中国甜高粱乙醇能量效率和经济性分析

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1、中国甜高粱乙醇能量效率和经济性分析高慧胡山鹰李有润清华大学化工系生态工业研究中心北京100084在多种非粮原料中，甜高粱由于具备产量高、抗逆性强、种植易等多重优势，成为我国发展非粮乙醇的重要原料之一。甜高粱乙醇在生产过程中的能量和经济盈亏问题是产业大规模发展可行性的决定因素。甜高粱乙醇的生产过程包括原料种植和运输、乙醇生产及消费等环节，如图1所示。这些环节伴随着不可再生的化石能源投入。当产品所携带的能量多于生产过程消耗的能量总和时，生产才有意义。另外，在我国目前部分省市的甜高粱乙醇小规模试验生产中，原料价格波动大大影响产品的经济效益。我国地域广阔，各地区气候地理环境各异(如图2和图3

2、所示)，发展甜高粱乙醇的基础和条件也各不相同，不同地区生产过程的能量效率和成本高低有异，因此有必要选取不同地区研究甜高粱乙醇在从原料种植到产品消费的全生命周期内能量和经济方面的表现。图1甜高粱乙醇生命周期能量输入、输出示意图11图2我国降水径流分区图图3我国太阳能辐射等级分区图111.甜高粱乙醇生产系统选取我国黑龙江东部、新疆南部、山东北部和海南四个区域，分别代表东北荒地、西北干旱地区、东部盐碱地和南方边际性土地四种典型的非耕地，对甜高粱乙醇生产系统在能量和经济方面的表现进行研究。1.1四个典型区域发展甜高粱乙醇的条件四个典型区域在气候和土壤条件方面差异较大(如表1所示)，对甜高粱种

3、植和乙醇生产有不同影响。在黑龙江东部、新疆南部、山东北部一年只能种1季；在海南一年可种2～3季。在甜高粱生长期内，新疆南部日照时间长、昼夜温差大、年太阳能总辐射量大，海南光照较为充足、降雨丰沛，这些条件有利于甜高粱生物产量的增大及茎秆糖分的积累，单位面积土地的茎秆产量和含糖量高于另外的黑龙江东部和山东北部。表1四个典型区域的气候和土壤条件比较内容单位黑龙江东部新疆南部山东北部海南年降水量mm400～600150～400600～8001200～1600年≥10℃积温℃2500～30003600～50003500～40008500～9000无霜期d110～150190～220180～22

4、0终年无霜全年日照时间h2200～25003000～34002300～29002400～3000年太阳能总辐射量MJ/m24200～50005800～67005000～58005000～5800土壤类型——暗棕壤岩性土棕壤、盐碱土燥红土、砖红壤土壤pH6.9～7.67.0～8.57.5～95.5～6.51.2甜高粱乙醇的全生命周期甜高粱乙醇全生命周期包括甜高粱种植、原料收运、乙醇生产、乙醇分配和消费四个阶段。(1)原料种植阶段11种植阶段一般包括田地的翻耕准备、播种、田间管理(包括灌溉、施肥、除草、杀虫等)、收割等环节，人通过向农田投入化肥、农药、农用机械、柴油、水等物资以及人工劳动

5、的方式向系统输入能量，作物在生长过程中从空气中吸收二氧化碳来进行自身有机物及生物质能的积累。主产品包括甜高粱茎秆和籽粒，叶鞘和叶片等可作为副产品，茎秆是乙醇生产的主要原料。系统在这一阶段没有能量输出。(1)原料收运阶段原料收运阶段包括茎秆的收割打包和从农田至燃料乙醇生产工厂的运输。系统在这一阶段能量输入主要是运输过程中货车的柴油消耗；同时没有能量输出。(2)乙醇生产阶段在乙醇生产阶段，系统能量输入主要包括煤炭等燃料的燃烧及电力和水的消耗，没有能量输出。根据发酵方式的不同可将甜高粱乙醇生产工艺分为固态发酵和液态发酵两种，如图4所示。图4(a)甜高粱固态发酵制乙醇主要生产流程图4(b)甜

6、高粱液态发酵制乙醇主要生产流程固态发酵以分布-集中式的形式组织生产，具有设备简单、投资少、建厂期短、收效快、操作容易、便于在不发达地区推广的优点。首先，农户把甜高粱茎秆收集至粗乙醇厂，以分散方式将甜高粱茎秆粉碎后接上菌种，发酵生产浓度约为60%左右的粗乙醇，再将粗乙醇集中收购、运输至精乙醇厂，进行蒸馏和改性，生产出99.5%的无水乙醇。固态发酵工艺生产周期长，生产较为零散，占据大面积生产场地，生产效率较低。液态发酵工艺是目前国际上较为先进的一种发酵工艺。将甜高粱茎秆运输至工厂，经压榨提取汁液，再发酵，发酵醪液经蒸馏和改性生产出99.5%的11无水乙醇。与固态发酵工艺相比，具有发酵速度

7、快、周期短、产量高的优点，适宜高效率、自动化、大规模产业化生产。(1)乙醇分配和消费阶段燃料乙醇产品从工厂运输至油品分销部门，完成汽油和燃料乙醇掺混。分销部门把乙醇汽油销往加油站，乙醇汽油最终作为机动车燃料出售。在这一阶段，能量输入主要是燃料乙醇从工厂运往分销部门以及完成掺混后从分销部门运往加油站过程中货车的油耗，能量的输出即乙醇作为机动车燃料燃烧所释放出的能量。2.甜高粱经固态发酵制乙醇的经济效益-生产规模关系目前我国甜高粱乙醇的试点生产企业规模很小，多