中糧(安徽)非糧乙醇技術(shù)改造能量投入/產(chǎn)出分析

岳國君，林海龍，沈乃東

（國家能源生物液體燃料研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心，北京 100020）

我國燃料乙醇行業(yè)起步于“十五”期間，2004年國務(wù)院八部委確定了先行試點(diǎn)、政策扶持、封閉運(yùn)行的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)政策，先后批復(fù)建成4 套以陳化糧為原料生產(chǎn)燃料乙醇的裝置[1]。截至2013年6月，4 家企業(yè)總計(jì)生產(chǎn)燃料乙醇1388 萬噸，累計(jì)調(diào)配車用乙醇汽油1.39 億噸，相當(dāng)于減少原油進(jìn)口2570 萬噸，減少外匯支出177 億美元；帶動農(nóng)村就業(yè)人口近500 萬人，為農(nóng)民每年創(chuàng)造120 億元的收入，消耗陳化糧1023 萬噸，共減少二氧化碳排放655 萬噸，為我國能源安全以及環(huán)保事業(yè)做出了積極貢獻(xiàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

國務(wù)院2007年出臺《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確要求燃料乙醇原料堅(jiān)持非糧為主，并重點(diǎn)支持木薯、甜高粱及纖維資源等非糧原料產(chǎn)業(yè)發(fā) 展[2]。在2012年發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提出支持建設(shè)具備條件的木薯乙醇、甜高粱莖稈乙醇、纖維素乙醇等項(xiàng)目；“十二五”期間推進(jìn)以農(nóng)林剩余物為主要原料的纖維素乙醇和生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備液體燃料示范工程。

2009年，中糧集團(tuán)在廣西建成的20 萬噸/年木薯燃料乙醇示范裝置（廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司，以下簡稱“廣西中糧”）是我國第一個(gè)大型非糧燃料乙醇試點(diǎn)項(xiàng)目。2012年，中糧生物化學(xué)(安徽)股份有限公司[以下簡稱“中糧(安徽)”]借鑒廣西中糧木薯燃料乙醇的經(jīng)驗(yàn)，完成了15 萬噸/年玉米乙醇的非糧替代改造。裝置運(yùn)行一年來，各項(xiàng)指標(biāo)不斷改善，已取得預(yù)期效果。

本文擬在總結(jié)中糧(安徽)非糧技術(shù)改造工作的基礎(chǔ)上，利用全生命周期評價(jià)方法對木薯原料替代前后的能量投入/產(chǎn)出進(jìn)行分析，并展望今后采用非糧路線發(fā)展生物質(zhì)液體燃料的前景。

1 中糧(安徽)非糧技術(shù)改造

2002年國家批準(zhǔn)中糧(安徽)（當(dāng)時(shí)為豐原生化，2010年中糧集團(tuán)控股安徽豐原生物化學(xué)股份有限公司）實(shí)施32 萬噸/年玉米燃料乙醇項(xiàng)目。其中，原有一套12 萬噸/年（兩條6 萬噸/年生產(chǎn)線）裝置，新建一套20 萬噸/年裝置，新舊兩套均采用陳糧為原料。經(jīng)過十多年的發(fā)展，2011年，兩套裝置的生產(chǎn)能力分別達(dá)到了30 萬噸/年和15 萬 噸/年，中糧(安徽)燃料乙醇總生產(chǎn)能力合計(jì)45萬噸/年。

隨著我國糧食貯存技術(shù)的重大進(jìn)步，“陳糧”問題基本解決。2012年，中糧(安徽)執(zhí)行國家“發(fā)展生物燃料乙醇要堅(jiān)持非糧為主”的產(chǎn)業(yè)政策，在集團(tuán)自有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行集成優(yōu)化，將以玉米為原料的15 萬噸/年玉米燃料乙醇裝置改造為木薯燃料乙醇裝置，改造前后工藝流程對比如圖1 所示。該套裝置在借鑒了廣西中糧技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，但在預(yù)處理、污水處理等工藝單元另有特色。

（1）預(yù)處理單元 廣西中糧在原料預(yù)處理環(huán) 節(jié)，采用干法風(fēng)送二級粉碎、粉漿回流拌料工藝，并開發(fā)應(yīng)用了干木薯濃醪除沙技術(shù)。中糧(安徽)預(yù)處理原有兩條線，改造初期在一條預(yù)處理線上借鑒廣西中糧工藝，采用兩級格柵+篩分+風(fēng)選+蒸煮除沙與旋流除沙工藝，篩分后的篩上物木薯采用高真空負(fù)壓粉碎技術(shù)，提高單臺粉碎機(jī)的處理負(fù)荷，粉碎后的木薯粉經(jīng)稱重，精確控制調(diào)漿的料水比例，漿料通過管道過濾器，去除透濾過來的麻繩等雜物，再通過旋流除沙、沉降回收殘留淀粉；篩下物在改造初期為蒸煮液化+板框過濾除沙工藝，后改為拌料后直接進(jìn)行旋流除沙，通過旋流除沙后總除沙率在85%以上。改造后的預(yù)處理線路，提高了淀粉的利用率，節(jié)省糧耗30kg/(t 乙醇)。這次改造新建的一條預(yù)處理線為木薯不過篩分直接進(jìn)行負(fù)壓粉碎，粉碎后經(jīng)調(diào)漿，兩條線路匯總后進(jìn)入調(diào)配、噴射液化。

圖1 原料替代前后生產(chǎn)燃料乙醇工藝流程圖

（2）污水處理 中糧(安徽)裝置過濾后木薯廢水經(jīng)公司環(huán)保系統(tǒng)進(jìn)行生化處理后，COD 達(dá)到300mg/L 以下排放到蚌埠市城市污水處理廠，與碳氮比較低的城市污水混合處理，使碳氮比更加合理，降低了污水處理成本，確保了污水各項(xiàng)指標(biāo)最終均達(dá)標(biāo)排放，實(shí)現(xiàn)雙贏。中糧(安徽)污水處理項(xiàng)目設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)COD 達(dá)到100mg/L，考慮蚌埠市城市污水處理廠需要處理較高碳氮比的污水，最終本項(xiàng)目的污水處理后的指標(biāo)要求控制到≤300mg/L 為宜。若處理本裝置的污水COD 從300mg/L 降到100mg/L 以下，需經(jīng)過高級氧化和混凝沉淀兩步處理。兩級成本合計(jì)為1.05 元/噸，而交由城市污水處理廠統(tǒng)一處理，每噸費(fèi)用0.49 元/噸。成本下降53%。

通過改造，實(shí)現(xiàn)了木薯原料替代玉米原料生產(chǎn)燃料乙醇。2012年 6 月系統(tǒng)試車成功，截止到2013年9 月已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行15 個(gè)月。裝置生產(chǎn)能力為394 噸/天，燃料乙醇木薯原料消耗2.935 噸/噸，該項(xiàng)目的實(shí)施，每年可節(jié)約糧食50 多萬噸，達(dá)到預(yù)期效果。

2 木薯與玉米能量效率理論分析

國內(nèi)外已有較多關(guān)于木薯及玉米燃料乙醇能量效率的研究報(bào)道，一般以凈能量（net energy value，NEV）或能量比（energy ratio，ER）為指標(biāo)，對玉米及木薯全生命周期進(jìn)行分析[3-8]。凈能量是燃料乙醇提供的能量減去燃料乙醇生命周期的化石能量輸入后的剩余能量與副產(chǎn)品替代能量之和。能量比為能量的產(chǎn)出/投入比，即1MJ 化石能耗所取得的生物燃料能量。

燃料乙醇生產(chǎn)全生命周期中需要投入化石能源的主要過程包括：玉米、木薯生產(chǎn)及運(yùn)輸過程，乙醇轉(zhuǎn)化過程及乙醇輸配過程。產(chǎn)出能量的過程為乙醇燃燒及副產(chǎn)品替代。

國內(nèi)研究人員對玉米燃料乙醇整個(gè)生命周期中能量流動進(jìn)行分析，建立了玉米燃料乙醇的凈能量分析數(shù)學(xué)模型，可用式（1）表示[3]。

式中，BE 為乙醇的燃燒熱能；FE 包括玉米生產(chǎn)過程的能耗FE1（由種子、化肥、農(nóng)藥、電力和燃料等間接載入的化石能）、乙醇轉(zhuǎn)化過程消耗的能量FE3（主要來自于玉米粉碎、蒸煮，酒糟的干燥，乙醇的蒸餾及脫水以及副產(chǎn)品生產(chǎn)等操作）、運(yùn)輸玉米以及燃料乙醇消耗的能量FE2 和FE4，以及副產(chǎn)品的替代能量FE5。

經(jīng)過計(jì)算得出玉米燃料乙醇具有一定的能量效益，如表1 所示。干法和濕法的凈能量盈余分別為5.95MJ/kg 和1.11MJ/kg，能量比為1.25 和1.04。該模型在計(jì)算時(shí)考慮盡量使用反映玉米燃料乙醇實(shí)際生產(chǎn)情況的有關(guān)數(shù)據(jù)，具有一定的參考意義。

表1 文獻(xiàn)中關(guān)于玉米及木薯燃料乙醇的凈能對比

還有文獻(xiàn)報(bào)道[9]了以黑龍江及廣西實(shí)地收集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的兩個(gè)企業(yè)從種植到乙醇燃燒的整個(gè)生命周期過程能量效率的評估結(jié)果。計(jì)算分為主副產(chǎn)品分配前和分配后兩種情況。分配前，玉米乙醇和木薯乙醇的凈能量和凈可再生能量是負(fù)數(shù)，而分配后，凈能量和凈可再生能量都為正數(shù)，玉米乙醇和木薯乙醇的能量比分別為1.05 和1.1。且分配前后木薯乙醇的凈能量和凈可再生能量均優(yōu)于玉米乙醇，表明副產(chǎn)品開發(fā)利用對系統(tǒng)的能量效率具有主要的影響。

在各種報(bào)道中，由于所采取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型、副產(chǎn)物分?jǐn)偟确椒ǖ牟町?，對于木薯燃料乙醇的能量效率有所出入，但所?jì)算的凈能量均為正值，大致是4.79～7.92MJ/L 乙醇[10-13]。

3 中糧(安徽)非糧技術(shù)改造前后的能量投入/產(chǎn)出分析

中糧(安徽)木薯原料替代有自己的特點(diǎn)，由于原料來源不同、生產(chǎn)工藝不同等因素，其能量投入/產(chǎn)出與其他木薯乙醇工廠有所區(qū)別。本文根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別對玉米及木薯乙醇的能量效率進(jìn)行計(jì)算。

對于邊界界定，計(jì)算范圍包括5 個(gè)單位：①原料生產(chǎn)；②原料運(yùn)輸；③乙醇生產(chǎn)；④乙醇運(yùn)輸及配送；⑤燃料使用。

對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在上述5 個(gè)單元中，單元①屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范疇，采用文獻(xiàn)[6，14]中我國玉米及泰國木薯耕種及處理的能耗數(shù)據(jù)，并結(jié)合中糧(安徽)原料消耗水平進(jìn)行折算，結(jié)果如表2。

為了簡化起見，假定玉米和木薯原料，單元②、④、⑤的化石能耗是相同的；單元②、④、⑤采用表3 所列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

表2 原料種植單元相關(guān)數(shù)據(jù)

表3 原料運(yùn)輸、乙醇輸配、燃料使用單元相關(guān)數(shù)據(jù)

表4 玉米乙醇基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在單元③的分析中，玉米乙醇采用2011年中糧(安徽)全年平均值，如表4 所示；木薯乙醇采用2012年10 月～2013年9 月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表5 所示。

對比表4 及表5 的電耗數(shù)據(jù)可以看出，木薯乙醇總電耗低于玉米，工藝流程中無濃縮和烘干是主要原因。在預(yù)處理粉碎工序，木薯乙醇電耗低，因預(yù)處理粉碎設(shè)備改造，采用高真空負(fù)壓粉碎技術(shù)，木薯粉碎電耗大幅下降。另外，木薯質(zhì)地疏松，粉碎比玉米更容易。公用工程的電耗波動較大，主要因?yàn)槟壳爸屑Z(安徽)木薯乙醇和氨基酸兩個(gè)產(chǎn)品的公用工程共同使用，采用分?jǐn)偟姆绞剑臼砣鞒虄?yōu)化項(xiàng)目順利試車后，以原有的人工分?jǐn)偨Y(jié)算方式反饋出的木薯乙醇公用工程消耗不十分確切。

分析蒸汽消耗的差異，玉米乙醇工藝中玉米淀粉渣的烘干消耗的蒸汽較高，木薯乙醇無該項(xiàng)消耗。糖液化工序經(jīng)過醪醪換熱改造（糖化醪與噴射后液化醪換熱）后，目前單月蒸汽消耗可降至0.4t/t 乙醇。

由于燃料乙醇生產(chǎn)中的副產(chǎn)物玉米蛋白飼料及木薯渣的生產(chǎn)也應(yīng)按主副產(chǎn)品進(jìn)行消耗能量分配，對玉米蛋白飼料及木薯渣的能耗分配采用市場價(jià)值量法[9]，計(jì)算結(jié)果如表6 所示。

根據(jù)所取得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算玉米及木薯能量效率如表7 所示。在能量投入過程中，原料生產(chǎn)及乙醇轉(zhuǎn)化是兩個(gè)主要的投入環(huán)節(jié)，木薯乙醇在這兩個(gè)單元的能耗分別比玉米乙醇減少54%及38%。計(jì)算所得的凈能量值，玉米乙醇為1.77MJ/L，木薯乙醇為7.82MJ/L。對比玉米及木薯乙醇的能量比，玉米為1.0，木薯為1.36。從計(jì)算結(jié)果看，木薯乙醇表現(xiàn)出較高的能量效率。

表5 木薯乙醇能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表6 玉米乙醇及木薯乙醇主副產(chǎn)品能量消耗分配

表7 玉米及木薯乙醇凈能量對比

4 非糧替代前景展望

（1）非糧改造取得了預(yù)期效果。中糧(安徽)在原有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行非糧技術(shù)改造，在此之前，該套乙醇生產(chǎn)裝置已運(yùn)行近10年，非糧替代改造為15 萬噸/年木薯燃料乙醇后，每年可節(jié)省50 多萬噸玉米，年節(jié)約能耗折標(biāo)煤約4 萬噸。

（2）生產(chǎn)環(huán)節(jié)技術(shù)改造是提高能量效率的重 要措施。提升能量產(chǎn)出/投入比，從燃料生產(chǎn)角度看，作為企業(yè)可以主動操控的是生產(chǎn)環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[3]報(bào)道乙醇轉(zhuǎn)化單元的能量輸入約占燃料乙醇生命周期的60%，本文計(jì)算結(jié)果也與之基本相符，玉米乙醇與木薯乙醇分別為62.2%和63.9%。木薯乙醇與玉米乙醇的凈能量對比，其最大的差異仍體現(xiàn)在乙醇轉(zhuǎn)化單元。該裝置的精餾單元將繼續(xù)進(jìn)行改造，若通過精餾改造蒸汽降低至1.8t/(t 乙醇)，計(jì)算得乙醇轉(zhuǎn)化單元的能量投入將降低1.49MJ/L。由此可見，乙醇轉(zhuǎn)化單元的技術(shù)改造對能量投入產(chǎn)出的變動影響 明顯。

（3）污水處理具有減能的趨勢。中糧(安徽)處理后的廢水進(jìn)入城市污水處理系統(tǒng)，改善了城市污水水質(zhì)，降低處理難度和成本，實(shí)現(xiàn)了污水處理的互補(bǔ)和雙贏。另一方面，廢水指標(biāo)只控制到≤300mg/L，不經(jīng)過高級氧化和混凝沉淀處理，從能量投入/產(chǎn)出角度，也有減能的趨勢。

（4）不宜輕易擴(kuò)大木薯原料的使用規(guī)模。在原料種植環(huán)節(jié)，玉米乙醇的能耗為28.1%，木薯為21.4%。文獻(xiàn)[3，15-16]報(bào)道，種植環(huán)節(jié)的能耗可達(dá)化石能源總能耗的30%。從種植環(huán)節(jié)能量效率的角度，利用種植作物為原料生產(chǎn)燃料乙醇并不如農(nóng)林廢棄物具有優(yōu)勢。孔德柱等[17]從土地使用率、能耗、環(huán)境和耗水量4 個(gè)方面分析了玉米秸稈、木薯和甜高粱3 種生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的過程，結(jié)果表明，玉米秸稈作為原料，按產(chǎn)出乙醇能計(jì)，土地使用率最高可達(dá) 563.40GJ/hm2（木薯作為原料為160.2GJ/hm2），投入能量最低，僅為22.68MJ/GJ（木薯作為原料為100.64MJ/GJ），環(huán)境影響最小，耗水量最少，是最有開發(fā)前景的原料。木薯乙醇的減排效果并不明顯的報(bào)道也見諸于其他文獻(xiàn)[18-19]。楊海龍等[18]研究了木薯燃料乙醇的碳效應(yīng)，指出由于對土壤碳庫破壞導(dǎo)致的碳排放占木薯燃料乙醇總排放量的20%～30%。綜合考慮多方面因素，在我國，以種植作物為原料發(fā)展燃料乙醇未必是今后燃料乙醇的主要方向。繼續(xù)拓展生物質(zhì)原料應(yīng)堅(jiān)持以農(nóng)林廢棄物為主，尤其注重因地制宜，木薯原料的使用規(guī)模不宜輕易擴(kuò)大。

（5）加快纖維素乙醇的商業(yè)化。燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)高度重視能量投入/產(chǎn)出的判斷標(biāo)準(zhǔn)。從前述分析來看，以玉米秸稈為代表的木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇在能量效率上將更有優(yōu)勢，且木質(zhì)纖維素資源豐富，第二代生物乙醇技術(shù)日漸成熟[20-23]，應(yīng)當(dāng)加快纖維素乙醇的商業(yè)化。

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