玉米基燃料乙醇的综合效益分析

钮劲涛，陶 梅，金宝丹

（辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000）

全球经济的持续发展带动了能源需求量的日益增加，目前能源紧缺已成为全球性问题。为缓解能源紧张，人类对开发利用生物质能源寄与厚望。在各生物质能源中，燃料乙醇是其中的一个重要方向。中国作为目前世界第二大能源消费国和最大的农业国，发展燃料乙醇对缓解中国石油短缺具有更加重要的意义。中国于2001年启动“十五酒精能源计划”，并要求在汽车运输行业中推广使用燃料酒精。经过近10 a的发展，我国燃料乙醇的年产量已接近200万t，这其中大部分都是利用玉米、小麦、木薯等为原料生产的。

依据我国政府规定，燃料乙醇主要是以E10（添加10%的乙醇）汽油的形式作为汽车燃料来使用的。虽然我国目前已经在推广使用E10汽油，但是大规模的以农作物为原料生产燃料乙醇，并且用其部分代替化石燃料是否可行仍需要进行全面深入的可行性分析。大规模推行生物质燃料乙醇的生产和使用，将不可避免的对推广使用地区的社会、经济、能源结构、环境与生态平衡等造成影响。

生命周期评价是一种评估产品、生产工艺以及活动对环境产生压力的客观过程。它贯穿于产品、工艺和活动的整个生命周期，包括原材料提取与加工、产品制造、运输以及销售、产品的使用、再利用和维护、废物循环和最终废物弃置[1]。生命周期评价的传统指标主要是 3E（Environment，Energy，Economy），但鉴于燃料乙醇的推广使用会对我国的社会经济和人民生活产生重要影响，所以部分研究者在进行燃料乙醇生命周期评价时又加入了社会影响评价，组成了 3E+S（Social）[2]评价。因此文章在以玉米原料生产燃料乙醇为研究对象进行全生命周期内的综合效益分析时，主要考察其生命周期内的环境性能、能源消耗、经济性以及社会性等方面。通过客观的综合效益分析来论证大规模生产使用燃料乙醇的可行性及现实意义。

1 乙醇汽油的燃料特性

乙醇（C2H5OH）是一种含氧的碳氢化合物，而汽油则是不含氧的C4～C12烃混合物，因而燃料乙醇比汽油更利于发动机的燃烧完全，具有较高自燃温度和辛烷值的乙醇可以增强发动机的抗爆性，并利于提高发动机的效率。乙醇汽油随乙醇掺混比例不同其特性变化如表1所示。

（1）随着乙醇含量的增加，其密度、辛烷值、体积膨胀量都会增加，当掺入量为10%时，密度增加0.6%，辛烷值增加4.2，体积膨胀量增加0.23个百分点。可见E10汽油比普通汽油具有更好的抗爆性能。

表1 乙醇掺入量对燃油的性能影响[3-4]

（2）随着乙醇含量的增加，其热值和理论空燃比都略有下降，当掺入量为10%时，热值和理论空燃比分别减小3.25%、4.05%。可见E10汽油同普通汽油相比其单位热量降低很有限，一般的汽车发动机不需改装就可直接使用，且对汽车的行驶性能不会有明显影响。

（3）乙醇汽油的含水能力会随着乙醇添加比例和温度的增加而增加，因而比汽油具有更强的吸水能力，为了防止因水分过多而影响使用，必须在储运时做好密封，并尽量减少储存时间。

2 玉米基燃料乙醇的生命周期分析

一般产品的生命周期主要分为3个阶段，即原材料开采和材料使用阶段、产品生产及其使用阶段、产品报废及其后处理阶段。据此可将玉米基燃料乙醇的生命周期划分为玉米生产、乙醇生产、乙醇使用及后处理3个大的阶段，如图1所示。在玉米生产过程需要投入种子、化肥、农药、机械、灌溉用电及柴油等，其产品主要是玉米和秸秆；乙醇生产过程中需要投入煤、电、水和其他辅助原料，其产物除了目的产品乙醇外，还有酒糟饲料（Distiller’s Dried Grains with Solubles,DDGS）、玉米油、面筋粉和沼气等副产品。这3个阶段中除产生了所需要的产物外还伴随产生了大量的环境排放，其中有不少是主要的污染物，需要进行环保处理达标后排放。

图1 玉米基燃料乙醇生命周期

3 玉米基燃料乙醇的综合效益分析

玉米基燃料乙醇作为能源使用在其生命周期内的各个阶段，都对能源、经济、环境和社会发展有很大的影响，为判定其是否适宜作为能源大规模使用，需要从能源、经济、环境和社会4个方面对玉米基燃料乙醇进行效益分析。

3.1 玉米基燃料乙醇的能源效益分析

燃料乙醇的农业生产和工业生产中耗费了大量的能源，为了确定是否适合作为替代燃料使用，必须对燃料乙醇进行全过程的生命周期分析，了解其整个生命周期内的能源消耗与产出比率。燃料乙醇生命周期内的能量输入主要有：原料生产过程中的种子、肥料、人力、机械、电力和柴油；乙醇生产过程中的煤、电和人力；整个运输过程中的燃油、机械、人力等。其中玉米种植和乙醇生产两个阶段，其能源消耗占总能源消耗的90%以上[3]。燃料乙醇生命周期内的能量输出主要是燃料乙醇及副产品（DDGS、玉米油、电能、沼气）能量。燃料乙醇净能量值等于生命周期内能量总产出减去能量总消耗，这里的能量只考虑从原料种植到燃料乙醇生产过程中的所有一次能量消耗。副产品的能量值对于燃料乙醇的净能量值有很大的影响，不同原料生产乙醇，产生的副产品种类和数量差别较大。依据能量替换法计算玉米原料生产的燃料乙醇能量值可知，在玉米基燃料乙醇的整个生命周期内，乙醇的总能量投入是38 842.5 MJ/t，燃料乙醇所产副产品能量为20 587.5 MJ/t，再加上乙醇的能量29 744.8 MJ/t，则生产乙醇的总能量产出达50 362.3 MJ/t，除去投入后的净能量为11 519.8 MJ/t，投入产出比为77.13%，其值小于1，可知从能量角度分析以玉米为原料生产燃料乙醇是可行的。

3.2 玉米基燃料乙醇的经济效益分析

以玉米为原料生产燃料乙醇的企业在循环经济模式下其内部可以形成5个产业链，即玉米→乙醇→DDGS；玉米→玉米油→DDGS；废水→沼气→燃料；废水→污泥→燃料；煤→灰渣→建材[8]。如年产40万t燃料乙醇的企业每年还可以生产副产品DDGS 32.8万t，玉米油2.25万t，灰及废渣27.936万 t，CO233.173万 t，沼气 0.352万 t[5]。这些副产品的销售或利用可以有效的降低燃料乙醇的单位生产成本，如2006年吉林玉米基燃料乙醇生产成本为4 988.4元/t，但经过副产品折算后降为3 921.1元/t[5]。燃料乙醇的成本主要由玉米价格和煤油电价格决定，结合近4 a我国企业商品价格指数CGPI计算后[9]，2010年的生产成本为4 813.2元/t。以国家对燃料乙醇的定向收购价为5 000元/t计，加上生产乙醇政府补贴1 373元/t[10]，玉米基燃料乙醇生命周期内的经济效益分析表明，补贴前的利润率仅为3.88%，加上政府补贴后的利润率可达32.41%。结合企业实际可知，目前该企业生产模式中还有一些不足，倘若再增补CO2回收、有机肥及其他一些下游产业链[11]，则企业内部的循环经济模式将更加完善，乙醇成本将进一步降低，所以从经济效益上分析发展玉米基燃料乙醇也是可行的。

3.3 玉米基燃料乙醇的环境效益分析

玉米基燃料乙醇在其生命周期内产生了许多环境排放，环境排放又可以分为直接排放和间接排放，两者之和称为完全排放。直接排放是产品生产过程中直接产生的排放；间接排放是指生产过程投入的原料和能源，在其生产中产生的排放，如玉米种植过程中使用的化肥和柴油，在化肥和柴油生产过程中产生的排放对于玉米种植过程而言就是间接排放。分析玉米基燃料乙醇的环境效益，必须考虑其生命周期内的完全排放。表2即为单位质量玉米基燃料乙醇配比成的E10燃料和普通汽油生命周期内的排放值[2，5，12-13]。由于乙醇的热值小于汽油，因而以汽油能量为基准折算后的排放量将进一步减小，其折算后数据与汽油排放量之差和汽油排放量的比值附于表2。

表2 E10燃料和汽油的生命周期排放 （mg/kg）

由表2可知，在整个生命周期内，E10燃料的总排放量和汽油的总排放量相当，其中VOC、NOx、CH4和N2O稍大于汽油的排放，而CO、PM10、SOx和CO2明显小于汽油的排放。则由环境效益分析可得出，玉米基燃料乙醇部分替代汽油使用总量上不仅没有增加环境中污染物的排放，相反还较大幅度的减小了空气酸化及全球变暖趋势。

3.4 玉米基燃料乙醇的社会效益分析

燃料乙醇整个生命周期内的各个阶段都与社会发展息息相关，综合分析其生命周期内对社会的影响后总结其社会效益主要有以下几个方面：

（1）以玉米为原料生产乙醇并部分替代汽油使用符合中国目前的国情。目前中国北方地区常年有部分玉米陈化粮难于消化，而中国目前已成为世界第二大石油进口国，能源缺口日益加大，已部分威胁国家能源安全，为此，发展燃料乙醇产业符合国家需要。

（2）目前政府扶植燃料乙醇企业，对其产品进行补贴，表面看受益者只有企业及其员工，实际上广大的玉米等原料种植户也从出售原料过程中获得了利益，这就有利于提高农民的收入水平[14]，农民的增收必将促进农业的进一步发展进而巩固国家粮食安全。

（3）当前的几家燃料乙醇企业都是较大规模的企业，这些企业为了提高经济效益，纷纷采用先进的生产技术并依照循环经济模式来挖掘企业内部的产业链，这就不仅使企业自身达到清洁生产[15-16]，而且还大大地促进了相关产业的兴起，为形成大规模的产业集群提供了源动力，这也为其他行业提供了示范作用。

（4）燃料乙醇部分替代汽油使用虽然从排放量上看作用有限，但是考虑到汽油属于不可再生资源，而乙醇的基础原料农产品是可再生的，所以发展玉米基燃料乙醇可以提高社会的可持续发展性。

（5）燃料乙醇作为一个新的产业出现，不仅增加了国家的GDP，而且还增加了社会对知识型人才的需求量，这就有利于提高社会劳动者的整体文明程度。

4 结论

发展玉米基燃料乙醇部分替代汽油使用是可行的，但是从能源、经济、环境和社会角度分析可知，目前的能源利用率还不高，在没有国家补贴情况下，盈利空间较小，且易受国内外原油价格影响，环境排放上只稍优于汽油。因此，在燃料乙醇的未来发展中，应注重生命周期内的综合效益分析，努力提高玉米产量和乙醇产出比；不断改进乙醇生产工艺，提高能源利用率；加大科技投入，进一步挖掘新的产业链，以实现废弃物的综合循环利用。

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