广西中粮20万吨/年木薯燃料乙醇净能量分析

岳国君，孙振江,2，沈乃东,3



广西中粮20万吨/年木薯燃料乙醇净能量分析

岳国君1，孙振江1,2，沈乃东1,3

1 国家能源生物液体燃料研发（实验）中心，北京 100020 2 广西中粮生物质能源有限公司，广西北海 536100 3 中粮营养健康研究院，北京 102209

岳国君, 孙振江, 沈乃东. 广西中粮20万吨/年木薯燃料乙醇净能量分析. 生物工程学报, 2015, 31(2): 242–250.Yue GJ, Sun ZJ, Shen ND. Net energy analysis for annual 200 000 ton cassava ethanol production at Guangxi COFCO. Chin J Biotech, 2015, 31(2): 242–250.

广西中粮20万吨/年木薯燃料乙醇装置建成后经历多次工艺改造，为了评估广西装置的能量投入/产出，利用国内已有的全生命周期模型进行了净能量分析。计算结果表明，广西装置的净能量为9.56 MJ/L乙醇。其中乙醇转化环节的能量投入占总能量投入的51.3%，而其中精馏工序仅蒸汽消耗即占乙醇转化总能耗的61.5%。副产品提供的能量可补偿5.03 MJ/L乙醇。因此，原料的综合利用是广西装置提高能源利用效率的重要措施，精馏工序的节能改造对净能量具有重要影响。最后展望了木薯燃料乙醇的发展前景。

木薯乙醇，全生命周期，净能量分析

发展液体替代交通运输燃料是解决化石能源短缺问题的重要途径，在各种液体替代运输燃料中，燃料乙醇作为最成功的品种，已经在世界范围内形成年产量超过7 000万t的能源产业。随着燃料乙醇产业的快速发展，粮食原料成为制约燃料乙醇产业进一步发展的瓶颈，发展非粮燃料乙醇已成为世界范围内的趋势。中粮集团于2006年在广西北海市建设广西中粮生物质能源有限公司20万t/年木薯燃料乙醇示范装置(以下简称广西装置)。广西装置设计年产燃料乙醇20万t，沼气2 970万m3(标况下），木薯渣10万t，液体CO21.5万t，目前是世界上规模最大的非粮燃料乙醇装置。

截至2014年3月底，广西装置已累计生产燃料乙醇81万t，可配制车用乙醇汽油730万t，累计减排温室气体41万t[1]，产生了预期的经济、社会和生态效益。经过生产考核的这套成套技术将对于我国正在推进的薯类、甜高粱乃至木质纤维素等非粮燃料乙醇的发展起到积极的推动作用。

1 工艺概述

广西装置建成后经历了多次技术改造，2014年工艺流程如图1所示。广西装置使用的原料主要为干木薯，木薯收获期也使用新鲜木薯。广西装置采用了干木薯浓醪除沙、高温喷射与低能阶换热集成工艺、木薯同步糖化发酵与浓醪发酵、三效热耦合精馏等技术，并通过废液、废渣、废气综合利用，实现了清洁生产。

1.1 预处理

预处理采用自主研究开发的干木薯浓醪除沙技术。干木薯经过预粉碎后过筛，筛下物和拌料水混合成固含量较低的粉浆后进入除沙器，利用低粘度稀浆较容易沉降脱沙的特性脱除沙子等杂物，之后和粉碎机送出的木薯粉混合，制成满足液化要求的高浓度粉浆。在采用鲜木薯时，向粉浆中添加干木薯粉来提高粉浆的固含量。投产初期，采用4条处理线二级粉碎，处理能力为60−80 t干木薯/h。2012年将原有的4条线拆分为8条线，经过改造，能耗保持不变，但处理能力提高至80−100 t干木薯/h。

1.2 同步糖化发酵

液化采用高温喷射与低能阶换热集成工艺。二次加酶降低了液化过程中酶制剂的消耗。液化醪液经过两级换热降温后加入硫酸调pH并加入糖化酶，在发酵罐进行同步糖化发酵。

1.3 精馏

精馏工序采用三效热耦合精馏工艺技术。发酵液经过发酵醪池后依次进入粗塔及两个精塔。二精塔塔顶蒸汽去分子筛，分子筛脱水采用变压吸附脱水工艺，脱水后出无水乙醇。粗塔及二精塔塔底的废醪进入分离干燥工序及污水处理的全糟厌氧工序。

图1 广西装置木薯燃料乙醇工艺流程示意图

1.4 分离干燥

精馏排放的醪液在分离干燥工序经过蛋白絮凝后通过板框过滤机进行固液分离操作。湿糟入滚筒干燥后作为饲料出售或作为锅炉燃料，清液进入污水处理。

1.5 污水处理

分离干燥工序的清液进入污水一期工程进行处理，经过IC厌氧反应器产沼气，废水先后经过厌氧、好氧等生化处理，经过深度处理后化学需氧量(COD) 达到酒精行业《污水综合排放标准》一级排放标准100 mg/L后，进入城市污水处理管网。

2010年建成的全糟厌氧发酵为污水处理二期工段，醪液进入全糟厌氧反应产生沼气，料液经过压滤后的污水进入一期污水处理，污泥进行掺烧或做有机肥外售。二期污水处理配有5个5 600 m3厌氧反应罐，产沼气水平为300 Nm3/t乙醇(55%甲烷含量)。

2 基础数据

2.1 净能量模型

文献报道，评估燃料乙醇的能量效率可以以净能量(Net energy value，NEV) 为指标，采用全生命周期评价的方法对燃料乙醇的能量投入/产出进行分析[2-8]。净能量是指燃料乙醇提供的能量减去生命周期的化石能量输入的剩余能量与副产品替代的能量之和，本文采用国内提出的净能量分析模型[2]进行核算。按该模型，燃料乙醇生产全生命周期的能量分析涉及到原料生产、原料运输、乙醇转化、乙醇运输和燃料使用等环节。

该模型用于计算玉米燃料乙醇生命周期的净能量，玉米乙醇的能量产出只有乙醇燃烧过程，而木薯乙醇的部分副产品如木薯渣及沼气皆可直接燃烧供能，本文采用的模型简式如式(1)。

NEV=BE1–(FE1+FE2+FE3+FE4–BE2) (1)

式中，BE1为乙醇燃烧热能，BE2为沼气及木薯渣干糟的燃烧热能之和，FE1为木薯生产过程能耗，FE2为运输木薯消耗的能量，FE3为乙醇转化过程消耗的能量，FE4为运输燃料乙醇消耗的能量。

2.2 原料生产环节

木薯生产过程的能量输入包括种子、化肥、农药、燃料(柴油) 和劳动力等，在不同的木薯种植区域，各输入项的能量强度相差很大。文献[9]中对广西不同的木薯种植模型进行了详细的分析，本文木薯生产的能耗采用其报道的结果。广西装置收集的木薯以山地种植的木薯为主，根据文献中的计算，生产环节的能耗为5.41 MJ/L乙醇(6.85 MJ/kg乙醇)。

2.3 原料运输环节

木薯运输环节的能耗按式 (2) 计算，式中1为木薯的运输距离，考虑广西装置实际原料运输情况，设定为250 km；1是运输燃料 (柴油) 的消耗强度，参考文献[10]中的数据，为7.45 L柴油/(100 t km)；1是运输燃料（柴油）的能量强度，按文献[11]中的数据，为42.7 MJ/kg (35.87 MJ/L)；为乙醇转化率，根据广西装置实际情况，为1 t乙醇消耗2.918 t干木薯，由于工厂鲜木薯用量较小，全部以干木薯进行计算。

2.4 乙醇转化环节

乙醇转化环节是本文介绍的内容，该环节采用源自广西装置的生产数据。通过对广西装置的原辅料消耗、各项损耗、主副产品的产出衡算，形成的物料平衡简图如图2所示。图2以生产1 t燃料乙醇为基准，表示出装置的输入和输出物料量。输入的物料除木薯外，还包括新鲜水、辅料及蒸汽，酶、尿素、硫酸等辅料的用量占的比例很小，因此本文全生命周期评价边界不涉及辅料的生产环节。损耗包括杂质(沙、粉尘)、喷射液化的排气、精馏得到的杂醇油和污水处理的污泥。输出物料除产品乙醇外，还有沼气、二氧化碳、木薯渣等副产品，以及外排的废水。其中二氧化碳有0.075 t作液体二氧化碳出售，剩余排放处理。

乙醇转化环节的计算公式如式 (3) 所示，式中，i是乙醇转化过程中投入的各能量的消耗量，i是各种形式能量的能量强度。

乙醇转化环节的能量投入主要为电、蒸汽和水的消耗，采用广西装置2013年11月−2014年3月间的统计数据，如表1所示。电、蒸汽、水的能量强度均按文献[11]折标煤，折标煤系数分别为0.1229 kg ce/(kw·h)、0.1286 kg ce/kg、0.086 kg ce/t，折标煤后能量强度分别为54.94 kg标煤/t乙醇、314.04 kg标煤/t乙醇、0.28 kg标煤/t乙醇，计算得转化环节综合能耗为369.26 kg标煤/t乙醇。标煤的热值按文献[11]为29.31 MJ/kg。

2.5 乙醇运输环节

乙醇运输环节的能耗按式 (4) 计算，与式 (2) 相似，式中2为乙醇的运输距离，广西装置实际销售半径平均为550 km；1及1在式(2) 中给出。

表1 乙醇转化单元电、蒸汽、水消耗

表2 能量产出部分基础数据

2.6 能量产出部分

能量产出的主产品乙醇的热值采用文献[12]数据。文献[12]报道指出，燃料乙醇副产品的开发对全生命周期的净能量有关键影响，副产品沼气及木薯渣干糟也计入能量产出部分 (二氧化碳忽略不计)，计算公式如式(5) 所示，式中，i是产出的副产品的能量消耗量，i是各种形式能量的能量强度。沼气按甲烷含量60%计算热值，热值数据参考文献[13]。广西装置的木薯渣热值，参照国家标准《煤的发热量测定方法》(GB/T 213-2008) 进行测定，测定结果为 1 135 kcal/kg (4.75 MJ/kg)。

3 结果与讨论

3.1 计算结果

全生命周期过程的能量计算结果如表3及图3所示。能量投入过程中，总投入为16.65 MJ/L乙醇，其中木薯生产占32.5%，而乙醇转化过程占到51.3%，木薯及乙醇运输环节投入的能量为16.2%。产出的能量包括乙醇燃烧产出的能量、沼气及木薯渣干糟燃烧产出的能量，总产出为26.21 MJ/L乙醇。根据公式 (1) 计算得到净能量数据为9.56 MJ/L乙醇，在已报道[4,6,9,14-16]的结果中居于较高水平(4.79−10.22 MJ/L乙醇)。

Nguyen等[4]报道的泰国木薯燃料乙醇的净能量值为10.22 MJ/L乙醇。本文与其差异主要源自木薯生产、乙醇转化、能量产出等环节，以木薯生产环节为例，本文采用文献报道的该环节能耗为5.41 MJ/L乙醇，Nguyen等报道的泰国数据为2.82 MJ/L乙醇。

3.2 讨论

多家单位曾报道过广西装置投产后的物料消耗、能量消耗、环境监测指标、生产技术指标等数据[14,17-20]。经过近年来的多次改造，广西装置的有关指标又取得了新的进步，前后对比情况如表4所示。由表4可知，乙醇转化环节能耗显著降低，综合能耗由396 kg标煤/t乙醇降至369.3 kg标煤/t乙醇。广西装置近年来在物耗、能耗水平降低方面采取了多种技术提升及改造举措。

图3 能量投入/产出简图

表3 净能量计算数据表

Italics represents detailed energy inputs in ethanol conversion.

表4 广西中粮近期技术指标与往年对比

1) 副产物利用：副产品带来的节能效果不容忽视，广西装置沼气和木薯渣干糟直接燃烧提供的能量产出达5.03 MJ/L乙醇，约占净能量值的52.6%。其中沼气提供的能量较高，约占净能量值的33%。由此可见，对木薯燃料乙醇而言，做好木薯燃料乙醇原料的综合利用是提高能源利用效率的重要措施。

2) 精馏蒸汽消耗：根据净能量计算结果，蒸汽消耗占乙醇转化总能耗的85%，精馏工序的蒸汽消耗占到总蒸汽消耗的72.36%，从能量角度看，精馏工序的节能改造具有关键的影响。广西装置2008年建的一期精馏设备采用三效热耦合精馏工艺，蒸汽消耗量为2.04 t蒸汽/t乙醇。2010年10月完成的二期精馏蒸汽消耗为1.9 t蒸汽/t乙醇。近年来在解决发酵醪液不溶物造成的换热设备结垢及堵塞等方面取得成效，蒸汽消耗进一步降低。目前蒸汽消耗可降至1.6−1.7 t蒸汽/t乙醇。

3) 水消耗：在计算中，水的消耗对于净能量评估影响较小，但新鲜水的消耗量几乎和净能量具有相提并论的意义。广西装置建厂初期，主工艺水耗为5.5 t/t乙醇。装置投产后在耗水较大的粉碎单元采用了多种工艺水回用。如液化真空泵水、闪蒸冷凝水、精馏釜水、废液罐废水等均用于拌料。另外在鲜薯原料预处理单元，采用自主开发的洗水套用工艺，既节约了工厂用水也解决了含微量氢氰酸的木薯清洗水不适于排放至污水处理单元的难题。经过这几年的节水改造，主工艺水耗已降至3.3 t/t乙醇。除主工艺水外，全公司水耗也由近30 t/t乙醇低至12.5 t/t乙醇。节水还采取中水回用等途径，在耗水较大的工序，如粉碎拌料工序，通过中水回用，水耗低至0.069 t/t乙醇。精馏工序醪液的稀释水也采用中水及清液。其他如分离干燥工序的除尘水、污水处理好氧处理环节的喷淋用水则全部改为中水。通过上述多种举措，广西装置的主工艺水耗比2008年投产初期降低了40%。

4 展望

近年来，国内木薯燃料乙醇发展很快。至2014年2月，国家发改委已批复广东中能酒精有限公司15万t/年、中国石化东乡10万t/年、浙江燃料乙醇有限公司30万t/年木薯及海南椰岛(集团) 股份有限公司10万t/年木薯燃料乙醇项目，未来几年新增产能总计约65万t/年。

在国外，泰国、越南等主要木薯生产国也在积极利用本地资源发展燃料乙醇生产。据文献[24]报道，至2011年底，泰国19家在运行的乙醇厂总产能约81万t/年。另外，拿到生产牌照未开工或未建设的工厂总生产潜能约248万t/年，其中木薯燃料乙醇厂约占80%。

国内外木薯燃料乙醇的发展显现了木薯原料的优越性。广西中粮作为国内第一家大型木薯燃料乙醇企业，应及时吸纳新建装置实施新技术的成果，继续研究节能降耗的新举措，优化生产工艺，不断丰富提升国内自有技术水平。

展望未来国际技术市场，对成套木薯燃料乙醇技术具有潜在的需求。在广西中粮形成的我国成套木薯燃料乙醇技术已具有一定的竞争力，继续提升技术水平对于成套技术出口也有重要意义。

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(本文责编陈宏宇)

Net energy analysis for annual 200 000 ton cassava ethanol production at Guangxi COFCO

Guojun Yue1, Zhenjiang Sun1,2, and Naidong Shen1,3

1,100020,2.,.,536100,,3,102209,

Guangxi COFCO innovates its annual 200 000 ton cassava ethanol production in recent years. To evaluate the energy input/output of the production process, we used the domestic life cycle model. The calculation results show that the net energy value was 9.56 MJ/L ethanol. Energy input for ethanol production was 51.3% of the total. 61.5% of energy input for ethanol production was used for steam input in ethanol distillation. Energy produced from by-product was 5.03 MJ/L ethanol. Hence, efficient use of raw materials is an important measure to improve the energy efficiency in Guangxi COFCO and energy compensation from byproducts has key impact on the net energy saving.

cassava ethanol, life cycle, net energy analysis

July 3, 2014; Accepted: November 26, 2014

Naidong Shen. Tel: +86-10-56989569; Fax: +86-10-56989555; E-mail: shennd@cofco.com

Supported by:National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (Nos. 2012AA022304, 2013AA050702).

国家高技术研究发展计划 (863计划) (Nos. 2012AA022304, 2013AA050702) 资助。

网络出版时间：2014-12-23

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20141223.0912.001.html