燃料乙醇能源系统的生态重组专题讲座PPT

1、燃料乙醇能源系统的生态重组 小组成员： 2 目录 生态重组的定义 传统燃料乙醇生产过程分析 燃料乙醇能源系统的生态重组 生态重组效果分析 总结 工业系统是现代社会经济系统的核心， 是社会 发展不可缺少的动力， 它提供的产品和服务构成 了现代文明的物质基础。但是，在人类各种活动 中，工业活动对自然环境冲击最大，由此造成对 自然环境的损害也最为严重。以可再生生物质为 原料生产燃料乙醇， 为人类提供了一种全新的车 用燃料。然而，与其它工业过程一样， 燃料乙醇 的生产过程对自然生态环境产生了强烈的扰动。 通过对以木薯为原料的燃料乙醇能源系统进行生 态重组， 可大大降低其对自然环境的冲击。 3 4 一、

2、生态重组的定义 推动工业系统的演进，使之由低级生态系统 向三级生态系统的转化，这是工业生态学的主旨 。工业系统的演进可体现在不同层次，小到工业 共生体系，大到整个社会经济体系。要实现工业 生态学主旨，向生态可持续性经济模式的转化。 这种旨在推动工业体系演进的战略，被称为“生 态重组 技术创新群落要实现可持发展，就必须对技 术创新生态系统结构即“营养结构”和“形态结 构”进行生态重组，并构建一个理想的技术创新 生态系统模式，以实现整个技术创新生态系统中 物料流动的封闭循环，从而变技术创新种群间的 有害关系为有利关系，并最终实现经济效益、社 会效益和生态效益的有机统一 。 5 6 燃料乙醇是可再生

3、的生物质液态能源， 可按 比例与汽油混配制成车用乙醇汽油。乙醇可通过 化学合成和生物发酵等方法制得。甘蔗、甜菜等 糖类生物质和玉米、小麦等淀粉类生物质是发酵 法产乙醇的主要原料，木质纤维素也可以作为发 酵法的原料，但是还没有得到大规模应用。木薯 是一种在我国南方广泛种植的非粮作物，具有适 应性强、耐旱、耐贫瘠等特点，鲜木薯中淀粉含 量在32%以上，是生产乙醇的理想原料。 二、传统燃料乙醇生产过程分析 传统的发酵法生物质乙醇生产过程分为原料 种植的农业过程和乙醇生产的工业过程两大部 分。以木薯为原料的乙醇生产为例，木薯种植为后 续的工业过程提供生物质原料， 而工业过程则将 木薯中的淀粉通过生物转

4、换及化学分离的方法制 成燃料乙醇。 7 8 木薯生长模型如图1 所示， 可以看出，这是一个通过植 株的光合作用，吸收阳光、 水、肥料和co2得到木薯块 根及其它部分的线性农业过 程。 人类种植木薯的目标产物 为富含淀粉的块根，在其生 长过程中，块根的产量与茎 秆、枝叶等非目标产物的产 量基本相当。茎秆、枝叶的 利用率非常低，除了部分茎 秆留作种苗外，其余作为低 热值燃料焚烧或废弃在田间， 引起环境问题。 9 发酵法燃料乙醇生产工艺流程 如图2 所示。 木薯经液化、蒸煮处理，破坏 细胞，使淀粉糊化；在液化 酶、糖化酶的作用下，转化 为可发酵性糖后形成均一的 糖化醪，加入酒精酵母发酵 ，将葡萄糖代

5、谢为乙醇；发 酵成熟醪经蒸馏、脱水处理 ， 得到乙醇含量为99.5%以 上的燃料乙醇产品10。 10 用工业生态学的理论对该生产过程 进行归纳，得到图3 所示的模型。 可以看出，这是一个向系统输入能 量和水，将木薯转变为燃料乙醇， 同时向环境排放废气和废液的线性 工业过程。目前，只有部分经初步 脱水分离后的木薯酒精糟直接出售 给农户做粗饲料或者肥料， 大部 分废液进入末端治理系统或直接排 放， 所产生的co2则基本未被利 用，既浪费了资源，又污染了环境。 从生物质能生产全过程看，上述两 个过程构成了从原料生产到产品加工的 完整生物质能源系统，物质与能量的流 动都是线性的；系统的组成与结构十分

6、简单，所涉及的行业及企业数量少，产 品种类不多； 生产与消费仅仅是一些 互不相关或关联度不大的物质与能量的 叠加； 所产生的废物仅经初步处理， 甚至完全不加以处理而直接排向环境。 这与地球生命诞生初期自然生态系统十 分类似。其完全不考虑资源利用的的运 行模式是不可持续的效率和持续性、完 全不考虑排出废物对环境影响 11 无限的资源无限的资源 生态系统组成部分生态系统组成部分 无限的废物无限的废物 一级生态系统中线一级生态系统中线 性的物料流动性的物料流动 12 燃料乙醇生产的本质是能量转化过程， 即通 过植物的光合作用将太阳能固化成生物质能，通 过生物化工过程将生物质能转换成含有化学能的 乙醇

7、。这个过程需要消耗水、co2、肥料以及各 种形式的能量、各种辅料、人力等，同时向环境 排放农作物茎秆、枝叶、生产过程所产生的废水 、废气等废料。按照自然生态学原理和自然生态 系统的运行方式进行调整和重组， 构建出如图4 所示的燃料乙醇能源系统。 三、燃料乙醇能源系统的生态重组 13 图4 上方双线箭头所示为传统生产过程，是整 个能源转换的主线。模仿自然生态系统的运行规 则，使简单系统复杂化，是低级工业系统向高级 工业生态系统进化的重要措施， 其关键在于增加 系统中起废物分解和再生作用的成员。在以木薯 为原料的燃料乙醇生产过程中，“废物”有固、 液、气3 种，主要有木薯植株除块根以外的其他 部分

8、、蒸馏分离过程产生的废醪液和发酵过程产 生的co2，按照其性质的不同，分别设置不同的 系统成员， 以完成分解和再生功能。 14 15 （1）木薯茎秆、枝叶 生物质气化是以生产合成气为目的的生物质能利用技 术方法，具有高效、环保、可持续等优点，本系统采用该 技术将木薯茎秆、枝叶转化为合成气，作为锅炉燃料，向 燃料乙醇生产过程提供能量，所产生的灰渣经加工后作为 木薯种植的肥料。 （2） 废醪液 蒸馏过程所排出的废醪液富含有机质而无毒害，既可 作为种植业的肥料、养殖业的饲料，也可转化为能源。废 醪液经过固液分离预处理，部分液体回输生产工艺过程循 环使用；固形物加工成饲料供动物养殖，动物的粪便则加 工

9、成肥料供木薯种植，或作为厌氧消化的原料；固液混合 物则进入厌氧消化工段，所产生的沼气作为锅炉燃料。 16 （3） co2 酵母菌在代谢过程中会产生大量co2， 经过 加工处理后，可得到干冰、液体co2或高分子产 品，如可降解塑料（ppc）等。 17 燃料乙醇能源系统（图4）将 木薯种植的农业过程与燃料乙醇 生产的工业过程作为一个整体， 形成了农业与工业的协作、共生 体系。这种体系既保证了工业过 程的原料供应，更重要的是利用 这种共生关系，为工业、农业过 程所产生的“废物”提供了“分 解者”，为分解产物提供了“消 费者”，使物质、能量在系统内 循环利用成为可能。通过生态重 组，以产品为结合点，将各成员 联系起来，形成互为供求关系的 简单网络，将线性系统向准循环 性物料流动演进。 18 四、生态重组效果分析 生态重组通过将系统各 个阶段的废弃物资源 化，在系统内部循环 利用以节约能量和成 本；或者加工成新产 品外售以创造经济效 益，同时也减轻了系 统对环境的污染。 19 20 五、总结 我们以木薯燃料乙醇的系统为例， 通过引入 起分解者及消费者作