生物质燃料乙醇的生产与利用技术

生物质燃料乙醇的生产与利用技术

摘要：随着工业的发展以及汽车的普及，许多国家多面临着严重的石油危机，同时石油燃烧所产生的废气，也使许多地方产生严重的环境污染。这使许多人转向乙醇，这一清洁能源，乙醇燃烧只产生水和二氧化碳同时放出大量热。如今，许多国家都在致力于研究乙醇的生产与以乙醇为燃料的汽车的开发和推广，我国也对此展开了大量研究。目前，乙醇的生产主要是生物质发酵工艺。随着技术的进步，生产以及提纯乙醇将更加容易，相信乙醇燃料将得到更大的推广。

关键词：能源；生物质燃料；乙醇；优势；生产；应用

Production and use of the biomass fuel ethanol

Abstract:With the development of industry and the popularization of cars, more and more countries faced with serious oil crisis. At the same times, from the burning of oil gas, also make serious environmental pollution in many places. This makes many people turned to ethanol, the clean energy. Ethanol combustion only produce water and carbon dioxide and release a lot of heat. Nowadays, many countries are engaged in research and production of ethanol. Our country also launched a large number of this research. At present, ethanol production is mainly biomass fermentation process. With the development of technology, production, and the purification of ethanol will be more easily and e thanol fuel will get more promotion.

Key words: energy; biomass fuel; ethanol; advantage; production; use

一、能源简介：

能源的基本分类

一次能源又叫天然能源，是指从自然界取得后未经加工的能源，一次能源可以直接使用，也可以用来转换成二次能源。一次能源有三个初始来源：太阳光、地球固有的物质和太阳系行星运行的能量。二次能源是指有一次能源加工与转换而得到的能源。新能源一般指在新技术基础上加以开发利用的能源。

生物质能源是可再生的新能源，人类在远古时代就开始使用生物质能源，但使用方法仅限于焚烧，现代科技大大开发了生物质能源使用的途径，同时大大提高了使用效率。因为现代生物质能源的使用方法具有很高的科技含量，所以把生物质能源归为新能源。

现代生物质能源技术主要有：生物质直接燃烧技术、沼气技术、生物质气化技术、生物质燃烧乙醇技术、生物质热裂解技术、生物质制氢与间接液化技术、植物油与生物油技术。其中沼气技术和燃烧乙醇技术已经比较成熟，并且投入了大规模的生产和使用。

二、生物质能源的优势及生物质燃烧乙醇的优势：

生物质能源的优势：

表2 我国生物质能源开发与利用的现状

我国生物能源的一直实在“改善农村能源”的观念和框架下运作，较早地起步于农村户用沼气，之后在秸秆气化上部署了试点。截至2005年底，全国共建成3764座大中型沼气池，形成了每年约 3.14×沼气的生产能力，年处理有机废弃物和污水1.2×t，沼气利用量达到8×。生物质能源发电装机容量达2×kW。液体生物质燃料生产取得明显进展，全国燃料乙醇生产能力达到1.02×，已在河南等9个省的车用燃料中推广使用乙醇汽油。我国生物质能的可得量（2003年）和开发利用量（2004年）分别见表1、表2.我国石油年开采量仅占世界储量的2%，如果按2000年探明储量与年开采量计算，到2020年我国石油资源已趋于枯竭。巨大石油需求都靠进口，对能源安全造成一定负面影响。根据《国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》，燃料乙醇等将成为石油替代品，采取措施节约石油资源。同时生物质能属于清洁能源，更有助于环境保护与减排。生物质能的发展与利用技术需求紧迫。

三、生物质燃料乙醇发酵工艺类型

乙醇作为动力燃料使用时称为燃料乙醇，分子式为OH或OH.生物质生成的燃料乙醇是以农产品（如玉米）、农林废弃物（如农作物秸秆、甘蔗渣）等为原材料，经过水解将其转化为糖，再经发酵作用将糖转化为乙醇。

按生产所用的主要原料的不同，生物质发酵法生产乙醇分为淀粉质原料生产乙醇、糖质原料生产乙醇、纤维质原料生产乙醇以及工业废液生产乙醇等。用糖质原料生产乙醇要比淀粉质原料简单直接；而淀粉和纤维素制取乙醇需要水解糖化加工过程；而纤维素的水解要比淀粉难得多。按发酵过程物料存在状态，发酵法可分为固体发酵法、半固体发酵法和液体发酵法。根据发酵醪注入发酵罐的方式不同，可以将发酵的方式分为间歇式、半连续式和连续式三种固体发酵法和半固体发酵法主要采用间歇式发酵的方式；液体发酵则采用间歇式发酵、半连续发酵或连续发酵的方式。

图3 乙醇生产工艺分类及关系

淀粉质原料的乙醇生产。乙醇生产是一个复杂的工艺过程，用淀粉质原料生产乙醇，其基本工艺环节有原料粉碎、蒸煮糊化、糖化、乙醇发酵、乙醇蒸馏等，同时还有为糖化工艺做准备的培养糖化剂（曲）和为发酵准备的培养酵母等配合工艺环节

图4 典型的淀粉质原料乙醇生产工艺流程示意

糖类原料的乙醇生产。糖类原料，如甘蔗、甜菜和甜高粱等，所含的糖分主要是蔗糖，这是一种由葡萄糖和果糖通过糖苷键结合的双糖，在酸性条件下可以水解为葡萄糖和果糖。酵母菌可水解蔗糖为葡萄糖和果糖，并在无氧条件下发酵葡萄糖和果糖生产乙醇，用淀粉原料生产乙醇，必须经过粉碎、拌浆、蒸煮、糖化等过程的处理，才能被酵母菌发酵利用，生产出乙醇。而利用糖类原料生产乙醇时就不需要以上工序。 纤维素原料的乙醇生产。纤维素原料是植物光合作用的产物，它是发酵生产乙醇最大的潜在原料。用纤维素生物质制取乙醇的原料主要包括：森林采伐和木材加工剩余物、农作物秸秆、龙须草等。纤维素原料生产乙醇的一般工艺流程见图4

图5纤维素原料生产燃料乙醇的一般工艺过程

四、开发应用

生物燃料乙醇的开发应用，可追溯到100 年前，但由于当时石油燃料的出现及其价格的低廉等原因，燃料乙醇应用的发展停止不前，而现在成为最具潜力和竞争力的一种石油替代能源，它既能缓解石油资源的短缺，又有利于大气环境的改善。将生物质转换成液体燃料乙醇，主要用于汽车发动机上代替或部分代替汽油的消耗，国外很早就认识到这一点。巴西奇乙醇燃料开发利用最有特色的国家，早在1931年就开始将乙醇混入汽油中作为发动机燃料试用。20世纪70年代中期，为了摆脱对进口汽油的依赖，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，经过几十年的努力，取得了显著的效果。1974年进口石油占石油消耗总量的78%，而到1989年，仅有47%的石油为进口石油。1991年，巴西使用的980万汽车中，有近400万辆的汽车为纯用乙醇汽车，还有像大数量的汽车燃用乙醇与汽油混合燃料。如今在巴西，1t 甘蔗可以生产乙醇65L （乙醇含量95%），12

hm 土地的

甘蔗可生产相当于28t 石油的乙醇。大部分

新产汽车以纯乙醇为燃料。自1975年起，美国也开始了规模庞大的乙醇开发计划，主要用玉米和木薯来制取乙醇，与汽油混合作为汽车燃料。1980年乙醇的年产量仅1.43L ，而到20世纪90年代中期，乙醇产量已达

86010/L 年左右，占全国液体燃料总消费

量的15%以上，近期，美国汽车用汽油总量的70%左右都添加乙醇，相当于年石油耗量的50%左右。澳大利亚利用桉树发酵工艺生产乙醇作汽车燃料，法国、德国、加拿大、俄罗斯、日本、印度、印尼、菲律宾、捷克等国家，也都非常重视生物质制取乙醇燃料的开发。目前应用中，多以85%的乙醇（或甲醇）与15%的汽油混合作为汽车的燃料，因为用纯乙醇燃料，对发动机的冷启动有些困难，尤其是在寒冷地区的冬季。我国政府也十分重视乙醇燃料的研究和开发，特别是利用非粮食原料生产乙醇技术的战略储备