基于酒精廢液高值化利用的甘蔗糖蜜全年生產(chǎn)酒精模式探討

林榮忠 楊宇格 林榮珍

【摘 要】文章研究和概述了甘蔗糖蜜全年生產(chǎn)酒精，酒精廢液經(jīng)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)沼氣，沼氣采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，電能并網(wǎng)銷售，余熱為糖廠及周圍工業(yè)企業(yè)提供飽和蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，沼液制成液態(tài)生物有機(jī)肥用于噴灌甘蔗的一種資源化綜合利用生產(chǎn)模式，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】甘蔗糖蜜；酒精廢液；沼氣發(fā)電；熱電聯(lián)產(chǎn)；液態(tài)生物有機(jī)肥

【中圖分類號】TS262.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）05-0151-03

0 前言

近幾年，廣西糖蜜酒精企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營不景氣，廣西壯族自治區(qū)糖業(yè)發(fā)展辦公室提出將全區(qū)糖蜜酒精企業(yè)進(jìn)行整合重組，增強(qiáng)規(guī)模效益。本文研究概述了日產(chǎn)甘蔗糖蜜酒精300 t，年生產(chǎn)酒精200 d，酒精廢液經(jīng)厭氧發(fā)酵后生產(chǎn)沼氣，沼氣采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，電能并網(wǎng)銷售，余熱為糖廠及周圍工業(yè)企業(yè)提供飽和蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，沼液制成液態(tài)生物有機(jī)肥用于噴灌甘蔗的一種資源化綜合利用生產(chǎn)模式，構(gòu)建農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，以期促進(jìn)甘蔗糖蜜全年生產(chǎn)酒精主業(yè)生產(chǎn)的良性發(fā)展，促進(jìn)酒精廢液資源化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、高值化利用，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。

1 甘蔗糖蜜的組成及需求分析

1.1 甘蔗糖蜜的組成

甘蔗糖蜜是甘蔗制糖生產(chǎn)的主要副產(chǎn)物，其數(shù)量達(dá)3%對蔗比，2015—2016年榨季，廣西全區(qū)入榨甘蔗4 433.43萬t，產(chǎn)最終糖蜜約133萬t（按3%折算）。甘蔗糖蜜是一種黏稠、黑褐色、呈半流動的物體，組成因加工條件的不同而有所差異，其中主要含有大量的可發(fā)酵糖（主要是蔗糖和還原糖），總糖分（蔗糖分+還原糖分）為47～52 g/100 g，非發(fā)酵性還原物質(zhì)為6～8 g/100 g，pH值為5～6（亞硫酸法生產(chǎn)工藝糖廠），總氮為0.5%～2.3%，多屬于非蛋白氮類，如氨、酰胺及硝酸鹽等，而氨基酸態(tài)氮僅占15%～30%，因此是很好的發(fā)酵原料，可用作酒精、酵母、味精、焦糖色素、有機(jī)酸等發(fā)酵制品的底物或基料，可作為某些食品的生產(chǎn)原料和動物飼料原料。

1.2 甘蔗糖蜜和儲罐的需求分析

一般每生產(chǎn)1 t酒精耗甘蔗糖蜜4.8 t（以總糖分48 g/100 g計(jì)），本文研究日產(chǎn)甘蔗糖蜜酒精300 t，年生產(chǎn)酒精200 d的生產(chǎn)方案，年需要桔水量約28.8萬t。榨季期間及停榨期間各生產(chǎn)100 d，按每天產(chǎn)酒300 t計(jì)，榨季期間及停榨期間各產(chǎn)酒約3萬t，各需桔水約14.4萬t，停榨期間需增加桔水罐容量14.4萬t，需要配套φ26 m×16 m的桔水罐共15個，配套可儲存2個月產(chǎn)酒量（約2萬t）的酒罐（φ30 m×16.5 m）2個。

2 糖蜜酒精廢液的組成及生產(chǎn)沼氣分析

2.1 糖蜜酒精廢液的組成

一般每生產(chǎn)1 t酒精排出的廢液約12 t，糖蜜酒精廢液的COD高達(dá)80 000～140 000 mg/L，BOD高達(dá)30 000～70 000 mg/L，SS達(dá)到40 000 mg/L，pH值為3.5～4.5，錘度為15～19 BX°[1]。經(jīng)廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所檢測，糖蜜酒精廢液是一種無毒和生物可降解液體，純粹來源于植物，并含有大量可溶性有機(jī)質(zhì)，同時含有大量作物所需的多種營養(yǎng)元素，一般含有機(jī)質(zhì)5.5%～12%，N0.06%～0.42%，P2O50.01%～0.38%，K2O0.23%～1.54%，固形物7%～14%[2]。此外，還含有Ca 2.1%～3.0%，Mg2.0%～3.3%，S4.0%～5.0%，F(xiàn)e 65 mg/L，Zn10.5 mg/L，Mn5.5 mg/L等營養(yǎng)元素和氨基酸、生長素、維生素等多種生長活性物質(zhì)[3]。這些養(yǎng)分物質(zhì)都是甘蔗生長發(fā)育所必需的，并且大部分是甘蔗生長過程中直接從土壤中攝取所獲的或者在甘蔗體內(nèi)合成的，甘蔗經(jīng)制糖與發(fā)酵后又濃縮到酒精發(fā)酵液中。

2.2 沼氣的組成

在完全與氧氣隔絕（厭氧）的條件下，高濃度有機(jī)廢水中有機(jī)物在厭氧微生物作用下被轉(zhuǎn)化為沼氣，沼氣的主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳，甲烷占總體積的55%～65%，二氧化碳占總體積的35%～40%，其余硫化氫、氮、氫和一氧化碳等氣體約占總體積的5%[4]。

2.3 糖蜜酒精廢液產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)沼氣分析

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1 mol甲烷，相當(dāng)于2 mol（或64 g）COD，則還原1g的COD相當(dāng)于生成22.4/64=0.35 L甲烷[5]。理論上，每去除1 kg的COD可產(chǎn)生0.35 m3的甲烷，在糖蜜酒精廢液厭氧消化工藝中，實(shí)際產(chǎn)氣率受到酒精廢液COD和硫酸鹽、生物厭氧技術(shù)、厭氧反應(yīng)器的核心技術(shù)、菌種及管理技術(shù)水平等多種因素的影響，一般取實(shí)際產(chǎn)氣值為理論值的80%計(jì)算，則每去除1 kg的COD實(shí)際約可產(chǎn)生0.28 m3的甲烷，1 kg的COD產(chǎn)生0.43～0.47 Nm3的沼氣，甲烷含量在60%左右，其熱值在23.58×103 kJ/m3左右。

以日產(chǎn)甘蔗糖蜜酒精300 t，每生產(chǎn)1 t酒精排出的廢液約12 t，糖蜜酒精廢液的COD為130 000 mg/L，沼液COD濃度按40 000 mg/L計(jì)，產(chǎn)生的甲烷量=300×12×（130 000-40 000）×0.28/1 000=90 720 m3，則產(chǎn)生的沼氣總量=90 720/0.6=15.12萬m3/d（沼氣中甲烷含量按60%計(jì)算）。

3 沼氣發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)方案

3.1 沼氣發(fā)電的基本原理

內(nèi)燃機(jī)把沼氣的化學(xué)能經(jīng)過燃燒過程轉(zhuǎn)變成熱能，并經(jīng)過相應(yīng)的傳動裝置再轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，最后由發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能[6]。

3.2 沼氣發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組裝機(jī)規(guī)模

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的靈活性，采用國產(chǎn)內(nèi)燃式發(fā)電機(jī)組6臺，裝機(jī)規(guī)模為6 MW（1 MW×6臺），沼氣發(fā)電量為144 000 kW·h/d，熱電聯(lián)產(chǎn)蒸汽量為115.0 t/d（0.8 MPa），項(xiàng)目總投資概算為5 700萬元。

3.3 沼氣發(fā)電并網(wǎng)及熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)方案

沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

沼氣凈化系統(tǒng)位于發(fā)電系統(tǒng)之前，對從厭氧塘出來的沼氣進(jìn)行水汽分離和凈化，以提高沼氣的轉(zhuǎn)化率。凈化設(shè)備包括去霧罐、阻火器、過濾器等，去除氣體中的水分、塵埃、雜質(zhì)和有害氣體成分，使氣體質(zhì)量達(dá)到發(fā)電系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

甲烷完全燃燒時，生成二氧化碳和水，釋放出熱能，是一種清潔能源。理論上，每1 m3沼氣約等折0.714 kg標(biāo)煤，按每天產(chǎn)沼氣100 000 m3保守估算，年生產(chǎn)200 d，折算成標(biāo)煤量為1.43萬t/a，可替代天然氣、煤、油等常規(guī)燃料使用。采用國產(chǎn)1 MW的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，1 m3沼氣可發(fā)電1.8 kW·h，每臺機(jī)組可生產(chǎn)0.8 t/h的飽和蒸汽（蒸汽壓力為0.8 MPa），電能上網(wǎng)銷售，蒸汽供糖廠使用，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)；沼液制成液態(tài)生物有機(jī)肥。

4 沼液生產(chǎn)液態(tài)生物有機(jī)肥分析

（1）本文中的沼液是指酒精廢液在一定的溫度、細(xì)菌的條件下，經(jīng)密閉厭氧塘或地上厭氧發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳等氣體后的殘留液體物質(zhì)。

（2）從液體肥料和營養(yǎng)角度看，大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道比較一致：沼液中含有一定量的植物生長和發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀大量營養(yǎng)元素，鈣中量元素和銅、鐵、鋅、錳等微量元素。此外，沼液含有比較豐富的氨基酸、有機(jī)酸、水解酶、維生素、激素，以及對病蟲害有抑制作用的物質(zhì)[7-8]。沼液生產(chǎn)的液態(tài)生物有機(jī)肥已經(jīng)腐熟完成，含豐富的氮磷鉀，在N、P、K養(yǎng)分相等的條件下，完全沼液灌溉和與化肥配合施用能提高土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤肥力，其中沼液和化肥配合的施用效果好；土壤N、P、K養(yǎng)分和Ca、Mg及微量元素含量隨著沼液配合用量的增加而增加，施用沼液可以改善土壤養(yǎng)分平衡度[9]。用于噴淋甘蔗，可大幅度地提高甘蔗的產(chǎn)量和糖分，實(shí)現(xiàn)增收增效。

（3）以日產(chǎn)甘蔗糖蜜酒精300 t，每生產(chǎn)1 t酒精排出的廢液約12 t計(jì)算，沼液產(chǎn)生量為3 600 t/d，年生產(chǎn)液態(tài)生物有機(jī)肥為72萬t，部分液態(tài)生物有機(jī)肥可以通過管網(wǎng)輸送噴灌甘蔗，部分供給固態(tài)肥廠做原料，進(jìn)行市場銷售。

5 經(jīng)濟(jì)分析

5.1 銷售收入

項(xiàng)目收入主要來自發(fā)電上網(wǎng)收入和蒸汽收入。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，年生產(chǎn)電能為3 600萬kW·h，上網(wǎng)電價為0.75元/kW·h，電費(fèi)收入為2 700萬元；蒸汽產(chǎn)能為2.9萬t，按每噸蒸汽150元計(jì)，蒸汽收入為435萬元。液態(tài)有機(jī)肥處于推廣階段，通過甘蔗地管網(wǎng)噴灌液態(tài)肥，未來3年打造液態(tài)生物有機(jī)肥的品牌和市場推廣。

根據(jù)國家有關(guān)政策，生物質(zhì)沼氣發(fā)電屬于資源綜合利用項(xiàng)目，銷售稅金及附加稅率為6.6%，免征企業(yè)所得稅。

5.2 運(yùn)行成本估算

生產(chǎn)原材料及動力費(fèi)用為收入的20%；項(xiàng)目各組成系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的維修維護(hù)費(fèi)用合計(jì)0.14元/kW·h；固定資產(chǎn)采取直線折舊法計(jì)算，分10年平均攤銷，殘值取5%；項(xiàng)目計(jì)算期內(nèi)年折舊費(fèi)用約340萬元/年，期末回收固定資產(chǎn)殘值180.75萬元；項(xiàng)目新增定員15人，工資福利費(fèi)平均按50 000元/人·年計(jì)算，全年工資福利費(fèi)為75萬元。項(xiàng)目投產(chǎn)后，年均收入達(dá)3 135萬元，稅后利潤為667萬元。全部投資內(nèi)部收益率為14.65%，大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率的8%。

5.3 項(xiàng)目盈利能力分析

項(xiàng)目投資利潤率為29.85%，項(xiàng)目償還貸款期為1.5年（不含建設(shè)期）；回收全部投資期為6.3年（不含建設(shè)期）。

6 展望

本文研究概述了日產(chǎn)甘蔗糖蜜酒精300 t，年生產(chǎn)酒精200 d，酒精廢液經(jīng)厭氧發(fā)酵后生產(chǎn)沼氣，沼氣采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，電能并網(wǎng)銷售，余熱為糖廠及周圍工業(yè)企業(yè)提供飽和蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，沼液制成液態(tài)生物有機(jī)肥用于噴淋甘蔗的一種資源化綜合利用生產(chǎn)模式。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，每年消耗沼氣2 100.00萬m3，沼氣發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)，每年可提供清潔電力3 600.00萬kW·h，同時回收蒸汽2.9萬t，生產(chǎn)液態(tài)生物有機(jī)肥72萬t，既解決了酒精生產(chǎn)帶來的環(huán)境污染問題，促使企業(yè)的環(huán)境工程和生產(chǎn)條件升級，又開發(fā)了可再生能源，減少了溫室氣體排放，將會促進(jìn)甘蔗糖蜜全年生產(chǎn)酒精主業(yè)生產(chǎn)的良性發(fā)展，促進(jìn)酒精廢液資源化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、高值化利用，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力，順應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展潮流。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]