燃料乙醇生产过程节能技术

燃料乙醇生产过程节能技术

许文晶

国投生物能源(鸡东）有限公司，黑龙江 鸡西 158100

摘要：当下燃料乙醇在生产过程中依然会存在能耗高、消耗高等问题，导致乙醇行业可持续发展目标难以实现。因此在当下燃料乙醇生产过程中需要注重使用节能技术手段，有效控制乙醇行业生产期间的能耗量，提升燃料乙醇生产利用率，实现绿色生产目标。针对此，本文首先根据燃料乙醇的生产流程，分析燃料乙醇生产环节的能量效益，提出燃料乙醇生产过程中的节能技术，以供参考。

关键词：燃料乙醇；生产；节能技术

前言：现阶段生物质能源在我国能源总体系中占有重要地位，但生物质能生产环节也具有高排放、高污染与高能耗特征。我国具有十分丰富的生物质能，生物质资源的能源转化潜力巨大。通过在燃料乙醇生产过程中使用节能技术手段，能够从根本上优化燃料乙醇生产工艺流程，不断优化燃料乙醇精馏过程，从根本上提升燃料乙醇生产期间的资源利用率。

1、燃料乙醇生产现状

将95％的酒精经分子筛进一步脱水制成燃料乙醇，按照一定比例加入汽油或柴油可以制成为变性燃烧乙醇。燃烧乙醇是节约石化能源的重要产品，能够有效控制汽车运行期间的能源消耗量[1]。根据发达国家发展计划，燃料乙醇产量能够以每年5%~10%的速度增长，对保障国家能源安全，增加农业收入以及提供更多就业机会意义重大。

预计到2030年，燃烧乙醇消耗量将相当于汽油的10%~20%。目前生物燃料乙醇的生产国及消费国为美国及巴西。随着燃烧乙醇产能及应用范围不断扩大，我国国际市场竞争力也将进一步提升。生物能源的主要原料为可再生天然植物及副产品，如淀粉类植物、糖类作物、油脂作物等。当下生物质能的发展方向为高效清洁利用。

由于我国具有丰富的生物质能源，新能源供给与利用面临着重大产业发展机遇，通过及时建立新能源科技创新平台，推动新能源产业技术进步，能够切实提升新能源产业竞争能力，为社会与经济可持续发展提供重要能源保障[2]。因国际市场原油价格剧烈波动，各国均加大新能源发展力度，如推出了各项激励政策，促进新能源产业发展。

从燃烧乙醇角度分析，燃烧乙醇产业也是一个将生物能向化学能转换的过程，转换效率可直接影响到污染物产量以及企业生存空间。当下生物能产业的各项技术指标与预期目标相比依然存在较大差距，需要在推动燃烧乙醇产业发展过程中，配合使用先进的节能减排技术手段。反应产物分离设备可受到产品、能耗量以及排放量等一系列因素影响，因此在能源消耗最高的生物质产品分离环节，还需要优化生产流程，注重关注精馏环节的节能减排工作，将燃烧乙醇精馏环节的能耗量以及废物排放量控制在最小范围内。

2、燃烧乙醇生产技术

生物燃料乙醇主要是通过发酵产生，利用酵母微生物发酵作用使糖分以及淀粉被转化为乙醇及二氧化碳，并将纤维类水解成单糖后发酵产生乙醇。用于发酵制取乙醇的燃料主要包括糖质、淀粉质及纤维素[3]。其中，淀粉质与纤维素都需要通过水解生产出可发酵性糖，依照发酵物体存在状态又可划分为固体发酵、半固体发酵与液体发酵。依据发酵醪注入发酵箱的方式，又可分为间歇式发酵、半连续式发酵与连续式发酵三种类型。

使用糖质原料制取乙醇，就是使用甘蔗、高甜秆为原料，借助物理方式与处理，并采用发酵蒸馏的方式生产出燃料乙醇。淀粉质原料制取乙醇，需要使用玉米、木薯以及甘薯等含含量更高的农作物作为原料，通过一系列的粉碎、蒸煮以及糖化作用产生出可发酵糖，经过酵母的发酵作用处理，生产出燃烧乙醇。纤维素原料制取乙醇需要使用秸秆，配合使用物理及化学相结合的方式，将秸秆内部的纤维素以及半纤维素单糖降解成单糖物质，然后经过发酵及蒸馏生产出燃料乙醇。

现阶段我国燃烧乙醇主要采用淀粉类原料发酵方式，工业化水平进一步提升。并且自主开发出的固体、液体发酵技术，切实提升了高粱、木薯等淀粉类农作物利用率。就目前来看，在淀粉类发酵工作开展过程中依然存在发酵菌种培育效果不佳、关键工艺以及配套设备的优化难度较大等问题。

在纤维素生物转化利用过程中，应当以木质纤维素分子对生物转化的抗性问题为研究方向，从根本上提升多糖降解可发酵糖水平[4]。通过使用生物代谢工程、基因工程，切实保障发酵产物分离期间的高效性及便捷性。

使用甜高粱、木薯以及甘薯等低糖类、淀粉作为原料生产乙醇，具有单位面积产量高、生产成本低，石化能源代替性良好等优势。根据“不与地争粮，不与粮征地”的政策导向，现阶段燃烧乙醇生产工艺发展过程中还需要加大关于纤维素乙醇生产工艺的研究力度，实现纤维素原料中远期商业化目标。

3、燃烧乙醇生产能量效益

燃烧乙醇生产效益主要就是指燃烧乙醇系统运行期间的能量产出量及消耗量的差值,对实现燃烧已成生产期间的节能目标意义重大。在生物质燃烧乙醇生产过程中需要结合生物质以及能量输出值计算出能量效益。如果生产能耗数值的获取难度较大，还可以使用先进的过程模拟软件评估生产全过程的能源消耗量。

现阶段美国能源部门开发出了以木质纤维素生物质生产燃烧乙醇为主的模拟模型，能够对模拟乙醇生产期间的稀酸水解与处理、同步糖化发酵以及纤维素酶生产进行能量效益计算。燃烧乙醇能量效应模型中还包括温度、能量、转化率及材料等参数，可以根据原料的组成以及进料量模拟计算出生产环节的各单元操作能耗量以及产量值，评估燃烧乙醇生产期间能源效率。

4、燃烧乙醇生产工艺中的节能减排技术应用

本文以木薯作为生产原料生产燃烧乙醇为例，木薯中的淀粉含量高达32%，经过液化、蒸煮处理后能够使淀粉糊化。在液化酶以及糖化酶的作用下能够转化为可发酵性糖以及均一的糖化醪，加入酒精酵母进行发酵，将酵母将葡萄糖代谢成乙醇。乙醇经过脱水处理后的含量可达到99.5%，为实现生产环节中的节能减排目标，需要在不改动现有设备的情况下提高设备利用水平，减少生产成本、生产人力以及能耗量，进一步缩减发酵周期。根据实际计算发现蒸馏期间的酒精浓度在7%的情况下能耗量最大，通过将发酵糟酒精浓度提高4%可减少30%的清流能耗量，因此需要将当前研究重点放置在精馏过程的模拟以及高密度发酵等方面。

在乙醇精馏模拟及优化过程中，由于精馏环节的大流量物流再循环与精馏环节的热流程较为复杂，生产期间需要不同人工共同操作并实现连续生产要求。通过配合使用模拟软件可以对高纯度酒精的精馏过程进行动态模拟计算，通过分析生产环节的劳动响应以及控制情况，能够改进生产流程的控制结构。

总结：总而言之，随着我国能源结构发生巨大转变，在燃料乙醇生产过程中也需要开展大规模的生物质节能推广试验，减少能源对外依存度。与发达国家相比，我国的燃料乙醇生产环节依然存在蒸汽消耗量大、废物排放多、生产成本高的问题，需要在燃料乙醇蒸馏过程中进行模拟优化以及高精密度发酵技术的研究工作，为实现燃料乙醇行业可持续发展目标奠定坚实技术基础。

参考文献：

[1]赵海越,修奥瑞,雷昭,刘祥春.玉米基燃料乙醇工艺节能减排系统集成设计[J].安徽化工,2022,48(02):85-88.

[2]周锦怡,武国庆,佟毅,李义,武丽达,隋淼.燃料乙醇生产过程节能技术[J].当代化工,2022,51(03):744-747+756.

[3]张疏萍. 纤维素制燃料乙醇精馏系统的模拟优化与节能研究[D].北京化工大学,2021.DOI:10.26939/d.cnki.gbhgu.2021.001414.

[4]张继生, 燃料乙醇节能蒸馏工艺技术和装置. 山东省,肥城金塔酒精化工设备有限公司,2019-11-20.