《1 “燃料酒精”问题的来由》
1 “燃料酒精”问题的来由
发酵酒精作车用燃料并不是一个新概念, 早在1890年, 以酒精为动力的拖拉机发动机已经设计成功。1920～1930年间约400万辆机动车采用酒精和汽油混合物作燃料
美国和巴西在利用发酵酒精作汽车燃料方面走在世界前列。许多汽油生产和供应商近年来鼓吹的一些汽油助燃剂, 如甲基叔丁基醚 (MTBE) 等, 因为污染地下水等有害健康的原因将在美国若干州, 并可能在全美被禁用。这必然又一次促进燃料酒精的发展。
我国的能源情况同样严重, 目前已是原油净进口国。新世纪的能源供应情况不容乐观。开发包括生物能源在内的新能源势在必行。80年代初, 我国有关部门曾对燃料酒精课题的可行性进行过论证, 得出的结论是: (1) 根据我国的耕地情况, 暂时无法实施用粮食作原料, 发酵生产燃料酒精的计划; (2) 利用纤维素原料生产燃料酒精是努力方向。近20年过去了, 情况有了很大变化, 我国的农业生产有了质的变化, 高效、节能和无污染的发酵酒精生产技术也有了重大发展。与此同时, 由于经济的快速发展, 能源短缺也更加严重, 发展燃料酒精的紧迫性和可能性再次展现在我们的面前。
《2 发酵酒精作车用燃料的重要意义》
2 发酵酒精作车用燃料的重要意义
《2.1可缓解能源短缺问题》
2.1可缓解能源短缺问题
能源短缺是本世纪面临的重大课题之一, 普遍认为地球上的原油资源将在50年内枯竭。为此, 各国都在为开发新能源, 特别是汽油的代用品而努力。发酵酒精作车用燃料有两种方式:其一是配制汽油和无水酒精的混合物——汽油醇, 酒精在混合物中的比例最高可达25%。用汽油醇作汽车燃料时, 可以利用原有的汽车发动机;其二是直接利用酒精作为汽车燃料, 这时必需使用专门设计的, 具有更高压缩比的发动机。在这方面, 巴西走在最前面。早在1989年, 巴西以甘蔗、糖蜜、木薯、玉米为原料年产发酵酒精12 Mt以上, 几乎全部用来代替汽油, 大部分采用第二种方式作为汽车的燃料。从那时起, 巴西已经不再进口原油, 少量国产原油还可出口
我国酒精的生产情况是:酒精厂200多家 (其中年生产能力10～20 kt的70多家, 30 kt的21家, 50 kt以上的10家。) , 酒精车间700多家, 年生产能力3 Mt。据有关方面预测, 到2005年我国车用汽油需求量为43 Mt。如果用酒精质量分数为25%的汽油醇 (酒精汽油混合物) 来替代, 则需要10 Mt无水酒精。如果能使酒精产量增加到目前的3倍, 则等于为国家多生产了10 Mt汽油。其意义是巨大的。
《2.2可缓解地球大气污染日益严重的趋势》
2.2可缓解地球大气污染日益严重的趋势
使用燃料酒精可以缓解日益严重的大气污染问题。主要表现在以下几方面:
(1) 酒精的辛烷值比汽油高许多, 既是抗爆剂, 又是助燃剂, 所以用汽油醇作燃料不用再添加四乙基铅或MTBE, 就可成为高标号燃料油。可消除空气中的铅的污染。
(2) 酒精作燃料可以缓解因地球温室效应加剧带来的气温升高及地球气候恶化等严重后果。
20世纪80年代初, 美国密西西比河流域大旱, 造成农业、畜牧业严重失收, 河流断航。人们开始寻找气候剧变的原因, 并提出了由于温室效应加剧, 造成地球气候剧变的说法。科学家进一步认为温室效应加剧是因为温室气体浓度增加引起的, 而在诸多温室气体中二氧化碳是最主要的, 它应负50%的责任。大气中二氧化碳来自各个方面, 其中50%来自汽车尾气的排放。所以, 控制汽车尾气是缓解温室效应的主要手段之一。如从减少大气中温室气体浓度, 防止地球气温升高的观点出发, 那么, 发酵酒精将是除H2和电能外, 唯一现实的汽油替代品。因为发酵酒精作汽业的燃料不会使大气中的二氧化碳的浓度增加。
从图1和表1可见, 光合作用合成一分子葡萄糖需要6分子的二氧化碳, 酒精发酵和燃烧共释放6分子二氧化碳, 所以酒精燃烧不增加大气中二氧化碳浓度。在这方面, 酒精比甲醇好。所以, 使用燃料酒精是消除由于汽车尾气中CO2排放引起的温室效应最有效的措施之一
Table 1 Pollutants released through burning of fuels
《表1》
| 氮氧化物 | 蒸 汽 | 二氧化碳 | 一氧化碳 | 产生臭氧 | 其 他 | |||||||||||
汽 油 | ||||||||||||||||
| 甲 醇 | 甲醛 | |||||||||||||||
| 合成气 | ||||||||||||||||
| 酒 精 | ||||||||||||||||
《2.3可成为新的经济增长点》
2.3可成为新的经济增长点
发酵酒精生产是属于农产品深加工的范畴, 它的发展不仅将促进许多工业部门的发展, 而且也将在很大程度上影响到农业的发展。就以下三点加以说明:
(1) 建设10 Mt发酵酒精生产能力大约需要100亿～150亿投资和近50万劳动力, 产值在630亿左右, 这将对机械加工, 建筑, 运输, 电力, 商业等许多国民经济部门起重要的拉动作用。
(2) 我国县以下的中小酒厂有几千家, 近年来大多处于停产半停产状态, 如果能通过燃料酒精计划, 将这些酒厂改变成饲料联产粗酒精的生产企业 (粗酒精送往布局合理的专业酒精厂加工成无水酒精) , 那么不仅能节约大量建设资金, 而且也可使这几千家中小酒厂复活, 这将对提高农民, 特别是中西部农民的收入解决农村剩余劳动力起到极大的作用。因为这些酒厂大部在中西部, 而且都曾是当地财政的主要来源。
(3) 我国玉米的总产量已超过100 Mt, 供大于求, 又因深加工缺少良策, 成本高于国际价格而大量积压。小麦的情况也和玉米相似, 大量品质较差的麦子积压, 河南省普通小麦库存达25 Mt, 河北达12.4 Mt。另外, 全国每年还有25 Mt不可食用的陈粮要处理。对于糖料作物来说情况尤其重要。为了扭转全国食糖供过于求和糖厂连年大幅度全面亏损的局面, 国家被迫采取对糖厂和糖料作物种值面积进行调整, 关闭近三分之一的糖厂和减少三分之一的糖料作物种植面积
这些让国家有关部门头疼的大事对于燃料计划来说则是件好事, 因为它解决了酒精生产的原料问题。农产品深加工的途径没有比燃料酒精计划更好的了。燃料酒精计划对国民经济的重要意义和拉动作用是显而易见的。
《3 我国发展燃料酒精需解决的主要课题及其对策》
3 我国发展燃料酒精需解决的主要课题及其对策
在我国实施燃料酒精计划需要解决的主要问题如下:
《3.1原料供应问题》
3.1原料供应问题
每生产一吨酒精需要2.7吨粮食作原料。如果每年要生产几千万吨酒精, 而且都用粮食作原料, 显然是不可能的。最终解决燃料酒精原料供应的办法是利用纤维素生产酒精。我国每年仅农作物秸秆就有500 Mt左右, 可生产72.56 Mt无水酒精
目前重点还只能放在用粮食生产酒精上。生产10 Mt酒精需要30 Mt粮食。这些粮食从那里来?首先, 应切实贯彻执行原轻工部提出的酒精联产饲料的方针, 从每年120 Mt饲料粮中取出20%来生产燃料酒精, 酒精糟与余下的饲料粮混合做复合饲料。那么, 在不影响饲料的“饲料报酬”的前提下, 可解决8 Mt燃料酒精生产所需的原料, 其次, 全国每年有25 Mt陈粮和变质的粮食, 取其25%可生产2 Mt酒精。再则, 如果恢复糖料作物原有的种植面积, 增加的原料可生产1.5 Mt酒精。这样, 生产10～11.5 Mt酒精的原料就有了出处。
《3.2能耗问题》
3.2能耗问题
作为燃料酒精来说, 其燃烧时释放的能量应该大于酒精生产时投入的能量。根据国外计算, 酒精生产投入的能量加上粮食生产所需能量要大于燃烧时放出的能量。为此, 大幅度地降低燃料酒精生产能耗是一个必要前提。
采用固态发酵、低温发酵、浓醪发酵、减压蒸馏、非蒸馏回收酒精, DDG+滤液回流工艺等已经成熟的和正在发展中的新技术, 有望将酒精生产的能耗降低一半以上, 能耗问题应该可以解决。
《3.3酒精糟的处理》
3.3酒精糟的处理
精糟的处理已经有许多成功的实践。问题是要选一个投资少, 运行消耗低, 效果好的方案。从国外引进的DDGS工艺是一种处理得比较彻底的方法, 但投资很大, 运转能耗也高。现在看来, 酒糟经固液分离后, 湿滤渣送去烘干成DDG, 90%以上的滤液回用, 余下不到10%的滤液用于生产高附加值的产品或用其它方法处理可能是最理想的方案。
另外, 固态 (半固态) 酒精发酵工艺也是减轻酒糟处理负担的良好措施, 它可使酒糟量降低50%以上。
《3.4投资、价格和效益问题》
3.4投资、价格和效益问题
(1) 投资问题
从报纸获悉, 我国将与哈萨克斯坦合作开发该国的石油资源, 并将投资20亿美元在哈境内铺设一条输油管, 以便每年获得10 Mt原油 (原油加工成汽油的投资不在内) 。10 Mt原油只能加工得到约7 Mt汽油。20亿美元相当165.4亿人民币。如果在21世纪初, 我们能将酒精联产饲料、固态发酵和上述其它一系列先进技术都研究成功, 并应用到酒精生产中去, 加上利用大量现有中小白酒 (酒精) 厂场地、厂房和设备, 则每万吨酒精投资1000万已有可能。这样, 投资100亿就可以得到10 Mt燃料酒精, 相当于10 Mt汽油。与此同时, 可至少增加50万人的就业机会。因此, 这笔投资是划得来的。
《 (2) 价格问题》
(2) 价格问题
目前酒精的成本大约比汽油高2/5, 在采用上述多项增效、节能、降低成本和综合利用新技术后, 有望将成本降低1/5以上, 加上政府在财政和税收等方面的优惠政策, 燃料酒精的价格与汽油相当是做得到的。
(3) 效益问题
燃料酒精开发应用的目的在于石油短缺时能部分替代汽油, 作汽车的燃料。当前特别强调保护环境和可持续发展, 全世界都已公认气候正在变暖, 这将危及整个人类的生存, 控制CO2的排放量已成为环境保护的极重要内容, 玉米等农产品的深加工成为我国国民经济发展的一个重大课题, 我们应充分认识到应用燃料酒精会给人们带来的环境效益和社会效益。能否有经济效益, 取决于国家的决策及我们科技工作者的智慧和努力。
《4 21世纪前10年燃料酒精发展计划的建议》
4 21世纪前10年燃料酒精发展计划的建议
建议国家有关部门在十年规划中确立以下重点研究课题:
《4.1木质纤维素资源的开发》
4.1木质纤维素资源的开发
木质纤维素 (简称纤维素) 是地球上数量最大的一种再生资源, 如将每年光合作用生成纤维素量的十分之一转化为能量, 就能满足全球的能量需要。
(1) 以基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶菌种。
(2) 纤维素酶生产技术研究, 重点是固体发酵技术, 解决目前存在的污染率高和成本高的问题。
(3) 纤维素, 首先是甘蔗渣, 甜菜粕等工业副产品的预处理、酶水解 (包括酸酶法水解) 及水解液发酵生产酒精等技术的研究。
《4.2高效、节能、节粮酒精发酵新技术的研究》
4.2高效、节能、节粮酒精发酵新技术的研究
(1) 酒精浓醪发酵技术, 薯干原料的发酵醪中酒精的体积分数达13%, 玉米和木薯为原料时达16%以上, 发酵时间60小时, 出酒率不低于目前的一般发酵。
(2) 在淀粉质原料酒精发酵过程中应用纤维素酶的研究, 以提高6%～7%的淀粉利用率。使每吨酒精的粮耗从2.7 t降为2.5 t。
(3) 非蒸馏回收酒精技术的研究, 使回收酒精过程能耗大幅度的下降。
《4.3清洁生产工艺的研究》
4.3清洁生产工艺的研究
(1) 固态酒精发酵新技术。不再有酒糟处理问题。
(2) 酒糟综合利用技术, 利用酒糟, 酒糟滤液或其浓缩液生产农药, 农肥, 乳酸等较高附加值的产品。
(3) 浓醪发酵条件下的DDG+滤液回用工艺。
《4.4酒精联产饲料工艺的研究》
4.4酒精联产饲料工艺的研究
(1) 利用现有中小酒厂生产粗酒精发酵工艺的研究。
(2) 固态 (半固态) 酒精醅蒸馏技术的研究。
(3) 固态酒精糟配制复合饲料技术的研究。
《4.5甘蔗、甜菜直接发酵生产酒精的研究》
4.5甘蔗、甜菜直接发酵生产酒精的研究
(1) 高强度、低能耗发酵生产酒精工艺 (细菌发酵) 。
(2) 直接发酵产生的酒精废液的处理技术。
上述各项研究完成后, 我们在2005年前实施用粮食生产10 Mt燃料酒精计划的技术部分基本完成, 也为在以后利用纤维素原料生产燃料酒精奠定坚实的基础。
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