1、年产1万吨秸秆乙醇项目建议书年产1万吨秸秆乙醇生产线建设项目建议书项目编制单位：项目申报单位：二0一四年七月一、项目概述1二、技术的可行性分析31、秸杆燃料乙醇生产技术现状32、生产技术概述6（1）原料7（2）预处理7（3）纤维素酶及酶水解9（4）发酵10（5）蒸馏、脱水和变性11（6）污水处理11三、我场秸杆资源分析12四、项目建设的技术方案14五、项目的经济分析16六、存在的问题19七、项目建议20主要参考文献23农作物秸秆生产燃料乙醇项目一、项目概述能源是人类生存和发展的基本需求。随着社会经济的持续高速发展,用以支撑社会进步的一次能源4 v- . r$ k4 v; d* h4 O的代表石
2、油,已成为现代文明赖以生存的“血液”。然而,地球上的一次能源是有限的、不可再生的,并且已呈逐渐枯竭之势。据联合国能源组织多次评估,再过50年左右,地球上的石油储量大工业化开采将趋结束。能源短缺已是现代社会面临的一个重大问题。为了寻求替代能源,几十年来,人们做出了不懈: t2 g 6 f- : 4 S& k努力,通过大量的研究、对比和实践,来寻找可方便制取、使用的可再生能源。近些年来,世界将目光集中 ( if+ c4 w2 H到生物燃料乙醇上来。我国对生物燃料乙醇发展特别谨慎。在2008年6月召开的全球粮食安全高级别会议上,我国表示：将0 o+ y5 A, J坚持走有中国特色的生物能源发展道路,
3、坚持“不与人争粮、不与粮争地”的原则,严格控制用玉米、油料等粮油产品生产生物燃料,坚持充分利用秸秆、畜禽粪便等农业农村废弃物发展生物质能源。农村废弃物如稻草、玉米秸秆、麦秸、蔗渣及森林工业副产品等具有来源丰富，品种多，再生时间短等优点。目前没有得到充分利用，而且常常造成环境污染。据统计，全世界每年可生产生物质2200108t，相当于目前世界能源消耗的810倍。我国纤维素类可再生资源非常丰富，仅农作物的秸秆就有7108 t。因此，如何成功地开发这一资源作为液体燃料，已成为世界各国普遍重视的研究课题。乙醇是来自可再生资源的最有发展前景的液体燃料，但目前生物法生产的乙醇还主要来自糖类和淀粉发酵，面对
4、世界人口的急剧膨胀和粮食短缺，用粮食生产酒精的发展将受到限制。近年来，利用生物技术转化农业废弃物秸杆中的纤维素生成酒精的工艺因其具有循环经济和低碳经济（作物的光合作用取碳于大气，而作为燃料则把碳放回大气，实际是“无碳经济”）的特征，以及不与粮争地和变废为宝的特点，而引起了人们的浓厚兴趣，被认为具有良好的发展前景。燃料乙醇的使用，可减少原油的消耗，保护宝贵的不可再生资源，可以显著提高汽油的辛烷值，防止发动机爆震，减少运输设备的损耗，可以减少汽车尾气中C02、CO、S02等对环境的污染，尤其可大量减少臭氧排放量，保护地球大气环境。因此，这项技术也更符合我国的国情。事实上，自20世纪60年代第一次能
5、源危机以后，许多发达国家和部分发展中国家即根据各国具体资源情况着手燃料乙醇的开发，如美国以玉米为主，而巴西、印度等以糖蜜为主，在美国每年生产的燃料乙醇在500万吨以上。在巴西，汽车所需燃料的43%以上已使用燃料乙醇。燃料乙醇的使用不仅减少了该国对进口石油的依赖，还为该国创造500万人的就业机会。在我国，燃料乙醇的生产与使用问题已提出多年，引起了党中央和国务院的高度重视，明确要求加快燃料乙醇产业的发展。秸杆燃料乙醇以玉米、水稻等农作物秸杆为原料，经预处理、水解、发酵、蒸馏和脱水等工艺而制成。乙醇脱水后得到无水乙醇(99.5%V/V)，它是一种高热值燃料，每千克发热能2.97x104kj。无水乙醇
6、添加适量变性剂后形成变性燃料乙醇，再把变性燃料乙醇和汽油以一定的比例混配形成车用乙醇汽油(将乙醇按10%15%的比例加入汽油中作为燃料，现有发动机不经过任何改装即可正常运行)。农作物秸秆燃料乙醇的生产与使用，对我国农业发展有其重要的作用。我国是农业大国，农作物秸秆产量约为7亿吨年，居世界首位。农作物秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，是一种宝贵的可再生资源。目前，我国秸秆的主要用途是造纸、饲料、农村生活能源，还有一部分用来还田造肥，另有约15.6%的秸秆被废弃或焚烧。利用农作物秸秆生产燃料乙醇，既能解决原料问题，又能变废为宝，增加农民收入。我场秸杆资料更加丰富，除少部分还田和做为生活燃料
7、外，大部分焚烧了，造成了环境的污染和资源的浪费。二、技术的可行性分析1、秸杆燃料乙醇生产技术现状成熟的技术是实现工业产业化的前提。以秸杆为原料生产乙醇是国内外十分关注的课题。国内以农林废弃物为原料制备燃料乙醇的研究单位很多，并取得了可喜的成果。中科院过程所开发了秸秆酶解发酵燃料乙醇新技术，在不加酸碱的秸秆汽爆处理技术、秸秆固相酶解发酵0 s c1 m2 a5 V1 L5 Q- g( R8气提分离乙醇耦合体系和纤维素酶固态发酵系统等方面取得了多项自主知识产权，并完成了3000t/a秸秆发酵生产燃料乙醇的中试。厦门大学通过化学诱变和物理诱变方法，对灰绿曲霉等分解菌株进行突变，获得高活力的突变株，其
8、活性比出发菌株高50%，筛选的酵母菌株用于秸秆制乙醇转化率大于10%。利用灰绿曲霉对甘蔗渣、稻草秸秆进行分解，蔗糖的转化率可达40%，稻草秸秆的转化率达45%。0 t( & R2 F4 ( g$ 河南天冠集团与山东大学、浙江大学等合作，攻克了利用秸秆为原料制备乙醇的关键技术，使原料转化率超过了18%，完成了300t/a的中试。山东大学开发了从原料玉米芯生产低聚木糖、木糖醇的技术，以废渣为原料的乙醇收率高达20%以上，已完成了3000t/a中试。 华东理工大学完成了600t/a以秸秆为原料生产燃料乙醇的中试。清华大学也完成了以秸秆为原料制备燃料乙醇的中试。# P0 k9 v7 W) z) f2此
9、外，中国农林科学院麻类研究所和陕西师范大学合作开展麻类纤维素预处理、糖化液酵解制备燃料乙醇的研究，将超临界二氧化碳、酶法脱胶、微生物发酵技术和酶工程有机结合在一起，该技术可使麻类、玉米芯和芦苇的总糖转化率达67%，糖醇转化率达43%。* n$ e( p) c$ 1 Z* D0 b* _* + M这些研究为以农林废弃物作原料生产燃料乙醇打下了良好的基础。从现有的技术分析，采用酶水解技术更为合适。与酸水解相比，酶水解可在常压下进行，能量消耗低，产率较高。但是由于国内在酶生产技术、戊糖发酵菌株构建等方面还没有取得根本性突破，生产技术尚未完全成熟。目前国内所进行的中试研究，每吨燃料乙醇消耗原料都在6t
10、以上，生产成本在5000-6500元/t，还不适合产业化生产。据悉，今后在技术上的研究重点为：原料的预处理技术。农林废弃物的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素，只有纤维素能被降解转化为乙醇，因此要开发高效的原料预处理技术，从农林废弃物中获得最大量的纤维素。开发高活性的纤维素酶。纤维素酶存在生产效率低和生产成本高的问题，目前生产1gal(1gal=3.785L)乙醇纤维素酶的费用为3050美分，必须研究开发高活性的纤维素酶，使纤维素酶的成本降到5美分/gal乙醇才具竞争力。开发高效的发酵和分离提取工艺。目前燃料乙醇生产存在原料消耗、能耗高，转化率、收率低的问题，应开发高效的发酵和分离提取技术和工
11、艺，降低原料消耗和能耗，提高转化率和收率。国际上，已有国家在研发试验以纤维素为原料的燃料乙醇生产技术，加拿大Iogen公司在纤维乙醇技术开发领域居世界领先地位, 于2008年率先建成世界第一座工业规模纤维乙醇综合厂。壳牌投资4600万美元，建设年产20万t燃料乙醇的商业化生产线。德国正在开发使用木材和麦秆等生产高级柴油的技术。美国能源部也支持了一个投资巨大的纤维素乙醇中试及产业化攻关项目，旨在利用木材、稻草、玉米秸等纤维素废料生产燃料乙醇，其中仅发展高效纤维素水解酶技术的公司就获得能源部的3200万美元的政府拨款资助。在国家产业政策的扶持下，我国正逐步开展以纤维为原料生产燃料乙醇的工作。200
12、6年8月，河南天冠集团开始建设年产3000吨的纤维素乙醇项目。这是国内首条纤维素乙醇产业化生产线。这一生产线的建设与投入使用，将使得利用农作物秸秆类纤维质原料生产乙醇成为现实，其意义非常深远。由于受规模限制，纤维乙醇的生产成本高达6000至6500元/吨，按当时成本计算，比小麦为原料生产燃油乙醇的成本高500元至1000元，但是随着试验成功，产能扩大后，成本有望降低。中粮集团500 t/a纤维素中试装置于2006年11月22日一次试车成功，在世界上首次将连续汽爆技术应用于纤维乙醇生产，所用纤维素酶是中粮集团与丹麦诺维信公司联合开发的，从试验结果看各项技术指标均达到国际先进水平。以秸杆为原料生产
13、乙醇首先面临的是原料体积庞大，收集、运输、储存问题需很好解决；其次是原料木质素含量较高，当采用酸解预处理时所产生的酸性废水必须好好解决；最后是酶制剂所占成本比重很大，导致燃料乙醇成本偏高。2、生产技术概述以秸杆为原料生产乙醇的工艺为：秸秆预处理(有酸处理法、蒸汽爆破法、湿氧化法等)水解工艺(有稀酸、浓酸、酶水解)发酵(有同步糖化发酵法、固定化细胞发酵、木糖发酵)出池蒸馏脱水变性处理燃料乙醇。 （1）原料农作物秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。纤维素的化学组成十分简单，是由-D一葡萄糖通过1，4-苷键连接而成的线型结晶高聚物，它容易被纤维素酶水解，产生葡萄糖，进而通过发酵生产乙醇
14、，是生产农作物秸秆燃料乙醇的主要物质，其含量约占总量的40%50。半纤维素在结构和组成上变化很大，一般由较短、高度分枝的杂多糖链组成，链上连接着数量不等的甲酰基和乙酰基，其分支结构使半纤维素无定形化，比较容易被水解成其组成的糖类，但其所含的五碳糖不能被发酵利用，含量约占总量的20%30。木质素是以苯丙基为基本结构单元连接而成的高分枝多分散性高聚物,非常难于被降解。纤维素是细胞壁的主要成份，在纤维素的周围充填着半纤维素和木质素，阻碍了纤维素酶同纤维素分子的直接接触。可用于转化成酒精的生物质资源除农作物秸杆外，还包括针叶材、阔叶材、森林加工剩余物、农林废弃物以及城市纤维垃圾等，其原料成分分析如表1
15、。通过化学和生物化学的方法可将纤维素和半纤维素水解成单糖，继而发酵成酒精。（2）预处理 表1 植物纤维原料的组成(单位：，干基)原料纤维素戊聚糖木质素苯醇提取物灰分玉米杆40.122.318.85.13.9! Y Y; b/ x 2 L* x E稻 草36.520.617.63.65.8桦 木41.830.420.43.00.3红 松37.79.5257.50.3植物细胞壁中，微纤丝被半纤维素和木质素通过物理和化学作用所包裹，不利于纤维素酶对纤维素的进攻，未经预处理的植物纤维原料的天然结构存在许多物理和化学的屏障作用，纤维素酶水解得率低，仅为10%20左右，植物纤维原料在酶水解前必须经过预处理
16、，达到细胞壁结构破坏(包括破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接、降低纤维素的结晶度和除去木质素或半纤维素)、增加纤维素比表面积的目的，以便适合于纤维素酶的作用。植物纤维原料预处理的方法很多，包括物理法、化学法、生物化学法以及以上几种方法的联合作用，各种预处理的方法如表2。物理法预处理需要较多能量，预处理成本高，而且水解得率低；化学法预处理的不利因素是处理后的原料在产酶或酶解前需用酸或碱中和，产酶时间较长；利用白腐菌预处理的一个主要缺点是白腐菌在除去木质素的同时分解消耗部分纤维素和半纤维素。因此，物理法、化学法、生物法都不适合作为工业化生产的* X( C4 d! s0 M! Q; F8 表2
17、植物纤维原料的预处理方法+ 9 e h1 n! a6 K9 8 J/ X物理法化学法生物法联合法, I6 FJ( w$ D& Q$ d4 w5 h. I9 |% |, E射线处理盐酸水解白腐菌蒸汽爆碎法机械磨碎法硫酸水解高温机械磨碎法* V/ Z( & x! 醋酸水解碱-机械磨碎法 Y6 E+ D+ t( v+ * y氢氧化钠二氧化硫-蒸汽爆碎法; e3 h, E/ n V预处理方法。在各种预处理方法中，蒸汽爆碎法适合于植物纤维原料的预处理，在蒸汽爆碎过程中，物理和化学的作用使半纤维素水解成单糖和寡糖，部分木质素溶解而使得原料适合于纤维素酶的作用。蒸汽爆碎预处理的机理目前还不十分清楚，瑞典隆德
18、大学的puri认为，在蒸汽爆碎过程中，醋酸自水解是一个十分重要的反应。但Brownell等发现半纤维素链上含乙酰基较少的原料蒸汽爆碎预处理后酶水解仍能达到理想的效果。虽然植物纤维原料在蒸汽爆碎过程中的详细变化还不十分清楚，但在蒸汽爆碎过程中，将发生以下变化：细胞结构破环；纤维素结晶度和聚合度下降；半纤维素通过自水解作用转变成单糖和寡糖；纤维素-半纤维素-木质素的结构破坏；部分木质素的-芳醚键断裂且木质素发生部分缩合作用。（3）纤维素酶及酶水解纤维素酶是降解纤维素成为其葡萄糖单体所需的一组酶的总称，它不是单种酶，而是起协同作用的多组分酶系。一般认为主要包括三类酶组分：3 A$ I0 o+ j8
19、q9 s/ e! q l内切葡聚糖酶(EG)、外切葡聚糖酶（CBH）和纤维二糖酶（CB）。它们的水解机理是：EG以随机形式水解-1，4-葡聚糖，作用于较长的纤维素链，对末端键的敏感性比中间键小，主要产物是纤维糊精；CBH能从纤维素链的非还原端或者还原端一个一个地依次切下纤维二糖单位；CB能水解纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖。（4）发酵发酵是在无氧条件下，微生物（即酵母菌）分解葡萄糖等有机物，产生酒精和二氧化碳等不彻底氧化产物,同时释放出少量能量的过程。其化学反应式为：C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (放出能量:118 kJ/mol) 文字式为：糖（葡萄糖、果糖
20、或蔗糖） 醇类（乙醇） + 二氧化碳 + 能量 (ATP)。对于纤维材料的生物利用总的来说可分为二类：一类是先经纤维素酶或半纤维素酶水解产生葡萄糖、木糖等发酵性糖，再由另外一类微生物(如酵母菌)发酵产生乙醇等物质，即二步发酵法；第二类是经过一个步骤即可将纤维性物质转化为乙醇，其中又分为有二种微生物参与的同时糖化发酵和仅用一个菌株的直接发酵法两种。二步发酵法是先由微生物(多数为丝状真菌)在纤维性材料上产生纤维素酶和半纤维素酶，然后进行酶解纤维素、半纤维素产生糖，再由酵母菌发酵产生乙醇(即产酶、酶解、发酵三个步骤)。这三个步骤所需要的条件各不相同(如温度)，整个过程经历的时间较长，需要二种微生物的
21、作用，在工艺上较复杂，实际生产中很难应用；利用二株菌的同时糖化发酵法与两步法相比，可消除酶解时产物对酶解作用的抑制，缩短了发酵时间，但仍需二种微生物的分别作用，自20世纪八十年代以来，直接发酵法得到国内外同行的重视，它是仅利用一种微生物产生的纤维素酶和半纤维素酶酶解产生的糖仍由同一株菌来完成发酵的过程，此方法工艺简单，历时短，对纤维性材料的生物法全利用有很大实际意义。（5）蒸馏、脱水和变性蒸馏法是用来提高液体酒精度的一种工业生产方法，即先给含水较多的酒精加热使它汽化，把蒸气引出，再经过冷凝管冷却液化成纯度较高的酒精溶液。是一种化工操作的基本方法。脱水是将酒精由共沸物（含乙醇95.5%）提高至9
22、9.5%的加工过程。这一过程的技术含量高，目前有汽化膜脱水、真空蒸馏、化学反应脱水、气相分子筛脱水、三元共沸物蒸馏脱水（称Melle法）和萃取蒸馏等工艺。乙醇变性处理是指加入2%一5%(v/v)的变性剂(车用无铅汽油)后,使其成为与食用酒精相区别而不能饮用的燃料乙醇。此外还要加入微量的金属防锈剂。（6）污水处理目前我国以玉米为原料生产燃料乙醇的过程中排出大量高浓度有机废水，生产1t燃料乙醇排放废水约11-13t，其中COD含量一般都在8万-12万mg/L，最高达17万mg/L；硫酸根浓度为5000-8000mg/L，有的高达1.2万mg/L。如果以农林废弃物为原料生产燃料乙醇，排放的废水量更大
23、。较先进的污水处理工艺是采用“厌氧、好氧结合”工艺对生产和生活污水进行治理，处理后排放出水的水质达到国家污水综合排放标准(GB8978-1996)中一级标准。此工程包括：收集池、好氧工艺处理污水、发酵产沼气，生产用燃煤蒸汽锅炉进行燃气改造。滤液经好氧处理后污染物稳定就可达标排放。可大量减少COD排放量，大大促进了废物减量化、资源化和无害化。其经厌氧发酵产生的沼气经气水分离及脱S处理后送储气罐，通过管道则可用于锅炉燃料。据资料介绍，每生产1吨乙醇所产的废水可产沼气190m3-220m3。每立方米沼气的热值相当于1公斤标煤，故每产一吨乙醇可节约燃煤200公斤。三、我县秸杆资源分析我县是农业大县，秸
24、秆年产量约51万吨，以稻草、玉米秸秆、小麦秸秆和油菜秸秆为主，主要集中在平川和丘陵一带的主要农作物产区，以马畅到槐树关沿108沿线镇最为集中。由于秸秆产量未列入有关部门的统计范围，直接测量农作物秸秆单位面积的产量也比较困难，因而秸秆的产量通常依据农作物的产量计算而得，即采用“秸秆系数”法估测秸秆产量。, 6 K E7 v r* x; W5 e- u*秸秆系数是秸秆产量与谷物籽实产量的比值，其值参见表3我县各类农作物秸秆的种类及其对应的秸秆系数。利用秸秆系数乘以籽实产量可以估算出农作物秸秆的资源量。其估算公式如下。6 t/ I1 Y* O6 P6 e7 M2 E* u# c 表3 我县各类农作物
25、秸秆的种类及其对应的秸秆系数作物种类作物名称秸杆系数粮 食水 稻 1.0玉 米2.0高 粱2.0小 麦1.4油料作物大 豆1.5油菜籽2.0向日葵2.0式式中：S秸秆资源量；k秸秆的种类数；3 Y5 w4 D( b2 v* dsj某种农作物的籽实产量；Dj某种农作物对应的秸秆系数。我县现有耕地面积58万亩,农业常用耕地41.6万亩，其中水田20.3万亩，旱地21.3万亩。其粮油产量可按2013年种植计划和正常年份粮食单产计算，去年全年粮食收获面积52.5万亩。其中小麦18.9万亩6.9万吨，玉米10.9万亩3.3万吨，水稻21万亩12.6万吨，油菜16万亩6万吨。种植水稻21万亩，应产水稻12
26、.6万吨；种植玉米10.9万亩，应产玉米3.3万吨；种植小麦18.9万亩，应产小麦6.9万吨；种植油菜16万亩，应产菜籽6万吨。预计豆类杂粮总产为8万吨。根据表3和式（1）可计算出我县秸杆总量约为51万吨。我县所产秸杆现除用于还田和烧火做饭外，大部分焚烧掉了。这样即浪费了资源，又污染了环境。估计焚烧量大约占秸杆总量的75%，为38.3万吨。这部分秸杆完全可以用来生产燃料乙醇。秸秆中纤维素含量35%，按现有技术仅纤维素可产乙醇和每克葡萄糖理论酒精产量0.57克计算，每年这38.3万吨秸杆可产生乙醇约7.6万吨。随着纤维素酶酶解和发酵技术的不断进步，秸秆中的半纤维素也可部分或全部转化为乙醇，可产燃
27、料乙醇的数量还将大幅度提高。在我们开发利用秸秆资源的同时，应充分重视秸秆还田，以增加土壤有机肥含量，改善土壤的物理性质，保护土壤生态环境，发展可持续农业。而另一方面，随着城镇化建设的不断深入，居民点的集中，居住条件的改善，秸杆的家庭燃料作用将会消失，因而会为生物质燃料乙醇的生产提供更多的原料。& G6 ) 2 X0 M3 U3 e3 四、项目建设的技术方案根据目前国内外的生产技术发展现状，拟选用下述工艺路线。工艺流程为：（农作物秸杆）收集粉碎蒸汽连续爆碎纤维酶水解过滤酵母发酵过滤蒸馏冷凝脱水（无水乙醇）变性（燃料乙醇）产品方案为：以燃料乙醇为主产品，以二氧化碳、沼气、DDGS饲料和有机肥为副产
28、品。主产品燃料乙醇除调入汽油作为车用燃料外，还可以无水乙醇身份用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取染料、涂料、洗涤剂等产品的原料。此外乙醇还可用在稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等几大方面，其中用量最大的是消毒剂。但因含有过多的杂醇油，不宜食用。副产品还可以进一步深加工生产高附加值产品。在以农林废弃物为原料制取燃料乙醇时，只有纤维素被转化为乙醇，半纤维素和木质素未利用。半纤维素中含有木聚糖类、葡萄糖甘露聚糖、半乳糖，由于结构中带有羟基、醛基和糖甙键，在一定条件下，均能进行酯化或醚化反应。利用这些化学性质可以制备一些高附加值的化工产品，例如糠醛，它是合成高分子树脂、纤维、医药、农药等
29、的重要原料，以糠醛为原料可进一步制备糠醇、四氢糠醇、顺丁烯二酸酐、糠酸等重要精细化工产品。* e; H7 q& w) q O5 O& S8 木质素是一类以苯丙烷单体为骨架、具有网状结构的无定形高聚物，由于结构中含有羟基和醚键，可以利用这些性质制备一些化工产品，例如木质素磺酸盐，可用作混凝土减水剂、染料分散剂、石油钻井与采油助剂等。另外，采用接枝等方法制备的改性木质素，可以用作土壤调节剂、助凝剂、增稠剂等，还可制备碳纤维等。副产品中的二氧化碳是酵母发酵中产生的，给予收集后可销售给食品企业作为食品级二氧化碳使用。五、项目的经济分析燃料乙醇售价受制于汽油的价格波动。目前, 国家对燃料乙醇实行特殊定价政策并且有专门财政补贴以使市场上燃料乙醇价格略低于汽油价格,从而增强燃料乙醇相对于汽油的市场竞争力。燃料乙醇的价格是按照汽油价格的0.9111倍确定的,所以销售燃料乙醇的实际收入包括两部分,即汽油价格的0.9111- e# p O. z* # Z倍和政府补贴，即实际收入=0.9111 汽油价格+政府补贴。根据国家2005年制定的燃料乙醇
