打造燃料乙醇制造“零能耗、无污染”技术平台

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背景和意义

能源和环境已是制约世界经济发展的最严重问题之一，利用生物质资源生产燃料乙醇(俗称燃料酒精)，已引起各国的普遍关注。燃料乙醇的原料资源主要包括淀粉质原料(含糖质如甘蔗糖蜜)和秸秆纤维质原料两大类。受多种因素的影响，秸秆纤维质资源生产燃料乙醇的商业化尚待时日。国际上仍以淀粉质原料生产商品燃料乙醇，并已形成大规模的美国玉米乙醇和巴西甘蔗乙醇等产业技术特色。美国缺油．为避免能源受制于人，将发展生物质能源作为国家战略，重点是燃料乙醇，近几年来快速发展，2006年生产规模达1480万吨，超过巴西的1 380万吨位居世界第一。美国有条件发展玉米乙醇，其玉米年产2.5亿吨，约占世界的50％。因而有大量富余，况且还有10亿多亩土地闲置。另一方面美国的养殖业市场对饲料蛋白需求容量很大，因而燃料乙醇的生产工艺顺理成章地形成以玉米为原料。主产品乙醇、副产品饲料蛋白(DDGS)的主流工艺技术。乙醇发酵浓度15％(v／v)，发酵时间54小时～56小时，淀粉利用率约90％。原料玉米干法粉碎。发酵后的蒸馏废液通过多效浓缩造粒制取饲料蛋白DDGS。蒸发凝结水循环配料，基本无废水污染产生，代表玉米燃料乙醇制造的国际先进水平。 我国粮食和土地都处于“紧平衡”状态，只能发展非粮燃料乙醇。综合分析各种非粮原料的供给潜力、是否具备工业原料所需的基本性能、生产技术的成熟度或开发难易程度、生产成本等多方面因素，我国非粮燃料乙醇原料供给能力最大的应是木薯，它将在很长的一段时期内占绝对多数(也是期待中的世界性“能源作物”)。以木薯为原料生产乙醇在我国已有几十年历史。形成生产规模100多万吨，技术相对成熟。成本也较玉米等粮食原料低，甘蔗糖蜜、其他薯类、甜高粱、甜菜、少量玉米等为多元补充。

明显不同于美国和巴西，以木薯为代表的薯类原料乙醇生产技术将在我国成为主流技术，将与美国的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇一样，形成各自的产业技术特色(包括知识产权)。即使秸秆乙醇成功商业化后也将在相当一段时期内相互并存并形成竞争关系。

东南亚是世界上最大的木薯产地，年产鲜木薯约4000万吨，仅泰国就生产2000多万吨，因需求拉动各国都在增产。我国现年产鲜木薯600多万吨，实际还存在大量可利用的“边际性土地”。由于气候、光照、雨水等自然因素差异，东南亚生产的木薯单产高品质好，生产成本较我国广西低约12％。商品木薯是2005年我国和东盟达成的“零关税”贸易协定中的186项商品之一，加之水路运输成本低，一定规模的来源是有保障的。

因而以木薯乙醇制造过程技术为典型。深入研究并集成其特色和关键技术，打造木薯燃料乙醇“零能耗、无污染、低成本”的产业技术平台，形成一批相关自主知识产权，对建立具有中国特色和市场竞争力的生物质能源产业具有特别重要的意义。

关于“零能耗”

生产过程本身的能耗对生物质能产品制造具有重要意义。木薯乙醇制造过程的零能耗将由1项产能技术和3项节能技术的创新和集成得以实现，即通过蒸馏废液的厌氧发酵产生大量沼气，沼气代煤在锅炉中生产高压蒸汽，高压蒸汽经汽轮机组背压发电同时输出低压工艺用汽，电能和低压蒸汽供乙醇生产全过程使用。为实现无需生产外部供能，即“零能耗”目标，还需进行相应的技术创新。如沼气产率提高10％；木薯高浓发酵浓度由10％提高到13％；采用差压蒸馏节能技术等。沼气发酵产能

木薯乙醇蒸馏废液的COD高达8万～10万ppm(固液分离前)，C／N为25～30，处于沼气发酵C／N比的最佳范围内，加上蒸馏废液本身温度较高(100℃左右)因而容易实现沼气的高温发酵。十多年来木薯乙醇废液的沼气发酵特别是2级串联的UASB厌氧发酵在工艺和工程技术上进步很大。目前新建的UASB反应器单只容量一般在3000 m3。最大的已达5000m3。木薯乙醇蒸馏废液的沼气发酵技术已成为大规模工业沼气发酵的成功典范。国内木薯乙醇企业一般产沼气水平为260Nm3／吨乙醇(95％，v／v)，最好的已达330Nm3／吨乙醇。其主要差异在沼气发酵工艺的安排上，即先固液分离后沼气发酵，还是2级串联中间分离，后者因生物质转化更为充分故沼气产率高。

尽管沼气发酵技术进步很大，但仍有很大潜力，木薯乙醇废液中还剩余40％的固态生物质尚未转化成沼气(未溶解的纤维和木质素类物质)。研究提高沼气发酵技术，再增加10％的沼气量，使之达到360 Nm3／吨乙醇是可以做到的，理想的是所有非乙醇发酵的生物质全部转化成沼气。热电联产

乙醇制造既用电又用汽。特别是乙醇蒸馏用汽量大而稳定，为热电联产装置的稳定运行提供了条件。发酵工艺用汽压力一般在0.4MPa即可，而热电联产产汽锅炉额定压力多在3.8MPa以上，除去蒸汽输送管路压力损失后一般还有3.0Mpa以上的压差可推动汽轮机组发电(如既产汽又发电的背压式发电)。

由于工艺用汽压力不高，发酵企业采用2.1 MPa以下的低压锅炉较多，但低压锅炉热效率低，仅80％左右。热电联产为提高热电转换效率通常使用3.8～5.9MPa的中高压锅炉，热效率较普通锅炉提高10个百分点以上，可达92％～95％。因而背压发电和锅炉热效率的提高为企业带来双重利益。对乙醇生产企业而言其生产成本可降低8％～10％，因而热电联产技术在10万吨以上规模的企业推广应用很快。

高浓度乙醇发酵

我国玉米乙醇发酵浓度一般在12％。较美国普遍在15％以上相差3个百分点。而木薯原料因营养较玉米差。发酵浓度更低，仅9％～10％。乙醇高浓度发酵既能提高装备产能，又能较大幅度降低能耗，如乙醇浓度从12％提高到15％，则蒸汽消耗降低15％。因而高浓度乙醇发酵是一个重要而现实的技术方向，玉米乙醇发酵浓度15％，木薯乙醇发酵浓度13％应是近期比较合理、工艺和工程技术经过努力能够达到的目标。

乙醇差压蒸馏

差压蒸馏实质上是双效蒸馏技术。安徽宿县从法国引进第一套装置至今已有20年历史，期间经历乙醇工业不景气，企业普遍规模小投资大因而实际推广缓慢。2000年以后四个规模化的燃料乙醇定点企业全部采用差压蒸馏技术，国内其他年产10万吨以上非定点的乙醇生产企业也在逐步使用中，技术已比较成熟。实际运行吨乙醇可节约蒸馏耗汽35％。相当于乙醇生产全过程节约蒸汽23％。

乙醇制造“零能耗”的实现

(1)木薯乙醇制造过程的能量投入

国内较好的水平是乙醇每吨(以发酵液乙醇10％计)汽耗3.8吨，电耗130kWh(已包括环保工程运转用电)。

(2)蒸汽的消耗和产出

高浓发酵技术即发酵乙醇度从10％提高至13％，节约蒸汽15％；应用差压蒸馏技术，蒸馏可节能35％。因蒸馏用汽占乙醇生产总用汽的65％，相当于生产过程节汽为23％。两项技术可节汽38％，蒸汽消耗降为2.36吨／吨乙醇。

沼气产率计为360Nm3／吨乙醇，热值为5140×4.187kJ／Nm3。热电联产中的燃烧产汽6.5kq／Nm3。总产汽2.34吨／吨乙醇，即沼气燃烧产汽和生产消耗蒸汽基本平衡。

(3)电力的消耗和产出

我国发酵产业界目前热电联产应用已比较普遍，行业先进水平为：在输出低压工艺蒸汽的同时每吨蒸汽可净产出电能90kWh，折合成吨乙醇(95％，v／v)废液生产沼气后热电联产发电21 1kWh／吨乙醇。

与木薯乙醇生产过程消耗电能130kWh／吨乙醇相比，电力富余81 kWh／吨乙醇。即通过技术进步和技术集成，以木薯原料生产燃料乙醇，可实现能量自给，且每吨乙醇(95％。v／v)可对外输送电能81kWh，即可实现富裕的“零能耗制造”。

(注：以上计算木薯发酵乙醇浓度13％、沼气产出360Nm3／吨乙醇(95％，v／v)，其他相关数据来自企业内部实际考核指标。)

(4)目前国内乙醇企业能耗已达到的最好水平

江苏花厅酒业已实现沼气代煤作主要能源，10万吨级木薯乙醇生产线在热电联产工程尚未投产前，吨乙醇耗原煤0.1吨以下，与原一般吨乙醇需原煤0.5吨指标相比，大幅度节能80％以上(“原煤”热值指4.187×5500 kJ／kq)。该企业的乙醇生产过程实际上已接近“零能耗”，沼气热电联产工程上马后，由于电力有富余而上当地电网，算经济账即可实现零能耗。体现在能耗成本为“零”上。

木薯乙醇零污染工艺

木薯乙醇沼液回用环形工艺

生物质能源产业如规模过小则没有实际意义，规模大则废水治理包袱沉重，由于沼气发酵后的沼液COD仍有2000ppm以上，达标排放采用好氧技术处理的成本很高，而且氨态N很难达标，是一个环境隐患。因而低成本的“零污染工艺”技术平台不建立，燃料乙醇等生物质能源产业在我国难以顺利发展。

产品制造型企业其污染可能有各种类型，如废水、废气或废渣污染，也有制造工艺型污染和工艺辅助型污染。对燃料乙醇而言关键是“工艺型废水污染”，需通过技术创新使其向“零污染工艺”转型。解决了工艺型废水污染则其他生产辅助型废水总量少而COD低。总污染负荷往往以数量级程度下降。企业容易承受。问题也就容易解决。

在总结前人成果和多年研究探索的基础上。江南大学完成了木薯乙醇沼液回用闭路循环的框架研究。形成如下图所示的乙醇发酵环形工艺：

酵母的乙醇发酵相对粗放，对发酵原料的要求不像氨基酸等那样严格，因而可以用适量的蒸馏废液作工艺配料用水循环回用。乙醇蒸馏废液pH3.8～4.0。但液化糖化的适宜pH分别为5.5和4.5。因而用蒸馏废液作配料用水有一个pH匹配的问题：另一个问题是蒸馏废液中的可溶性干固物含量高达6％～8％。在废液回配循环中会逐渐累积，因此目前企业用蒸馏废液循环回配率最高不超过30％。

蒸馏废液经沼气发酵后pH为中性，可溶性干固物仅0.2％，容易实现作工艺配料水全部回用的目标；原本沼液后续耗氧处理中难降解的氨态N等小分子有机物成了乙醇酵母的营养物。醪液酵母密度增加了30％，更适宜高浓度乙醇发酵；不再需要为废水达标排放而必须进行的大规模高成本的耗氧处理和氨N降解，节约了水资源，也降低了生产成本。仍需研究解决的几个关键技术

(1)高浓度乙醇发酵技术

一般研究集中在耐高渗菌种和酵母营养物上，目标使木薯乙醇发酵在工业规模上稳定在13％、原料糖质对乙醇转化达91％。发酵时间控制在60小时之内。

(2)生物质全利用技术

乙醇蒸馏废液中尚有40％～45％的COD物质在沼气发酵中没有得到有效转化。适合开展发酵沼气深度转化、生物高分子材料、高效微生物堆肥或发酵蛋白饲料等研究，使废物得到充分的资源化转化。

(3)工程技术开发

工程化应用阶段可能出现的高浓物料的输送、蒸馏粗塔的雾沫夹带、沼气发酵的脱S、环形工艺工程平衡技术等问题需要通过工程规模的实践来解决。

木薯乙醇是我国生物质能源开发中一个很好的突破口，完全可以在企业层面呈现一个“零能耗、零污染”的样板和技术平台。工业生物技术界如能集中一些力量。政产学通力合作，将为我国生物质能源事业的健康发展做出重要贡献，也为其他非粮燃料乙醇的制造技术和后续秸秆能源化转化技术的研发和工程化积累宝贵的经验。