燃料乙醇的研究進展

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燃料乙醇的研究進展摘要：介紹燃料乙醇在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，以及燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應(yīng)用概況。關(guān)鍵詞：燃料乙醇，可再生能源，發(fā)酵法Keywords：Fuelethanol，RenewableEnergy，F(xiàn)ermentation前言：燃料乙醇的概念：燃料乙醇也稱生物燃料、燃料酒精、汽油醇、乙醇汽油等。將乙醇進一步脫水再加上適量的變性劑后形成變性燃料乙醇。燃料乙醇產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代，隨著石油的大規(guī)模、低成本開發(fā)，酒精因其經(jīng)濟性較差而被淘汰。石油是不可再生的能源，石油枯竭遲早要到來，為了減輕對石油的依賴，人們都在尋找可再生能源。同時，農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，造成糧食大量過剩，這一切，都使燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的重新崛起和迅速發(fā)展成為必然。近年來汽油醇的生產(chǎn)又成為煉油工業(yè)的一個方向。所謂車用乙醇汽油，就是把變性燃料乙醇和汽油以一定比例混配，形成一種新型混合燃料。我國初步確定從乙醇的體積分?jǐn)?shù)為10％起步推廣使用車用汽油醇，這樣現(xiàn)有車輛不需任何改裝。其油耗、動力基本不受影響，汽車尾氣的污染可大幅度降低，又不消耗過多的糧食。然而，燃料乙醇工業(yè)在如火如荼發(fā)展的同時，也要消耗大量農(nóng)作物，這是否大幅度抬高了全球物價；大面積的占用熱帶雨林種植經(jīng)濟性作物是否會在環(huán)境保護上得不償失，這些問題都使燃料乙醇成為關(guān)注的熱點。國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r：美國已是第一大燃料乙醇生產(chǎn)國，2007年8月美國乙醇產(chǎn)量達到277.0億L。美國燃料乙醇生產(chǎn)主要依靠玉米。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)并擴大種植面積,美國玉米產(chǎn)量近年增長迅速，目前有30%的玉米用于燃料乙醇的生產(chǎn)。巴西是世界上唯一不供應(yīng)車用純汽油的國家，2006年其酒精產(chǎn)量達到170億L，是第二大燃料乙醇生產(chǎn)國。在巴西的加油站里含水酒精的售價已經(jīng)降為汽油的60%～70%。在全球率先實現(xiàn)了酒精相對于汽油的經(jīng)濟競爭力。世界4大酒精生產(chǎn)國除巴西和美國之外,就是我國和俄羅斯。我國主要利用玉米生產(chǎn)燃料乙醇,也有利用薯類和甘蔗生產(chǎn)的報道。我國原發(fā)酵酒精生產(chǎn)能力達450萬～500萬t，約有1100家生產(chǎn)企業(yè)，其中80%以上是年產(chǎn)量在萬噸以下的小企業(yè)。根據(jù)國家“十五”規(guī)劃，2003年改造和建成了年產(chǎn)能力為102萬t的4個大型燃料乙醇生產(chǎn)項目：吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司30萬t/年、河南天冠集團30萬t/年、安徽豐原生物化學(xué)股份有限公司32萬t/年、黑龍江華潤酒精有限公司10萬t/年。在這4家生產(chǎn)企業(yè)中，除河南天冠以小麥為主要原料外，其他幾家都以玉米為主要原料。中國燃料乙醇發(fā)展的主要技術(shù)問題是成本居高難下。目前中國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本比美國高出17%；與此同時，中國乙醇的價格又比美國低18%。中美燃料乙醇的生產(chǎn)，在效率上也有較大的差距。中國生產(chǎn)1t乙醇需要消耗1210t水,而美國只要118t水；中國需要313t玉米生產(chǎn)1t乙醇，而美國的轉(zhuǎn)化率是21%；中國乙醇生產(chǎn)的污染物排放也比美國嚴(yán)重得多。出于糧食安全的考慮，中國不可能像美國和巴西那樣大規(guī)模的種植用于乙醇制造的作物，因此，必然要求較高的資源利用率。

主體內(nèi)容：項目數(shù)值項目數(shù)值密度（20℃）/(kg/L)0.7983流程/℃78辛烷值100—112熱值kJ/L21.26閃點/℃13汽化潛熱kJ/kg854乙醇的燃料特性表燃料乙醇生產(chǎn)原料：1.糖類原料：包括甘蔗、甜菜和甜高粱等含糖作物以及廢糖蜜等。甘蔗和甜菜等糖類原料在我國主要作為制糖工業(yè)原料，很少直接用于生產(chǎn)乙醇。廢蜜糖是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，內(nèi)含相當(dāng)數(shù)量的可發(fā)酵性糖，經(jīng)過適當(dāng)?shù)南♂屘幚砗吞砑硬糠譅I養(yǎng)鹽分即可用于乙醇的發(fā)酵，是一種低成本，工藝簡單的生產(chǎn)方式。2.淀粉質(zhì)原料：包括甘薯、木薯、馬鈴薯等薯類和高粱、玉米、大米、谷子、大麥、小麥及燕麥等糧谷類。薯類作物在我國分布極為廣泛，其適應(yīng)性和抗旱性都很強，是一種易于保高產(chǎn)的作物。采用薯類生產(chǎn)乙醇具有加工方便，產(chǎn)量產(chǎn)率高的特點，是我國大部分地區(qū)廣泛使用的一種淀粉質(zhì)原料。谷類原料是人類生活的主要糧食，一般情況下應(yīng)盡量不用或減少使用。3.野生植物：包括橡子仁、葛根、蕨根等，我國野生植物資源極為豐富，其中有大量的淀粉和糖分，可用于乙醇的生產(chǎn)。4.纖維素原料：包括農(nóng)作物秸稈、甘蔗渣、林業(yè)加工廢棄物等，它們富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等。使用纖維素原料生產(chǎn)乙醇是發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的基本方向之一。乙醇的生產(chǎn)方法：乙醇工業(yè)生產(chǎn)的方法可分為發(fā)酵法和化學(xué)合成法兩大類?；瘜W(xué)合成法主要有乙烯直接水合法、甲醇同系化法和合成氣直接合成法。一.發(fā)酵法發(fā)酵法是生產(chǎn)乙醇的經(jīng)典方法。1930年以前世界上所用工業(yè)乙醇都由此法生產(chǎn)。目前世界各國仍以發(fā)酵乙醇為主導(dǎo)地位，占90%以上。我國乙醇的生產(chǎn)也以發(fā)酵法為主。淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇先將淀粉分解為可發(fā)酵的葡萄糖，再經(jīng)發(fā)酵而得粗乙醇,同時放出CO2。粗乙醇經(jīng)精餾得工業(yè)乙醇。反應(yīng)式:曲霉菌、糖化(C6H10O5)n+nH2nC6H12O6(糖化酶)酵母菌發(fā)醇C6H12O62C2H5OH+2CO2(酒化酶)工藝過程：1.原料粉碎：將原料的植物組織破壞，釋放出淀粉的過程；2.蒸煮：在高溫高壓條件下對粉碎后的淀粉質(zhì)原料進行蒸煮，使植物組織和細胞徹底破裂，淀粉由顆粒狀變成溶解狀態(tài)的糊溶；3.糖化：在淀粉糊中加入一定量的糖化劑,將淀粉轉(zhuǎn)變成可發(fā)酵性糖(葡萄糖)；4.發(fā)酵：在糖化后的醪液中加入酵母,使(葡萄)糖轉(zhuǎn)變成乙醇,并放出CO2；5.蒸餾：可用單塔、雙塔、三塔或多塔蒸餾工藝,而得到高純度乙醇。⑵糖類原料生產(chǎn)乙醇時：用的糖類原料有糖蜜(制糖過程中，食糖結(jié)晶分后的母液)、甘蔗和甜菜等。甘蔗和甜菜所含糖分主要為蔗糖。反應(yīng)式：水解C12H22O11+H2OC6H12O6酵母菌發(fā)酵C6H12O62C2H5OH+2CO2工藝過程：以甘蔗汁(或糖蜜)發(fā)酵為例。甘蔗被粉碎后，用水萃取，將萃取液用石灰乳和硫酸處理而得糖液，再熬成帶有結(jié)晶的糖膏，分出結(jié)晶糖后而得糖蜜。糖蜜含糖50%～55%(其中30%～35%為蔗糖，20%為轉(zhuǎn)化糖)。蔗糖經(jīng)水解得葡萄糖,然后發(fā)酵、精餾，過程與淀粉質(zhì)原料相同。⑶木纖維為原料生產(chǎn)乙醇木纖維材料通常是難以被直接分解和利用的，因此以木質(zhì)纖維為原料生產(chǎn)乙醇，需有一個預(yù)處理過程,包括粉碎、蒸煮、消化、酸水解或酶水解，使其水解成可發(fā)酵糖(葡萄糖)，才能被酵母酶解生成乙醇。乙醇生產(chǎn)對微生物的要求：實質(zhì)上，微生物是這一過程的主導(dǎo)者，也就是說微生物的乙醇轉(zhuǎn)化能力是乙醇生產(chǎn)工藝中菌種選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)。在自然界中，可利用糖分產(chǎn)生乙醇的微生物很多，在眾多產(chǎn)乙醇微生物中選擇具有應(yīng)用價值的菌株必須滿足下面的要求：1.應(yīng)該具有高的發(fā)酵性能，能快速并完全地將有效糖分轉(zhuǎn)化成乙醇；2.繁殖速度快，具有很高的比生長速率；3.具有高的耐高濃度糖和乙醇能力，即耐自身代謝廢物和產(chǎn)物的能力強；4.抗雜菌能力好，耐雜菌代謝產(chǎn)物的能力強，抗有機酸能力強；5.對復(fù)雜成分培養(yǎng)基的適應(yīng)能力強；6.對溫度、酸度和鹽度的突變適應(yīng)性強，即自身對環(huán)境的適應(yīng)能力強。

乙醇脫水制得燃料乙醇：脫水技術(shù)是燃料乙醇生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一。從普通蒸餾工段出來的乙醇,其最高質(zhì)量濃度只能達到95%，要進一步的濃縮,繼續(xù)用普通蒸餾的方法是無法完成的，因為此時，酒精和水形成了恒沸物（對應(yīng)的恒沸溫度為78.15℃），難以用普通蒸餾的方法分離開來。為了提高乙醇濃度,去除多余的水分，就需采用特殊的脫水方法。目前制備燃料乙醇的方法主要有化學(xué)反應(yīng)脫水法、恒沸精餾、萃取精餾、吸附、膜分離、真空蒸餾法、離子交換樹脂法等。二.化學(xué)合成法⑴.乙烯與水蒸氣混合經(jīng)催化水合反應(yīng)生產(chǎn)乙醇反應(yīng)式：catC2H4+H2O C2H5O⑵.甲醇同系化法同系化反應(yīng)是由較少碳原子的有機化合物生成較多碳原子的同系物的反應(yīng)。甲醇同系化反應(yīng)就是甲醇與合成氣(CO和H2)轉(zhuǎn)化成比原料醇多一個或一個以上碳原子醇的反應(yīng)。到目前為止,甲醇同系化法合成乙醇尚處于試驗階段,主要問題在于催化劑的選擇性、活性及穩(wěn)定性等尚未達到工業(yè)化要求的水平。⑶.合成氣直接合成法合成氣直接合成乙醇分為氣相法和液相法。盡管近幾年來美、日、德、英、意大利等國都在這方面作了許多開發(fā)工作，但到目前為止,合成氣直接合成乙醇法仍處于試驗階段，尚未取得根本性的突破。乙烯直接水合法、甲醇同系化法以及合成氣直接合成法所用的原料均源于石油、天然氣、煤等不可再生資源，顯然不是今后發(fā)展的方向。燃料乙醇的優(yōu)點及其開發(fā)意義：1.燃料乙醇是一種良好的增氧劑，它可以增加汽油的含氧量，使其充分燃燒。目前汽油中普遍使用的增氧劑是MTBE(甲基叔丁基醚)，它能提高汽油的含氧量，使其燃燒更完全，可減少向大氣中排放一氧化碳。但是，由于MTBE會對地下水造成嚴(yán)重的污染，而且其生產(chǎn)難度比較大，因此最佳的替代品就是燃料乙醇。2.燃料乙醇的辛烷值高，調(diào)和辛烷值一般可以達到120左右，可以有效提高汽油的抗爆指數(shù)。它作為點燃式發(fā)動機燃料時，可以用于壓縮比較高的發(fā)動機，提高發(fā)動機的熱效率，是內(nèi)燃機最有希望的代用燃料。3.有利于環(huán)境的改善。使用車用乙醇汽油，可以使汽車尾氣的污染水平平均降低30％以上。其中一氧化碳排放下降30.8％，揮發(fā)性烴類化合物排放下降13.4％，二氧化碳的排放量降低27％，此外還可減少其他有害物質(zhì)的排放。4.纖維素是地球上最豐富的有機資源之一，它是一種可以再生的資源，每年僅陸生植物就可以產(chǎn)生纖維素約500億t。纖維素還是最主要的生物質(zhì)資源，它占地球生物質(zhì)總量的60％～80％。纖維素類資源，如秸稈、蔗渣及森林工業(yè)副產(chǎn)品等具有來源豐富、品種多、再生時間短等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年可生產(chǎn)生物質(zhì)2200億t，相當(dāng)于目前世界能源消耗的3—8倍。因此，以纖維素降解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇具有巨大的潛力，同時可以減輕農(nóng)林廢棄物、工業(yè)廢棄物、城市廢棄物及林業(yè)廢棄物對環(huán)境造成的壓力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

燃料乙醇存在的缺點：1.各國大力發(fā)展燃料乙醇工業(yè)的一個初衷是為了降低二氧化碳排放量，凈化氣。然而在溫室氣體排放量方面，這種砍伐造成的后果可能比使用化石燃料更加嚴(yán)重。2.同時，由于許多土地被用于種植某些農(nóng)作物以生產(chǎn)生物燃料，致使其他基本生活物資價格上漲。3.乙醇汽油的保質(zhì)期只有一個月。過了保質(zhì)期的乙醇汽油容易出現(xiàn)的分層現(xiàn)象，在油罐油箱中容易變渾濁，打不著火。

4.乙醇汽油對環(huán)境要求非常高,非常怕水,保質(zhì)期短,因此銷售乙醇汽油要比普通汽油在調(diào)配、儲存、運輸、銷售各環(huán)節(jié)要嚴(yán)格得多。一般小油站不出售乙醇汽油。結(jié)語：由于燃料乙醇的應(yīng)用可以帶來巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效應(yīng)，所以世界各國對它已經(jīng)有了不同程度的研究和應(yīng)用。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)與工程技術(shù)的不斷發(fā)展，高產(chǎn)菌株的獲取將變得相對容易，發(fā)酵工藝及精餾技術(shù)也得到不斷改進，這些都為燃料乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)提供了技術(shù)保證，發(fā)展燃料乙醇可解決我國的石油資源短缺和環(huán)境污染等問題，有利于保證國家能源安全和社會的課持續(xù)發(fā)展。隨著燃料乙醇的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍不斷擴展，燃料乙醇在可再生燃料市場中占據(jù)主要地位，發(fā)展前景廣闊。目前燃料乙醇生產(chǎn)中存在的最大問題是降低成本。雖然用非糧原料生產(chǎn)纖維素乙醇具有可行性,但世界上尚沒有成功的商業(yè)化運作案例,關(guān)鍵在于成本過高。在未來幾年內(nèi),各國都會在纖維素乙醇的生產(chǎn)技術(shù)上展開科研競爭,取得技術(shù)突破的一方將掌握未來,也可以說它給世界能源和環(huán)境危機帶來了福音。參考文獻：[1]黃治玲．燃料乙醇的生產(chǎn)與利用[J]．化工科技，2003，11(4)：44—47．[2]張遠欣．燃料乙醇的發(fā)展?fàn)顩r[J