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世界燃料乙醇生产情况

2010-03-15 16:02:56 中国化工信息网

自20世纪中期以来,石油成为世界上最重要的能源物资。但当前世界石油供应比较充裕的状况难以持久,新发现的石油储量越来越少,产量也日渐减少。近年来,中东局势动荡,尤其是日渐减少的石油资源和日益增加的开采费用,使得石油价格持续攀升,给世界经济的发展投下浓重的阴影,从而使以可再生物质生产代用能源成为大势所趋。汽车尾气对环境的污染日益严重,环境的恶化是人类共同面对的一大难题。添加10%的燃料乙醇,可以减少汽车尾气CO排放量的30%,烃类排放量的40%,同时减少CO2和氮氧化合物的排放。
世界各国对可再生能源的发展给予了高度重视,竞相开发。美国、巴西走在世界前列,该两国燃料乙醇产量占产量世界的69%。我国从20世纪80年代起即考虑用可再生物质生产能源产品以应对能源危机,国内第一套以玉米为原料生产乙烯/环氧乙烷联合装置在1985年正式立项,1992年开工建设。
1 国外燃料乙醇生产使用概况
1.1 美国
1.1.1 燃料乙醇生产使用量
目前,美国燃料乙醇生产量约占世界产量的33%。近年来生产使用情况及预测如表1所示。

表1 近年来美国燃料乙醇生产使用情况及预测
根据美国能源部公布的资料可以看出,近年来美国燃料乙醇的生产与使用获得迅猛发展:年产量突破10亿加仑用了10年时间(1984~1993年),突破20亿加仑也用了10年时间(1993~2002年),而由20亿至30亿加仑仅仅用了2年时间(2002~2004年)。
根据美国能源部的计划,到2025年可再生物质生产的生物燃料将代替从中东进口的石油的75%,到2030年将用生物燃料代替现在汽油使用量的30%,届时将需要燃料乙醇600亿加仑,即约1.8亿t。
1.1.2 美国燃料乙醇生产原料及工艺
美国的燃料乙醇生产,主要以玉米为原料,90%以上的燃料乙醇生产企业将厂建在玉米带上。生产工艺主要是全粒法(干法)阶梯式连续发酵。1995年时美国44个燃料乙醇生产厂只有11个采用湿法工艺。20世纪50年代后新建企业几乎全部采用干法工艺,主要原因是建设期短,投资较少(许多工厂是由当地农民和其他资本投资建设的),并且其副产物干酒槽颗粒饲料(DDGS)也是当地养牛业所需的全价饲料。
为了进一步提高综合经济效益,美国有企业用溶剂将DDGS中所含油脂萃取出来,进一步制成生物柴油和甘油,也有企业将初馏塔釜底液进一步处理后,经复合纤维素酶酶解其中的纤维和半纤维素,分离后残渣加工成蛋白饲料,酶解液进一步发酶制醋酸。醋酸可直接销售,也可与乙醇生成醋酸乙酯,再氢解为乙醇,在这一系列反应中,葡萄糖将全部转化为乙醇,而无CO2析出,因此原料利用率大为提高。据报道,由于DDGS等副产物收益较好,冲抵后美国燃料乙醇的生产成本约为0.4~0.5美元/升。
1.2 巴西
目前,巴西燃料乙醇的生产量约占全球产量的36%,约为1265万t。国内使用1226万t,占全国非柴油车用燃料的40%左右。年出口约40万t左右。巴西是目前世界上惟一不供应纯汽油的国家,也是世界上最早推广使用燃料乙醇的国家,20世纪70年代即进行燃料乙醇生产与推广。1977年开始使用E20汽油(含乙醇20%),1980年研制出使用含水乙醇的汽车发动机,所用燃料乙醇含水量达7.8%,目前,全国有超过250万辆汽车是由使用含水乙醇发动机驱动的,另有1550万辆车使用含乙醇22%的E22乙醇汽油。巴西的目标是年生产10万辆以乙醇为动力的汽车,预计2011年巴西燃料乙醇的产量将达到2150万t。
巴西燃料乙醇的生产是以甘蔗为原料,目前全国甘蔗年产量约有一半用于生产乙醇,预计2010年前后将有60%产量用于乙醇生产。其生产方法是直接将榨取的甘蔗汁进行发酵。前处理工艺比较简单,投资较少,生产成本较低,据报道,巴西燃料乙醇生产成本约为370美元/t,出口价格为420美元/t左右。
1.3 欧盟及其他国家
1.3.1 欧盟
欧盟15个成员国,2005年生产燃料乙醇72万t,其中法国约30万t,西班牙24万t,法国13万t,意大利、瑞典也有一定产量。预计,2010年欧盟将生产燃料乙醇300万t。欧盟各国燃料乙醇生产原料主要为小麦和薯类。
1.3.2 加拿大
已形成规模生产,并正逐步推广使用乙醇汽油。其各省对燃料乙醇的使用要求不同,其中安大略省已立法,要求在2010年前销售的发动机汽油中必须含有10%的燃料乙醇,温尼泊省为10%,而萨斯喀则温省要求为7.5%。加拿大燃料乙醇生产原料主要为玉米和小麦,生产成本约为0.5美元/升。
1.3.3 日本
目前尚未大规模使用燃料乙醇,由于资源缺乏,目前只有含3%乙醇的汽油供应。政府计划2020年前,50%以上汽车使用乙醇汽油,2030年所有汽车使用乙醇汽油。
1.3.4 印度
做为发展中大国,印度对能源问题也十分重视,其乙醇年产量在17~30亿公升间,生产原料主要是糖蜜,目前正在推广使用含乙醇5%的乙醇汽油,每年需从巴西进口乙醇,但印度政府的目标是做到燃料乙醇自给自足,因此巴西方面预计这种进口状况不会持续太久。
1.3.5 泰国
泰国政府对燃料乙醇的生产使用十分重视,拟建立年产100万t燃料乙醇生产能力,在全国推广使用E10乙醇汽油。初期拟建成10万t/a燃料乙醇生产装置,但迄今未见竣工报道。
1.3.6 其他
燃料乙醇的生产与使用已是大势所趋,各国都在加紧制订规划,澳大利亚、墨西哥、哥伦比亚等国计划推广E10乙醇汽油,阿根廷计划使用E15乙醇汽油。英国、荷兰、奥地利、南非等国均已制订计划,积极发展燃料乙醇的生产。
2 我国燃料乙醇生产及使用情况
2.1 燃料乙醇使用情况
近年来我国乙醇生产能力增长迅猛,全国生产能力:2004年为395万t,2005年为656万t,而2006年猛增至897万t,仅此一年即增加241万t,但其中国家批准定点的只有4家燃料乙醇生产厂,其生产能力2003年为102万t/a,其中吉林燃料乙醇公司30万t/a,河南天冠燃料乙醇有限公司30万t/a,安徽丰原生化股份有限公司32万t/a,黑龙江华润酒精有限公司10万t/a。2004年华润扩建成年产32万t能力,2005年吉林扩建至60万t/a产能,总生产能力达156万t/a。近年我国燃料乙醇使用情况如表2所示。

表2 我国燃料乙醇使用量

2006年E10乙醇汽油使用量达到110万t左右,约为全年汽油消费量的20%。
根据2004年统计,我国乙醇生产按原料分,玉米占50.30%,薯类22.89%,高粱13.35%,小麦2.11%,糖蜜11.35%。我国木薯产量不能满足木薯酒精企业生产需要,每年需从泰国进口大量木薯干,仅2006年月1~9月份即进口木薯达374.82万t。
2.2 玉米燃料乙醇
2.2.1 高密度单槽清液连续发酵工艺
乙醇生产中,原料成本在生产成本中占有绝对多数,虽然原料价格时有变化,但原料费用在生产成本中比重独大的地位却无法撼动。据有关部门统计,2004~2006年玉米生产乙醇原料成本在总成本中所占的比例分别为89.66%、86.7%和87.96%。
因此如何提高玉米各组份综合利用价值,大幅提升副产品的附加值,以减少原料价格上涨带来的负面影响,是使燃料乙醇能否大面积推广的关键之一,依靠政府财政补贴终非长久之计。
这里介绍的南京绿天源生物化工工程有限公司开发的膜耦合清液发酵燃料乙醇生产工艺,是拥有独立知识产权的国家专利技术(专利号:ZL01127164.7),其工艺流程如图2所示。
膜耦合清液发酵燃料乙醇生产工艺技术特点如下:
(1)高细胞密度:酵母细胞密度为5×108/mL,发酵周期6~8h,是传统工艺发酵周期的1/10~1/8,发酵强度大,设备利用率高。
(2)糖-醇转化率高,可达理论值的94%。膜生物反应器的应用,使产物反馈抑制降至最低,副反应产物极少。
(3)改良湿法前处理工艺,玉米综合利用率高,副产物附加值得到大幅度提升。
(4)差压蒸馏、热泵技术和热耦合技术的应用,显著降低能耗。
(5)采用耐高温菌种,可在35℃时正常发酵,显著降低循环水消耗,节能。
(6)全程自动控制,使整个生产过程始终处于最佳工艺条件下运行。
(7)闭环生产工艺,无工艺废水排放,既节约水资源,又保护环境。
按照2006年上半年市场价格,以上述工艺设计建造的年产6万t燃料乙醇厂的固定资产总投资(包括配套热电站)为1.45亿元。年销售收入3.398亿元,年利税3172万元。燃料乙醇单位成本核算结果为:总成本5135元,副产品抵扣为1463.67元,单位成本为3671.33元。
使用上述专利技术,用玉米为原料生产燃料乙醇,综合经济效益是好的。但采用此方法发酵生产酒精,糖醇转化理论收率仅为51%,相当一部分糖变成了CO2,必须加以解决。
2.3 木薯燃料乙醇
木薯系淀粉质原料,用途比较广泛,近年来随着我国乙醇产能迅速增长,木薯需求量也大增,每年均需从国外大量进口,2004年以来,连续3年进口量均超过300万t,价格也在逐年攀升。2006年11月广西木薯干收购价格已涨至1200元/t。
同为淀粉质原料,除原料前处理工段有所不同外,制糖和发酵等工段与玉米乙醇是相同的。根据上述工艺要求,年产6万t燃料乙醇的生产厂,按2006年中期市场价格计,固定资产总投资1.25亿元,包括配套热电站一座。年销售收入2.74亿元,其中主产品6万t燃料乙醇销售收入2.52亿元。5500t饲料酵母销售收入2200万元,年利税1166.8万元。燃料乙醇单位成本核算结果为:总成本4612.2元,副产品抵扣为366.6元,单位成本为4245.6元。
木薯乙醇主要存在以下3个问题:一是原料的可靠供应问题,即国内木薯生产难以满足发展燃料乙醇需要。二是原料价格上扬问题,由于木薯的综合利用价值较低,副产品收益少,因此原料价格对生产成本的影响更明显;如上述工厂若按同期泰国市场木薯干价格(合人民币800元/t)进原料,则上述项目年利税可达7886.8万元。但2006年以来木薯干进口到岸价在120~140美元/t。因此木薯乙醇的成本更难以明显下降。每吨木薯燃料酒精成本较以玉米为原料的燃料酒精每吨成本高500元左右。三是环保问题,木薯乙醇废液治理难度大是环保界公认的。目前绝大多数木薯乙醇厂排放的废液未经有效处理即排放,对当地及下游环境造成严重影响。上述问题严重制约了木薯燃料乙醇的发展。
2.4 其他原料乙醇生产简况
2.4.1 糖蜜
我国甘蔗种植主要在广东、广西、云南一带,数量较少,东北地区甜菜种植面积也日趋缩少,糖蜜数量原本不大。近年来,随着糖蜜用途的广为拓展,市场对糖蜜的需求迅速增长,与此同时国际、国内市场糖价持续攀升,使得糖蜜价格也不断高企。糖蜜乙醇已无成本优势,因此日渐萎缩。
2.4.2 甜高粱
也属于糖质原料。2006年中科院近代物理所利用重离子辐射技术培育甜高粱新品种,使得甜高粱秸杆汁液含糖量大幅提高,在甘肃进行了多种区域千亩规模试验种植,平均亩产甜高粱8t,汁液含糖量20%左右。榨取汁液后直接发酵16h,醪液含乙醇9%左右,每亩地所产甜高粱可制取乙醇300kg左右,甘肃省有边际土地1000万亩适宜种植甜高粱。目前国家发改委已将甘肃省作为定点生产甜高粱燃料乙醇的省份,“十一.五”期间将建立40万亩甜高粱种植基地,兴建年产10万t燃料乙醇生产厂,并在省内封闭销售。
清华大学、中粮集团和内蒙古自治区五原县政府也合作进行了固态发酵燃料乙醇中试,据此,内蒙古河套地区拟建年产3万t甜高粱燃料乙醇生产装置。
新疆农科院吐鲁蕃农科所负责的甜高粱乙醇项目已选定2万亩甜高粱种植区域,莎车县和浙江浩淇生物质新能源科技有限公司共同开发,将在5年内建成每年可利用30万t甜高粱秸杆的燃料乙醇生产厂。
农业部规划设计院称已建成每年400t中试装置进行甜高粱流态固定化酵母快速发酵生产燃料乙醇,发酵周期8~10h,据称,不含三废处理费用的燃料乙醇生产成本为3800~4000元/t。
甜高粱是耐旱作物,利用旱地、盐碱地等边际土地种植甜高粱生产燃料乙醇是一个好途径,但是要解决好大量秸杆渣的去向,如用作食草动物的饲料,虽是一个较好的解决方法,但一旦大规模推广,数百上千万吨的秸杆渣需要多少动物来消化,这大量牲畜的市场前景又如何都是需要考虑的;如将这些秸杆用于造纸,则必须解决污染处理问题。
2.4.3 秸杆
以秸杆中的纤维素为原料生产乙醇是国内外十分关注的课题。山东大学生命科学院在这方面做了大量的工作,有报道说山东大学和河南天冠集团联合攻关的纤维酶解生产燃料乙醇中试项目进展顺利,酶活力和生产成本达到国内领先水平,其做法是先用稀酸处理已破碎秸杆,脱除木质素后,纤维经酶解成葡萄糖,再经发酵制得乙醇。目前,该技术已申报拟建年产5万t燃料乙醇厂,固定资产投资1.6211亿元(不包括热电站),其直接生产成本(原辅材料、水电汽耗和人工费)3365元/t,不含废水等三废处理费用,其中吨耗原料秸杆6t、1200元;酶制剂7kg、1792元。
有报道称,中粮集团500 t/a纤维素中试装置于2006年11月22日一次试车成功,在世界上首次将连续汽爆技术应用于纤维乙醇生产,所用纤维素酶是中粮集团与丹麦诺维信公司联合开发的,从试验结果看各项技术指标均达到国际先进水平。
以秸杆为原料生产乙醇首先面临的是原料体积庞大,收集、运输、储存问题需很好解决;其次是原料木质素含量较高,应采用酸解预处理所产生的酸性废水必须好好解决;最后是酶制剂所占成本比重很大,导致燃料乙醇成本偏高。
3 发展建议
3.1 采用不同原料生产燃料乙醇
面对能源短缺,发展生物质燃料已成各国共识,因地制宜采用不同原料生产燃料乙醇是解决问题的正确途径。当前,甚至在相当长的一段时期内我国燃料乙醇的生产仍应以淀粉质原料为主,其中主要是玉米,其次在适宜地区种植薯类作物为辅,因为我国和美国一样同处于玉米种植的黄金地带,玉米同其他作物相比易于种植,易于收获,易于贮藏,易于加工转化,易于提取纯化,生产燃料乙醇附产品综合经济效益最好,技术最成熟,成本也最低。在我国,以非粮原料如秸杆等生产燃料乙醇是一个应积极努力的方向。在西部适宜种植的边际土地种植甜高粱等作物用于生产燃料乙醇,可以作为对全局的补充。
3.2 以玉米为原料生产燃料乙醇应作为系统工程来抓
首先要建立相应原料基地,应把基因玉米作为最为重要的工业原料作物大力推广种植,大幅度提高单位面积产量,解决与粮争地的问题;其次,应大力推广新工艺,新技术,特别是发酵与节能技术,提高糖醇转化率,降低水、电、汽能源消耗。对于一个年产10万t乙醇企业,收率每提高1%,就意味着不仅企业每年增加420万纯利润,减少3000 t玉米的消耗,同时也节约了一个火车专列的运力,这是何等显著的社会经济效益!当前最为现实是把目前工厂中占原料总量12%左右的玉米纤维利用起来多产5%左右燃料酒精,若进一步改变酒精发酵的路径,不释放CO2,大幅度地提高糖醇转化率,前景更诱人。第三,没有绝对的废物,只有放错位置的资源。要将三废处理的问题解决在生产过程中间,而不是在生产过程的最后,按循环经济的观点来设计燃料乙醇工厂,搞好资源综合利用,把燃料乙醇与生物质化学品的生产有机的结合在一起。这些是燃料乙醇能否可持续发展的关键。建议将这些实实在在,切实可行,很快便可取得显著经济效益的关键技术列入国家攻关课题,集中人力、物力、财力在短期内突破。
总的说来,当前我国玉米的绝大部分已做为工业原料。我国近年来,玉米年产量在1亿3千万t左右,2005年产量达到1亿3千9百万t,用于人们食用部分大约10%左右,且有逐年下降趋势,大部玉米用于饲料加工,其次用于生物化工(如赖氨酸、味精、维生素、淀粉糖、葡萄糖、变性淀粉等),以及白酒和食用酒精的生产,此外,还有部分出口。2003年我国玉米出口达1500万t左右,而据2005年资料,我国出口玉米价格倒挂,出口离岸价低于国内市场价,国家已取消出口补贴,预计2006/2007年度,我国出口玉米将降至400万t左右,这1000万t左右的玉米回归,将有助于改善国内市场玉米供应情况。同时燃料乙醇生产过程中所产生的高蛋白饲料等副产物,约占原料玉米总量的1/3左右,又返回到饲料生产中,这些高品质的添加物的加入,可以显著减少饲料用粮的消耗。有报告说,可减少原粮用量的20%以上。因此,燃料乙醇的生产虽然引发了“争粮”的议论,但并不如想像之严重,如果采取上述有效措施,“与人争粮”、“与粮争地”问题是可以妥善解决的。相反却是一条解决“三农”问题的一条重要途径!




责任编辑: 中国能源网

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