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生物燃料质能源基础和技术发展


  1973年第一次石油危机后,人类就在寻找可以替代石油的燃料。而生物液体燃料正是理想的选择-来源于可再生资源、温室气体净排放几乎为零、还可以替代石油生产人类所需的化学品。目前液体生物燃料主要被用于替代化石然油作为运输燃料,如替代汽油的燃料乙醇和替代石油基柴油的生物柴油。而生物柴油又分从植物油得到生物柴油,和通过气化或液化得到的BtL。BtL技术被认为是最有前途的生物液体燃料技术。欧盟委员会积极推进生物燃料发展,制定了到2010年生物燃料占运输燃料5%的目标;美国正在运筹通过法律手段强制在运输燃料中添加生物燃料,具体比例是柴油中添加2%生物柴油,汽油中添加5%燃料乙醇;英国政府计划从2006年起要求生产运输燃油的能源企业必须有3%的原料是来自可再生资源,并且比例将逐年提高。
  燃料乙醇
  从1970年代起,巴西首先开始用燃料乙醇部分替代汽油,已经成为当今世界上最大的燃料乙醇生产和消费国,也是唯一不使用纯汽油燃料的国家。美国在20世纪70年代末,制定了“乙醇发展计划”,开始大力推广车用乙醇汽油,2004年美国的燃料乙醇产量达到35亿加仑,还进口了1.3亿加仑;到2005年全国已有500万辆以燃料乙醇为燃料的灵活燃料汽车(Flexible Fuel Vehicles,VFFs)。目前,中国的燃料乙醇产量仅次于巴西、美国,居世界第3位,为102万吨/年。2004年世界乙醇产量已达到2760万吨,大部分作为燃料乙醇使用。燃料乙醇是目前最现实可行的替代石油燃料,进入新世纪以来各国都积极发展燃料乙醇产业。在美国2005年8月颁布的《能源法案》中宣布,美国计划到2012年生产2200万吨燃料乙醇,到2025年以减少从中东地区进口石油的75%。
  1、燃料乙醇技术的开发前景
  目前乙醇的生产成本较高,如何降低乙醇成本并使之能与石油基燃料产品在价格上竞争是世界性的难题,其中原料成本占产品总成本的70%左右,能耗也是构成成本的重要因素。这两个影响乙醇成本的关键因素,已成为各国研究开发的热点。一些技术即将应用于工业化生产,包括:非粮食原料生产乙醇技术, 乙醇生产节能技术, 纤维素乙醇生产技术等。
纤维素乙醇的研究已有几十年历史,最早的技术是浓酸水解法。目前国际上生产纤维素乙醇主要采用稀酸水解和酶水解技术。最理想的是一体化乙醇生产技术CPB(Consolidate Bioprocessing),即同一微生物完成产纤维素酶、纤维素水解、乙醇发酵过程,但乙醇产率不高,产生有机酸等副产物,尚需大量的基础研究。
  2、现有的燃料乙醇生产技术
现有的燃料乙醇主要以粮食基淀粉为原料,如2004年美国用玉米生产1000万吨乙醇,欧洲用小麦生产160万吨乙醇;仅巴西以甘蔗为原料,年生产乙醇约1200万吨。我国2005年燃料乙醇产量102万吨,主要以玉米为原料。乙醇的生产基本上都是通过微生物对葡萄糖的发酵得到乙醇。乙醇的生产原料多种多样,主要是玉米、小麦等淀粉质原料,还有诸如甘蔗、糖蜜、甜菜等糖质原料,亦有木质纤维素类植物生物质原料等。无论采用何种原料,其乙醇生产工艺大同小异。 在乙醇生产中,为了加速蒸煮、糖化、发酵的反应速度,需要对固体原料粉碎,通常分为干法和湿法两种。在以玉米为原料的湿法生产工艺中,玉米油、蛋白饲料和玉米谷盶粉这些副产品的收入占玉米自身费用的60%或者更多;与此相对照,干法生产过程中得到的副产品收入在同等条件下通常占玉米费用的45%。美国主要采用湿法工艺生产。但湿法工艺中存在大量的污水处理问题,我国丰原集团公司开发了“半干法”玉米处理技术,不仅提高了玉米利用率,还显著减少了废水量,解决了湿法处理玉米工艺中的污水处理问题。

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