陈化水稻燃料乙醇全生命周期净能量分析

王 康，潘 忠，李永恒，黄 锦，黄加军，孙振江，罗 虎，吴延东，李 凡，佟 毅

(1.中粮营养健康研究院，北京102209；2.广西中粮生物质能源有限公司，广西北海536100；3.吉林中粮生化有限公司，吉林长春130033)

21世纪以来，生物燃料乙醇以其可再生性、环境友好、使用方便、易于推广等综合优势，成为部分替代化石燃料的理想汽油组分。水稻作为一种高成本农作物，储量巨大，但是其特性之一是不易保存，极易产生米质“陈化”和发霉变质。以陈化水稻作为原料生产燃料乙醇符合中国现有国情，同时可承担消化陈化粮的责任[1]。广西中粮生物质能源有限公司(以下简称广西公司)对陈化水稻发酵生产燃料乙醇的条件进行了大量研究应用工作，结合现有燃料乙醇生产工艺情况，优化改造了部分现有装置，实现了陈化水稻以全水稻的方式生产燃料乙醇。若按年产20万t燃料乙醇计算，陈化水稻年消耗量约74万t，将产生一定的社会效益和生态效益。

广西公司使用陈化水稻生产燃料乙醇已经实现了连续稳定运行，但是对于陈化水稻燃料乙醇在全生命周期内的具体能量效益并不清楚，也无相关的研究报道。因此，本文中，笔者拟开展陈化水稻燃料乙醇净能量分析的工作，意图填补研究领域的空白，并提出针对性的改进方案，从而提高陈化水稻燃料乙醇的社会及生态效益。2006年张治山等[2]分析了玉米燃料乙醇生命周期的净能量，研究表明：玉米燃料乙醇具有一定的能量效益，干法和湿法工艺的能量效率(能量比)分别为1.25和1.04，净能量分别为5.95 MJ/kg(以1 kg乙醇计)和1.11 MJ/kg。2015年岳国君等[3]分析了广西公司20万t/a木薯燃料乙醇净能量，结果表明，广西公司使用木薯作为原料时的净能量为9.56 MJ/L(以1 L乙醇计)。可见，玉米和木薯燃料乙醇全生命周期净能量均为正值，也进一步为扩大燃料乙醇的生产使用提供了理论支持。

本文中，笔者基于生命周期清单分析(life cycle inventory,LCI)原理[4]，针对广西公司陈化水稻燃料乙醇生产工艺流程，通过基础研究数据，建立陈化水稻燃料乙醇的净能量分析模型和方法，定量评价广西公司陈化水稻燃料乙醇的能量效率并对其影响因素进行分析，以期为正确评价和提高我国水稻燃料乙醇的能量可持续性提供量化依据。

1 工艺路线及基础数据

1.1 工艺概述

广西公司经过多次技术改造，于2017年4月份开始全部使用陈化水稻生产燃料乙醇。工艺流程如图1所示。

图1 广西公司陈化水稻燃料乙醇工艺流程Fig.1 Schematic diagram of aged rice fuel ethanol production process in Guangxi COFCO

预处理：广西公司采用全水稻发酵生产燃料乙醇。预处理装置采用木薯浓醪除沙技术，把一定量的物料通过预粉碎、滚筒分级筛、吸咀风选、沙水分离器，去除沙石、铁器、编织物等杂质，再通过粉碎机粉碎、检查筛筛分得到合格粒度细粉。滚筒分级筛的筛下物经过沙水分离器后直接去往拌料工艺，筛上物经过新线粉碎机进一步粉碎，通过旋风分离器将物料及尘土等杂质分离。在粉浆罐中添加工艺水配制成一定浓度的粉浆后输送至液化工段。

液糖化及发酵：在粉浆罐内，加入部分耐高温α-淀粉酶，料液搅拌均匀后，进行喷射液化。闪冷后进入液化罐，加入剩余量的淀粉酶，维持90 min至液化合格。然后采用同步糖化发酵的方式，即液化醪在输入发酵罐及酒母罐的过程中分批添加糖化酶。在活化罐内将活化好的酵母与液化醪连续输入酒母罐后培养一段时间，成为成熟酒母醪。成熟的酒母醪同充分降温的液化醪同时输入发酵罐，供发酵产生乙醇。发酵60 h成熟后，成熟醪液由泵输入蒸馏工段。

蒸馏：蒸馏采用粗塔、一精塔和二精塔的三塔流程。粗塔的作用是将乙醇、挥发性物质以及部分水从废醪液中分离出来，塔釜排出重组分、固形物和大量的水。一精塔的作用是对粗塔塔顶采出的乙醇进行浓度提高，并排除废水。二精塔的作用是分离去甲醇。精馏工序采用专有的热耦合精馏技术，发酵成熟醪通过预热器被成品酒汽预热后，送入粗馏塔的进料塔板层。粗塔底废醪液由酒糟泵输送至饲料车间工段，另一部分含乙醇的醪液依次进入2个精塔。

饲料工段：饲料车间收集由粗塔蒸出的废醪，添加超浓缩蛋白絮凝剂后通过板框隔膜压滤机或卧螺离心机分离出清液和湿糟。20%的清液用于工艺水回配，剩余80%部分浓缩至36%的糖浆。湿糟通过螺旋输送机进入滚筒，添加蒸发浓缩的糖浆，进入管束干燥机干燥。管束干燥机出料水分控制不高于12%，即为成品饲料(DDGS)，再通过二级风送系统最后进入饲料库房。

1.2 基础数据

陈化水稻的净能量(net energy value,NEV)分析模型参考了玉米、木薯的净能量分析模型[2-3]，即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[5-7]。基于热力学第一定律，净能量是指燃料乙醇提供的能量减去生命周期内的化石能量输入的剩余能量与副产品替代的能量之和，本文中，笔者采用国内提出的净能量分析模型[2]进行核算。单位质量陈化水稻燃料乙醇的净能量分析数学模型见式(1)。

NEV=EB-(EF1+EF2+EF3+EF4-EF5)(1)

式中：EB为乙醇的燃烧热能(biomass energy,BE)，EF1为陈化水稻生产过程中消耗的能量(有种苗、化肥、农药、电力和燃料等间接输入的能量)，EF2为运输陈化水稻的能量，EF3为乙醇转化过程中消耗的能量(有水稻粉碎、蒸煮、发酵、乙醇的蒸馏及脱水和副产品的生产等操作输入的能量)，EF4为运输燃料乙醇以及副产物消耗的能量，EF5是副产品的替代能量之和。

在该模型中，燃料乙醇生产全生命周期的能量分析涉及水稻生产、水稻运输、乙醇转化、乙醇及副产物运输和燃料使用等环节，以下依次分析每个部分的能量输入与输出基础数据。

水稻生产环节：在水稻生长阶段与秧苗播种阶段消耗的化肥是资源消耗的主要阶段，在生长阶段能源消耗量可达到5 540 MJ/t水稻[8]。水稻种植过程中能量的输入强度在不同的种植区域差别较大。表1给出了我国不同地域水稻生命周期评价指标的对比情况[8-13]，以生产1 t水稻为计算单位。广西公司在2018年4—8月份使用的陈化水稻种植地主要集中在广西桂林及湖南一带，据不完全统计，广西公司加工使用的陈化水稻有68.3%来自湖南地区，9.7%来自广西桂林。本文陈化水稻生产的能耗根据表1中统计的结果，结合水稻比例计算可得水稻生产环节的能耗。

表1 不同地域水稻种植能量对比

水稻运输环节：陈化水稻运输环节的能耗可以参照文献[3]并按式(2)计算。

(2)

式中：D1为陈化水稻的运输距离，由于广西公司使用的陈化水稻来源于广西及周边省份的湖南、云南等地，最近距离为300 km，最远距离可达1 490 km。经计算，平均运输距离为800 km。ET1为运输燃料(柴油)的消耗强度，经计算得知，ET1为1.7 L/(100 t·km)。H1为运输燃料(柴油)的能量强度，参照文献[14]中的数据为42.65 MJ/kg；x为转化率，根据广西公司的实际生产情况，约3.77 t陈化水稻可加工成1 t乙醇。

乙醇转化环节：该环节是本分析模型中最重要也是最复杂的环节，所用数据采用车间稳定生产的数据。通过对生产环节原辅料的消耗、水电气等各项损耗、主副产品的产出衡算，形成的物料平衡图如图2所示。其中，以产1 t燃料乙醇为基准，表示各能量的输入及输出。能量输入的物料包括陈化水稻、新鲜水、蒸汽、电能、辅料(酶、尿素、硫酸铵、硫酸等)。因为辅料添加量较少，因此本文全生命周期评价边界不包括辅料的生产环节。能量输出包括燃料乙醇的燃烧热能、沼气的燃烧热能、CO2和DDGS等副产品以及外排的废水。能量损耗包括喷射液化的排气、精馏排出的杂质(杂醇油、甲醇等)和污水处理过后的污泥。乙醇转化环节的计算，见式(3)。

EF3=∑IEiIEi

(3)

式中：Ei是乙醇转化过程中投入的各种能量消耗量，IEi是各种能量的能量强度。

能量投入主要为电、蒸汽、水的消耗，本文中采用广西公司2018年4—8月间的统计数据，如表2所示。电能、蒸汽、水的能量强度均按文献[15]折算成标煤，折标煤系数分别为0.122 9 kgce/(kW·h)、0.128 6 kgce/kg、0.086 kgce/t。标煤的热值按文献[15]换算为29.31 MJ/kg。

图2 乙醇生产环节物料平衡简图Fig.2 Material balance of ethanol production

乙醇及副产物运输环节：该环节的能耗与水稻运输环节相似，按式(4)计算。

(4)

式中，Di为乙醇或副产物的运输距离。广西公司生产的燃料乙醇实际销售运输半径平均为500 km，DDGS的实际销售运输半径平均为35 km，液态CO2的实际销售运输半径平均为100 km。ET1及H1在式(1)中给出。x为转化率，DDGS的转化率为0.847，CO2的转化率为11.364。

表2 乙醇转化单元电、蒸汽、水消耗

注：以生产1 t乙醇计。

能量输出环节：该环节包括乙醇的燃烧热能(EB2)和副产品的替代能量(EF5)之和。能量输出占比最大的是主产品燃料乙醇的热值，其热值计算参照文献[16]数据。燃料乙醇副产品的开发对全生命周期的净能量有至关重要的作用，副产品沼气及DDGS也计入能量产出部分(CO2忽略不计)，具体计算如式(5)所示。

EB2=∑EOiIEOi

(5)

式中：EOi是产出的副产品的能量消耗量，IEOi是各种形式能量的能量强度。沼气按甲烷含量60%计算热值，热值数据参照文献[17]。参照国家标准《煤的发热量测定方法》(GB/T 213—2008)对水稻DDGS的热值进行测定，测定结果为22.02 MJ/kg乙醇(17.37 MJ/L乙醇)。

表3 能量产出部分基础数据

注：以1 t乙醇计。

2 结果与讨论

2.1 净能量计算结果

由于统计得到的各个环节的能量单位各异，为便于计算，基于乙醇液体密度为0.789 g/cm3(20 ℃)，将能量单位统一为MJ/L(以1 L乙醇计)。使用陈化水稻生产燃料乙醇全生命周期内各个环节的能量计算结果，如表4所示。

表4 净能量计算数据表

注：以1 L乙醇计。

由表1可知：结合水稻产地比例计算可得陈化水稻生产环节的能耗为13.15 MJ/L。根据式(2)可得陈化水稻的运输环节能量消耗为1.44 MJ/L。乙醇转化环节的电能、蒸汽、水折标煤后能量强度分别为51.08 kg标煤/t(以1 t乙醇计)、468.10 kg标煤/t、0.52 kg标煤/t，根据标煤的热值计算得知乙醇转化环节的电、蒸汽及水耗能分别为1.18 MJ/L、10.83 MJ/L和0.012 MJ/L。根据式(4)及基础数据计算，乙醇、DDGS及CO2运输消耗的能量分别为0.24 MJ/L、0.020 MJ/L和0.004 MJ/L。

参照文献[14]得知燃料乙醇的燃烧热能(EB)为21.18 MJ/L；根据表3中的基础数据，计算得知沼气的热能为0.312 MJ/L，水稻DDGS的热值为17.37 MJ/L。

全生命周期内能量总投入为26.87 MJ/L，其中水稻生产占48.94%，乙醇转化过程占到44.73%，陈化水稻、乙醇及副产物运输环节投入的能量占6.34%。而精馏消耗的蒸汽占乙醇转化环节蒸汽消耗的83.24%。产出的能量包括乙醇燃烧产出的能量、沼气及水稻DDGS燃烧产出的能量，总产出为38.86 MJ/L。根据式(1)计算得到净能量数据为11.99 MJ/L。

2.2 讨论

由于不同的生产厂家，其加工原料的来源不同、加工工艺的优劣以及运输成本的高低等因素，使得其对应的水稻燃料乙醇净能量可能与广西公司存在差异，我们只针对广西公司的净能量计算结果展开讨论。

1)水稻种植。广西公司加工使用的陈化水稻有9.7%来自广西桂林地区。由于桂林市属于喀斯特地貌，耕地基本上以丘陵为主，地势高低起伏有落差。因此，无法采用大面积种植、机械化作业，只能采用一些小型化机械，同时结合以劳动力为主的方式进行耕种，所以广西桂林的水稻生产能耗较高，达到了9 650 MJ/t水稻。在今后的水稻种植过程中应该尽量减少化肥的使用，这不仅能减少对环境所产生的影响，而且也能减少矿产资源消耗、节约成本。在条件许可的情况下尽可能地使用有机肥，使土壤肥力保持在一定程度，更有利于水稻的生长。

2)副产物利用。燃料乙醇的生产过程中，会产生种类繁多的副产物。如对这些副产物不加以回收利用，不仅会浪费资源、加大能耗，而且会造成环境污染。因此，在陈化水稻生产燃料乙醇的过程中，必须对生产中的副产品进行回收，对废液进行综合处理与利用，变废为宝，降低能耗，减少环境污染。广西公司水稻DDGS和沼气直接燃烧提供的能量产出达 17.68 MJ/L，约占能量输出值(38.86 MJ/L)的45.5%，可见改善水稻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。

3)蒸馏汽耗。根据净能量分析结果，得知蒸汽消耗(10.83 MJ/L)占乙醇转化环节能耗(12.02 MJ/L)的90.1%，占整个生命周期的能量输入(26.87 MJ/L)的40.28%。而蒸馏消耗的蒸汽(3.03 t/t)占乙醇转化环节蒸汽消耗(3.64 t/t)的83.24%。可见精馏汽耗能在整个生命周期内具有举足轻重的比例，使得蒸馏节能改造进而降低能耗尤为重要。由于水稻稻壳的粗纤维及灰分比较多，容易出现稻壳结团、沉降、堵塞管口、加剧换热器及输送设备磨损等现象，还需加强技术升级，增强前工序除沙管理，对管道易磨损部位补强或更换其他材质，逐步调整流速比，使之适合水稻生产燃料乙醇。

为了优化发酵工艺流程，降低能耗，提高原料利用率。直接采用水稻生料发酵技术和二代纤维素乙醇技术将成为未来的主要研究方向，此工艺可以省去糊化和液化工艺能耗，可以节约10%～25%的能耗，并减少传统高温蒸煮的糖分损失。再结合二代乙醇技术添加纤维素酶为主的复配酶来水解纤维素和半纤维素等碳水化合物，使之充分转化成为可发酵性的糖，从而大幅度提高糖醇转化率，提高6%～10%乙醇产出率。

3 结论

建立了广西公司陈化水稻燃料乙醇净能量分析模型。该模型考虑了陈化水稻在生产、运输、加工转化、成品运输以及燃料乙醇能量转化等各个环节能量输入与输出情况，针对各个环节进行了能量定量分析。其中陈化水稻生产环节的能耗为13.15 MJ/L(以1 L乙醇计)，陈化水稻的运输环节能量消耗为1.44 MJ/L，乙醇生产环节能量消耗为12.02 MJ/L，加上燃料乙醇以及副产物运输，总能量输入为26.87 MJ/L。但是燃料乙醇的燃烧热能及副产品的替代能量之和却达到了38.86 MJ/L，其净能量为11.99 MJ/L。

展望未来国际生物乙醇技术市场，水稻作为全球主要种植的三大谷物之一，采用水稻发酵生产燃料乙醇技术潜在需求较大。中粮广西公司凭借自有的成套全水稻燃料乙醇技术已具备了国际竞争力，可以在全套水稻燃料乙醇装备技术出口方面发挥重要作用。