中粮(安徽)非粮乙醇技术改造能量投入/产出分析

岳国君，林海龙，沈乃东

（国家能源生物液体燃料研发(实验)中心，北京 100020）

我国燃料乙醇行业起步于“十五”期间，2004年国务院八部委确定了先行试点、政策扶持、封闭运行的燃料乙醇产业政策，先后批复建成4 套以陈化粮为原料生产燃料乙醇的装置[1]。截至2013年6月，4 家企业总计生产燃料乙醇1388 万吨，累计调配车用乙醇汽油1.39 亿吨，相当于减少原油进口2570 万吨，减少外汇支出177 亿美元；带动农村就业人口近500 万人，为农民每年创造120 亿元的收入，消耗陈化粮1023 万吨，共减少二氧化碳排放655 万吨，为我国能源安全以及环保事业做出了积极贡献，取得了良好的经济和社会效益。

国务院2007年出台《可再生能源中长期发展规划》，明确要求燃料乙醇原料坚持非粮为主，并重点支持木薯、甜高粱及纤维资源等非粮原料产业发 展[2]。在2012年发布的《可再生能源发展“十二五”规划》中提出支持建设具备条件的木薯乙醇、甜高粱茎秆乙醇、纤维素乙醇等项目；“十二五”期间推进以农林剩余物为主要原料的纤维素乙醇和生物质热化学转化制备液体燃料示范工程。

2009年，中粮集团在广西建成的20 万吨/年木薯燃料乙醇示范装置（广西中粮生物质能源有限公司，以下简称“广西中粮”）是我国第一个大型非粮燃料乙醇试点项目。2012年，中粮生物化学(安徽)股份有限公司[以下简称“中粮(安徽)”]借鉴广西中粮木薯燃料乙醇的经验，完成了15 万吨/年玉米乙醇的非粮替代改造。装置运行一年来，各项指标不断改善，已取得预期效果。

本文拟在总结中粮(安徽)非粮技术改造工作的基础上，利用全生命周期评价方法对木薯原料替代前后的能量投入/产出进行分析，并展望今后采用非粮路线发展生物质液体燃料的前景。

1 中粮(安徽)非粮技术改造

2002年国家批准中粮(安徽)（当时为丰原生化，2010年中粮集团控股安徽丰原生物化学股份有限公司）实施32 万吨/年玉米燃料乙醇项目。其中，原有一套12 万吨/年（两条6 万吨/年生产线）装置，新建一套20 万吨/年装置，新旧两套均采用陈粮为原料。经过十多年的发展，2011年，两套装置的生产能力分别达到了30 万吨/年和15 万 吨/年，中粮(安徽)燃料乙醇总生产能力合计45万吨/年。

随着我国粮食贮存技术的重大进步，“陈粮”问题基本解决。2012年，中粮(安徽)执行国家“发展生物燃料乙醇要坚持非粮为主”的产业政策，在集团自有技术基础上进行集成优化，将以玉米为原料的15 万吨/年玉米燃料乙醇装置改造为木薯燃料乙醇装置，改造前后工艺流程对比如图1 所示。该套装置在借鉴了广西中粮技术的基础上进行改造，但在预处理、污水处理等工艺单元另有特色。

（1）预处理单元 广西中粮在原料预处理环 节，采用干法风送二级粉碎、粉浆回流拌料工艺，并开发应用了干木薯浓醪除沙技术。中粮(安徽)预处理原有两条线，改造初期在一条预处理线上借鉴广西中粮工艺，采用两级格栅+筛分+风选+蒸煮除沙与旋流除沙工艺，筛分后的筛上物木薯采用高真空负压粉碎技术，提高单台粉碎机的处理负荷，粉碎后的木薯粉经称重，精确控制调浆的料水比例，浆料通过管道过滤器，去除透滤过来的麻绳等杂物，再通过旋流除沙、沉降回收残留淀粉；筛下物在改造初期为蒸煮液化+板框过滤除沙工艺，后改为拌料后直接进行旋流除沙，通过旋流除沙后总除沙率在85%以上。改造后的预处理线路，提高了淀粉的利用率，节省粮耗30kg/(t 乙醇)。这次改造新建的一条预处理线为木薯不过筛分直接进行负压粉碎，粉碎后经调浆，两条线路汇总后进入调配、喷射液化。

图1 原料替代前后生产燃料乙醇工艺流程图

（2）污水处理 中粮(安徽)装置过滤后木薯废水经公司环保系统进行生化处理后，COD 达到300mg/L 以下排放到蚌埠市城市污水处理厂，与碳氮比较低的城市污水混合处理，使碳氮比更加合理，降低了污水处理成本，确保了污水各项指标最终均达标排放，实现双赢。中粮(安徽)污水处理项目设计可以实现COD 达到100mg/L，考虑蚌埠市城市污水处理厂需要处理较高碳氮比的污水，最终本项目的污水处理后的指标要求控制到≤300mg/L 为宜。若处理本装置的污水COD 从300mg/L 降到100mg/L 以下，需经过高级氧化和混凝沉淀两步处理。两级成本合计为1.05 元/吨，而交由城市污水处理厂统一处理，每吨费用0.49 元/吨。成本下降53%。

通过改造，实现了木薯原料替代玉米原料生产燃料乙醇。2012年 6 月系统试车成功，截止到2013年9 月已经连续稳定运行15 个月。装置生产能力为394 吨/天，燃料乙醇木薯原料消耗2.935 吨/吨，该项目的实施，每年可节约粮食50 多万吨，达到预期效果。

2 木薯与玉米能量效率理论分析

国内外已有较多关于木薯及玉米燃料乙醇能量效率的研究报道，一般以净能量（net energy value，NEV）或能量比（energy ratio，ER）为指标，对玉米及木薯全生命周期进行分析[3-8]。净能量是燃料乙醇提供的能量减去燃料乙醇生命周期的化石能量输入后的剩余能量与副产品替代能量之和。能量比为能量的产出/投入比，即1MJ 化石能耗所取得的生物燃料能量。

燃料乙醇生产全生命周期中需要投入化石能源的主要过程包括：玉米、木薯生产及运输过程，乙醇转化过程及乙醇输配过程。产出能量的过程为乙醇燃烧及副产品替代。

国内研究人员对玉米燃料乙醇整个生命周期中能量流动进行分析，建立了玉米燃料乙醇的净能量分析数学模型，可用式（1）表示[3]。

式中，BE 为乙醇的燃烧热能；FE 包括玉米生产过程的能耗FE1（由种子、化肥、农药、电力和燃料等间接载入的化石能）、乙醇转化过程消耗的能量FE3（主要来自于玉米粉碎、蒸煮，酒糟的干燥，乙醇的蒸馏及脱水以及副产品生产等操作）、运输玉米以及燃料乙醇消耗的能量FE2 和FE4，以及副产品的替代能量FE5。

经过计算得出玉米燃料乙醇具有一定的能量效益，如表1 所示。干法和湿法的净能量盈余分别为5.95MJ/kg 和1.11MJ/kg，能量比为1.25 和1.04。该模型在计算时考虑尽量使用反映玉米燃料乙醇实际生产情况的有关数据，具有一定的参考意义。

表1 文献中关于玉米及木薯燃料乙醇的净能对比

还有文献报道[9]了以黑龙江及广西实地收集的数据为基础的两个企业从种植到乙醇燃烧的整个生命周期过程能量效率的评估结果。计算分为主副产品分配前和分配后两种情况。分配前，玉米乙醇和木薯乙醇的净能量和净可再生能量是负数，而分配后，净能量和净可再生能量都为正数，玉米乙醇和木薯乙醇的能量比分别为1.05 和1.1。且分配前后木薯乙醇的净能量和净可再生能量均优于玉米乙醇，表明副产品开发利用对系统的能量效率具有主要的影响。

在各种报道中，由于所采取的基础数据、模型、副产物分摊等方法的差异，对于木薯燃料乙醇的能量效率有所出入，但所计算的净能量均为正值，大致是4.79～7.92MJ/L 乙醇[10-13]。

3 中粮(安徽)非粮技术改造前后的能量投入/产出分析

中粮(安徽)木薯原料替代有自己的特点，由于原料来源不同、生产工艺不同等因素，其能量投入/产出与其他木薯乙醇工厂有所区别。本文根据生产统计数据，分别对玉米及木薯乙醇的能量效率进行计算。

对于边界界定，计算范围包括5 个单位：①原料生产；②原料运输；③乙醇生产；④乙醇运输及配送；⑤燃料使用。

对于基础数据，在上述5 个单元中，单元①属于农业生产范畴，采用文献[6，14]中我国玉米及泰国木薯耕种及处理的能耗数据，并结合中粮(安徽)原料消耗水平进行折算，结果如表2。

为了简化起见，假定玉米和木薯原料，单元②、④、⑤的化石能耗是相同的；单元②、④、⑤采用表3 所列数据进行计算。

表2 原料种植单元相关数据

表3 原料运输、乙醇输配、燃料使用单元相关数据

表4 玉米乙醇基础数据

在单元③的分析中，玉米乙醇采用2011年中粮(安徽)全年平均值，如表4 所示；木薯乙醇采用2012年10 月～2013年9 月统计数据，如表5 所示。

对比表4 及表5 的电耗数据可以看出，木薯乙醇总电耗低于玉米，工艺流程中无浓缩和烘干是主要原因。在预处理粉碎工序，木薯乙醇电耗低，因预处理粉碎设备改造，采用高真空负压粉碎技术，木薯粉碎电耗大幅下降。另外，木薯质地疏松，粉碎比玉米更容易。公用工程的电耗波动较大，主要因为目前中粮(安徽)木薯乙醇和氨基酸两个产品的公用工程共同使用，采用分摊的方式，木薯全流程优化项目顺利试车后，以原有的人工分摊结算方式反馈出的木薯乙醇公用工程消耗不十分确切。

分析蒸汽消耗的差异，玉米乙醇工艺中玉米淀粉渣的烘干消耗的蒸汽较高，木薯乙醇无该项消耗。糖液化工序经过醪醪换热改造（糖化醪与喷射后液化醪换热）后，目前单月蒸汽消耗可降至0.4t/t 乙醇。

由于燃料乙醇生产中的副产物玉米蛋白饲料及木薯渣的生产也应按主副产品进行消耗能量分配，对玉米蛋白饲料及木薯渣的能耗分配采用市场价值量法[9]，计算结果如表6 所示。

根据所取得的基础数据计算玉米及木薯能量效率如表7 所示。在能量投入过程中，原料生产及乙醇转化是两个主要的投入环节，木薯乙醇在这两个单元的能耗分别比玉米乙醇减少54%及38%。计算所得的净能量值，玉米乙醇为1.77MJ/L，木薯乙醇为7.82MJ/L。对比玉米及木薯乙醇的能量比，玉米为1.0，木薯为1.36。从计算结果看，木薯乙醇表现出较高的能量效率。

表5 木薯乙醇能耗基础数据

表6 玉米乙醇及木薯乙醇主副产品能量消耗分配

表7 玉米及木薯乙醇净能量对比

4 非粮替代前景展望

（1）非粮改造取得了预期效果。中粮(安徽)在原有装置的基础上进行非粮技术改造，在此之前，该套乙醇生产装置已运行近10年，非粮替代改造为15 万吨/年木薯燃料乙醇后，每年可节省50 多万吨玉米，年节约能耗折标煤约4 万吨。

（2）生产环节技术改造是提高能量效率的重 要措施。提升能量产出/投入比，从燃料生产角度看，作为企业可以主动操控的是生产环节。文献[3]报道乙醇转化单元的能量输入约占燃料乙醇生命周期的60%，本文计算结果也与之基本相符，玉米乙醇与木薯乙醇分别为62.2%和63.9%。木薯乙醇与玉米乙醇的净能量对比，其最大的差异仍体现在乙醇转化单元。该装置的精馏单元将继续进行改造，若通过精馏改造蒸汽降低至1.8t/(t 乙醇)，计算得乙醇转化单元的能量投入将降低1.49MJ/L。由此可见，乙醇转化单元的技术改造对能量投入产出的变动影响 明显。

（3）污水处理具有减能的趋势。中粮(安徽)处理后的废水进入城市污水处理系统，改善了城市污水水质，降低处理难度和成本，实现了污水处理的互补和双赢。另一方面，废水指标只控制到≤300mg/L，不经过高级氧化和混凝沉淀处理，从能量投入/产出角度，也有减能的趋势。

（4）不宜轻易扩大木薯原料的使用规模。在原料种植环节，玉米乙醇的能耗为28.1%，木薯为21.4%。文献[3，15-16]报道，种植环节的能耗可达化石能源总能耗的30%。从种植环节能量效率的角度，利用种植作物为原料生产燃料乙醇并不如农林废弃物具有优势。孔德柱等[17]从土地使用率、能耗、环境和耗水量4 个方面分析了玉米秸秆、木薯和甜高粱3 种生物质原料生产燃料乙醇的过程，结果表明，玉米秸秆作为原料，按产出乙醇能计，土地使用率最高可达 563.40GJ/hm2（木薯作为原料为160.2GJ/hm2），投入能量最低，仅为22.68MJ/GJ（木薯作为原料为100.64MJ/GJ），环境影响最小，耗水量最少，是最有开发前景的原料。木薯乙醇的减排效果并不明显的报道也见诸于其他文献[18-19]。杨海龙等[18]研究了木薯燃料乙醇的碳效应，指出由于对土壤碳库破坏导致的碳排放占木薯燃料乙醇总排放量的20%～30%。综合考虑多方面因素，在我国，以种植作物为原料发展燃料乙醇未必是今后燃料乙醇的主要方向。继续拓展生物质原料应坚持以农林废弃物为主，尤其注重因地制宜，木薯原料的使用规模不宜轻易扩大。

（5）加快纤维素乙醇的商业化。燃料乙醇产业的发展应高度重视能量投入/产出的判断标准。从前述分析来看，以玉米秸秆为代表的木质纤维素原料生产燃料乙醇在能量效率上将更有优势，且木质纤维素资源丰富，第二代生物乙醇技术日渐成熟[20-23]，应当加快纤维素乙醇的商业化。

[1] 岳国君，武国庆，郝小明. 我国燃料乙醇生产技术的现状与展望[J]. 化学进展，2007，19（7-8）：1084-1090.

[2] 赵淑芳. 木薯燃料乙醇的净能量分析与环境影响评价——基于广西20 万吨木薯燃料乙醇项目的分析[J]. 生态经济：学术版，2010，2：235-238.

[3] 张治山，袁希钢. 玉米燃料乙醇生命周期净能量分析[J]. 环境科学，2006，27（3）：437-441.

[4] 丁文武，原林，汤晓玉，等. 玉米燃料乙醇生命周期能耗分析[J]. 哈尔滨工程大学学报，2010，31（6）：773-779.

[5] 胡志远，戴杜，蒲耿强，等. 木薯燃料乙醇生命周期能量效率评价[J]. 上海交通大学学报，2004，38（10）：1715-1718.

[6] Nguyen T L T，Gheewala S H，Garivait S. Full chain energy analysis of fuel ethanol from cassava in Thailand[J]. Environ. Sci. & Technol.，2007，41（11） ：4135-4142.

[7] Swana J，Yang Y，Behnam M，et al. An analysis of net energy production and feedstock availability for biobutanol and bioethanol[J]. Bioresour. Technol.，2011，102：2112-2117.

[8] Yang Q，Chen G Q. Nonrenewable energy cost of corn-ethanol in China[J]. Energy Policy，2012，41：340-347.

[9] 戴杜，刘荣厚，蒲耿强，等. 中国生物质燃料乙醇项目能量生产效率评估[J]. 农业工程学报，2005，21（11）：21-23.

[10] 张艳丽，高新星，王爱华，等. 我国生物质燃料乙醇示范工程的全生命周期评价[J]. 可再生能源，2009，27（6）：63-68.

[11] Hu Z Y，Fang F，Ben D F，et al. Net energy，CO2emission，and life-cycle cost assessment of cassava-based ethanol as an alternative automotive fuel in China[J]. Applied Energy，2004，78：247-256.

[12] Yu S R，Tao J. Energy efficiency assessment by life cycle simulation of cassava-based fuel ethanol for automotive use in Chinese Guangxi context[J]. Energy，2009，34：22-31.

[13] Liu B B，Wang F，Zhang B，et al. Energy balance and GHG emissions of cassava-based fuel ethanol using different planting modes in China[J]. Energy Policy，2013，56：210-220.

[14] 欧训民，张希良. 中国车用能源技术路线全生命周期分析[M]. 北京：清华大学出版社，2011.

[15] 岳国君，王满意，林鑫. 燃料乙醇温室气体排放与能量投入/产出的探讨[J]. 化工进展，2013，32（11）：2599-2603.

[16] Ou X M，Zhang X L，Chang S Y，et al. Energy consumption and GHG emissions of six biofuel pathways by LCA in the People’s Republic of China[J]. Applied Energy，2009，86：S197-S208.

[17] 孔德柱，王玉春，孙健，等. 燃料乙醇生产用生物原料的土地使用、能耗、环境影响和水耗分析[J]. 过程工程学报，2011，11（3）：452-460.

[18] 杨海龙，封志明，吕耀. 木薯燃料乙醇的碳效应分析[J]. 自然资源学报，2013，28（5）：732-744.

[19] 李小环，计军平，马晓明，等. 基于EIO-LCA 的燃料乙醇生命周期温室气体排放研究[J]. 北京大学学报：自然科学版，2011，47（6）：1081-1088.

[20] Singh A，Pant D，Korres N E，et al. Key issues in life cycle assessment of ethanol production from lignocellulosic biomass：Challenges and perspectives[J]. Bioresour. Technol.，2010，101：5003-5012.

[21] Zhan H H，Huang L L. Recent advances in lignocellulosic ethanol[J]. Transactions of the CSAE，2011，27（s1）：218-222.

[22] Viikari L，Vehmaanperä J，Koivula A. Lignocellulosic ethanol：From science to industry[J]. Biomass & Bioenergy，2012，46：13-24.

[23] Hasunuma T，Okazaki F，Okai N，et al. A review of enzymes and microbes for lignocellulosic biorefinery and the possibility of their application to consolidated bioprocessing technology[J]. Bioresour. Technol.，2013，135：513-522.