1、国内燃料乙醇生产技术水平=1、玉米燃料乙醇生产技术水平玉米燃料乙醇按照生产工艺可分为“湿法” 与“干法” 。对于专业的乙醇生产企业,采用技术手段分离出胚芽生产玉米油是必要的,并且工业生产乙醇时, 只要求玉米淀粉脂肪含量低于 110 %即可。因此“, 半干法”工艺或 “改良湿法”工艺均为可选方案。表1 为几种玉米燃料乙醇生产工艺的优劣比较。表 1 玉米燃料乙醇生产工艺的综合比较由于玉米燃料乙醇技术首先在美国实现工业化生产并迅速得到发展,其经济效益仅次于巴西的甘蔗燃料乙醇。所以有必要介绍一下美国玉米燃料乙醇技术的特点及优势所在。1.1 美国玉米燃料乙醇技术1.1.1生产工艺的选择美国“湿法 ”工艺
2、用于燃料乙醇的生产源于淀粉企业的产品延伸,其中以 ADM 公司为典型代表,采用纯糖浆发酵和酵母回用技术,工艺流程如图 1 所示。图 1 美国 ADM 公司玉米燃料乙醇“湿法” 生产工艺2000 年前美国共有 48 个生产厂家,生产约 670 万吨燃料乙醇。其中产能的 60 %由湿法生产,40 %由干法生产。2005 年又新建 36 个厂,总数达到 84 家,产能较 2000 年增加约一倍达到 1 200 万吨。2006 年生产厂增至 125 家,产量为 1 460 万吨,产量跃居世界第一,目前还有在建装置 23 家。新建的专业燃料乙醇生产企业均采用“干法” 新工艺。工艺流程如图 2 所示(虽然
3、膜分离脱水技术在能耗方面仅为传统共沸蒸馏脱水工艺能耗的 10 % 30 % ,然而由于膜使用寿命和成本等问题,美国大部分装置仍然没有采用,但它是以后的重点发展方向) 。图 2 美国玉米燃料乙醇“干法” 新工艺1. 1. 2 技术进步所显现的特点随着燃料乙醇生产实践经验的积累,现在美国大型燃料生产企业尤其是 2000 2006 年新建厂具有如下特点:(1) 多数采用大颗粒玉米粉(3mm ,有利于饲料回收) ; (2) 高温蒸煮(120 ,高温淀粉酶) ,采用同步糖化发酵工艺,从 2005 年开始采用无蒸煮工艺 (低温淀粉酶) ,大大降低了能耗; (3) 酵母回用发酵技术; (4) 固定化酵母,流
4、化床反应器发酵技术; (5) 广泛实现了自动化控制 ,应用连续发酵过程 ,并采用 CIP系统(原位循环清洗发酵罐的原位清洗系统) 。湿法加工技术的新趋势主要涉及加酶湿法加工和膜分离技术的应用。加酶湿法加工的优点是浸渍时间短、投资小、耗能低、用水量大大减少,而且酶可反复使用;其主要缺点是酶价太高。膜分离技术的应用为浸渍水的分离和利用打开了新的途经。浸渍水的膜分离一般包括两个过程:浸渍水经膜分离的截留物含有长链蛋白质,干燥后并入玉米蛋白粉;浸渍水在进入蒸发器前,先用反渗透膜除去 57 %的水,这样可大大降低蒸发所需能耗。以上先进技术及设备的采用降低了燃料乙醇生产的成本,大幅度提高了乙醇产率。1.2
5、 中粮肇东玉米燃料乙醇生产技术水平我国燃料乙醇工艺生产技术路线以 4 个大型生产企业为代表,其中又以中粮肇东的玉米“半干法”生产工艺较为先进。1. 2. 1 生产工艺的选择中粮肇东的三期乙醇装置均采取“半干法粉碎工艺”, 彻底抛弃了“湿法 ”或“改良湿法”的浸泡过程, 流程进一步简化,减少了一次水用量。同时“半干法“ 又克服了 “干法”提油困难的缺点,玉米油收率已接近“改良湿法”, 在技术及经济上更加合理。“半干法” 工艺与 “湿法”工艺相比具有流程短、设备投资少 ,能耗低和无浸泡等优点,其优势明显,值得推广。1. 2. 2 生产工艺特点中粮肇东二期乙醇装置产量 18 万吨 /年,由广东华达公
6、司设计、天津大学改造完成。该工艺流程的技术特点为:半干法粉碎、双酶法液化糖化、半连续浓醪发酵、五塔差压精馏、分子筛变压吸附脱水、利用废热蒸气处理废醪液和离心清液回配等。吨无水燃料乙醇(99.5%) 玉米单耗 3.3 吨,水耗约 8.7 吨(主装置) ,蒸气消耗 4.8 吨(主装置) ,饲料乙醇比为 77 % ,能量输出输入比为 1.09 ;三期装置产量 15 万吨/ 年,引进的美国Delta-T 公司的技术,由康泰斯(Chemtex) 公司设计,采用玉米半干法生产乙醇。吨无水燃料乙醇(99.5%) 玉米单耗 3.18 吨,新鲜水耗仅为 1.66 吨(主装置) ,蒸气消耗 3.3 吨(主装置)
7、,饲料乙醇比为 87 %。此装置技术达到国内领先,国际先进水平,实现了清洁生产。1.3 国内燃料乙醇生产技术与美国的差距分析国内大型燃料乙醇装置与美国燃料乙醇装置生产技术特点可以发现存在以下差距:(1) 美国的装置高温液化时间短(104 ,6min 左右) 、均进行真空闪蒸降温,国内装置有的喷射液化温度不高(95 100 ) ,也没有类似美国的预液化、后液化过程; 美国装置进一步的发展趋势是采用高质量复合液化酶,直接取消喷射液化步骤,在 85 下液化,同样达到很好的液化效果,这样无论从设备投资还是能耗方面都是显著降低了成本。(2) 美国大部分企业取消了糖化工序,直接进入边糖化边发酵工序,其益处
8、是工艺简捷,避免了 60 糖化罐中耐高温产酸杂菌的积存与危害。同步糖化发酵工艺可有效地解决营养过度造成的酵母菌过快生长、同时大量消耗糖分产生的乙醇又影响了酵母菌代谢的反馈抑制问题。在发酵罐中,糖被限量供应并立即发酵,避免了糖对酶水解的抑制作用,从而实现了发酵过程的高酒分;而国内装置则都继续保持了糖化这道独立的工序。(3) 美国装置多采用连续浓醪发酵工艺,酵母可以回用 2 3 次,显著降低了生产成本,而国内多采用半连续浓醪发酵,且没有采用酵母回用技术。此外虽然国内也引进或仿制研发了相应的生产工序,但是由于没有掌握核心技术或技术设计存在差距,在实际的生产过程中暴露出诸如生产性能指标偏低、能耗偏高和
9、副产品质量偏低等缺点,导致生产成本的升高。1. 3. 1 浓醪发酵醪液酒分含量偏低高浓度酒精发酵工艺具有高发酵率、高转化率、低残糖和节约能源等特点,可大幅度增加产量,显著提高经济效益。美国企业浓醪发酵酒精浓度普遍可达 15 %( v/v) 以上,而国内浓醪发酵酒精浓度仅为 11 % 12 %( v/v) 。经实际测算,每提高 1 %的发酵醪酒分(玉米为原料) ,吨酒精收益约为 30 40 元;酒精生产企业中酒精含量每提高 1 % , 能耗下降 3 % ,整体经济效益提高 3 % 。1. 3. 2 离心清液回配量偏低美国企业可以实现 50 %以上甚至 100 %酒糟清液的回用,而我国中粮生化能源
10、(肇东) 有限公司回配量仅达到 30 %。吉林燃料乙醇公司开始则没有回配工序,将离心清液白白蒸发掉,既浪费了能源、资源,又污染了环境,后来生产中又补加“循环回配” 这道工序。其他两个燃料乙醇厂的回配量也仅在25 % 30 %之间。1. 3. 3 DDGS 产品的质量美国 DDGS 产品是重要的牛饲料组分,其经济效益较好,冲抵后可以使燃料乙醇的每升生产成本降低 0.1 美元。而国内 DDGS 产品的质量则是燃料乙醇厂面临的一个难题。由于国内装置离心清液回配量偏低,导致蒸发浓缩混入酒糟做饲料的清液部分糖浆量增加,引起 DDGS 产品颜色变深,影响其外观及价格。如果提高回配比例,虽然可以使加入饲料部
11、分的糖浆量减少,降低能耗,使 DDGS 产品颜色变浅,符合质量要求。但是回配量增加会引起活细菌的污染和发酵醪液黏度增加等不利因素,导致发酵指标降低,产酒率下降,对发酵过程带来破坏性影响。这是一个系统的技术提升问题,美国企业的装置中这些问题都是不存在的。2 非粮燃料乙醇生产技术水平目前真正实现大规模工业化生产非粮燃料乙醇的原料有甘蔗、红薯、木薯。甜高粱、秸秆纤维素乙醇大都处于中试研究阶段。2.1 甘蔗燃料乙醇生产技术水平在非粮燃料乙醇生产技术中,巴西的甘蔗燃料乙醇技术已实现了商业化,乙醇成本仅为每升 012 美元左右。目前巴西的乙醇厂采用间接发酵和连续发酵两种工艺,酵母均被分离出继续回用。其成熟
12、醪乙醇浓度可达 8 % 11 % , 乙醇得率为 92 % 93 % ,发酵时间缩短至 6 10h ,导致酵母一天可回用 3 次,并且连续运行 200 天。其能量输出输入比平均为8 ,最佳值为 10。我国南方甘蔗资源丰富,但由于我国人口众多,蔗糖需求量大,企业直接生产蔗糖利润高于生产燃料乙醇,所以国内甘蔗燃料乙醇技术始终没有得到发展。2.2 木薯/红薯燃料乙醇生产技术水平木薯/红薯生产燃料乙醇除了前期预处理阶段与玉米燃料乙醇不同外,其他工序都可以借鉴。木薯/红薯的 DDGS 营养价值低,通常都用于做沼气或者肥料,并且木薯/红薯淀粉加工工艺耗水量大,后期的污水处理难度加大。国内木薯燃料乙醇大规模
13、生产以中粮广西项目(每年 20 万吨) 的技术最具有代表性,它技术起点高,汲取了近些年来各厂技术改造的成果。其工艺特点:原料预处理采用干法风送二级粉碎、湿法泵送、粉浆回流拌料工艺;生产中采用双酶法中温喷射液化、无糖化大罐浓醪间歇发酵、多塔多耦合差压精馏和分子筛变压脱水等工艺;酒精糟液的综合利用则采用国际先进的 IC 反应器处理废水,副产沼气回锅炉燃烧,进行热电联产,实现清洁生产和产业可持续发展。以上先进工艺的采用使木薯燃料乙醇生产的能耗、水耗、物耗及污水排放等指标都接近或达到国际先进水平。以乙醇纯度99.5%为标准,按木薯干淀粉含量 67 %的标粮计算,原料消耗低于 3.05t ;耗新鲜水低于
14、 12.7t ;木薯燃料乙醇能耗折标煤低于 500kg ;蒸气消耗降至 1.8t/t 乙醇;废水达到国家排放标准,具备推广的价值。2.3 甜高梁燃料乙醇生产技术水平甜高梁与甘蔗类似,都可以榨取糖汁发酵生产乙醇。由于巴西甘蔗燃料乙醇技术成熟且先进,使国外对甜高梁燃料乙醇研究较少;国内最近几年由于燃料乙醇工业的兴起,企业在甜高梁燃料乙醇的研究方面也投入不少精力,但多处于中试阶段。甜高粱燃料乙醇生产的最大问题是保持甜高梁糖分的贮存技术。2006 年中粮集团在内蒙古五原县及山东阳信县分别进行了甜高粱种植及贮存试验,平均亩产 5t (包括茎、叶) ,锤度 16 左右。与广西轻工业科学研究院合作进行了甜高
15、粱榨汁液态发酵中试试验,采用类似甘蔗糖蜜发酵生产乙醇工艺,榨汁发酵 24 40h 后,成熟醪液乙醇含量达 12 %( v/v) ,其中可发酵糖利用率超过 95 %。在黑龙江省桦川县桦川四益公司建设了年产 5 000t 乙醇能力的甜高粱茎秆固体发酵工业化生产示范工程。中粮集团、清华大学和内蒙古五原县政府合作也进行了固态发酵燃料乙醇试验,缩短固态发酵时间至 44h ,可发酵糖利用率超过 90 %。2.4 纤维素燃料乙醇生产技术水平用秸秆纤维素生产乙醇是一个备受国内外关注的研究,目前世界上还没有实现工业化生产。美国国家可再生能源实验室(NREL) 在纤维素生产乙醇技术研究方面走在世界的前列。它采用稀
16、酸处理已粉碎的玉米秸秆,其玉米秸秆单耗为3.75t/t 乙醇,水耗为 7.2t/t 乙醇,蒸气消耗为 4.8t/t 乙醇,总能耗为 750.4kg 标煤 /t 乙醇。同时美国为了在 2012 年实现纤维素乙醇在价格上与汽油具有竞争力,并且 10 年内减少 20 %的汽油消耗的目标,2007 年 2 月美国能源部(DOE) 宣称在未来 4 年中将斥资 3.85 亿美元,新建 6 个燃料乙醇精炼厂发展以纤维素为原料生产燃料乙醇的商业化技术,预计所有装置全荷生产时,纤维素乙醇产量将达到 1.3 亿加仑。具体工艺技术及投资情况如表 2 所示。 表 2 美国能源部纤维素乙醇装置的商业投资部署从表中可以看
17、出美国政府在纤维素乙醇方面投资及补贴是巨大的,而工艺路线研究主要集中在热化学分解、酶解及浓酸水解 3 个方面,该项计划将极大地促进纤维素燃料乙醇生产工艺及技术的发展。国内中粮集团在这方面也做了大量的工作,中粮集团 500t/年纤维素乙醇试验装置采用纤维素酶解技术,于 2006 年 11 月 22 日一次投料试车成功,吨乙醇消耗 7 吨玉米秸秆 ,纤维素酶解转化率达到 92 % ,成熟醪酒分为 5 % ,纤维素出酒率为 37.7 % ,蒸气消耗 7t/t 乙醇,总能耗折标煤 1010kg/t 乙醇,实验结果显示各项技术指标均达到预期的先进水平。该装置在世界上首次采用连续汽爆技术用于纤维素生产乙醇,其中酶制剂由中粮集团与丹麦诺维信公司合作。下一步中粮集团将在进一步优化和完善中试基础上,抓紧开展万吨级示范装置工艺包设计,为纤维素制乙醇产业示范奠定基础。
