基于酒精废液高值化利用的甘蔗糖蜜全年生产酒精模式探讨

林荣忠 杨宇格 林荣珍

【摘 要】文章研究和概述了甘蔗糖蜜全年生产酒精，酒精废液经厌氧发酵后产业化生产沼气，沼气采用内燃机发电，电能并网销售，余热为糖厂及周围工业企业提供饱和蒸汽，实现热电联产，沼液制成液态生物有机肥用于喷灌甘蔗的一种资源化综合利用生产模式，并对其发展前景进行了展望。

【关键词】甘蔗糖蜜；酒精废液；沼气发电；热电联产；液态生物有机肥

【中图分类号】TS262.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）05-0151-03

0 前言

近几年，广西糖蜜酒精企业生产经营不景气，广西壮族自治区糖业发展办公室提出将全区糖蜜酒精企业进行整合重组，增强规模效益。本文研究概述了日产甘蔗糖蜜酒精300 t，年生产酒精200 d，酒精废液经厌氧发酵后生产沼气，沼气采用内燃机发电，电能并网销售，余热为糖厂及周围工业企业提供饱和蒸汽，实现热电联产，沼液制成液态生物有机肥用于喷灌甘蔗的一种资源化综合利用生产模式，构建农业循环经济产业链，以期促进甘蔗糖蜜全年生产酒精主业生产的良性发展，促进酒精废液资源化、规模化、产业化、高值化利用，增强企业的竞争力。

1 甘蔗糖蜜的组成及需求分析

1.1 甘蔗糖蜜的组成

甘蔗糖蜜是甘蔗制糖生产的主要副产物，其数量达3%对蔗比，2015—2016年榨季，广西全区入榨甘蔗4 433.43万t，产最终糖蜜约133万t（按3%折算）。甘蔗糖蜜是一种黏稠、黑褐色、呈半流动的物体，组成因加工条件的不同而有所差异，其中主要含有大量的可发酵糖（主要是蔗糖和还原糖），总糖分（蔗糖分+还原糖分）为47～52 g/100 g，非发酵性还原物质为6～8 g/100 g，pH值为5～6（亚硫酸法生产工艺糖厂），总氮为0.5%～2.3%，多属于非蛋白氮类，如氨、酰胺及硝酸盐等，而氨基酸态氮仅占15%～30%，因此是很好的发酵原料，可用作酒精、酵母、味精、焦糖色素、有机酸等发酵制品的底物或基料，可作为某些食品的生产原料和动物饲料原料。

1.2 甘蔗糖蜜和储罐的需求分析

一般每生产1 t酒精耗甘蔗糖蜜4.8 t（以总糖分48 g/100 g计），本文研究日产甘蔗糖蜜酒精300 t，年生产酒精200 d的生产方案，年需要桔水量约28.8万t。榨季期间及停榨期间各生产100 d，按每天产酒300 t计，榨季期间及停榨期间各产酒约3万t，各需桔水约14.4万t，停榨期间需增加桔水罐容量14.4万t，需要配套φ26 m×16 m的桔水罐共15个，配套可储存2个月产酒量（约2万t）的酒罐（φ30 m×16.5 m）2个。

2 糖蜜酒精废液的组成及生产沼气分析

2.1 糖蜜酒精废液的组成

一般每生产1 t酒精排出的废液约12 t，糖蜜酒精废液的COD高达80 000～140 000 mg/L，BOD高达30 000～70 000 mg/L，SS达到40 000 mg/L，pH值为3.5～4.5，锤度为15～19 BX°[1]。经广西农业科学院土壤肥料研究所检测，糖蜜酒精废液是一种无毒和生物可降解液体，纯粹来源于植物，并含有大量可溶性有机质，同时含有大量作物所需的多种营养元素，一般含有机质5.5%～12%，N0.06%～0.42%，P2O50.01%～0.38%，K2O0.23%～1.54%，固形物7%～14%[2]。此外，还含有Ca 2.1%～3.0%，Mg2.0%～3.3%，S4.0%～5.0%，Fe 65 mg/L，Zn10.5 mg/L，Mn5.5 mg/L等营养元素和氨基酸、生长素、维生素等多种生长活性物质[3]。这些养分物质都是甘蔗生长发育所必需的，并且大部分是甘蔗生长过程中直接从土壤中摄取所获的或者在甘蔗体内合成的，甘蔗经制糖与发酵后又浓缩到酒精发酵液中。

2.2 沼气的组成

在完全与氧气隔绝（厌氧）的条件下，高浓度有机废水中有机物在厌氧微生物作用下被转化为沼气，沼气的主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳，甲烷占總体积的55%～65%，二氧化碳占总体积的35%～40%，其余硫化氢、氮、氢和一氧化碳等气体约占总体积的5%[4]。

2.3 糖蜜酒精废液产业化生产沼气分析

在标准状态下，1 mol甲烷，相当于2 mol（或64 g）COD，则还原1g的COD相当于生成22.4/64=0.35 L甲烷[5]。理论上，每去除1 kg的COD可产生0.35 m3的甲烷，在糖蜜酒精废液厌氧消化工艺中，实际产气率受到酒精废液COD和硫酸盐、生物厌氧技术、厌氧反应器的核心技术、菌种及管理技术水平等多种因素的影响，一般取实际产气值为理论值的80%计算，则每去除1 kg的COD实际约可产生0.28 m3的甲烷，1 kg的COD产生0.43～0.47 Nm3的沼气，甲烷含量在60%左右，其热值在23.58×103 kJ/m3左右。

以日产甘蔗糖蜜酒精300 t，每生产1 t酒精排出的废液约12 t，糖蜜酒精废液的COD为130 000 mg/L，沼液COD浓度按40 000 mg/L计，产生的甲烷量=300×12×（130 000-40 000）×0.28/1 000=90 720 m3，则产生的沼气总量=90 720/0.6=15.12万m3/d（沼气中甲烷含量按60%计算）。

3 沼气发电及热电联产技术方案

3.1 沼气发电的基本原理

内燃机把沼气的化学能经过燃烧过程转变成热能，并经过相应的传动装置再转变成机械能，最后由发电机把机械能转变成电能[6]。

3.2 沼气发电热电联产机组装机规模

为了实现发电机组运行的灵活性，采用国产内燃式发电机组6台，装机规模为6 MW（1 MW×6台），沼气发电量为144 000 kW·h/d，热电联产蒸汽量为115.0 t/d（0.8 MPa），项目总投资概算为5 700万元。

3.3 沼气发电并网及热电联产技术方案

沼气发电并网系统工艺流程如图1所示。

沼气净化系统位于发电系统之前，对从厌氧塘出来的沼气进行水汽分离和净化，以提高沼气的转化率。净化设备包括去雾罐、阻火器、过滤器等，去除气体中的水分、尘埃、杂质和有害气体成分，使气体质量达到发电系统和燃烧系统平稳运行的要求。

甲烷完全燃烧时，生成二氧化碳和水，释放出热能，是一种清洁能源。理论上，每1 m3沼气约等折0.714 kg标煤，按每天产沼气100 000 m3保守估算，年生产200 d，折算成标煤量为1.43万t/a，可替代天然气、煤、油等常规燃料使用。采用国产1 MW的内燃机发电机组，1 m3沼气可发电1.8 kW·h，每台机组可生产0.8 t/h的饱和蒸汽（蒸汽压力为0.8 MPa），电能上网销售，蒸汽供糖厂使用，实现热电联产；沼液制成液态生物有机肥。

4 沼液生产液态生物有机肥分析

（1）本文中的沼液是指酒精废液在一定的温度、细菌的条件下，经密闭厌氧塘或地上厌氧发酵罐进行厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳等气体后的残留液体物质。

（2）从液体肥料和营养角度看，大多数文献报道比较一致：沼液中含有一定量的植物生长和发育的必需营养元素，如氮、磷、钾大量营养元素，钙中量元素和铜、铁、锌、锰等微量元素。此外，沼液含有比较丰富的氨基酸、有机酸、水解酶、维生素、激素，以及对病虫害有抑制作用的物质[7-8]。沼液生产的液态生物有机肥已经腐熟完成，含丰富的氮磷钾，在N、P、K养分相等的条件下，完全沼液灌溉和与化肥配合施用能提高土壤有机质，改善土壤肥力，其中沼液和化肥配合的施用效果好；土壤N、P、K养分和Ca、Mg及微量元素含量随着沼液配合用量的增加而增加，施用沼液可以改善土壤养分平衡度[9]。用于喷淋甘蔗，可大幅度地提高甘蔗的产量和糖分，实现增收增效。

（3）以日产甘蔗糖蜜酒精300 t，每生产1 t酒精排出的废液约12 t计算，沼液产生量为3 600 t/d，年生产液态生物有机肥为72万t，部分液态生物有机肥可以通过管网输送喷灌甘蔗，部分供给固态肥厂做原料，进行市场销售。

5 经济分析

5.1 销售收入

项目收入主要来自发电上网收入和蒸汽收入。项目达产后，年生产电能为3 600万kW·h，上网电价为0.75元/kW·h，电费收入为2 700万元；蒸汽产能为2.9万t，按每吨蒸汽150元计，蒸汽收入为435万元。液态有机肥处于推广阶段，通过甘蔗地管网喷灌液态肥，未来3年打造液态生物有机肥的品牌和市场推广。

根據国家有关政策，生物质沼气发电属于资源综合利用项目，销售税金及附加税率为6.6%，免征企业所得税。

5.2 运行成本估算

生产原材料及动力费用为收入的20%；项目各组成系统设施设备的维修维护费用合计0.14元/kW·h；固定资产采取直线折旧法计算，分10年平均摊销，残值取5%；项目计算期内年折旧费用约340万元/年，期末回收固定资产残值180.75万元；项目新增定员15人，工资福利费平均按50 000元/人·年计算，全年工资福利费为75万元。项目投产后，年均收入达3 135万元，税后利润为667万元。全部投资内部收益率为14.65%，大于行业基准收益率的8%。

5.3 项目盈利能力分析

项目投资利润率为29.85%，项目偿还贷款期为1.5年（不含建设期）；回收全部投资期为6.3年（不含建设期）。

6 展望

本文研究概述了日产甘蔗糖蜜酒精300 t，年生产酒精200 d，酒精废液经厌氧发酵后生产沼气，沼气采用内燃机发电，电能并网销售，余热为糖厂及周围工业企业提供饱和蒸汽，实现热电联产，沼液制成液态生物有机肥用于喷淋甘蔗的一种资源化综合利用生产模式。项目达产后，每年消耗沼气2 100.00万m3，沼气发电热电联产，每年可提供清洁电力3 600.00万kW·h，同时回收蒸汽2.9万t，生产液态生物有机肥72万t，既解决了酒精生产带来的环境污染问题，促使企业的环境工程和生产条件升级，又开发了可再生能源，减少了温室气体排放，将会促进甘蔗糖蜜全年生产酒精主业生产的良性发展，促进酒精废液资源化、规模化、产业化、高值化利用，增强企业的竞争力，顺应循环经济的发展潮流。

参 考 文 献

[1]林荣珍，杨宇格.利用糖蜜酒精废液生产液态生物有机肥[J].广西糖业，2014（1）：41-46.

[2]蓝日星.甘蔗施用糖蜜酒精发酵液增产效果研究与应用[J].吉林农业，2012（3）：63-64.

[3]李杨瑞，朱秋珍，王维赞.甘蔗地定量施用糖厂酒精废液技术体系多点试验[J].西南农业学报，2008，21（3）：

749-756.

[4]刘伟，王欣，徐晓秋，等.沼气发电工程沼气净化技术研究[J].黑龙江科学，2013，4（10）：26-28.

[5]周卫威.废水厌氧处理沼气产气量计算原理[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/6de63952f01dc281e53af

046.html，2011-09-19.

[6]冉国伟，张汝坤，冯爱国.沼气发电技术现状分析及发展方向的探讨[J].农机化研究，2006（3）：189-191.

[7]GB 18596—2001，畜禽养殖业污染物排放标准[S].

[8]Qin W，Egolfopou|os F N，Tsotsis T T.Fundamental

and environmental aspects of land 6ll gas utilization for power generation[J].Chemical Engineering Jou-

rnal，2001，82：157-172.

[9]倪亮，孙广辉.沼液灌溉对土壤质量的影响[J].土壤，2008，40（4）：608-611.

[责任编辑：陈泽琦]