中国甜高粱乙醇能量效率和经济性分析.docx
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中国甜高粱乙醇能量效率和经济性分析
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
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
1.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
mm
400~600
150~400
600~800
1200~1600
年≥10℃积温
℃
2500~3000
3600~5000
3500~4000
8500~9000
无霜期
d
110~150
190~220
180~220
终年无霜
全年日照时间
h
2200~2500
3000~3400
2300~2900
2400~3000
年太阳能总辐射量
MJ/m2
4200~5000
5800~6700
5000~5800
5000~5800
土壤类型
——
暗棕壤
岩性土
棕壤、盐碱土
燥红土、砖红壤
土壤pH
6.9~7.6
7.0~8.5
7.5~9
5.5~6.5
1.2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
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。
(2)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。
(3)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%的无水乙醇。
与固态发酵工艺相比,具有发酵速度快、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。
(4)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,多采用适宜农村生产的固态发酵方式。
甜高粱乙醇固态发酵以分布-集中式来组织,如图5所示。
图5甜高粱乙醇的两种发酵方式
乙醇成本由如下几部分构成:
原料(茎秆)费用、原料从产地到加工点的运输费用、初始固定投资折算到每年的折旧费用、以及日常运行管理及其他等费用。
其中C是乙醇产品的生产成本。
C原料、C运输、C工厂固定投资、C运营管理是成本的各组成部分。
产品的各部分成本和乙醇生产规模密切相关。
若仅从运输成本考虑,规模越小越利于运费的节约;但规模越小,单位产品固定投资的折旧费越高。
因此乙醇生产有一个最优的规模。
以这一规模组织生产时,各部分成本之和最小,可以取得最大的经济效益。
乙醇成本是生产规模和种植集中度的函数。
)
以我国山东北部的甜高粱乙醇为例,对甜高粱固态发酵制乙醇的生产规模进行进行优化,可得到不同种植集中度下粗乙醇和精乙醇的最低成本及其相应的生产规模,如图6所示。
在本例中,粗乙醇的最低成本约为2280元/吨,最终产品精乙醇的最低成本约为4470元/吨(我国燃料乙醇售价约为5000元/吨),成本构成情况如图7所示,原料种植成本占总成本的70%以上(每吨精乙醇需16吨甜高粱茎秆原料,每吨茎秆按市场价为200元)。
粗乙醇和精乙醇的生产规模分别约为2000吨/年和5万吨/年,甜高粱乙醇生产企业以42个粗乙醇厂和1个精乙醇厂组成。
发酵剩余的残渣制成饲料销售。
图6(a) 不同集中度下粗乙醇最低成本
及相应的规模
图6(b)不同集中度下精乙醇最低成本
及相应的规模
图7山东北部甜高粱固态发酵制乙醇的成本构成情况
四个典型区域的最优生产规模及精乙醇成本如表2所示。
四个区域按照精乙醇规模从大到小、精乙醇成本从低到高的排序为:
海南、新疆南部、山东北部、黑龙江东部,这与甜高粱亩产量从高到低的排序一致。
虽然海南的效益最好,但海南山地较多、以及台风气候也是其发展的不利因素。
新疆的发展条件不错,不利之处是新疆气候干旱缺水,另外其矿产能源较充足,而外运又运输距离远。
黑龙江效益差些,但其土地资源充足,气温低利于甜高粱储存。
山东是希望充分利用盐碱地,但相关种植方面的技术还有待进一步提高。
总体而言,不同区域有不同区域的特点,各有利弊,大规模发展还需要针对各自的情况进一步具体分析。
表2四个典型区域的乙醇生产规模优化结果
比较内容
单位
黑龙江东部
新疆南部
山东北部
海南
甜高粱亩产量
吨/年
3.5
5
4
6
精乙醇规模
万吨/年
4
6
5
8
粗乙醇规模
吨/年
2000
2500
2000
3000
精乙醇成本
元/吨
4590
4000
4470
3800
3.甜高粱经液态发酵制乙醇的全生命周期能量和经济性分析
今后在实际的工业化生产中,高效的液态发酵方式是生产甜高粱乙醇更好的选择。
液态发酵可达到比固态发酵更大的生产规模。
Gnansounou等学者曾考察我国东北以甜高粱为原料液态发酵法生产乙醇的数种产业链特点,以10万吨/年的规模为例,比选出经济效益最优的产业链。
本研究参照这一规模,基于农工一体化的组织方式,对以上四个典型区域的液态发酵法甜高粱乙醇进行多情景下全生命周期内的能量和经济性分析。
在甜高粱乙醇的全生命周期内:
(1)以净能量产出投入比EBR描述甜高粱乙醇的能量产出效率,EBR(EnergyBalanceRatio)=Eout/Ein。
其中Eout是系统产出的能量,即主产品乙醇和副产品所携带的能量;Ein是各个阶段里向生产系统投入的能量总和,包括原料种植阶段的化肥、农药、柴油等物资,原料收运阶段货车消耗的柴油,以及乙醇生产阶段的煤炭、电力等能源消耗。
(2)以价值产出投入比ER描述甜高粱乙醇的经济效益,
,其中Fout是系统产出的经济效益,即主产品乙醇和副产品的全部销售收入;Fin是各个阶段里向系统投入的资金总和,包括原料种植阶段的化肥、农药、柴油等物资及人工和土地费用,原料收运阶段的运费,以及乙醇生产阶段的固定投资折旧费用和日常运行维护费用等。
在乙醇生产厂根据压榨茎秆剩余残渣的利用途径,设定三种副产物利用的情景:
情景1为基准情景,在系统生产甜高粱乙醇的同时,不考虑对残渣进行处理和利用;情景2在情景1的基础上,对残渣和田间废弃物进行燃烧利用、为乙醇生产提供能量;情景3在情景1的基础上,将一半的残渣及田间废弃物进行燃烧利用,将另一半制成饲料饲养牲畜,牲畜粪便还田、替代部分化肥,如图8所示。
图8甜高粱乙醇生产阶段示意图
在以液态发酵生产甜高粱乙醇的的全生命周期过程中,其生产成本主要包括原料种植、原料运输、原料储存管理、固定投资折旧、操作运行费五部分。
由于采取了种植和生产农工一体化的运营模式,原料甜高粱茎秆的成本与前面固态发酵模式相比大幅降低(<115元/吨);另一方面液态发酵的投资费用较固态发酵高的多,但总成本仍比收购原料的固态发酵模式低1000多元/吨乙醇。
以山东北部的基准情景为例,甜高粱乙醇的生产成本约为3128元,构成如图9所示:
原料种植成本占49%,原料运输成本约6%,原料储存管理成本占6%,固定投资折旧占20%,操作运行成本占19%。
如果生产模式不是农工一体化,而是农户种植+工厂收购的原料收集方式,原料成本将大幅上升,导致乙醇成本可能增加1000~2000元/吨,原料在总成本中所占的比例也将达60%以上。
图9山东北部基准情景甜高粱乙醇生产成本构成*
四个区域在三种情景下的成本和效益如表3所示,其中情景1和2的效益为吨乙醇的售价(2009年上半年平均价),情景3的效益包括残渣做饲料产生的效益。
表3四区域在三个情景下的吨乙醇成本和效益(单位:
元/吨乙醇)
比较对象
黑龙江东部
新疆南部
山东北部
海南
情景1
成本
3535
2704
3128
2647
效益
5000
5000
5000
5000
情景2
成本
3221
2455
2846
2398
效益
5000
5000
5000
5000
情景3
成本
3396
2597
3005
2540
效益
5480
5390
5435
5390
四个区域甜高粱乙醇生产和成本从低到高的排列次序与前面相同,依次为:
海南、新疆南部、山东北部、黑龙江东部。
在每个区域,原料种植和原料收运所消耗的能量相当,而乙醇生产阶段的能耗占全部能耗的一半以上,是甜高粱乙醇生产的主要能耗环节。
把四个区域在三种情景下能量和价值的产出投入情况汇总至图10,以横坐标表示能量产出投入比,以纵坐标表示价值产出投入比。
可见,
(1)情景2和3的经济效益总体优于基准情景,这说明在乙醇生产过程中对副产物实施利用,可以在总体上提高系统的能量效率和经济效益;
(2)在三种情景下,四个区域甜高粱乙醇能量效率和经济效益从高到底的排序为海南、新疆南部、山东北部、黑龙江东部,这再一次与甜高粱亩产量从高到低的排序对应,这意味着甜高粱茎秆的农田产量是影响乙醇产品能量和经济性表现的最主要的决定因素;(3)对四个区域来说,情景3的经济效益总体上略优于情景2,而情景2的能量效率高于情景3,启示我们不同的副产物利用方案实施及其组合可以改善系统的能量效率和经济效益;(4)当今美国的玉米乙醇已形成大规模工业化生产,其净能量产出投入比NER约为1.1~1.6,成本为350~450美元/吨,售价约为800美元/吨。
总体来看中国的甜高粱乙醇的能量产出效率和经济效益与目前美国的玉米乙醇情况比较接近,具有良好的可行性和发展潜力。
图10四个区域甜高粱乙醇的能量效率和经济效益示意图
HLJ——黑龙江东部;
SD——山东北部;
XJ——新疆南部;
HN——海南.
4.结论
在我国,甜高粱作为燃料乙醇的原料之一,不与人争粮、不与粮争地,可以在广大的盐碱地、旱地、荒地等土地上生长,全国范围内除少数高寒地区之外,其他地区均可种植。
发展甜高粱乙醇产业不仅可提供大量可再生的乙醇燃料取代汽油、缓解能源约束问题,还可以增加农民就业、促进我国的农村建设。
本文计算了甜高粱固态发酵制乙醇的最优规模和经济效益及液态发酵制乙醇的全生命周期能量效率和经济效益。
计算结果表明,在我国数个区域推行甜高粱乙醇产业可以取得良好的经济效益,不同区域的甜高粱乙醇生产的最优规模、能量效率和经济效益有所差异。
总体说来,虽然光热条件较好、农作物产量高的地区经济效益较好,但仍是各有利弊,还需具体问题具体分析。
在产业组织方式上,农工一体化的模式能保障原料的供应并大幅降低原料成本,具有更好的效益和稳定性。
由于我国燃料乙醇产业起步较晚以及技术、管理和政策等多方面因素,当前甜高粱制乙醇尚无规模化的工业生产,全国各地仅有少数中试基地。
要实现甜高梁乙醇的工业化生产,还需要在甜高梁育种、种植、原料储存和发酵等产业化技术以及产业政策支持等方面进一步改进和完善。
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