生物質發電成套設備國家工程實驗室

2013.11

第五講液體生物燃料技術楊世關

當年美國社會經濟發展建立在高能耗的基礎上的，如今也要經歷痛苦的轉型，走向綠色經濟。恰恰悍馬身上所包藏著頑固的高能耗基因，注定它必然遭遇新一代社會心理上的抵制。悍馬的終結讓人們重新思考汽車業的走向和未來，悍馬之死，可以說是死得其所。悍馬之死——高油耗汽車時代的終結

2009年5月19日，奧巴馬政府公布了1項汽車節能減排計劃。其目標是到2016年，美國境內新生產的客車和輕型卡車百公里油耗不超過6.62升，二氧化碳排放量比現有車輛平均減少1/3。這項計劃將從2012年起實施，汽車節能標準將每年提高5%以上，直至2016年實現預期目標。預計這項計劃可使美國在2012-2016年間減少原油消耗18億桶，減少溫室氣體排放9億噸。提高能效——奧巴馬能源新政措施之一Total11,693mil.Bu.（1）第零代生物燃料，是生物燃料的彷徨時代，受到石化燃料的競爭和排擠，生物燃料在1970年代前未有顯著發展；（2）第一代生物燃料，是生物燃料的糧食時代，主要以糧食為原料，發展日受非議和限制；（3）第二代生物燃料，將跳出糧食時代邁向纖維素時代，目前正處在大規模商業化的前夜；（4）第三代生物燃料，一個微藻制取生物燃料，美國、以色列、歐洲、加拿大、阿根廷、澳大利亞等國正在積極研究。生物燃料的發展發展歷程：第零代生物燃料：1900年:RudolfDiesel發明了直接燃用花生油的內燃機。這是一臺固定的，低轉速內燃機

（<300rpm）11第一代生物燃料：第二代生物燃料：第三代生物燃料：微藻的優勢海洋硅藻的生產不需要占用良好的農業用地不需要有淡水資源無需進行無需使用肥料土地平整殺蟲劑和除草劑利用效率高德國的商業化光生物反應器多種的培養方式更多的培養方式……產量兆凱生物研發中心已經穩定達到每天每升培養液中0.2克干藻產量。

在他們的開放式光生物反應器中，20cm的水深就可以每年每公頃生產干藻：120噸生產微藻的最高總脂含量為24%，相當于每年每公頃養殖面積生產28,800kg油脂。粗略估計潛在生物柴油產量為每年每公頃25000升。目前有望將油脂含量提高到25%以上。1（一）燃料乙醇燃料酒精（AlcoholFuel）主要是指通過生化工藝生產的前四種脂肪族酒精（甲醇、乙醇、丙醇、丁醇），他們的物理化學特性與汽油相似，是替代汽油的重要發展方向，一般采用生化工藝生產，也稱作生物酒精（Bioalcohol）。脂肪族酒精的化學式是CnH2n+1OH，辛烷值都與汽油相近，但是能量密度差異較大，n值越大能量密度越大。丁醇是汽油的最佳替代品，但是相對于甲醇和乙醇，丙醇和丁醇的生產工藝復雜。甲醇極易揮發而且有劇毒性和腐蝕性，難以作為交通工具燃料廣泛應用，而且能量密度最低，無法直接在汽油引擎中燃用。燃料酒精主要以燃料乙醇（Bioethanol）為主。基本概念燃料乙醇（EthanolFuel），也被稱為生物乙醇(Bioethanol)，是燃料酒精中最為成熟、發展最快的一種。基于能量密度的差異，汽油引擎無需改進便可以燃用15%以下比例的乙醇汽油，經過改進后便可以正常燃用任何比例的乙醇汽油。基本概念醇類燃料與汽油的對比性質甲醇乙醇汽油化學式CH3OHC2H5OHC4-12烴合物相對分子質量324695—120碳(%)37.552.585—88氫(%)12.51312—15氧(%)5034.80C/H33.9715.6—7.4密度(20℃)(kg/L)0.7920.78930.72—0.78沸點(℃)64.878.530—200凝固點(℃)-98-114-57粘度(20℃)(mPa·s)0.61.20.65—0.85辛烷值或十六烷值112(RON)111(RON)91(RON)汽化潛熱(kJ/kg)1109904297汽油的辛烷值越高，抗爆性就越好，發動機就可以用更高的壓縮比。這樣既可提高發動機功率，增加行車里程數，又可節約燃料，對提高汽油的動力經濟性能是有重要意義的。基本概念車用汽油的牌號是按照辛烷值區分的。如93，97號等。93號車用汽油即表明該汽油辛烷值不低于93。根據辛烷值的實測結果可判定屬哪一牌號的車用汽油；淀粉原料乙醇生產工藝流程纖維燃料乙醇生產工藝流程29CelluloseFiberHemicelluloseLigninPectinOtherpolysaccharides生物質原料的結構纖維素呈結晶狀擰合成纖維束半纖維素和其他多聚糖纏繞著纖維束木質素像膠水一樣覆蓋和凝合著各種物質水解酶或其他化學物質很難滲透到纖維素表面纖維束半纖維素木質素果膠質其他多聚糖

30秸桿或其他原料組分分離預處理酶制劑生物降解乙醇分離從秸桿到乙醇燃料31CrystallineRegionAmorphousRegionCelluloseLigninHemicellulosePretreatment預處理的作用預處理纖維素木質素無定形區結晶區半纖維素Source:F.O.Licht(in“NewtrendstotheethanolsupplychaininBrazil”,Simoes,R.B.,MasterThesis,UniversiteitVanTilburg,Holanda,Jul-2006)小麥玉米甜菜甘蔗燃料乙醇生產過程能源平衡能量產出/能量投入醇是一種溶劑，發動機使用初期，燃油系統零部件、油路和燃油管壁上沉積物會剝落，導致濾清器堵塞，一些黑色金屬和有色金屬將腐蝕。長期使用醇-汽油混合燃料，潤滑油酸值和粘度將會增加，在發動機進氣系統部件中，易產生油污，導致拉缸。使用摻醇汽油后，汽車燃油耗和發動機動力性有所下降。醇的氣化潛熱比汽油高，在寒冷地區會使混合燃料難以氣化，不易起動。容易分層，使汽油和醇互溶性變差，影響燃油的品質。汽車燃用醇類燃料時應注意的問題：

序號企業名稱核準能力原料組成1吉林燃料乙醇有限公司50玉米2河南天冠企業集團有限公司30小麥、玉米為主3安徽豐原生物化工有限公司32玉米小麥為主4中糧生化能源肇東有限公司10玉米5廣西中糧生物質能源有限公司20木薯合計142國內主要燃料乙醇生產企業情況

(萬噸/年)

國內燃料乙醇原料逐步以玉米為原料,玉米占原料比例從2001年的59%提高到2007年的86%。我國燃料乙醇生產能力2007-2008年各地區燃料乙醇產量統計表（單位百萬加侖）國家/地區美國巴西歐盟中國加拿大泰國哥倫比亞印度澳大利亞其它合計2007年6,4995,019570486211797553268213,1012008年9,0006,4727345022389079662612817,335全球燃料乙醇產量持續增長美國燃料乙醇發展目標2007年頒布的可再生能源標準(RFS)2005年能源政策法案產量目標(十億加侖)乙醇和生物柴油傳統生物燃料（淀粉）生物柴油纖維素乙醇其它先進生物燃料先進生物燃料

(包括纖維乙醇)傳統生物燃料（淀粉）能力150億加侖/年

2007年美國國會通過能源獨立與安全法（EISA）→包括新的可再生燃料標準（RFS），強制要求生物燃料的用量在2022年達到1.08億噸美國的發展進程加速！巴西燃料乙醇發展情況巴西現有96家專門生產乙醇的工廠，233家工廠即生產乙醇又生產蔗糖，2007年共生產蔗糖3100萬噸，生產乙醇1784萬噸。2008年共生產蔗糖3130萬噸，生產乙醇2040萬噸（257億升）。巴西乙醇生產供應鏈上共有7萬多家甘蔗供應商、330余個乙醇廠、261個批發商和618個零售商，其中巴西石油公司在全國建有8個乙醇收集中心、67個調配中心、1萬公里輸送管道和1千萬立儲罐現有1條乙醇管道，規劃到2012年前，將新建2條乙醇輸送管道，新增輸送能力1350萬噸/年，總投資23億美元。強制在汽油中添加燃料乙醇的比例提高到25%奧巴馬政府推出稅收