陳化水稻燃料乙醇全生命周期凈能量分析

王 康，潘 忠，李永恒，黃 錦，黃加軍，孫振江，羅 虎，吳延東，李 凡，佟 毅

(1.中糧營養(yǎng)健康研究院，北京102209；2.廣西中糧生物質能源有限公司，廣西北海536100；3.吉林中糧生化有限公司，吉林長春130033)

21世紀以來，生物燃料乙醇以其可再生性、環(huán)境友好、使用方便、易于推廣等綜合優(yōu)勢，成為部分替代化石燃料的理想汽油組分。水稻作為一種高成本農(nóng)作物，儲量巨大，但是其特性之一是不易保存，極易產(chǎn)生米質“陳化”和發(fā)霉變質。以陳化水稻作為原料生產(chǎn)燃料乙醇符合中國現(xiàn)有國情，同時可承擔消化陳化糧的責任[1]。廣西中糧生物質能源有限公司(以下簡稱廣西公司)對陳化水稻發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的條件進行了大量研究應用工作，結合現(xiàn)有燃料乙醇生產(chǎn)工藝情況，優(yōu)化改造了部分現(xiàn)有裝置，實現(xiàn)了陳化水稻以全水稻的方式生產(chǎn)燃料乙醇。若按年產(chǎn)20萬t燃料乙醇計算，陳化水稻年消耗量約74萬t，將產(chǎn)生一定的社會效益和生態(tài)效益。

廣西公司使用陳化水稻生產(chǎn)燃料乙醇已經(jīng)實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運行，但是對于陳化水稻燃料乙醇在全生命周期內(nèi)的具體能量效益并不清楚，也無相關的研究報道。因此，本文中，筆者擬開展陳化水稻燃料乙醇凈能量分析的工作，意圖填補研究領域的空白，并提出針對性的改進方案，從而提高陳化水稻燃料乙醇的社會及生態(tài)效益。2006年張治山等[2]分析了玉米燃料乙醇生命周期的凈能量，研究表明：玉米燃料乙醇具有一定的能量效益，干法和濕法工藝的能量效率(能量比)分別為1.25和1.04，凈能量分別為5.95 MJ/kg(以1 kg乙醇計)和1.11 MJ/kg。2015年岳國君等[3]分析了廣西公司20萬t/a木薯燃料乙醇凈能量，結果表明，廣西公司使用木薯作為原料時的凈能量為9.56 MJ/L(以1 L乙醇計)?？梢?，玉米和木薯燃料乙醇全生命周期凈能量均為正值，也進一步為擴大燃料乙醇的生產(chǎn)使用提供了理論支持。

本文中，筆者基于生命周期清單分析(life cycle inventory,LCI)原理[4]，針對廣西公司陳化水稻燃料乙醇生產(chǎn)工藝流程，通過基礎研究數(shù)據(jù)，建立陳化水稻燃料乙醇的凈能量分析模型和方法，定量評價廣西公司陳化水稻燃料乙醇的能量效率并對其影響因素進行分析，以期為正確評價和提高我國水稻燃料乙醇的能量可持續(xù)性提供量化依據(jù)。

1 工藝路線及基礎數(shù)據(jù)

1.1 工藝概述

廣西公司經(jīng)過多次技術改造，于2017年4月份開始全部使用陳化水稻生產(chǎn)燃料乙醇。工藝流程如圖1所示。

圖1 廣西公司陳化水稻燃料乙醇工藝流程Fig.1 Schematic diagram of aged rice fuel ethanol production process in Guangxi COFCO

預處理：廣西公司采用全水稻發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。預處理裝置采用木薯濃醪除沙技術，把一定量的物料通過預粉碎、滾筒分級篩、吸咀風選、沙水分離器，去除沙石、鐵器、編織物等雜質，再通過粉碎機粉碎、檢查篩篩分得到合格粒度細粉。滾筒分級篩的篩下物經(jīng)過沙水分離器后直接去往拌料工藝，篩上物經(jīng)過新線粉碎機進一步粉碎，通過旋風分離器將物料及塵土等雜質分離。在粉漿罐中添加工藝水配制成一定濃度的粉漿后輸送至液化工段。

液糖化及發(fā)酵：在粉漿罐內(nèi)，加入部分耐高溫α-淀粉酶，料液攪拌均勻后，進行噴射液化。閃冷后進入液化罐，加入剩余量的淀粉酶，維持90 min至液化合格。然后采用同步糖化發(fā)酵的方式，即液化醪在輸入發(fā)酵罐及酒母罐的過程中分批添加糖化酶。在活化罐內(nèi)將活化好的酵母與液化醪連續(xù)輸入酒母罐后培養(yǎng)一段時間，成為成熟酒母醪。成熟的酒母醪同充分降溫的液化醪同時輸入發(fā)酵罐，供發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。發(fā)酵60 h成熟后，成熟醪液由泵輸入蒸餾工段。

蒸餾：蒸餾采用粗塔、一精塔和二精塔的三塔流程。粗塔的作用是將乙醇、揮發(fā)性物質以及部分水從廢醪液中分離出來，塔釜排出重組分、固形物和大量的水。一精塔的作用是對粗塔塔頂采出的乙醇進行濃度提高，并排除廢水。二精塔的作用是分離去甲醇。精餾工序采用專有的熱耦合精餾技術，發(fā)酵成熟醪通過預熱器被成品酒汽預熱后，送入粗餾塔的進料塔板層。粗塔底廢醪液由酒糟泵輸送至飼料車間工段，另一部分含乙醇的醪液依次進入2個精塔。

飼料工段：飼料車間收集由粗塔蒸出的廢醪，添加超濃縮蛋白絮凝劑后通過板框隔膜壓濾機或臥螺離心機分離出清液和濕糟。20%的清液用于工藝水回配，剩余80%部分濃縮至36%的糖漿。濕糟通過螺旋輸送機進入滾筒，添加蒸發(fā)濃縮的糖漿，進入管束干燥機干燥。管束干燥機出料水分控制不高于12%，即為成品飼料(DDGS)，再通過二級風送系統(tǒng)最后進入飼料庫房。

1.2 基礎數(shù)據(jù)

陳化水稻的凈能量(net energy value,NEV)分析模型參考了玉米、木薯的凈能量分析模型[2-3]，即采用全生命周期評價的方法對燃料乙醇的能量投入/產(chǎn)出進行分析[5-7]?；跓崃W第一定律，凈能量是指燃料乙醇提供的能量減去生命周期內(nèi)的化石能量輸入的剩余能量與副產(chǎn)品替代的能量之和，本文中，筆者采用國內(nèi)提出的凈能量分析模型[2]進行核算。單位質量陳化水稻燃料乙醇的凈能量分析數(shù)學模型見式(1)。

NEV=EB-(EF1+EF2+EF3+EF4-EF5)(1)

式中：EB為乙醇的燃燒熱能(biomass energy,BE)，EF1為陳化水稻生產(chǎn)過程中消耗的能量(有種苗、化肥、農(nóng)藥、電力和燃料等間接輸入的能量)，EF2為運輸陳化水稻的能量，EF3為乙醇轉化過程中消耗的能量(有水稻粉碎、蒸煮、發(fā)酵、乙醇的蒸餾及脫水和副產(chǎn)品的生產(chǎn)等操作輸入的能量)，EF4為運輸燃料乙醇以及副產(chǎn)物消耗的能量，EF5是副產(chǎn)品的替代能量之和。

在該模型中，燃料乙醇生產(chǎn)全生命周期的能量分析涉及水稻生產(chǎn)、水稻運輸、乙醇轉化、乙醇及副產(chǎn)物運輸和燃料使用等環(huán)節(jié)，以下依次分析每個部分的能量輸入與輸出基礎數(shù)據(jù)。

水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)：在水稻生長階段與秧苗播種階段消耗的化肥是資源消耗的主要階段，在生長階段能源消耗量可達到5 540 MJ/t水稻[8]。水稻種植過程中能量的輸入強度在不同的種植區(qū)域差別較大。表1給出了我國不同地域水稻生命周期評價指標的對比情況[8-13]，以生產(chǎn)1 t水稻為計算單位。廣西公司在2018年4—8月份使用的陳化水稻種植地主要集中在廣西桂林及湖南一帶，據(jù)不完全統(tǒng)計，廣西公司加工使用的陳化水稻有68.3%來自湖南地區(qū)，9.7%來自廣西桂林。本文陳化水稻生產(chǎn)的能耗根據(jù)表1中統(tǒng)計的結果，結合水稻比例計算可得水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗。

表1 不同地域水稻種植能量對比

水稻運輸環(huán)節(jié)：陳化水稻運輸環(huán)節(jié)的能耗可以參照文獻[3]并按式(2)計算。

(2)

式中：D1為陳化水稻的運輸距離，由于廣西公司使用的陳化水稻來源于廣西及周邊省份的湖南、云南等地，最近距離為300 km，最遠距離可達1 490 km。經(jīng)計算，平均運輸距離為800 km。ET1為運輸燃料(柴油)的消耗強度，經(jīng)計算得知，ET1為1.7 L/(100 t·km)。H1為運輸燃料(柴油)的能量強度，參照文獻[14]中的數(shù)據(jù)為42.65 MJ/kg；x為轉化率，根據(jù)廣西公司的實際生產(chǎn)情況，約3.77 t陳化水稻可加工成1 t乙醇。

乙醇轉化環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)是本分析模型中最重要也是最復雜的環(huán)節(jié)，所用數(shù)據(jù)采用車間穩(wěn)定生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。通過對生產(chǎn)環(huán)節(jié)原輔料的消耗、水電氣等各項損耗、主副產(chǎn)品的產(chǎn)出衡算，形成的物料平衡圖如圖2所示。其中，以產(chǎn)1 t燃料乙醇為基準，表示各能量的輸入及輸出。能量輸入的物料包括陳化水稻、新鮮水、蒸汽、電能、輔料(酶、尿素、硫酸銨、硫酸等)。因為輔料添加量較少，因此本文全生命周期評價邊界不包括輔料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。能量輸出包括燃料乙醇的燃燒熱能、沼氣的燃燒熱能、CO2和DDGS等副產(chǎn)品以及外排的廢水。能量損耗包括噴射液化的排氣、精餾排出的雜質(雜醇油、甲醇等)和污水處理過后的污泥。乙醇轉化環(huán)節(jié)的計算，見式(3)。

EF3=∑IEiIEi

(3)

式中：Ei是乙醇轉化過程中投入的各種能量消耗量，IEi是各種能量的能量強度。

能量投入主要為電、蒸汽、水的消耗，本文中采用廣西公司2018年4—8月間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表2所示。電能、蒸汽、水的能量強度均按文獻[15]折算成標煤，折標煤系數(shù)分別為0.122 9 kgce/(kW·h)、0.128 6 kgce/kg、0.086 kgce/t。標煤的熱值按文獻[15]換算為29.31 MJ/kg。

圖2 乙醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)物料平衡簡圖Fig.2 Material balance of ethanol production

乙醇及副產(chǎn)物運輸環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)的能耗與水稻運輸環(huán)節(jié)相似，按式(4)計算。

(4)

式中，Di為乙醇或副產(chǎn)物的運輸距離。廣西公司生產(chǎn)的燃料乙醇實際銷售運輸半徑平均為500 km，DDGS的實際銷售運輸半徑平均為35 km，液態(tài)CO2的實際銷售運輸半徑平均為100 km。ET1及H1在式(1)中給出。x為轉化率，DDGS的轉化率為0.847，CO2的轉化率為11.364。

表2 乙醇轉化單元電、蒸汽、水消耗

注：以生產(chǎn)1 t乙醇計。

能量輸出環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)包括乙醇的燃燒熱能(EB2)和副產(chǎn)品的替代能量(EF5)之和。能量輸出占比最大的是主產(chǎn)品燃料乙醇的熱值，其熱值計算參照文獻[16]數(shù)據(jù)。燃料乙醇副產(chǎn)品的開發(fā)對全生命周期的凈能量有至關重要的作用，副產(chǎn)品沼氣及DDGS也計入能量產(chǎn)出部分(CO2忽略不計)，具體計算如式(5)所示。

EB2=∑EOiIEOi

(5)

式中：EOi是產(chǎn)出的副產(chǎn)品的能量消耗量，IEOi是各種形式能量的能量強度。沼氣按甲烷含量60%計算熱值，熱值數(shù)據(jù)參照文獻[17]。參照國家標準《煤的發(fā)熱量測定方法》(GB/T 213—2008)對水稻DDGS的熱值進行測定，測定結果為22.02 MJ/kg乙醇(17.37 MJ/L乙醇)。

表3 能量產(chǎn)出部分基礎數(shù)據(jù)

注：以1 t乙醇計。

2 結果與討論

2.1 凈能量計算結果

由于統(tǒng)計得到的各個環(huán)節(jié)的能量單位各異，為便于計算，基于乙醇液體密度為0.789 g/cm3(20 ℃)，將能量單位統(tǒng)一為MJ/L(以1 L乙醇計)。使用陳化水稻生產(chǎn)燃料乙醇全生命周期內(nèi)各個環(huán)節(jié)的能量計算結果，如表4所示。

表4 凈能量計算數(shù)據(jù)表

注：以1 L乙醇計。

由表1可知：結合水稻產(chǎn)地比例計算可得陳化水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗為13.15 MJ/L。根據(jù)式(2)可得陳化水稻的運輸環(huán)節(jié)能量消耗為1.44 MJ/L。乙醇轉化環(huán)節(jié)的電能、蒸汽、水折標煤后能量強度分別為51.08 kg標煤/t(以1 t乙醇計)、468.10 kg標煤/t、0.52 kg標煤/t，根據(jù)標煤的熱值計算得知乙醇轉化環(huán)節(jié)的電、蒸汽及水耗能分別為1.18 MJ/L、10.83 MJ/L和0.012 MJ/L。根據(jù)式(4)及基礎數(shù)據(jù)計算，乙醇、DDGS及CO2運輸消耗的能量分別為0.24 MJ/L、0.020 MJ/L和0.004 MJ/L。

參照文獻[14]得知燃料乙醇的燃燒熱能(EB)為21.18 MJ/L；根據(jù)表3中的基礎數(shù)據(jù)，計算得知沼氣的熱能為0.312 MJ/L，水稻DDGS的熱值為17.37 MJ/L。

全生命周期內(nèi)能量總投入為26.87 MJ/L，其中水稻生產(chǎn)占48.94%，乙醇轉化過程占到44.73%，陳化水稻、乙醇及副產(chǎn)物運輸環(huán)節(jié)投入的能量占6.34%。而精餾消耗的蒸汽占乙醇轉化環(huán)節(jié)蒸汽消耗的83.24%。產(chǎn)出的能量包括乙醇燃燒產(chǎn)出的能量、沼氣及水稻DDGS燃燒產(chǎn)出的能量，總產(chǎn)出為38.86 MJ/L。根據(jù)式(1)計算得到凈能量數(shù)據(jù)為11.99 MJ/L。

2.2 討論

由于不同的生產(chǎn)廠家，其加工原料的來源不同、加工工藝的優(yōu)劣以及運輸成本的高低等因素，使得其對應的水稻燃料乙醇凈能量可能與廣西公司存在差異，我們只針對廣西公司的凈能量計算結果展開討論。

1)水稻種植。廣西公司加工使用的陳化水稻有9.7%來自廣西桂林地區(qū)。由于桂林市屬于喀斯特地貌，耕地基本上以丘陵為主，地勢高低起伏有落差。因此，無法采用大面積種植、機械化作業(yè)，只能采用一些小型化機械，同時結合以勞動力為主的方式進行耕種，所以廣西桂林的水稻生產(chǎn)能耗較高，達到了9 650 MJ/t水稻。在今后的水稻種植過程中應該盡量減少化肥的使用，這不僅能減少對環(huán)境所產(chǎn)生的影響，而且也能減少礦產(chǎn)資源消耗、節(jié)約成本。在條件許可的情況下盡可能地使用有機肥，使土壤肥力保持在一定程度，更有利于水稻的生長。

2)副產(chǎn)物利用。燃料乙醇的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生種類繁多的副產(chǎn)物。如對這些副產(chǎn)物不加以回收利用，不僅會浪費資源、加大能耗，而且會造成環(huán)境污染。因此，在陳化水稻生產(chǎn)燃料乙醇的過程中，必須對生產(chǎn)中的副產(chǎn)品進行回收，對廢液進行綜合處理與利用，變廢為寶，降低能耗，減少環(huán)境污染。廣西公司水稻DDGS和沼氣直接燃燒提供的能量產(chǎn)出達 17.68 MJ/L，約占能量輸出值(38.86 MJ/L)的45.5%，可見改善水稻燃料乙醇原料的綜合利用是提高能源利用效率的重要措施。

3)蒸餾汽耗。根據(jù)凈能量分析結果，得知蒸汽消耗(10.83 MJ/L)占乙醇轉化環(huán)節(jié)能耗(12.02 MJ/L)的90.1%，占整個生命周期的能量輸入(26.87 MJ/L)的40.28%。而蒸餾消耗的蒸汽(3.03 t/t)占乙醇轉化環(huán)節(jié)蒸汽消耗(3.64 t/t)的83.24%。可見精餾汽耗能在整個生命周期內(nèi)具有舉足輕重的比例，使得蒸餾節(jié)能改造進而降低能耗尤為重要。由于水稻稻殼的粗纖維及灰分比較多，容易出現(xiàn)稻殼結團、沉降、堵塞管口、加劇換熱器及輸送設備磨損等現(xiàn)象，還需加強技術升級，增強前工序除沙管理，對管道易磨損部位補強或更換其他材質，逐步調(diào)整流速比，使之適合水稻生產(chǎn)燃料乙醇。

為了優(yōu)化發(fā)酵工藝流程，降低能耗，提高原料利用率。直接采用水稻生料發(fā)酵技術和二代纖維素乙醇技術將成為未來的主要研究方向，此工藝可以省去糊化和液化工藝能耗，可以節(jié)約10%～25%的能耗，并減少傳統(tǒng)高溫蒸煮的糖分損失。再結合二代乙醇技術添加纖維素酶為主的復配酶來水解纖維素和半纖維素等碳水化合物，使之充分轉化成為可發(fā)酵性的糖，從而大幅度提高糖醇轉化率，提高6%～10%乙醇產(chǎn)出率。

3 結論

建立了廣西公司陳化水稻燃料乙醇凈能量分析模型。該模型考慮了陳化水稻在生產(chǎn)、運輸、加工轉化、成品運輸以及燃料乙醇能量轉化等各個環(huán)節(jié)能量輸入與輸出情況，針對各個環(huán)節(jié)進行了能量定量分析。其中陳化水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗為13.15 MJ/L(以1 L乙醇計)，陳化水稻的運輸環(huán)節(jié)能量消耗為1.44 MJ/L，乙醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)能量消耗為12.02 MJ/L，加上燃料乙醇以及副產(chǎn)物運輸，總能量輸入為26.87 MJ/L。但是燃料乙醇的燃燒熱能及副產(chǎn)品的替代能量之和卻達到了38.86 MJ/L，其凈能量為11.99 MJ/L。

展望未來國際生物乙醇技術市場，水稻作為全球主要種植的三大谷物之一，采用水稻發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇技術潛在需求較大。中糧廣西公司憑借自有的成套全水稻燃料乙醇技術已具備了國際競爭力，可以在全套水稻燃料乙醇裝備技術出口方面發(fā)揮重要作用。