廣西中糧20萬噸/年木薯燃料乙醇凈能量分析

岳國君，孫振江,2，沈乃東,3

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廣西中糧20萬噸/年木薯燃料乙醇凈能量分析

岳國君1，孫振江1,2，沈乃東1,3

1 國家能源生物液體燃料研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，北京 100020 2 廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司，廣西北海 536100 3 中糧營養(yǎng)健康研究院，北京 102209

岳國君, 孫振江, 沈乃東. 廣西中糧20萬噸/年木薯燃料乙醇凈能量分析. 生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(2): 242–250.Yue GJ, Sun ZJ, Shen ND. Net energy analysis for annual 200 000 ton cassava ethanol production at Guangxi COFCO. Chin J Biotech, 2015, 31(2): 242–250.

廣西中糧20萬噸/年木薯燃料乙醇裝置建成后經(jīng)歷多次工藝改造，為了評(píng)估廣西裝置的能量投入/產(chǎn)出，利用國內(nèi)已有的全生命周期模型進(jìn)行了凈能量分析。計(jì)算結(jié)果表明，廣西裝置的凈能量為9.56 MJ/L乙醇。其中乙醇轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的能量投入占總能量投入的51.3%，而其中精餾工序僅蒸汽消耗即占乙醇轉(zhuǎn)化總能耗的61.5%。副產(chǎn)品提供的能量可補(bǔ)償5.03 MJ/L乙醇。因此，原料的綜合利用是廣西裝置提高能源利用效率的重要措施，精餾工序的節(jié)能改造對(duì)凈能量具有重要影響。最后展望了木薯燃料乙醇的發(fā)展前景。

木薯乙醇，全生命周期，凈能量分析

發(fā)展液體替代交通運(yùn)輸燃料是解決化石能源短缺問題的重要途徑，在各種液體替代運(yùn)輸燃料中，燃料乙醇作為最成功的品種，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)形成年產(chǎn)量超過7 000萬t的能源產(chǎn)業(yè)。隨著燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，糧食原料成為制約燃料乙醇產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，發(fā)展非糧燃料乙醇已成為世界范圍內(nèi)的趨勢(shì)。中糧集團(tuán)于2006年在廣西北海市建設(shè)廣西中糧生物質(zhì)能源有限公司20萬t/年木薯燃料乙醇示范裝置(以下簡稱廣西裝置)。廣西裝置設(shè)計(jì)年產(chǎn)燃料乙醇20萬t，沼氣2 970萬m3(標(biāo)況下），木薯渣10萬t，液體CO21.5萬t，目前是世界上規(guī)模最大的非糧燃料乙醇裝置。

截至2014年3月底，廣西裝置已累計(jì)生產(chǎn)燃料乙醇81萬t，可配制車用乙醇汽油730萬t，累計(jì)減排溫室氣體41萬t[1]，產(chǎn)生了預(yù)期的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。經(jīng)過生產(chǎn)考核的這套成套技術(shù)將對(duì)于我國正在推進(jìn)的薯類、甜高粱乃至木質(zhì)纖維素等非糧燃料乙醇的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

1 工藝概述

廣西裝置建成后經(jīng)歷了多次技術(shù)改造，2014年工藝流程如圖1所示。廣西裝置使用的原料主要為干木薯，木薯收獲期也使用新鮮木薯。廣西裝置采用了干木薯濃醪除沙、高溫噴射與低能階換熱集成工藝、木薯同步糖化發(fā)酵與濃醪發(fā)酵、三效熱耦合精餾等技術(shù)，并通過廢液、廢渣、廢氣綜合利用，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。

1.1 預(yù)處理

預(yù)處理采用自主研究開發(fā)的干木薯濃醪除沙技術(shù)。干木薯經(jīng)過預(yù)粉碎后過篩，篩下物和拌料水混合成固含量較低的粉漿后進(jìn)入除沙器，利用低粘度稀漿較容易沉降脫沙的特性脫除沙子等雜物，之后和粉碎機(jī)送出的木薯粉混合，制成滿足液化要求的高濃度粉漿。在采用鮮木薯時(shí)，向粉漿中添加干木薯粉來提高粉漿的固含量。投產(chǎn)初期，采用4條處理線二級(jí)粉碎，處理能力為60?80 t干木薯/h。2012年將原有的4條線拆分為8條線，經(jīng)過改造，能耗保持不變，但處理能力提高至80?100 t干木薯/h。

1.2 同步糖化發(fā)酵

液化采用高溫噴射與低能階換熱集成工藝。二次加酶降低了液化過程中酶制劑的消耗。液化醪液經(jīng)過兩級(jí)換熱降溫后加入硫酸調(diào)pH并加入糖化酶，在發(fā)酵罐進(jìn)行同步糖化發(fā)酵。

1.3 精餾

精餾工序采用三效熱耦合精餾工藝技術(shù)。發(fā)酵液經(jīng)過發(fā)酵醪池后依次進(jìn)入粗塔及兩個(gè)精塔。二精塔塔頂蒸汽去分子篩，分子篩脫水采用變壓吸附脫水工藝，脫水后出無水乙醇。粗塔及二精塔塔底的廢醪進(jìn)入分離干燥工序及污水處理的全糟厭氧工序。

圖1 廣西裝置木薯燃料乙醇工藝流程示意圖

1.4 分離干燥

精餾排放的醪液在分離干燥工序經(jīng)過蛋白絮凝后通過板框過濾機(jī)進(jìn)行固液分離操作。濕糟入滾筒干燥后作為飼料出售或作為鍋爐燃料，清液進(jìn)入污水處理。

1.5 污水處理

分離干燥工序的清液進(jìn)入污水一期工程進(jìn)行處理，經(jīng)過IC厭氧反應(yīng)器產(chǎn)沼氣，廢水先后經(jīng)過厭氧、好氧等生化處理，經(jīng)過深度處理后化學(xué)需氧量(COD) 達(dá)到酒精行業(yè)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)100 mg/L后，進(jìn)入城市污水處理管網(wǎng)。

2010年建成的全糟厭氧發(fā)酵為污水處理二期工段，醪液進(jìn)入全糟厭氧反應(yīng)產(chǎn)生沼氣，料液經(jīng)過壓濾后的污水進(jìn)入一期污水處理，污泥進(jìn)行摻燒或做有機(jī)肥外售。二期污水處理配有5個(gè)5 600 m3厭氧反應(yīng)罐，產(chǎn)沼氣水平為300 Nm3/t乙醇(55%甲烷含量)。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 凈能量模型

文獻(xiàn)報(bào)道，評(píng)估燃料乙醇的能量效率可以以凈能量(Net energy value，NEV) 為指標(biāo)，采用全生命周期評(píng)價(jià)的方法對(duì)燃料乙醇的能量投入/產(chǎn)出進(jìn)行分析[2-8]。凈能量是指燃料乙醇提供的能量減去生命周期的化石能量輸入的剩余能量與副產(chǎn)品替代的能量之和，本文采用國內(nèi)提出的凈能量分析模型[2]進(jìn)行核算。按該模型，燃料乙醇生產(chǎn)全生命周期的能量分析涉及到原料生產(chǎn)、原料運(yùn)輸、乙醇轉(zhuǎn)化、乙醇運(yùn)輸和燃料使用等環(huán)節(jié)。

該模型用于計(jì)算玉米燃料乙醇生命周期的凈能量，玉米乙醇的能量產(chǎn)出只有乙醇燃燒過程，而木薯乙醇的部分副產(chǎn)品如木薯渣及沼氣皆可直接燃燒供能，本文采用的模型簡式如式(1)。

NEV=BE1–(FE1+FE2+FE3+FE4–BE2) (1)

式中，BE1為乙醇燃燒熱能，BE2為沼氣及木薯渣干糟的燃燒熱能之和，F(xiàn)E1為木薯生產(chǎn)過程能耗，F(xiàn)E2為運(yùn)輸木薯消耗的能量，F(xiàn)E3為乙醇轉(zhuǎn)化過程消耗的能量，F(xiàn)E4為運(yùn)輸燃料乙醇消耗的能量。

2.2 原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)

木薯生產(chǎn)過程的能量輸入包括種子、化肥、農(nóng)藥、燃料(柴油) 和勞動(dòng)力等，在不同的木薯種植區(qū)域，各輸入項(xiàng)的能量強(qiáng)度相差很大。文獻(xiàn)[9]中對(duì)廣西不同的木薯種植模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析，本文木薯生產(chǎn)的能耗采用其報(bào)道的結(jié)果。廣西裝置收集的木薯以山地種植的木薯為主，根據(jù)文獻(xiàn)中的計(jì)算，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗為5.41 MJ/L乙醇(6.85 MJ/kg乙醇)。

2.3 原料運(yùn)輸環(huán)節(jié)

木薯運(yùn)輸環(huán)節(jié)的能耗按式 (2) 計(jì)算，式中1為木薯的運(yùn)輸距離，考慮廣西裝置實(shí)際原料運(yùn)輸情況，設(shè)定為250 km；1是運(yùn)輸燃料 (柴油) 的消耗強(qiáng)度，參考文獻(xiàn)[10]中的數(shù)據(jù)，為7.45 L柴油/(100 t km)；1是運(yùn)輸燃料（柴油）的能量強(qiáng)度，按文獻(xiàn)[11]中的數(shù)據(jù)，為42.7 MJ/kg (35.87 MJ/L)；為乙醇轉(zhuǎn)化率，根據(jù)廣西裝置實(shí)際情況，為1 t乙醇消耗2.918 t干木薯，由于工廠鮮木薯用量較小，全部以干木薯進(jìn)行計(jì)算。

2.4 乙醇轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)

乙醇轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)是本文介紹的內(nèi)容，該環(huán)節(jié)采用源自廣西裝置的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過對(duì)廣西裝置的原輔料消耗、各項(xiàng)損耗、主副產(chǎn)品的產(chǎn)出衡算，形成的物料平衡簡圖如圖2所示。圖2以生產(chǎn)1 t燃料乙醇為基準(zhǔn)，表示出裝置的輸入和輸出物料量。輸入的物料除木薯外，還包括新鮮水、輔料及蒸汽，酶、尿素、硫酸等輔料的用量占的比例很小，因此本文全生命周期評(píng)價(jià)邊界不涉及輔料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。損耗包括雜質(zhì)(沙、粉塵)、噴射液化的排氣、精餾得到的雜醇油和污水處理的污泥。輸出物料除產(chǎn)品乙醇外，還有沼氣、二氧化碳、木薯渣等副產(chǎn)品，以及外排的廢水。其中二氧化碳有0.075 t作液體二氧化碳出售，剩余排放處理。

乙醇轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的計(jì)算公式如式 (3) 所示，式中，i是乙醇轉(zhuǎn)化過程中投入的各能量的消耗量，i是各種形式能量的能量強(qiáng)度。

乙醇轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的能量投入主要為電、蒸汽和水的消耗，采用廣西裝置2013年11月?2014年3月間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表1所示。電、蒸汽、水的能量強(qiáng)度均按文獻(xiàn)[11]折標(biāo)煤，折標(biāo)煤系數(shù)分別為0.1229 kg ce/(kw?h)、0.1286 kg ce/kg、0.086 kg ce/t，折標(biāo)煤后能量強(qiáng)度分別為54.94 kg標(biāo)煤/t乙醇、314.04 kg標(biāo)煤/t乙醇、0.28 kg標(biāo)煤/t乙醇，計(jì)算得轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)綜合能耗為369.26 kg標(biāo)煤/t乙醇。標(biāo)煤的熱值按文獻(xiàn)[11]為29.31 MJ/kg。

2.5 乙醇運(yùn)輸環(huán)節(jié)

乙醇運(yùn)輸環(huán)節(jié)的能耗按式 (4) 計(jì)算，與式 (2) 相似，式中2為乙醇的運(yùn)輸距離，廣西裝置實(shí)際銷售半徑平均為550 km；1及1在式(2) 中給出。

表1 乙醇轉(zhuǎn)化單元電、蒸汽、水消耗

表2 能量產(chǎn)出部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.6 能量產(chǎn)出部分

能量產(chǎn)出的主產(chǎn)品乙醇的熱值采用文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[12]報(bào)道指出，燃料乙醇副產(chǎn)品的開發(fā)對(duì)全生命周期的凈能量有關(guān)鍵影響，副產(chǎn)品沼氣及木薯渣干糟也計(jì)入能量產(chǎn)出部分 (二氧化碳忽略不計(jì))，計(jì)算公式如式(5) 所示，式中，i是產(chǎn)出的副產(chǎn)品的能量消耗量，i是各種形式能量的能量強(qiáng)度。沼氣按甲烷含量60%計(jì)算熱值，熱值數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[13]。廣西裝置的木薯渣熱值，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》(GB/T 213-2008) 進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果為 1 135 kcal/kg (4.75 MJ/kg)。

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算結(jié)果

全生命周期過程的能量計(jì)算結(jié)果如表3及圖3所示。能量投入過程中，總投入為16.65 MJ/L乙醇，其中木薯生產(chǎn)占32.5%，而乙醇轉(zhuǎn)化過程占到51.3%，木薯及乙醇運(yùn)輸環(huán)節(jié)投入的能量為16.2%。產(chǎn)出的能量包括乙醇燃燒產(chǎn)出的能量、沼氣及木薯渣干糟燃燒產(chǎn)出的能量，總產(chǎn)出為26.21 MJ/L乙醇。根據(jù)公式 (1) 計(jì)算得到凈能量數(shù)據(jù)為9.56 MJ/L乙醇，在已報(bào)道[4,6,9,14-16]的結(jié)果中居于較高水平(4.79?10.22 MJ/L乙醇)。

Nguyen等[4]報(bào)道的泰國木薯燃料乙醇的凈能量值為10.22 MJ/L乙醇。本文與其差異主要源自木薯生產(chǎn)、乙醇轉(zhuǎn)化、能量產(chǎn)出等環(huán)節(jié)，以木薯生產(chǎn)環(huán)節(jié)為例，本文采用文獻(xiàn)報(bào)道的該環(huán)節(jié)能耗為5.41 MJ/L乙醇，Nguyen等報(bào)道的泰國數(shù)據(jù)為2.82 MJ/L乙醇。

3.2 討論

多家單位曾報(bào)道過廣西裝置投產(chǎn)后的物料消耗、能量消耗、環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)、生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)等數(shù)據(jù)[14,17-20]。經(jīng)過近年來的多次改造，廣西裝置的有關(guān)指標(biāo)又取得了新的進(jìn)步，前后對(duì)比情況如表4所示。由表4可知，乙醇轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)能耗顯著降低，綜合能耗由396 kg標(biāo)煤/t乙醇降至369.3 kg標(biāo)煤/t乙醇。廣西裝置近年來在物耗、能耗水平降低方面采取了多種技術(shù)提升及改造舉措。

圖3 能量投入/產(chǎn)出簡圖

表3 凈能量計(jì)算數(shù)據(jù)表

Italics represents detailed energy inputs in ethanol conversion.

表4 廣西中糧近期技術(shù)指標(biāo)與往年對(duì)比

1) 副產(chǎn)物利用：副產(chǎn)品帶來的節(jié)能效果不容忽視，廣西裝置沼氣和木薯渣干糟直接燃燒提供的能量產(chǎn)出達(dá)5.03 MJ/L乙醇，約占凈能量值的52.6%。其中沼氣提供的能量較高，約占凈能量值的33%。由此可見，對(duì)木薯燃料乙醇而言，做好木薯燃料乙醇原料的綜合利用是提高能源利用效率的重要措施。

2) 精餾蒸汽消耗：根據(jù)凈能量計(jì)算結(jié)果，蒸汽消耗占乙醇轉(zhuǎn)化總能耗的85%，精餾工序的蒸汽消耗占到總蒸汽消耗的72.36%，從能量角度看，精餾工序的節(jié)能改造具有關(guān)鍵的影響。廣西裝置2008年建的一期精餾設(shè)備采用三效熱耦合精餾工藝，蒸汽消耗量為2.04 t蒸汽/t乙醇。2010年10月完成的二期精餾蒸汽消耗為1.9 t蒸汽/t乙醇。近年來在解決發(fā)酵醪液不溶物造成的換熱設(shè)備結(jié)垢及堵塞等方面取得成效，蒸汽消耗進(jìn)一步降低。目前蒸汽消耗可降至1.6?1.7 t蒸汽/t乙醇。

3) 水消耗：在計(jì)算中，水的消耗對(duì)于凈能量評(píng)估影響較小，但新鮮水的消耗量幾乎和凈能量具有相提并論的意義。廣西裝置建廠初期，主工藝水耗為5.5 t/t乙醇。裝置投產(chǎn)后在耗水較大的粉碎單元采用了多種工藝水回用。如液化真空泵水、閃蒸冷凝水、精餾釜水、廢液罐廢水等均用于拌料。另外在鮮薯原料預(yù)處理單元，采用自主開發(fā)的洗水套用工藝，既節(jié)約了工廠用水也解決了含微量氫氰酸的木薯清洗水不適于排放至污水處理單元的難題。經(jīng)過這幾年的節(jié)水改造，主工藝水耗已降至3.3 t/t乙醇。除主工藝水外，全公司水耗也由近30 t/t乙醇低至12.5 t/t乙醇。節(jié)水還采取中水回用等途徑，在耗水較大的工序，如粉碎拌料工序，通過中水回用，水耗低至0.069 t/t乙醇。精餾工序醪液的稀釋水也采用中水及清液。其他如分離干燥工序的除塵水、污水處理好氧處理環(huán)節(jié)的噴淋用水則全部改為中水。通過上述多種舉措，廣西裝置的主工藝水耗比2008年投產(chǎn)初期降低了40%。

4 展望

近年來，國內(nèi)木薯燃料乙醇發(fā)展很快。至2014年2月，國家發(fā)改委已批復(fù)廣東中能酒精有限公司15萬t/年、中國石化東鄉(xiāng)10萬t/年、浙江燃料乙醇有限公司30萬t/年木薯及海南椰島(集團(tuán)) 股份有限公司10萬t/年木薯燃料乙醇項(xiàng)目，未來幾年新增產(chǎn)能總計(jì)約65萬t/年。

在國外，泰國、越南等主要木薯生產(chǎn)國也在積極利用本地資源發(fā)展燃料乙醇生產(chǎn)。據(jù)文獻(xiàn)[24]報(bào)道，至2011年底，泰國19家在運(yùn)行的乙醇廠總產(chǎn)能約81萬t/年。另外，拿到生產(chǎn)牌照未開工或未建設(shè)的工廠總生產(chǎn)潛能約248萬t/年，其中木薯燃料乙醇廠約占80%。

國內(nèi)外木薯燃料乙醇的發(fā)展顯現(xiàn)了木薯原料的優(yōu)越性。廣西中糧作為國內(nèi)第一家大型木薯燃料乙醇企業(yè)，應(yīng)及時(shí)吸納新建裝置實(shí)施新技術(shù)的成果，繼續(xù)研究節(jié)能降耗的新舉措，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，不斷豐富提升國內(nèi)自有技術(shù)水平。

展望未來國際技術(shù)市場，對(duì)成套木薯燃料乙醇技術(shù)具有潛在的需求。在廣西中糧形成的我國成套木薯燃料乙醇技術(shù)已具有一定的競爭力，繼續(xù)提升技術(shù)水平對(duì)于成套技術(shù)出口也有重要意義。

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(本文責(zé)編陳宏宇)

Net energy analysis for annual 200 000 ton cassava ethanol production at Guangxi COFCO

Guojun Yue1, Zhenjiang Sun1,2, and Naidong Shen1,3

1,100020,2.,.,536100,,3,102209,

Guangxi COFCO innovates its annual 200 000 ton cassava ethanol production in recent years. To evaluate the energy input/output of the production process, we used the domestic life cycle model. The calculation results show that the net energy value was 9.56 MJ/L ethanol. Energy input for ethanol production was 51.3% of the total. 61.5% of energy input for ethanol production was used for steam input in ethanol distillation. Energy produced from by-product was 5.03 MJ/L ethanol. Hence, efficient use of raw materials is an important measure to improve the energy efficiency in Guangxi COFCO and energy compensation from byproducts has key impact on the net energy saving.

cassava ethanol, life cycle, net energy analysis

July 3, 2014; Accepted: November 26, 2014

Naidong Shen. Tel: +86-10-56989569; Fax: +86-10-56989555; E-mail: shennd@cofco.com

Supported by:National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (Nos. 2012AA022304, 2013AA050702).

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃) (Nos. 2012AA022304, 2013AA050702) 資助。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-12-23

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20141223.0912.001.html