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生物质燃料乙醇研究进展

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/1/21 17:24:30   

  所属频道:  火力发电    关键词:  生物质 乙醇 燃料

全球变暖、化石能源日渐消耗……引发了人们对新型、可再生能源的深刻思考。如巴西、美国、中国等国正积极开发、利用生物质燃料乙醇生产技术。但如果一如既往以大量粮食生产燃料乙醇势必和人“争食”、“争地”,造成人类生存隐患,走“非粮”路线是大势所趋。其中,纤维素地球贮量丰富,其能量来自太阳,通过光合作用固定下来,取之不尽,用之不竭,各国正如火如荼地进行着相关研究[1-5]。本文分析了燃料乙醇发展经济、能源、环境、社会效益,肯定了其能源战略地位,提出几条实现我国生物燃料规模化生产的可行性建议以资借鉴。

1国内外燃料乙醇发展概况

目前面临化石能源危机,一些农产品丰富的国家正大力发展乙醇汽油供应市场。巴西从1975年开始实施“燃料乙醇计划”,以其富产甘蔗为原料,目前已形成1000多万吨产能,替代了1/3车用燃料。为推广燃料乙醇,美国制定了积极的经济激励政策,计划从2006年至2012年,可再生能源燃料年用量从1200万吨增加到2300万吨。日本重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇。欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也在在积极进行着相关研究[1]。

目前,中国是继巴西、美国之后全球第三大生物燃料乙醇生产和消费国。“十一五”期间将生产600万吨生物液态燃料,其中燃料乙醇500万吨。实践证明我国过去以粮食为原料生产燃料乙醇,不符合国情,探索非粮能源资源是大势所趋[1]。全国相关研究正如火如荼进行着,呈现一派“百花齐放,百家争鸣”的景象。特别是筹建中的中国科学院青岛生物能源与过程研究所,顺应时代潮流而生,肩负历史、国家使命,是集中力量办大事的“国家队”。

2中国能源战略

随着全球变暖和化石能源消耗,人们对新型替代能源--乙醇的关注度日益上升,正成为许多国家新能源政策的重要组成部分。以此为契机,8年前中国上马了燃料乙醇项目,也意在解决过剩陈化粮问题。经过1999-2005几年间不懈努力,国家首批4家燃料乙醇定点生产企业完成了规划建设的102万吨产能,基本实现了“十五”提出的“拉动农业、保护环境、替代能源”三大战略目标。然而我国人口众多,人均耕地少,用大量粮食生产燃料乙醇必然要和人“争食”、“争土地”,造成人类生存空间越来越小,不符合我国国情。因此,2006年12月国家发改委和财政部联合下发了《关于加强生物燃料乙醇项目建设管理、促进产业健康发展的通知》要求生物燃料乙醇项目建设需经国家投资主管部门核准,未经国家核准不得增加产能[1-5]。

在规划实施中,国家采取国际通行做法,对燃料乙醇生产给予财政补贴和产业政策扶持。财政补贴额逐年减少,2007年每生产一吨燃料乙醇国家给予1373元补贴,到2008年底将采取弹性补贴方式以尽可能避免企业亏损[1]。未来工作依据是国家《生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》,其总体思路是积极培育石油替代市场,促进产业发展;根据市场发育情况,扩大发展规模;确定合理布局,严格市场准入;依托主导力量,提高发展质量;稳定政策支持,加强市场监管。其基本原则有7条:因地制宜,非粮为主;能源替代,能化并举;自主创新,节能降耗;清洁生产,循环经济;合理布局,留有余地;统一规划,业主招标;政策支持,市场推动[1]。“十一五”期间我国将生产600万吨生物液态燃料,其中燃料乙醇500万吨。这一产量的制定主要取决于全国用于非粮生产的盐碱地和荒地面积[1]。并且国家将继续实行生物燃料乙醇“定点生产、定向流通、市场开放、公平竞争”的相关政策[1]。

3燃料乙醇效益

燃料乙醇是通过对乙醇进一步脱水,再加上适量变性剂制成。目前,中国试点推广的E10乙醇汽油是在汽油中掺入10%纯度达99.9%以上的乙醇制成[2]。简而言之,燃料乙醇发展实现了“十五”规划中提出的“拉动农业、保护环境、替代能源”三大战略目标[1],不仅部分解决了汽油紧张,拉动了大宗农产品的消费,为农民增加了收入,也促进了国家可持续发展战略。乙醇燃烧值仅为汽油2/3,但其分子中含氧,抗爆性能好,取代传统MTBE为汽油抗爆、增氧添加剂,避免了其毒害性(致癌,地下水污染),具有优良能源、环保效益。如汽油中乙醇添加量≤l5%时,对汽车行驶性能无明显影响而尾气中温室气体含量降低30%-50%。添加10%,其辛烷值可提高2-3倍,还可清洁汽车引擎,减少机油替换使其动力性能增加[3]。事非偶然,联合国工业发展组织就在维也纳乙醇专题讨论会上提出:“乙醇应该被当作燃料和化工原料永久的和可供选择的来源”[3]。

4燃料乙醇生产原料

一次能源必将耗竭,研究、开发可再生能源势在必行。以混配乙醇汽油(E10乙醇汽油)为例,每用1000万吨就可节省1O0万吨汽油,而要提炼这些汽油至少需要300万吨原油,足见乙醇的能源战略地位[1]。

燃料乙醇生产原料主要有玉米(美国)、甘蔗(巴西)、薯类、谷类等。不同原料全生命周期的能量效益也不同,由高到低依次是甜甘蔗、甜高梁>木薯>玉米、小麦。如巴西甘蔗能量比达到1︰8以上,玉米、小麦等粮食作物及木薯、甘薯大约是1︰1.3~1.4,产生正效益[1]。然而以粮食为原料,势必与人“争粮”、“争地”,利用非粮资源是大势所趋。非粮资源包括木薯、甘薯、甜高梁,还有大量粮食作物秸秆,农业、工业、生活废料等纤维素、半纤维素、木素及其它可用生物有机质资源。其中,纤维素是地球上贮量最丰富的有机物,其能量来自太阳,通过植物光合作用固定下来。每年地球上由光合作用生成的植物体总量达1.5×l011kg,40%是纤维素。按全球人口平均,每人每天可分摊到56kg。日本就重点研究利用农、林废弃物等植物纤维素制备燃料乙醇[3]。如我国过去以玉米为原料生产燃料乙醇,成本相对要高,不符合人多地少的国情。因此,现阶段国家对生物燃料乙醇项目建设实行核准制。“十一五”专项规划要求燃料乙醇生产走“非粮”路线。此外,欧盟、加拿大、菲律宾、墨西哥等国也正如火如荼地进行着相关研究[1]。

5燃料乙醇生产路线

对于生物质衍生合成气制乙醇有并存、竞争的化学法、生物法两种转化技术:

(1)生物法:纤维素、半纤维素,酸解或酶解或发酵→单糖(五碳、六碳糖),化学、酶催化及微生物发酵→乙醇

(2)化学法:纤维素、半纤维素、木素及其它生物体有机物,热解→合成气(H2,CO),化学或酶催化或微生物发酵→乙醇

在某些方面,化学法好比西药,强烈、见效快,生物法好比中药,温和、见效慢。两种方法“各有千秋”,其制约因素是成本和高效、廉价催化剂、酶和合适微生物的开发等关键技术。总而言之,生物法具有选择性、活性好、反应条件温和等优点,但原料利用率低、反应时间长、产物浓度低及酶、微生物活性易受影响且纤维素降解和单糖转化所需酶、微生物适于不同反应条件,不能很好耦合。相比,化学法具有原料利用率高、反应时间短、催化剂构成简单、没有严格反应条件限制等优点,但为高温、高压过程,对设备要求高[1-5]。

6能效分析

生物质直接燃烧热效率很低,只有10%左右,而将它们转化成气体或液体燃料(甲烷、氢气、乙醇、丁醇、柴油等)热效率可达30%以上,缓解了人类面临的资源、能源、环境等一系列问题[4]。其次,乙醇燃烧值仅为汽油2/3,但分子中含氧,用作汽油添加剂抗暴性能好、低排放,可提高其辛烷值2-3倍,还能使汽车动力性能增加等[3]。

7经济分析

目前中国试点推广的E10乙醇汽油价格按国家同期公布的90号汽油出厂价乘以价格系数0.911。90号汽油目前出厂价不到5000元/吨。由于玉米价格上涨导致生产成本增加,每销售1吨燃料乙醇要亏损数百元且在汽油多次提价之前,每吨亏损一度达到了1000多元[2]。此外,燃料乙醇定价机制不合理,有两个“倒挂”,不能充分体现其价值:一是油价倒挂,我国原油价格和国际市场接轨,但成品油没有实现接轨;二是燃料乙醇产品价格倒挂。原本成品油价格就低,再乘以0.911所形成的价格对燃料乙醇经济性就很差。另外,以燃料乙醇取代高价MTBE,而燃料乙醇各项指标接近或优于MTBE,价格更高才合理,但并非如此,从技术上也没有充分体现其经济性。就目前生产工艺而言,燃料乙醇生产成本本来就很高再加上定价机制不合理,导致生产企业严重依赖于国家财政补贴[1]。

建议

要实现我国生物燃料规模化生产,关键要解决好资源、技术、市场、国家投资、价格和税收政策四个环节问题;在尽量不与粮食作物争地的情况下,积极开发非粮原料种植基地;努力开发自主知识产权,争取生产技术、设备国产化;延长产业链,除燃料乙醇外生产如乙酸乙酯、乙烯、环氧乙烷等化工产品。这样,实现了对资源综合利用,“吃干榨尽”,大大提高了农产品附加值,也在一定程度上减少了企业亏损。

参考文献

[1]秦凤华.燃料乙醇蒸蒸日上[J].中国投资,2007,38-41.

[2]任波.乙醇汽油转折[J].财经,2007,178:100-102.

[3]雷国光.用纤维质原料生产燃料乙醇是我国再生能源发展的方向[J].四川食品与发酵,2007,43(135):39-42.

[4]窦克军,孙春宝.玉米秸秆发酵生产乙醇的研究进展[J].四川食品与发酵,2007,43(135):30-34.

[5]路宽行.乙醇燃料:打开新能源之门?[J].经济导报,2007,3013:30-31.

ResearchProgressonBiomassFuelEthanol

(QingdaoInstituteofBiomassEnergyandBioprocessTechnology(inBuilding),ChinaAcademyofSciences,Qingdao,Shandong,266071,China)

HeJieWanHai-junHeTaoZhangWen-nan

Abstract:Advancesofdomesticandoverseasbiomassfuelethanolisoutlinedinthispaper.Havingevaluateditseconomic,energy,environmentalandsocialbenefits,thereafteritsimportanceasapartofChineseenergystrategyhadbeenconfirmed.Finally,afeasibleschemeforfuelethanolproductionfrombiomassinlargescaleissuggested,usedforreference.

Keywords:Syngas;Ethanol;Cellulose;Catalyst

来源:中国能源网
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