玉米秸秆生产燃料乙醇的经济性分析.doc

扬州海晨电气有限公司玉米秸秆生产燃料乙醇的经济性分析0引 言 伴随全球能源与环境问题的日益突出，低碳经济浪潮正在到来【1】。在此背景下，燃料乙醇被广泛视为替代和节约汽油的最佳燃料，已成为世界上生产规模最大的生物质能源12J。以资源丰富的木质纤维素为原料生产燃料乙醇被认为是21世纪发展循环经济的有效途径13】。 目前，国内外纤维乙醇技术研究步入一个新的时期件钾。美国国家可再生能源实验室示范线采用稀酸预处理酶解发酵工艺，采用细菌zmobilis的基因工程菌，进行连续厌氧发酵，乙醇体积浓度达到57【6J。西班牙Abengoa生物能源公司在Salamanca成立的首家生物质乙醇厂于2007年上半年开始生产，利用麦秸等农业残余废物，生产规模为500104 La的纤维燃料级乙醇产品【刀。加拿大Iogen公司2004年在渥太华建成40抛秸秆纤维乙醇示范生产装置。具有98105 La的生产能力IS。Thomsen等在规模24 td示范装置进行了小麦秸秆制取纤维乙醇的试验研究。采用稀酸预处理工艺，并添加05H202，190条件下处理60 min，纤维素与半纤维素的水解率分别达到71和68乙醇产量达到223 kgt9I。中科院过程所与山东泽生生物公司在2006年建立了3 000 ta示范生产线，采用蒸汽热喷预处理，固态发酵工艺，全流程运转结果表明，纤维素转化达到70，乙醇产率达到15t10】。中国天冠集团和中粮集团等单位也在此领域进行一些试验【111。虽然一些关键技术上取得了重要进展，但距产业化发展目标还有一段距离本文在已有研究成果基础上，基于自主设计的300ta玉米秸秆纤维乙醇示范工程线试验平台，初次系统地分析秸秆纤维乙醇技术指标和成本构成。试验采用稀酸预处理、酶解糖化发酵两段法工艺，在建立秸秆纤维乙醇技术指标体系基础上，分析了纤维乙醇的生产成本及过程单元所占成本比例，以及每吨乙醇生产所需能耗，为进一步促进中国未来纤维乙醇工业发展提供重要依据。1材料与方法11工程示范线简介玉米秸秆生产纤维燃料乙醇示范线是以河南农业大学农业部可再生能源莺点实验室为技术支撑，新乡中科燎原生物能源有限公司投资为主体，设计规模300 ta，位于河南省新乡市小店工业区锦绣工业园。该工程示范线于2007年7月建设，2008年3月正式投产试运行。12秸秆收集与成分玉米秸秆原料主要来源于示范厂附近的延津县和封丘县，由当地专门成立的秸秆收集站负责收集，有利于降低玉米秸秆原料大规模存储所带来潜在风险，运输收集半径约8 km，秸秆自然风干后，含水率通常为120o_4：1，玉米秸秆收购价格为220元t。粉碎至40460目，粉碎与运输费用6570元t，然后运至秸秆乙醇示范厂的原料储存车间。经试验测定主要成分如表1所示。表1玉米秸秆主要成分(干基)Table 1 Main components ofcorn straw成分质量分数成分质量分数，纤维素372可溶出物159半纤维素253尘土12木质素180总计100灰分2313生产成本分析参考Barry D Solomn对纤维素原料生产燃料乙醇的方、法【14l，计算公式如下Ca=Cb+Cx+Cl+Ce+Cm+Co+Pp式中：Ca秸秆乙醇的成本，元t；G原料的预处理成本，元t；Q资金投入成本，元t；C上劳动力成本，元t；Q能量消耗成本，元t；ck原材料成本，元t：Cb其他相关费用，主要包括：维护费用、水、残余物处理费用等，元t；砟副产品的收益，元t。14 乙醇生产技术评价指标体系基于300 ta示范线生产运行过程，分别从技术指标、经济指标和环境指标3方面考察，构建秸秆纤维乙醇的，评价体系，如表2所示，并在此基础上，着重研究玉米秸秆制取纤维乙醇生产过程中单位乙醇生产成本，以及各单元占乙醇生产成本的比例。 表2玉米秸秆纤维乙醇生产技术评价体系Table 2 Production evaluation system ofcorn straw cellulosicethanol指标体系分类单位技术体系糖化率乙醇质量浓度gL乙醇产率经济指标水耗t/t能耗kj/t环境指标CO2排放t/t15生产线工艺技术路线本示范工程试验线主要采用稀酸预处理技术，混糖同步发酵工艺，工艺流程示意图如图1所示。 图l秸秆纤维乙醇工程试验线工艺流程示意图Fig1 Process flow ofcellulosic ethanol demonstration plant21项目投入分析纤维燃料乙醇示范厂建设周期约为8个月，基于建设过程和生产过程的财务现金流，项目投资主要包括生产设备、厂房和相关费用3部分，资金时间价值不计，其费用构成如表3所示。表3秸秆纤维乙醇示范厂建设费用Table 3 Summary cost ofproject construction投资合计设备厂房相关费用金额/万元178.663.518.4260.5百分比/%68.624.37.1100由表3可以看出，生产线的设备投资和厂房投资占较大的比例，分别占总投入的686和243，辅助设施的投资占71，单位乙醇固定资产投入约08710元t，与通常的乙醇发酵工业投入构成比例基本一致。22纤维乙醇技术经济指标分析在生产试验研究过程中，本部分以纤维乙醇生产技术工艺和经济作为分析的重点，即秸秆乙醇产率及其生产成本作为衡量纤维乙醇技术成熟度的重要指标，直接影响到未来纤维乙醇技术商业化发展步伐115。基于生产示范厂的财务报表和生产过程，建立示范线3大指标体系，如表4所示。从表4可以看出，玉米秸秆稀酸预处理技术生产纤维燃料乙醇获得了相对较好的结果，乙醇质量浓度达到23 gL，乙醇产率达到181，水耗128饥，相对较低，这是因为生产过程中，蒸汽冷却水和蒸馏塔冷却水，及乙醇蒸馏分离后的糟液经自然沉淀和调整处理后实现再循环利用。在生产过程中，单位乙醇能耗与淀粉质原料相比，前者是后者的约23倍，这种差异主要源于2个单元过程，分别为预处理阶段和蒸馏阶段。预处理过程中，由于秸秆本身的密度属性，液固比为5870，而国内乙醇企业玉米粉液同比为3537【16l，液同比越大，能耗也随着显著增加；其次是蒸馏过程中，发酵醪液的乙醇质量浓度为23-一25 gL，国内大型乙醇企业发酵醪液乙醇体积分数一般1214【16】。因此，这两方面的差异显著增加单位纤维乙醇产品能耗。对于过程中产生的C02主要来源于煤炭消耗和发酵过程中菌体代谢，二者比值约为3，对于发酵过程的中C02这部分已经具有回收利用的技术，并用做制造生产聚合成全降解塑料【17J，这样可以降低约30C02排放，同时将有助于降低纤维乙醇生产成本。表4玉米秸秆纤维乙醇生产关键指标结果Table 4 Results ofkey indicators for corn straw cellulosicethanol production指标分类技术指标糖化率%51.6乙醇质量浓度/（g.L-1）23乙醇产率%18.1经济指标水耗/12.8能耗（kj.t-1）3.26*10环境指标CO2排放4.2 23纤维乙醇生产成本分析在对秸秆纤维乙醇关键性指标分析的基础上，并进行了生产过程中纤维乙醇产品成本构成及各单元占成本百分比，以确定影响成本价格的关键性因素，如表5所十。 从表5和图2可以看出，秸秆纤维乙醇成本估算中，纤维素酶占成本3 18，秸秆原料收集与粉碎占209，燃料及能耗占16，与淀粉质原料相比，其生产原料投入相对较小，这与秸秆原料价格廉价性密切相关，所以成本构成与淀粉质原料生产乙醇差异非常明显。以玉米原料为例，原料成本通常约占成本80，能耗约占10。因此，试验结果的成本构成分析表明，目前影响秸秆乙醇生产成本的关键性因素为纤维素酶，一方面生物酶活相对较低，相对需要增加使用量；另一个方面，酶解糖化体系效果与秸秆预处理技术密切相关。随着纤维素乙醇技术发展，及工艺技术不断优化，农作物秸秆纤维乙醇生产成本将有显著的下降空间。 3结论本研究选择正在生产运行的300 ta玉米秸秆纤维乙醇示范线作为研究平台，着重分析关键技术指标和乙醇生产成本，结果表明：1)在纤维乙醇生产示范线上，纤维乙醇的糖化率达到了516，乙醇质量浓度达到23 gL，乙醇产率达到181。2)基于试验运行过程分析，获得了当前技术条件下的纤维乙醇生产成本和关键性参数，即生产成本为7 385元t，能耗为32610 7 kJt，水耗128仉。综上所述，尽管纤维乙醇生产技术尚不完全成熟，正处于过渡转化阶段。一方面纤维素酶的成本较高；另一方面单位产品的耗能远大于玉米燃料乙醇耗能。因此，二者是影响或制约其