|
廖興華，夏延斌，周傳云
(湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，長沙410128)
摘要：闡述了燃料酒精在國內(nèi)外發(fā)展進程，分析了燃料酒精快速發(fā)展的原因。并介紹了目前燃料酒精生產(chǎn)中需要解決的問題及對策。
0引言
由于石油、煤炭等礦物燃料的使用增加大氣中二氧化碳的含量，引發(fā)所謂溫室效應(yīng)，成為眾所周知的嚴重的環(huán)境問題。因此為解決傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)境問題，保證經(jīng)濟以可持續(xù)的方式發(fā)展，世界上許多國家都在積極研究和開發(fā)新的能源，以減少礦物燃料的用量，從而減少溫室氣體在大氣中的積累量，有效緩解溫室效應(yīng)。特別是自20世紀60年代第一次能源危機以后，許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家即根據(jù)各國具體資源情況著手燃料酒精的開發(fā)和應(yīng)用[1]。
1國內(nèi)外生物燃料酒精發(fā)展慨況
1.1國外生物燃料酒精發(fā)展慨況
1.1.1巴西生物燃料酒精發(fā)展慨況
巴西是世界上燃料酒精發(fā)展先驅(qū)，它在世界上第一個推出國家燃料酒精計劃，并第一個大規(guī)模生產(chǎn)酒精動力汽車。巴西政府為了保持蔗糖的市場平衡，當蔗糖價格過低時，加大酒精產(chǎn)量，以保持甘蔗生產(chǎn)的穩(wěn)定和均衡。同時，為了實現(xiàn)能源自給，巴西政府于1974年在全國推行了《燃料酒精計劃》[1]。上世經(jīng)80年代政府給予燃料酒精生產(chǎn)和酒精燃料汽車以很多優(yōu)惠政策，酒精及特種汽車的生產(chǎn)上升很快。但到上世紀90年代，政府發(fā)現(xiàn)硬性地把純酒精作為汽油的替代品，已經(jīng)成為政府及酒精工業(yè)界的沉重負擔。據(jù)當時統(tǒng)計：巴西政府每年補貼大約15億里拉爾(1里拉爾=0.52美元)[1]。由于酒精工業(yè)的高度計劃性和政府的大量補貼，造成酒精價格居高不下，產(chǎn)品積壓。1997/1998年度普通酒精積壓18億立升[1]。為解決這些問題，政府出面采購緩解酒精積壓并打擊非官方銷售渠道來規(guī)范酒精的市場。政府首先規(guī)定1997年5月1日起無水酒精的銷售價格必需低于410里拉爾/千升(66美元/噸)[1]；普通酒精在一年后執(zhí)行此價格。
巴西的酒精以糖蜜或甘蔗汁為原料，產(chǎn)品分為普通酒精(含水5%)和無水酒精兩種[1]。普通酒精可以單獨作為汽車燃料，但是需要特別設(shè)計的發(fā)動機。無水酒精則作為添加劑加到汽油中，最高混人量可達24%，而不用改變目前發(fā)動機和汽化器的結(jié)構(gòu)[1]。目前巴西的酒精產(chǎn)品中普通酒精占2/3，無水酒精占1/3，全巴西每年消耗160億升A級汽油，115億升酒精(包括含水酒精或無水酒精)，在加油站零售中，巴西已經(jīng)形成完整的燃料酒精供應(yīng)系統(tǒng)，酒精和汽油都通過管道輸送與鐵路、公路相連接，供應(yīng)31979個加油站[2]。目前，巴西全國使用乙醇汽油(汽油中添加一定比例的無水酒精)的汽車有1550萬輛，完全用含水酒精作燃料的酒精汽車達220萬輛[2]。巴西已成為世界上唯一不供應(yīng)純汽油的國家，也是世界上使用以酒精為汽車燃料最為成功的國家之一。
1.1.2美國生物燃料酒精乙醇發(fā)展慨況
美國燃料酒精發(fā)展比較晚，主要以玉米為原料。美國政府發(fā)展燃料酒精主要是為了解決對于進口石油的依賴，減少空氣污染，提高農(nóng)民的收人。美國生物燃料酒精工業(yè)近年來得到發(fā)展，其中一個重要的政策基礎(chǔ)是淘汰甲基叔丁基醚(MTBE，一種汽油抗爆成份，污染地下水)，美國已有18個州禁止使用MTBE，生物燃料酒精理所當然成為最環(huán)保的替代品[2]。1998年克林頓政府簽署了“21世紀交通效率法案”，明確了到2007年燃料酒精的免稅額度[1]。1991年以來ElO(含酒精10%的汽油)的免稅額為5.4美分/加侖，相當于54美分/加侖酒精(178美元/噸酒精)[1]。根據(jù)1998年克林頓政府簽署的最新法律規(guī)定2001年為53美分，2003年52分，2005年51美分[1]。
另一個市場因素是石油價格暴漲，世界原油價格今年每桶最高達到了70.85美元[3]，添加生物燃料酒精的經(jīng)濟及社會意義日益顯著。2004年，美國生物燃料酒精產(chǎn)量達到了34億加侖，比2003年的28.1億加侖增加了21%[3]。到2005年底，生物燃料酒精產(chǎn)量將達到40億加侖，增漲勢頭非常強勁。
2005年，美國通過了能源安全法案，這部法令為生物燃料酒精工業(yè)進一步發(fā)展提供了更為廣闊的空間[3]。
美國是世界上最大的以谷物為原料生產(chǎn)生物燃料酒精的國家，2004年，美國生產(chǎn)乙醇消耗了3200萬噸玉米，占產(chǎn)量的11%[3]。目前，美國百分之九十以上的生物燃料酒精生產(chǎn)廠位于玉米產(chǎn)地，近一半企業(yè)屬于農(nóng)民合作社，2005年內(nèi)正新建的20多家企業(yè)也是由農(nóng)民和當?shù)仄渌Y本投資的[3]。有人這樣來描述美國生物燃料酒精工業(yè)發(fā)展過程，年產(chǎn)量突破10億加侖用了十年時間，突破20億加侖又用了十年時間，而突破30億加侖只用了兩年時間[3]。
2005年8月，美國總統(tǒng)布什簽署了新的能源安全法案，其中有關(guān)再生能源標準(RFS)的政策要求，機動車燃料必需使用一定比例的再生能源，這將使生物燃料酒精的年需求量大幅增長。預(yù)計到2012年，每年至少消耗75億加侖生物燃料酒精，是目前產(chǎn)量的2倍[3]。這個標準對美國生物燃料酒精乙醇工業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠的影響，也會吸引大量資金投入到農(nóng)產(chǎn)品深加工，創(chuàng)造約20萬個就業(yè)機會[3]。從2005年至2012年，再生能源標準將促使美國對生物燃料酒精新增擴大生產(chǎn)投資近60億美元；用于原料和勞動力投資700億美元，其中430億美元用于購買玉米[3]。另外，再生能源標準對美國能源平衡也會產(chǎn)生積極影響，到2012年，由于生物燃料酒精的使用，可以使美國少進口21.3億桶的原油，減少641億美元的外匯支出[3]。使美國原油進口的依存度從67.4%下降至62.3%[3]。
1.1.3歐盟各國生物燃料酒精發(fā)展慨況
歐盟每年約生產(chǎn)176萬噸酒精1997年只有5.6%用于燃料[1]。1994年歐盟通過決議，給予生物燃料酒精的中試工廠以免稅。并在2010年使燃料酒精的比例達到12%[1]。因此一些后續(xù)的國家如荷蘭、瑞典和西班牙也出臺了生物能源計劃。
法國：法國年產(chǎn)酒精60萬噸，在歐盟國家內(nèi)名列第一，并在燃料酒精計劃上取得了最大的進展[1]。早在1987年法國通過法律要求特種汽油中加入3%~15%的生物燃料(3%酒精或15%的ElBE)[1]。在五年后的1992年政府同意免除汽油醇的消費稅。1996年法國議會通過了在2000年強制使用含醇復(fù)配汽油的法案。法國農(nóng)業(yè)組織希望在汽油中加人2%的酒精，如果實現(xiàn)的話，則燃料酒精的產(chǎn)量將從目前的10萬噸提高到40萬噸/年[1]。法國的酒精生產(chǎn)主要原料是甜菜，約占總產(chǎn)量的50%。法國有7家酒精廠，16個糖廠附屬車間和1個大的合成酒精廠。
德國：德國是歐盟第二大酒精生產(chǎn)國，年產(chǎn)酒精31.2萬噸。德國主要為合成酒精，約占總產(chǎn)量的2/3。發(fā)酵法生產(chǎn)10～14萬噸，其中谷物40%，馬鈴薯占35%[1]。
英國：英國在歐盟中名列第三。年產(chǎn)達4.3億立升。其中97%是由BritishPetmlemn一家公司生產(chǎn)的合成酒精[1]。
意大利、西班牙：這兩個國家的酒精年產(chǎn)量在14.4～28萬噸中間波動[1]。產(chǎn)量波動如此巨大的原因是根據(jù)歐盟葡萄酒發(fā)展戰(zhàn)略的要求。每年多余的葡萄酒要蒸餾成酒精，作為食用酒精向第三國出口，以保證葡萄酒工業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)在歐盟正在試圖減少葡萄酒的生產(chǎn)，來降低這種高成本的酒精產(chǎn)量[1]。
1.1.4其它國家生物燃料酒精發(fā)展慨況
獨聯(lián)體：獨聯(lián)體年產(chǎn)酒精25億立升(約200萬噸)以谷物、水果、乳清、葡萄酒和糖蜜為原料其中60%供飲用[1]。獨聯(lián)體在解體之前酒精工業(yè)的稅收占總稅收的30%隨著政治體制的改革，酒精工業(yè)一度陷入混亂，私酒盛行。1996的國營酒廠的開工率不足30%，稅收也降到了2%。1997年盡管政府采取了嚴厲措施，酒精的生產(chǎn)仍下降4%[1]。因此1998年11月1日獨聯(lián)體政府對酒精的生產(chǎn)實行專控，產(chǎn)品實行專賣，并考慮停止進口。因此酒精的生產(chǎn)量有所提高，私酒的生產(chǎn)得到抑制[1]。
加拿大：加拿大每年產(chǎn)酒精4.5萬噸其中30%用于燃料。
其它主要用于香水、化妝品和外用藥等[1]。
印度：印度是僅次于中國的亞洲第二大酒精生產(chǎn)國。設(shè)計的生產(chǎn)能力約為200萬噸，實際開工率為50%左右[1]。主要原料糖蜜每年用量為500萬噸。印度的酒精50%用于著名的印度香料和各種有機合成。政府對不同用途的酒精課以不同的稅率[1]。政府一度停止食用酒精的生產(chǎn)，導(dǎo)致了酒精產(chǎn)量的下滑。盡管印度的糖蜜資源不夠，但是印度政府還是準備效法巴西推出“酒精汽油計劃”[1]。
日本和韓國：日本和韓國是亞洲最大的酒精進口國。日本每年從美國、巴西、泰國和中國進口14～17萬噸的酒精[1]。
1.2國內(nèi)生物燃料酒精發(fā)展慨況
中國是亞洲第一大酒精生產(chǎn)國，使用酒精替代汽油也有很久的歷史，最初始于20世紀30、40年代，抗戰(zhàn)期間因日軍封鎖，汽油奇缺，軍用民用燃料多求助于酒精，建國初期至五十年代末曾有所發(fā)展，后因大慶油田開發(fā)成功，緩解了汽油的供應(yīng)危機，燃料酒精的應(yīng)用終止[2]。直到1993年中國成為石油凈進口國，且隨著中國加入WTO，油價與國際市場接軌，從1994年4月至今，國際市場原油價格平均上漲幅度達180%，隨著中國能源消費量的不斷增長，不得不重新考慮利用可再生的生物燃料[4]。中國科學院、清華大學、北京大學、無錫輕工業(yè)大學、第二汽車制造廠、第一汽車制造廠等單位對加醇汽油的使用及其對環(huán)境的影響，做過大量的試驗研究，直到2001年9月國務(wù)院正式批準了在國內(nèi)發(fā)展燃料酒精試點，并于2001年在長春、洛陽、鄭州等地啟動燃料酒精試點工作。
目前，我國將燃料酒精開發(fā)列為國策。我國制定的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十五”計劃綱要》中指出，開發(fā)燃料酒精等石油替代產(chǎn)品，采取措施節(jié)約石油資源。“十五”期間國家改造和新建一些規(guī)模大，設(shè)備先進燃料酒精生產(chǎn)項目，包括[4]：吉林燃料酒精有限責任公司(30萬噸/年)(一期)、河南天冠集團(30萬噸/年)、安徽豐原生物化學股份有限公司(32萬噸/年)和黑龍江華潤酒精有限公司(10萬噸/年)[4]。2003年11月18日零點，吉林省全境200多座加油站，停止銷售普通汽油，取而代之的是清潔環(huán)保車用酒精汽油[4]。2005年年底吉林燃料酒精有限責任公司60萬噸/年工程建設(shè)全部完工，當年我國燃料酒精將達到132萬噸/年生產(chǎn)量[4]。目前，我國多家企業(yè)和研究機構(gòu)在開發(fā)纖維素乙醇方面也取得了可喜進展。近幾年，天冠集團先后與山東大學、清華大學、華中科技大學、浙江大學、河南農(nóng)業(yè)大學等院校進行交流合作，擁有了多項利用秸稈生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵技術(shù)[4]。2006年8月中國中央電視臺報道，河南天冠集團利用玉米和小麥秸桿生產(chǎn)燃料酒精達到了每6t秸桿生產(chǎn)1t燃料酒精的目前全球最高記錄，其年產(chǎn)3000噸的纖維乙醇項目已于8月底在鎮(zhèn)平縣奠基，這是國內(nèi)首條千噸級纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化試驗生產(chǎn)線。2006年10月中國政府決定在安徽豐原建立研發(fā)秸桿燃料酒精國家級實驗室。同時，秸桿燃料酒精的研發(fā)已列為了國家重大科技專項，許多科研院所已投入到秸桿燃料酒精的研發(fā)工作中。
2燃料酒精研究方向
燃料酒精的價格比汽油貴約1000元/t，且傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)方法對環(huán)境的污染都較大。因此如何采用高科技技術(shù)以降低生產(chǎn)成本、減少生產(chǎn)過程中對環(huán)境的污染是今后燃料酒精的研究方向。目前許多國家已致力于這方面的研究，并取得不少進展。
2.1改進原有技術(shù)，降低成本，減少污染
酒精產(chǎn)品是微利產(chǎn)品，降低公用工程消耗是降低成本、提高效益的重要措施。而通過采用熱耦合精餾技術(shù)，通過調(diào)整各蒸餾塔的操作條件，盡可能最大地利用各流股之潛在熱能的多效利用，從而最大程度地降低了精餾過程中的蒸汽及冷卻水耗量是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。
2.2尋找廉價原料，研究新生產(chǎn)工藝
目前，全球生產(chǎn)酒精的原料中：谷物及淀粉類占33%，蔗糖及甜菜占60%，合成酒精占7%[6]。但是，糧食是人類賴以生存的重要戰(zhàn)略資源，面對世界和我國人口的急劇膨脹和總體上的糧食短缺，用糧食生產(chǎn)乙醇的發(fā)展規(guī)模將受到限制。近年來，直接生物轉(zhuǎn)化植物纖維素特別是秸桿纖維素生成乙醇的工藝因其原料來源廣，不與人爭糧，不與人爭地而引起了人們的濃厚興趣，被認為具有良好的發(fā)展前景，并引起了各國政府的關(guān)注。
美國以纖維素制乙醇的技術(shù)開發(fā)較早。美國能源部1999年提出計劃，到2015年把燃料乙醇的成本降低36%，并擬定了開發(fā)方向[5]：研發(fā)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使產(chǎn)纖維素酶酵母的活性比現(xiàn)有水平提高10倍以上；完善同步糖化發(fā)酵法(SSF)和并行糖化共發(fā)酵法(SSCF，即糖化和五碳糖、六碳糖共發(fā)酵)的技術(shù)；選育纖維素直接發(fā)酵菌菌種，用以開發(fā)直接發(fā)酵法(DMC)[5]。1999年，美國可再生能源研究所和有關(guān)開發(fā)企業(yè)的關(guān)鍵的發(fā)酵技術(shù)已達到相當高的水平，但尚存在一些問題。當時，用玉米秸桿降解的糖化液中糖的濃度可達12%～20%[5]。發(fā)酵液中乙醇的濃度可達6%～10%，其中用酵母對糖蜜發(fā)酵，間歇式工藝所產(chǎn)的乙醇的濃度為12%～13%，而連續(xù)式工藝僅8%～11%[5]。美國政府曾規(guī)劃在2001～2003年期間利用稻殼、甘蔗渣、生活有機垃圾、林業(yè)廢物等以纖維素為主的生物質(zhì)為原料，建設(shè)6個年產(chǎn)50000～76000KL的燃料乙醇工廠[5]。但以纖維素制乙醇的工業(yè)規(guī)模技術(shù)一直未達到成熟，而以玉米生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)已充分成熟、原料充裕，增產(chǎn)較容易，故美國有關(guān)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝研發(fā)有所停頓[5]。
日本政府積極促進秸桿纖維素制乙醇技術(shù)的發(fā)展，通過新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDC)委托[5]，以日本酒精協(xié)會為主的各有關(guān)企業(yè)進行為期5年的開發(fā)，經(jīng)費全部由政府補助，采取以企業(yè)為主，有關(guān)大學積極參與的方針，日本建立了較完善的與秸桿纖維素燃料乙醇相關(guān)的研發(fā)體系[5]：日本酒精協(xié)會負責項目的綜合調(diào)整和工藝系統(tǒng)的最優(yōu)化研究；日揮公司負責前處理糖化和發(fā)酵技術(shù)開發(fā)，其中有關(guān)發(fā)酵技術(shù)和纖維素酶育種委托大阪府大學、長岡科技大學、京都大學、神戶大學工學院、熊本大學工學院和鳥取大學等大學進行專題研究；關(guān)西油漆公司進行凝集性酵母滴蟲的技術(shù)開發(fā)[5]；NRI公司開發(fā)乙醇膜脫水技術(shù)，由靜岡大學評價脫水膜的特性；由德國產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所進行發(fā)酵液中乙醇的膜分離技術(shù)的開發(fā)[5]。
3結(jié)束語
綜上所述，由于燃料酒精的應(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)菌株的獲取越來越簡單，發(fā)酵工藝也得到不斷改進，這些都為燃料酒精的大規(guī)模生產(chǎn)提供了技術(shù)保證。隨著燃料酒精的研究領(lǐng)域和應(yīng)用范圍不斷擴展，燃料酒精在可再生燃料市場中將占主要地位。
[參考文獻]
[1]黃宇彤，杜連祥，趙繼湘.世界燃料酒精工業(yè)形勢[J]，釀酒，2001.05：24-26
[2]高壽清.燃料酒精發(fā)展的國際情況與分析[J]，食品與發(fā)酵.，200l，12：59-62。
[3]王正友.美國生物燃料乙醇生產(chǎn)近況[J]，糧油食品科技.2006，14，1-62
[4]張緒霞，董海洲，侯漢學.劉傳富燃料酒精制備及其開發(fā)前景[J]糧食與油脂，2006，2：7-9
[5]李盛賢，賈樹彪，顧立文.利用纖維素原料生產(chǎn)燃料酒精的研究進展[J]釀酒，2005，03：32-2
[6]黃宇彤，杜連祥，趙繼湘.世界燃料酒精生產(chǎn)形勢[J]釀酒2001，9：28-5
[7]黃忠承.我國開發(fā)燃料酒精的綜合效益分析[J]，節(jié)能，2001.12：3-7
[8]L_R.Lynd等，裘建強譯，庚辰校，美國用纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)酒精燃料的現(xiàn)狀和展望[M]，新能源，1992，14(7)，26-27.
[9]蘇毅譯.巴西的無水酒精生產(chǎn)[J]，廣西輕工業(yè)，1994，03：45-48
[10]呂欣，毛忠貴，集成化玉米燃料酒精生產(chǎn)[J]，糧食與油脂，2002，12：27-28
[11]黃宇彤，杜連祥，趙繼湘.世界燃料酒精工業(yè)形勢[J]，釀酒，2001.05：24-26
[12]黃宇彤，杜連祥.美國的燃料酒精工業(yè)[J]，釀酒科技，2001，(5)：99-10l
[13]葉振華.國外燃料酒精和淀粉加工產(chǎn)品的生產(chǎn)和發(fā)展[J]，廣西輕工業(yè)2002，03：8一12 |
