料來(lái)使用的。雖然我國(guó)目前已經(jīng)在推廣使用E10汽油，但是大規(guī)模的以農(nóng)作物為原料生產(chǎn)燃料乙醇，并且用其部分代替化石燃料是否可行仍需要進(jìn)行全面深入的可行性分析。大規(guī)模推行生物質(zhì)燃料乙醇的生產(chǎn)和使用，將不可避免的對(duì)推廣使用地區(qū)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境與生態(tài)平衡等造成影響。

生命周期評(píng)價(jià)是一種評(píng)估產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝以及活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生壓力的客觀過(guò)程。它貫穿于產(chǎn)品、工藝和活動(dòng)的整個(gè)生命周期，包括原材料提取與加工、產(chǎn)品制造、運(yùn)輸以及銷售、產(chǎn)品的使用、再利用和維護(hù)、廢物循環(huán)和最終廢物棄置[1]。生命周期評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)指標(biāo)主要是 3E（Environment，Energy，Economy），但鑒于燃料乙醇的推廣使用會(huì)對(duì)我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活產(chǎn)生重要影響，所以部分研究者在進(jìn)行燃料乙醇生命周期評(píng)價(jià)時(shí)又加入了社會(huì)影響評(píng)價(jià)，組成了 3E+S（Social）[2]評(píng)價(jià)。因此文章在以玉米原料生產(chǎn)燃料乙醇為研究對(duì)象進(jìn)行全生命周期內(nèi)的綜合效益分析時(shí)，主要考察其生命周期內(nèi)的環(huán)境性能、能源消耗、經(jīng)濟(jì)性以及社會(huì)性等方面。通過(guò)客觀的綜合效益分析來(lái)論證大規(guī)模生產(chǎn)使用燃料乙醇的可行性及現(xiàn)實(shí)意義。

1 乙醇汽油的燃料特性

乙醇（C2H5OH）是一種含氧的碳?xì)浠衔?，而汽油則是不含氧的C4～C12烴混合物，因而燃料乙醇比汽油更利于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒完全，具有較高自燃溫度和辛烷值的乙醇可以增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性，并利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。乙醇汽油隨乙醇摻混比例不同其特性變化如表1所示。

（1）隨著乙醇含量的增加，其密度、辛烷值、體積膨脹量都會(huì)增加，當(dāng)摻入量為10%時(shí)，密度增加0.6%，辛烷值增加4.2，體積膨脹量增加0.23個(gè)百分點(diǎn)?？梢?jiàn)E10汽油比普通汽油具有更好的抗爆性能。

表1 乙醇摻入量對(duì)燃油的性能影響[3-4]

（2）隨著乙醇含量的增加，其熱值和理論空燃比都略有下降，當(dāng)摻入量為10%時(shí)，熱值和理論空燃比分別減小3.25%、4.05%?？梢?jiàn)E10汽油同普通汽油相比其單位熱量降低很有限，一般的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不需改裝就可直接使用，且對(duì)汽車的行駛性能不會(huì)有明顯影響。

（3）乙醇汽油的含水能力會(huì)隨著乙醇添加比例和溫度的增加而增加，因而比汽油具有更強(qiáng)的吸水能力，為了防止因水分過(guò)多而影響使用，必須在儲(chǔ)運(yùn)時(shí)做好密封，并盡量減少儲(chǔ)存時(shí)間。

2 玉米基燃料乙醇的生命周期分析

一般產(chǎn)品的生命周期主要分為3個(gè)階段，即原材料開(kāi)采和材料使用階段、產(chǎn)品生產(chǎn)及其使用階段、產(chǎn)品報(bào)廢及其后處理階段。據(jù)此可將玉米基燃料乙醇的生命周期劃分為玉米生產(chǎn)、乙醇生產(chǎn)、乙醇使用及后處理3個(gè)大的階段，如圖1所示。在玉米生產(chǎn)過(guò)程需要投入種子、化肥、農(nóng)藥、機(jī)械、灌溉用電及柴油等，其產(chǎn)品主要是玉米和秸稈；乙醇生產(chǎn)過(guò)程中需要投入煤、電、水和其他輔助原料，其產(chǎn)物除了目的產(chǎn)品乙醇外，還有酒糟飼料（Distiller’s Dried Grains with Solubles,DDGS）、玉米油、面筋粉和沼氣等副產(chǎn)品。這3個(gè)階段中除產(chǎn)生了所需要的產(chǎn)物外還伴隨產(chǎn)生了大量的環(huán)境排放，其中有不少是主要的污染物，需要進(jìn)行環(huán)保處理達(dá)標(biāo)后排放。

圖1 玉米基燃料乙醇生命周期

3 玉米基燃料乙醇的綜合效益分析

玉米基燃料乙醇作為能源使用在其生命周期內(nèi)的各個(gè)階段，都對(duì)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)發(fā)展有很大的影響，為判定其是否適宜作為能源大規(guī)模使用，需要從能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)4個(gè)方面對(duì)玉米基燃料乙醇進(jìn)行效益分析。

3.1 玉米基燃料乙醇的能源效益分析

燃料乙醇的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)中耗費(fèi)了大量的能源，為了確定是否適合作為替代燃料使用，必須對(duì)燃料乙醇進(jìn)行全過(guò)程的生命周期分析，了解其整個(gè)生命周期內(nèi)的能源消耗與產(chǎn)出比率。燃料乙醇生命周期內(nèi)的能量輸入主要有：原料生產(chǎn)過(guò)程中的種子、肥料、人力、機(jī)械、電力和柴油；乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的煤、電和人力；整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中的燃油、機(jī)械、人力等。其中玉米種植和乙醇生產(chǎn)兩個(gè)階段，其能源消耗占總能源消耗的90%以上[3]。燃料乙醇生命周期內(nèi)的能量輸出主要是燃料乙醇及副產(chǎn)品（DDGS、玉米油、電能、沼氣）能量。燃料乙醇凈能量值等于生命周期內(nèi)能量總產(chǎn)出減去能量總消耗，這里的能量只考慮從原料種植到燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的所有一次能量消耗。副產(chǎn)品的能量值對(duì)于燃料乙醇的凈能量值有很大的影響，不同原料生產(chǎn)乙醇，產(chǎn)生的副產(chǎn)品種類和數(shù)量差別較大。依據(jù)能量替換法計(jì)算玉米原料生產(chǎn)的燃料乙醇能量值可知，在玉米基燃料乙醇的整個(gè)生命周期內(nèi)，乙醇的總能量投入是38 842.5 MJ/t，燃料乙醇所產(chǎn)副產(chǎn)品能量為20 587.5 MJ/t，再加上乙醇的能量29 744.8 MJ/t，則生產(chǎn)乙醇的總能量產(chǎn)出達(dá)50 362.3 MJ/t，除去投入后的凈能量為11 519.8 MJ/t，投入產(chǎn)出比為77.13%，其值小于1，可知從能量角度分析以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇是可行的。

3.2 玉米基燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)效益分析

以玉米為原料生產(chǎn)燃料乙醇的企業(yè)在循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式下其內(nèi)部可以形成5個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，即玉米→乙醇→DDGS；玉米→玉米油→DDGS；廢水→沼氣→燃料；廢水→污泥→燃料；煤→灰渣→建材[8]。如年產(chǎn)40萬(wàn)t燃料乙醇的企業(yè)每年還可以生產(chǎn)副產(chǎn)品DDGS 32.8萬(wàn)t，玉米油2.25萬(wàn)t，灰及廢渣27.936萬(wàn) t，CO233.173萬(wàn) t，沼氣 0.352萬(wàn) t[5]。這些副產(chǎn)品的銷售或利用可以有效的降低燃料乙醇的單位生產(chǎn)成本，如2006年吉林玉米基燃料乙醇生產(chǎn)成本為4 988.4元/t，但經(jīng)過(guò)副產(chǎn)品折算后降為3 921.1元/t[5]。燃料乙醇的成本主要由玉米價(jià)格和煤油電價(jià)格決定，結(jié)合近4 a我國(guó)企業(yè)商品價(jià)格指數(shù)CGPI計(jì)算后[9]，2010年的生產(chǎn)成本為4 813.2元/t。以國(guó)家對(duì)燃料乙醇的定向收購(gòu)價(jià)為5 000元/t計(jì)，加上生產(chǎn)乙醇政府補(bǔ)貼1 373元/t[10]，玉米基燃料乙醇生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益分析表明，補(bǔ)貼前的利潤(rùn)率僅為3.88%，加上政府補(bǔ)貼后的利潤(rùn)率可達(dá)32.41%。結(jié)合企業(yè)實(shí)際可知，目前該企業(yè)生產(chǎn)模式中還有一些不足，倘若再增補(bǔ)CO2回收、有機(jī)肥及其他一些下游產(chǎn)業(yè)鏈[11]，則企業(yè)內(nèi)部的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式將更加完善，乙醇成本將進(jìn)一步降低，所以從經(jīng)濟(jì)效益上分析發(fā)展玉米基燃料乙醇也是可行的。

3.3 玉米基燃料乙醇的環(huán)境效益分析

玉米基燃料乙醇在其生命周期內(nèi)產(chǎn)生了許多環(huán)境排放，環(huán)境排放又可以分為直接排放和間接排放，兩者之和稱為完全排放。直接排放是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中直接產(chǎn)生的排放；間接排放是指生產(chǎn)過(guò)程投入的原料和能源，在其生產(chǎn)中產(chǎn)生的排放，如玉米種植過(guò)程中使用的化肥和柴油，在化肥和柴油生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的排放對(duì)于玉米種植過(guò)程而言就是間接排放。分析玉米基燃料乙醇的環(huán)境效益，必須考慮其生命周期內(nèi)的完全排放。表2即為單位質(zhì)量玉米基燃料乙醇配比成的E10燃料和普通汽油生命周期內(nèi)的排放值[2，5，12-13]。由于乙醇的熱值小于汽油，因而以汽油能量為基準(zhǔn)折算后的排放量將進(jìn)一步減小，其折算后數(shù)據(jù)與汽油排放量之差和汽油排放量的比值附于表2。

表2 E10燃料和汽油的生命周期排放 （mg/kg）

由表2可知，在整個(gè)生命周期內(nèi)，E10燃料的總排放量和汽油的總排放量相當(dāng)，其中VOC、NOx、CH4和N2O稍大于汽油的排放，而CO、PM10、SOx和CO2明顯小于汽油的排放。則由環(huán)境效益分析可得出，玉米基燃料乙醇部分替代汽油使用總量上不僅沒(méi)有增加環(huán)境中污染物的排放，相反還較大幅度的減小了空氣酸化及全球變暖趨勢(shì)。

3.4 玉米基燃料乙醇的社會(huì)效益分析

燃料乙醇整個(gè)生命周期內(nèi)的各個(gè)階段都與社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)，綜合分析其生命周期內(nèi)對(duì)社會(huì)的影響后總結(jié)其社會(huì)效益主要有以下幾個(gè)方面：

（1）以玉米為原料生產(chǎn)乙醇并部分替代汽油使用符合中國(guó)目前的國(guó)情。目前中國(guó)北方地區(qū)常年有部分玉米陳化糧難于消化，而中國(guó)目前已成為世界第二大石油進(jìn)口國(guó)，能源缺口日益加大，已部分威脅國(guó)家能源安全，為此，發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)符合國(guó)家需要。

（2）目前政府扶植燃料乙醇企業(yè)，對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)貼，表面看受益者只有企業(yè)及其員工，實(shí)際上廣大的玉米等原料種植戶也從出售原料過(guò)程中獲得了利益，這就有利于提高農(nóng)民的收入水平[14]，農(nóng)民的增收必將促進(jìn)農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)而鞏固國(guó)家糧食安全。

（3）當(dāng)前的幾家燃料乙醇企業(yè)都是較大規(guī)模的企業(yè)，這些企業(yè)為了提高經(jīng)濟(jì)效益，紛紛采用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)并依照循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式來(lái)挖掘企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)鏈，這就不僅使企業(yè)自身達(dá)到清潔生產(chǎn)[15-16]，而且還大大地促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的興起，為形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)集群提供了源動(dòng)力，這也為其他行業(yè)提供了示范作用。

（4）燃料乙醇部分替代汽油使用雖然從排放量上看作用有限，但是考慮到汽油屬于不可再生資源，而乙醇的基礎(chǔ)原料農(nóng)產(chǎn)品是可再生的，所以發(fā)展玉米基燃料乙醇可以提高社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展性。

（5）燃料乙醇作為一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)，不僅增加了國(guó)家的GDP，而且還增加了社會(huì)對(duì)知識(shí)型人才的需求量，這就有利于提高社會(huì)勞動(dòng)者的整體文明程度。

4 結(jié)論

發(fā)展玉米基燃料乙醇部分替代汽油使用是可行的，但是從能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)角度分析可知，目前的能源利用率還不高，在沒(méi)有國(guó)家補(bǔ)貼情況下，盈利空間較小，且易受國(guó)內(nèi)外原油價(jià)格影響，環(huán)境排放上只稍優(yōu)于汽油。因此，在燃料乙醇的未來(lái)發(fā)展中，應(yīng)注重生命周期內(nèi)的綜合效益分析，努力提高玉米產(chǎn)量和乙醇產(chǎn)出比；不斷改進(jìn)乙醇生產(chǎn)工藝，提高能源利用率；加大科技投入，進(jìn)一步挖掘新的產(chǎn)業(yè)鏈，以實(shí)現(xiàn)廢棄物的綜合循環(huán)利用。

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