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中国开发利用乙醇汽油前景分析 彭思语 董静雅 赵文慧 柳杨 万雨晨 摘要：通过分析农业玉米生产，工业上乙醇制造，及能源上石油现状及发展前景，通过必要的计算，认识到乙醇汽油的优与劣。预测中国推行乙醇汽油前景及做出有关建议。关键字：乙醇汽油，玉米，生物能源，环保工艺 引言：燃料乙醇是指以玉米、小麦、薯类、高粱、甘蔗、甜菜等粮食作物和非粮食作物为原料，经过发酵、蒸馏制得乙醇，脱水后再添加变性剂，成为变性的燃料乙醇。资料显示，燃料乙醇至今已有 30 多年的发展历史，上世纪 70 年代，巴西利用甘蔗、美国利用玉米分别制造出了燃料乙醇。目前，全球有近 3000 万吨的燃料乙醇年产规模，预计 2010年将达到 5000 万吨。并且，玉米已成为燃料乙醇最主要的原料，数据显示，2001 年国内酒精原料中玉米所占的比重为 59%，到 2005 年已经上升为 76%。据专家介绍，我国生物质能源十分丰富，开发生物质能源潜力巨大，其中燃料乙醇是发展生物质能源的首选产品。的确，乙醇汽油作为一种新型清洁燃料，是目前世界上可再生能源发展的重点，符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向，能改善油品的性能和质量，具有显著的环保效应，成为解决“三农”问题的新增长点，促进了农业生产与消费的良性循环，实现农副产品的增值与转化，具有良好的经济和社会效益，是体现循环经济思路的新型产业。然而，有些人也对这一产业的发展价值提出了质疑，首先，在玉米转化为乙醇的过程中，能量转化的效率是否足够高？转化技术是否已经成熟并可以投入大规模生产中？其次，乙醇燃料是不是真的环保？而且玉米的产量是不是足够？作为一种粮食作物，玉米过多地用于能源生产上势必会造成更加严重的饥饿问题。因此，探寻生物乙醇燃料的发展前景十分必要。乙醇汽油工艺流程：中国玉米乙醇项目引进国外先进技术和关键设备,以玉米为原料,采用改良湿法生产燃料乙醇。如图所示,生产过程包括玉米预处理粉碎、脱胚制浆、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水和变性。(1)玉米脱胚制浆 玉米经水或酒糟离心清液在一定温度下进行浸泡,浸泡后的玉米经破碎磨破碎,分离出胚芽并将纤维及淀粉颗粒破碎到一定的粒度。脱胚后的玉米淀粉浆含有淀粉、蛋白质和纤维等物质送人液化工段。(2)液化、糖化和发酵 淀粉在高温下糊化,同时在阿尔法淀粉酶的作用下降解,物料的粘度降低,这一过程称为液化。液化后的醒液称为液化醪。液化前需加人氢氧化钠和氨水来调节物料的值和补充部分氮源,同时加人氯化钙用于保持阿尔法淀粉酶的稳定性。液化醪经稀硫酸调节 PH 值后加人糖化酶进行糖化。糖化的目的是将液化醪中的淀粉及糊精水解成酵母能发酵的糖类主要是单糖及部分二糖及三糖,如葡萄糖、麦芽糖、蔗糖等,糖化后的醪液称为糖化醪。通过酵母对糖化醪进行连续发酵。在发酵过程中,酵母将糖转化成乙醇和 CO2,同时释放出热量。所产生的二氧化碳经水洗回收随之带出的乙醇,排人大气。（3）蒸馏、脱水、变性 含有乙醇的发酵成熟醪通过蒸馏装置进行蒸馏提纯。所产生的高纯度乙醇蒸汽经过两级分子筛的交替吸附作用吸除水分,从分子筛出来的含有少量水分的乙醇气体经冷却后即为燃料乙醇。分子筛即3A沸石。该材料上的微孔孔径比水分子大,而小于乙醇分子,因此水分子可以被吸附,而乙醇分子可从其表面通过,产生高纯度乙醇气体。所生产的燃料乙醇加人体积分数为 2%-5%的变性剂(汽油)成为变性燃料乙醇产品。中国玉米资源现状：十年来，中国玉米产量持续增长，并随着市场需求量增大，出现快速增长的趋势，为玉米乙醇工业提供了基础。玉米生产为高度劳动密集型产业，用玉米生产燃料酒精，20042008 年玉米价格的上升，为增加农民收入创造了条件。中国汽油资源现状：汽油在社会生产中占有极为重要的地位。不夸张的说，没有汽油，整个人类社会都面临瘫痪的危险，更不用说人们正常的生活秩序也会被打乱。但汽油作为不可再生能源，总有资源枯竭的那一天。专家估计地下总共还有 2 万亿桶石油可供开采利用，可供人类消费近 80 年。中国的情况是不容乐观的，虽然中国地大物博，但是中国已成为世界第二能源消费国，中国日能源消费量如下图-1 所示。2007 年，我国汽油的总消耗量就达到了 0.55 亿吨。据海关统计，2007 年全年我国的石油进口量就有 1.968 亿吨。我国已经成为了石油消费绝对水平上的第二大国，增量水平上的头号大国。根据我国研究机构预测，2020 年中国石油产量约为 1.85 亿吨，仅汽车工业耗油量即达 2.18 亿吨。也就是说中国在 2020 年就无法满足自身汽油需求。根据国际能源机构（IEA）预测，随着越来越多中国消费者购买汽车（私人车数量见表二），到 2030 年，中国石油消耗量的 80%需要依靠进口。随着能源进口依存度不断提高，我国汽车燃油消费的增长，不仅从战略上增加了我国整体的国家安全成本，而且使各社会各方面的发展变得被动。解决发现汽油的替代品成为迫在眉睫的问题。乙醇汽油看似是目前解决问题的一条光明大道。玉米乙醇的可行性分析（优缺点）：报价单位 报价单位 价格（元/吨）价格（元/吨）哈尔滨 1580 长春 1450 沈阳 1680 石家庄 1700 成都 1960 济宁 1720 合肥 1880 南京 1840 表一：平均每天能源消费量表格 图 1 表二:私 人 汽 车 拥 有 量 私 人 汽 车 拥 有 量 单位：万辆 年 份 汽车总计 载客汽车 载货汽车 地 区 大 型 中 型 小 型 微 型 重 型 中 型 轻 型 1985 28.49 1.93 26.48 1990 81.62 24.07 57.48 1991 96.04 30.36 65.61 1992 118.20 41.78 76.15 1993 155.77 59.85 94.00 1994 205.42 78.62 123.29 平均每天能源消费量 能源品种 1990 1995 2000 2003 2004 2005 2006 2007 合计 (万吨标准煤)合计 (万吨标准煤)270.4 359.4379.6479.3556.8 615.6 674.7727.6 煤炭 (万吨)289.1 377.2361.6463.6530.4 593.8 655.4708.6 焦炭 (万吨)18.9 29.428.639.747.3 64.7 75.683.1 原油 (万吨)32.2 40.858.268.378.8 82.4 88.393.2 燃料油 (万吨)9.2 10.210.611.613.1 11.6 12.011.2 汽油 (万吨)5.2 8.09.611.212.9 13.3 14.415.1 煤油 (万吨)1.0 1.42.42.52.9 3.0 3.13.4 柴油 (万吨)7.4 11.818.623.027.1 30.1 32.434.2 天然气 (亿立方米)0.4 0.50.70.91.1 1.3 1.51.9 电力 (亿千瓦小时)17.1 27.536.952.160.2 68.3 78.389.6 1995 249.96 114.15 131.83 1996 289.67 143.04 142.78 1997 358.36 191.27 163.19 1998 423.65 230.65 192.03 1999 533.88 304.09 228.68 2000 625.33 365.09 259.09 2001 770.78 469.85 298.95 2002 968.98 623.76 9.89 35.87408.49169.51341.29 48.2784.40158.672003 1219.23 845.87 7.36 42.51586.90209.10367.35 44.4795.20176.582004 1481.66 1069.69 7.20 46.95786.63228.91402.82 53.4094.69203.852005 1848.07 1383.93 7.61 50.881079.78245.66452.11 62.50100.34243.292006 2333.32 1823.57 11.19 56.201491.18265.00494.91 64.23108.64288.942007 2876.22 2316.91 7.91 55.731984.29268.98539.45 68.89110.44332.69玉米乙醇的可行性分析（优缺点）:乙醇汽油的优点：(1)减少排放 35，使燃料燃烧更加充分，据国家汽车研究中心所作的发动机台架试验和行车试验结果表明，使用车用乙醇汽油，在不进行发动机改造的前提下，动力性能基本变，尾气排放的 CO 和 HC 化合物平均减少 30以上，有效的降低和减少了有害尾气的排放。(2)动力性好 乙醇辛烷值高(RON 为 111)，可采用高压缩比提高发动机的热效率和动力性。加上其蒸发潜热大，可提高发动机的进气量，从而提高发动机的动力性。(3)积炭减少 因车用乙醇汽油的燃烧特性，能有效的消除火花塞、燃烧室、气门、排气管消声器部位积炭的形成，避免了因积炭形成而引起的故障，延长部件使用寿命。(4)使用方便 乙醇常温下为液体，操作容易，储运使用方便。与传统的发动机技术有继承性，特别是使用乙醇汽油混合燃料时，发动机结构变化不大。(5)资源丰富 我国生产乙醇的主要原料有含糖作物、含淀粉作物以及纤维类原料，这些都是可再生资源且来源丰富，因而使用乙醇燃料可减少车辆对石油资源的依赖，有利于我国的能源安全。乙醇汽油的缺点：(1)蒸发潜热大 乙醇的蒸发潜热是汽油的 2 倍多，蒸发潜热大会使乙醇类燃料低温启动和低温运行性能恶化，如果发动机不加装进气预热系统，燃烧全醇燃料时汽车难以起动。但在汽油中混合低比例的醇，由燃烧室壁供给液体乙醇以蒸发热，蒸发潜热大这一特点可成为提高发动机热效率和冷却发动机的有利因素。(2)热值低 乙醇的热值只有汽油的 61，要行驶同样里程所需燃料容积要大。乙醇尽管热值较汽油小得多，但由于含氧量较高，其理论混合气热值与汽油接近，因此，乙醇可以作为汽油机燃料使用，而且其动力性可以接近使用汽油的发动机。(3)易产生气阻 乙醇的沸点只有 78，在发动机正常工作温度下，很容易产生气阻，使燃料供给量降低甚至中断供油。(4)腐蚀金属 乙醇在燃烧过程中，会产生乙酸，对汽车金属特别是铜有腐蚀作用。有关试验表明，在汽油中乙醇含量在 10以下时，对金属基本没有腐蚀，但乙醇含量超过 15时，则必须添加有效的腐蚀抑制剂。(5)与材料的适应性差 乙醇是一种优良的溶剂，易对汽车密封橡胶及其他合成非金属材料产生一定的轻微腐蚀、溶涨、软化或龟裂作用。(6)易分层 乙醇易于吸水，车用乙醇汽油的含水量超过标准指标后，容易发生液相分离，影响使用。车用乙醇汽油的储运周期只有 45 天，因此必须改造、建设专供车用乙醇汽油使用的储罐、槽车、调和与加油设施。热力学计算：汽油热值：4.6*107J/kg 汽油密度是0.72kg/L 汽车油箱以50L计算 汽油机效率30%所以1kg汽油燃烧产生的热量为0.72*50*4.6*107*30%=4.968*105kJ 若加入20%的乙醇，乙醇的密度为0.7893kg/L,乙醇的热值是26780kJ/kg。所以1kg乙醇汽油燃烧产生的热量为4.968*105*0.8+0.7893*50*20%*26780*30%=4.608*105kJ 根据以上简单的热力学计算，得出二者之差为3.6*104kJ,相对差别为7.2%，热力学方面差别不大。中国玉米乙醇能源的建议：燃料乙醇生产的生物质原料主要包括3 大类。第1 类是糖质原料，包括甘蔗、甜高粱等；第2 类是淀粉质原料，包括薯类、谷物等；第3 类是纤维类原料，包括芦苇、苎麻杆、秸秆和稻壳等。我国是一个农业大国,各种纤维类原料资源非常丰富,仅玉米秸秆年产量大约 2 亿吨。目前,玉米秸秆除了少部分被利用外,大部分以堆积、焚烧等形式直接倾入环境,极大地污染了环境,也是一种资源浪费。如果将玉米秸秆经过预处理后水解,其所含的纤维素和半纤维素可分解成糖,经发酵可转化为酒精,转热效率可达 30%以上。这样不仅避免了“与人争粮”的发生,也可以缓解环境污染等一系列问题,为人类持续发展提供了保证。然而目前利用玉米秸秆生产燃料酒精的工艺仍存在成本过高的问题，主要表现为酶制剂的价格较高。匈牙利 Eniko 等人采用 NovoYm188 等水解经湿氧化处理的玉米秸秆,酶解纤维素转化率(ECC)高达 85%左右。尽管研究进行了很多年,纤维素酶的成本仍然很高。丹麦诺维信(Novozymes)公司曾经宣布其纤维素酶生产成本相当于原来的 1/12,生产 1 加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本已从最初的超过 5 美元的水平大幅减少到 50 美分,极大地推进了燃料乙醇的商业化进程。现在该公司又取得了重大进展,纤维素酶生产成本相当于原来的 1/20,生产 1 加仑燃料级乙醇所需纤维素酶的成本已低于 30 美分。目前国内相关进展有 2007 年 5 月初奠基的吉林九新实业集团白城庭峰乙醇有限公司年产 3 万吨玉米秸秆燃料乙醇项目，据预测，该项目建成后，每年可转化玉米秸秆 23 万吨，可生产秸秆燃料乙醇 3 万吨、秸秆饲料 6 万吨，并可通过燃烧秸秆废料生产蒸汽 64 万吨、发电 4800 万千瓦时，年可实现销售收入 1.78 亿元，实现利润 8200万元，带动当地农民年增加收入 2700 多万元。结语：综上可知，利用玉米生产燃料乙醇的前景在中国并不乐观，结合中国国情，我们还有其他可能的更佳选择。不能盲从国外的模式。参考文献 1 玉米价格网 2 3 中国国家统计局 http:/ 4.中国统计年鉴 2008 5，王伟，我国发展生物燃料乙醇的意义、现状和对策
